CN103275357A - 导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉及其生产工艺，各组份的配方为：不同粒径氧化铝40～60%、纳米碳化硅5～25%、纳米氮化铝3～15%、纳米氧化锌2～12%、纳米氧化镁1～10%、纳米氮化硅4～10%、纳米氮化硼1～8%。生产工艺为把所述组份进行表面活化处理，复配。该配方的主要特点是：原材料易得，制得的复合导热粉导热性能高，添加量少。使用本发明的配方可以制备用作各类埋地施工线缆的散热护套管。

Description

导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉及其生产工艺

技术领域

本发明属于电力、通讯系统材料领域，尤其涉及一种导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉及其生产工艺。

背景技术

聚合物基导热复合材料的研究与开发在20世纪90年代开始成为功能性复合材料的研究热点之一。聚合物作为基体材料，具有重量轻、耐腐蚀、强度高、易加工和较好的力学性能，但同时存在易积累静电荷、导热性能差的缺点。散热在电子工业和电力工业中是一个至关重要的问题，比如对于电子元器件，热量来不及散除将导致其工作温度升高，产生电线包覆绝缘层或电力电缆护套管老化、熔触导致线路短路甚至着火等安全隐患。

目前聚合物基导热复合材料主要采用金属、石墨、炭黑、碳纤维等填充材料，这些导热复合材料虽具有优良的导热性能，但材料的介电常数低，易被电击穿。添加无机金属氧化物填料，并使得填料对基体的力学性能影响最小，形成一种新型功能复合材料，既能提高材料的导热能力，又能保持良好的绝缘性能和力学性能。所以对聚合物材料进行绝缘导热改性，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉及其生产工艺，解决了使用金属、石墨、炭黑、碳纤维等填充材料而绝缘性能不良的问题。由于采用复合导热粉，有效提高了复合材料的导热和绝缘性能，采用的生产配方及生产工艺，控制方便，确保了制品质量的稳定性，制品的主要优点是：弹性弯曲模量大、热导系数高、介电常数大、维卡软化温度高。

本发明的目的是这样实现的，所述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉，它是由下述重量百分比配比的原料制成：

不同粒径球形氧化铝      40～60%

纳米碳化硅                     10～20%

纳米氮化铝                      5～15%

纳米氧化锌                      6～12%

纳米氧化镁                      5～10%

纳米氮化硅                      4～8%

纳米氮化硼                       3～7%

钛酸酯偶联剂                    0.5-2%

所述的不同粒径球形氧化铝是由粒径在5~20μm和60~80μm的氧化铝按5-8∶2-5比例混合而成的。

所述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉，优选配比为：

不同粒径球形氧化铝       48%

纳米碳化硅                      16%

纳米氮化铝                      12%

纳米氧化锌                      8%

纳米氧化镁                      6%

纳米氮化硅                      4.8%

纳米氮化硼                      4.0%

钛酸酯偶联剂                    1.2%

所述的不同粒径球形氧化铝是由粒径在5~20μm和60~80μm的氧化铝按6∶4比例混合而成的。

本发明所述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉的生产工艺，包括如下步骤：将由粒径为5~20μm和粒径为60~80μm的氧化铝按重量比为6∶4比例称重混合后形成的不同粒径的球形氧化铝产品与纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼按重量比为60∶20∶15∶10∶8∶6∶5比例称重后，分散在去离子水中，充分搅拌0.5~1小时，升温至70℃，加入钛酸酯偶联剂，钛酸酯偶联剂占纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅和纳米氮化硼总重量的1%，恒温搅拌0.5~1小时，所得产物过滤、干燥，经乙醇浸泡后抽滤，最后在100~120℃下烘干2~4小时复配共混而成。

所述的纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼，是分别经80~100℃干燥1小时后备用。

本发明用于制备的导热绝缘电力电缆护套管专用料，它是由下述重量百分比配比的原料制成：

上述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉       35～45%

PP树脂                                                                            25～35%

聚烯烃弹性体                                                                  10～20%

丁苯橡胶                                                                            5～10%

