CN103280280A - 一种提高聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压电气绝缘材料技术领域，特别涉及一种用于提高聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的有效方法。该方法采用在一定温度下，以一定比例的含氟气体与聚合物绝缘子接触发生氟化反应，在聚合物表面形成一定厚度的氟化层。本发明的特点是，通过气体氟化反应在聚乙烯、聚丙烯、尼龙等聚合物表面形成氟化层，改善了绝缘体的真空沿面闪络特性，提高了绝缘体的表面击穿电压，使氟化后绝缘子的表面绝缘强度为未氟化绝缘子的1.2～1.6倍。

Description

一种提高聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的方法

技术领域

本发明属于电气高压绝缘材料领域，具体涉及一种用于提高高分子聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的方法。

背景技术

绝缘子是一种用于电气绝缘和机械固定的部件，它的作用是将不同电位的导电体在机械上相互连接，在电气上相互绝缘。随着科学技术的发展，绝缘子的沿面闪络现象成为真空电气设备中面临的一个突出问题，沿面闪络使绝缘子的耐压能力远低于其体击穿电压，并大大低于相同距离的真空间隙。随着高功率脉冲技术在国民经济和国防建设中作用的日益凸显，许多大型尖端设备，如高功率微波源、强流粒子束加速器、高强度X射线源、高功率脉冲激光器等，这些真空高压装置向更高功率、高容量、小型化的发展，这对真空绝缘器件沿面闪络强度提出了更高的要求，因此具有良好真空绝缘闪络特性的绝缘体研究具有重要的意义。

真空绝缘沿面闪络现象的发生，严重制约着高压真空设备的耐压能力，影响设备正常运行，甚至造成巨大的损失。真空—绝缘体交界面是一个物理性质和化学性质均不同于真空状态和绝缘介质内部的物质相，即使在真空环境中，聚合物表面仍会吸附一层气体分子。真空沿面闪络现象，事实上是一种在绝缘体表面气体脱附后形成的高气密环境中发生的贯穿性放电过程，因此，绝缘体表面吸附气体释放是导致闪络发生的关键，提高绝缘体的表面性质对其真空绝缘闪络特性有非常重要的影响。国内外研究者通过多种方法如机械抛光、电火花处理、激光刻蚀、表面掺杂、制备涂层或薄膜等，改善绝缘体材料的表面性能。多种方法有一定的效果，但均存在提高真空绝缘闪络特性幅度不大、可靠性不高或表面层寿命短等缺陷。本发明采用气体氟化技术处理聚合物绝缘子表面能够很好的解决上述问题。

气体氟化技术是利用含氟气的气体在密闭室内与聚合物进行接触，聚合物表面分子中的碳—氢键被氟原子代替形成键能更高的碳—氟键，从而在聚合物表面（深度<10μm）形成一层具有特殊性能的氟化层，而聚合物内部仍旧保持原有的性质。气体氟化技术目前已在改善材料的耐溶剂渗透、润滑、化学