PP-g-MAH相容剂                                                              4～8%

分散剂                                                                                  2～5%

抗氧化剂1010                                                                     1～2%

抗氧化剂168                                                                       1～2%。

本发明所述的导热绝缘电力电缆护套管专用料的生产工艺，包括如下步骤：1）导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉的制备，其具体步骤为：将由粒径为5~20μm和粒径为60~80μm的氧化铝按重量比为6∶4比例称重混合后形成的不同粒径的球形氧化铝产品与纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼按重量比为60∶20∶15∶10∶8∶6∶5比例称重后，分散在去离子水中，充分搅拌0.5~1小时，升温至70℃，加入钛酸酯偶联剂，钛酸酯偶联剂占纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅和纳米氮化硼总重量的1%，恒温搅拌0.5~1小时，所得产物过滤、干燥，经乙醇浸泡后抽滤，最后在100~120℃下烘干2~4小时复配共混而成；2）步骤1）制备的复合导热粉与PP树脂、POE 、SBR、PP-g-MAH、分散剂、抗氧化剂1010、抗氧化剂168按比例称重后，经高速混合机充分搅拌混合，通过挤出机挤出造粒，再经热风干燥机于80℃下干燥4小时后而成；

上述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉   35～45%

PP树脂                                                                       25～35%

聚烯烃弹性体                                                            10～20%

丁苯橡胶                                                                     5～10%

PP-g-MAH相容剂                                                        4～8%

分散剂                                                                           2～5%

抗氧化剂1010                                                              1～2%

抗氧化剂168                                                                 1～2%。

具体地说，本发明的目的是这样实现的，先将氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼，是分别经80~100℃干燥1~2小时后，按比例分散在去离子水中，充分搅拌约0.5~1小时，升温至70℃，加入钛酸酯偶联剂，恒温搅拌0.5~1小时h，所得产物过滤、干燥，经乙醇浸泡后抽滤，最后在100~120℃下干燥2~4小时复配共混而成的复合导热粉。上述复合导热粉料各组份的重量百分比配方为：不同粒径氧化铝40～60%、纳米碳化硅5～25%、纳米氮化铝3～15%、纳米氧化锌2～12%、纳米氧化镁1～10%、纳米氮化硅4～10%、纳米氮化硼1～8%；所述的不同粒径氧化铝是将粒径在5~20μm和60~80μm的球形氧化铝按6∶4比例称重混合后，经80~100℃干燥1~2小时而成。本发明所述的复合导热粉各组分重量百分比之和为100%。

上述的配方中的1）球形氧化铝：球形氧化铝主要用来增加材料导热系数的填料，纳米级氧化铝作为高导热领域的填充粉体；广泛应用于导热塑料、导热橡胶、导热粘合剂、导热涂料。

 2）碳化硅：碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成，碳化硅具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好等优点。

3）氮化铝：氮化铝是由ⅢA族元素Al和ⅤA族元素N化合而成的半导体材料，具有导热性好，热膨胀系数小，抗熔融金属侵蚀的能力强，电绝缘体好，介电性能好等优点。

本发明具有如下特点，应用复配共混技术，其主要成份为不同粒径的球形氧化铝产品与纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼等多种超高导热填料的组合而成，根据每种材料的粒径、形态，表面易润湿性，掺杂分数，自身导热性能的不同，使用粒径不同的粒子，让填料间形成最大的堆砌度，使体系中的导热网络最大程度上形成而达到有效的热传导，获得高导热体系；

使用本发明的配方可以制备用作各类埋地施工线缆的散热护套管，本发明的配方应用在导热绝缘电力电缆护套管上获得的导热绝缘电力电缆护套管产品经测试，弯曲弹性模量≥1500MPa，维卡软化温度（10N，50℃/h）≥135℃，环刚度（23±2）℃≥23.0kN/m²，热导率≥1.0W/m?k，介电常数≥26kV/mm。

本发明的配方制品的主要特点是：强度高、韧性大、热稳定性好、绝缘与导热性能良好，适用于导热支架及导热波纹管等。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明：

下述实施例中所采用的纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅和纳米氮化硼均选自北京德科岛金科技有限公司生产的30～50nm的产品。

本发明所述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉是由下述重量百分比配比的原料制成：

不同粒径球形氧化铝      40～60%

纳米碳化硅                     10～20%

纳米氮化铝                      5～15%

纳米氧化锌                      6～12%

纳米氧化镁                      5～10%

纳米氮化硅                      4～8%

纳米氮化硼                      3～7%

钛酸酯偶联剂                    0.5-2%

所述的不同粒径球形氧化铝是由粒径在5~20μm和60~80μm的氧化铝按5-8∶2-5比例混合而成的。

优选地说，本发明的配方由下列实施例配比组成，它作为应用实例1-3的具体原料，它是采用如下之一的优选方法制备而成的：

实施例一：将粒径在5~20μm和60~80μm的氧化铝按重量比为6∶4比例称重混合后的产品，再与纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼按重量比为60∶20∶15∶10∶8∶6∶5比例称重后，分散在去离子水中，充分搅拌1小时，升温至70℃，加入钛酸酯偶联剂（异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯），钛酸酯偶联剂占纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅和纳米氮化硼总重量的1%，恒温搅拌1小时，所得产物过滤、干燥，经乙醇浸泡后抽滤，最后在110℃下烘干3小时复配共混而成为复合导热粉。

实施例二：将粒径在5~20μm和60~80μm的氧化铝按重量比为6∶4比例称重混合后的产品，再与纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼按重量比为48∶16∶12∶8∶6∶4.8∶4比例称重后，分散在去离子水中，充分搅拌1小时，升温至70℃，加入钛酸酯偶联剂（异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯），钛酸酯偶联剂占纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅和纳米氮化硼总重量的1.2%，恒温搅拌1小时，所得产物过滤、干燥，经乙醇浸泡后抽滤，最后在110℃下烘干3小时复配共混而成为复合导热粉。

本发明上述两个实施例的配方中1）球形氧化铝，选自日本新日铁公司生产的；2）纳米碳化硅、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化铝、纳米氮化硅及纳米氮化硼，均选自北京德科岛金科技有限公司生产的；3）钛酸酯偶联剂，选自南京品宁偶联剂有限公司生产的；

本发明下述的实例1-3的配方中的1）PP-g-MAH相容剂：聚丙烯经反应挤出接枝马来酸酐制得。非极性的分子主链上引入了强极性的侧基，马来酸酐接枝聚丙烯可以成为增进极性材料与非极性材料粘接性和相容性的桥梁。在生产填充聚丙烯时添加马来酸酐接枝聚丙烯，可极大地改善填料和聚丙烯亲和性和填料的分散性。故能有效地增强填料在聚丙烯中的分散，从而提高填充聚丙烯的拉伸和冲击强度。本发明实例采用型号为CMG9801型，来自上海日之升新技术发展有限公司生产的产品（马来酸酐接枝的均聚聚丙烯）。

2）聚烯烃弹性体POE：塑料是采用茂金属催化剂的乙烯和辛烯实现原位聚合的热塑性弹性体，它不仅具有优异的韧性，而且又有良好的加工性、耐老化与聚烯烃相容性好等优点。本发明实例选自美国杜邦-陶氏弹性体公司生产的型号为8842型的聚烯烃弹性体。

3）丁苯橡胶SBR：它是丁二烯与苯乙烯的无规共聚物。其物理机构性能，加工性能及制品的使用性能接近于天然橡胶，具有耐磨、耐热、耐老化及硫化速度较天然橡胶等优点。本发明实例选自吉林石化有限公司生产的型号为1502型的丁苯橡胶产品。

4）PP树脂，本发明实例选自大庆炼化有限公司的型号为B4228型的产品。

5）分散剂，采用本领域常规的市售产品，其组成可以是磺化萘浓缩产品，阴离子型，或氧化聚乙烯、硬脂酸盐、白油或邻苯二甲酸二(2-乙基己)酯，本发明实例选自分散剂（JL-M01型），其组成：高活性基体材料经多相合成技术聚合而成，选自南京金来旺塑胶技术有限公司生产的。

6）抗氧化剂，所述的抗氧剂可以为受阻酚类抗氧剂和/或亚磷酸酯类抗氧剂，本发明采用选自青岛市海大化工有限公司生产的型号为1010型和168型的产品。具体地说：抗氧剂为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯和/或三[2，4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯。

下述应用实例1-3中所用的复合导热粉是采用上述两种实施例（配方）之任一方法制备的均可。

应用实例1

本实例1所选择的配方各种原料，总量为100千克，其重量比为：实施例二的复合导热粉∶PP树脂∶POE∶SBR∶PP-g-MAH∶分散剂∶抗氧化剂1010∶抗氧化剂168=45∶30∶10∶7∶4∶2∶1∶1，先将所述配比的70318型PP树脂与POE、SBR在温度40℃、转速100r/min、时间10min的低速搅拌处理，再依次加入所述配比量的上述制备的复合导热粉、PP-g-MAH，经温100℃，转速1000 r/min、时间13min 的高速搅拌处理，最后加入所述配比量的分散剂、抗氧化剂1010、抗氧化剂168，再混合搅拌8min，通过挤出机挤出造粒，经热风干燥机于80℃下干燥4小时后制成导热绝缘电力电缆护套管专用料粒，在塑化温度210℃、注塑压力700kg/cm²的注塑成型加工后制成导热绝缘电力电缆护套管，经测试，弯曲弹性模量≥1500MPa，微卡软化温度（10N，50℃/h）≥135℃，环刚度（23±2）℃≥23.0kN/m²，热导率≥1.0W/m?k，介电常数≥26kV/mm。

应用实例2

本实例2所选择的配方各种原料，总量为100千克，其重量比为：实施例二的复合导热粉∶PP树脂∶POE∶SBR∶PP-g-MAH∶分散剂∶抗氧化剂1010∶抗氧化剂168=35∶30∶15∶10∶5∶2∶1.5∶1.5，先将所述配比的70318型PP树脂与POE、SBR在温度25℃、转速110r/min、时间8min的低速搅拌处理，再依次加入所述配比量的上述制备的复合导热粉、PP-g-MAH，经温90℃，转速1100 r/min、时间18min 的高速搅拌处理，最后加入所述配比量的分散剂、抗氧化剂1010、抗氧化剂168，再混合搅拌6min，通过挤出机挤出造粒，经热风干燥机于80℃下干燥4小时后制成导热绝缘电力电缆护套管专用料粒，在塑化温度205℃、注塑压力500kg/cm²的注塑成型加工后制成导热绝缘电力电缆护套管，经测试，弯曲弹性模量≥1500MPa，维卡软化温度（10N，50℃/h）≥135℃，环刚度（23±2）℃≥23.0kN/m²，热导率≥1.0W/m?k，介电常数≥26kV/mm。

应用实例3

本实例3所选择的配方各种原料，总量为100千克，其重量比为：实施例一的复合导热粉∶PP树脂∶POE∶SBR∶PP-g-MAH∶分散剂∶抗氧化剂1010∶抗氧化剂168=33∶35∶12∶5∶8∶3∶2∶2，先将所述配比的70318型PP树脂与POE、SBR在温度50℃、转速120r/min、时间11min的低速搅拌处理，再依次加入所述配比量的上述制备的复合导热粉、PP-g-MAH，经温70℃，转速1050 r/min、时间16min 的高速搅拌处理，最后加入所述配比量的分散剂、抗氧化剂1010、抗氧化剂168，再混合搅拌8min，通过挤出机挤出造粒，经热风干燥机于80℃下干燥4小时后制成导热绝缘电力电缆护套管专用料粒，在塑化温度215℃、注塑压力750kg/cm²的注塑成型加工后制成导热绝缘电力电缆护套管，经测试，弯曲弹性模量≥1500MPa，微卡软化温度（10N，50℃/h）≥135℃，环刚度（23±2）℃≥23.0kN/m²，热导率≥1.0W/m?k，介电常数≥26kV/mm。

Claims (6)

1.一种导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉，它是由下述重量百分比配比的原料制成：

不同粒径球形氧化铝      40～60%

纳米碳化硅                     10～20%

纳米氮化铝                      5～15%

纳米氧化锌                      6～12%

纳米氧化镁                      5～10%

纳米氮化硅                      4～8%

纳米氮化硼                      3～7%

钛酸酯偶联剂                    0.5-2%

所述的不同粒径球形氧化铝是由粒径在5~20μm和60~80μm的氧化铝按5-8∶2-5比例混合而成的。

2.根据权利要求1所述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉，其特征在于重量百分比配比为：

不同粒径球形氧化铝       48%

纳米碳化硅                      16%

纳米氮化铝                      12%

纳米氧化锌                      8%

纳米氧化镁                      6%

纳米氮化硅                      4.8%

纳米氮化硼                      4.0%

钛酸酯偶联剂                    1.2%

所述的不同粒径球形氧化铝是由粒径在5~20μm和60~80μm的氧化铝按6∶4比例混合而成的。

3.一种导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉的生产工艺，包括如下步骤：将由粒径为5~20μm和粒径为60~80μm的氧化铝按重量比为6∶4比例称重混合后形成的不同粒径的球形氧化铝产品与纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼按重量比为60∶20∶15∶10∶8∶6∶5比例称重后，分散在去离子水中，充分搅拌0.5~1小时，升温至70℃，加入钛酸酯偶联剂，钛酸酯偶联剂占纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅和纳米氮化硼总重量的1%，恒温搅拌0.5~1小时，所得产物过滤、干燥，经乙醇浸泡后抽滤，最后在100~120℃下烘干2~4小时复配共混而成。

4.根据权利要求3所述的导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉的制备方法，其特征在于所述的纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼，是分别经80~100℃干燥1小时后备用。

5.一种导热绝缘电力电缆护套管专用料，它是由下述重量百分比配比的原料制成：

权利要求1或2导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉 35～45%

PP树脂                                                                                      25～35%

聚烯烃弹性体                                                                           10～20%

丁苯橡胶                                                                                    5～10%

PP-g-MAH相容剂                                                                       4～8%

分散剂                                                                                         2～5%

抗氧化剂1010                                                                           1～2%

抗氧化剂168                                                                              1～2%。

6.一种导热绝缘电力电缆护套管专用料的生产工艺，包括如下步骤：1）导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉的制备，其具体步骤为：将由粒径为5~20μm和粒径为60~80μm的氧化铝按重量比为6∶4比例称重混合后形成的不同粒径的球形氧化铝产品与纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅、纳米氮化硼按重量比为60∶20∶15∶10∶8∶6∶5比例称重后，分散在去离子水中，充分搅拌0.5~1小时，升温至70℃，加入钛酸酯偶联剂，钛酸酯偶联剂占纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氮化铝、纳米氧化锌、纳米氧化镁、纳米氮化硅和纳米氮化硼总重量的1%，恒温搅拌0.5~1小时，所得产物过滤、干燥，经乙醇浸泡后抽滤，最后在100~120℃下烘干2~4小时复配共混而成；2）步骤1）制备的复合导热粉与PP树脂、POE 、SBR、PP-g-MAH、分散剂、抗氧化剂1010、抗氧化剂168按比例称重后，经高速混合机充分搅拌混合，通过挤出机挤出造粒，再经热风干燥机于80℃下干燥4小时后而成；

权利要求1或2导热绝缘电力电缆护套管专用复合导热粉  35～45%

PP树脂                                                                                     25～35%

聚烯烃弹性体                                                                           10～20%

丁苯橡胶                                                                                   5～10%

PP-g-MAH相容剂                                                                     4～8%

分散剂                                                                                          2～5%

抗氧化剂1010                                                                            1～2%

抗氧化剂168                                                                              1～2%。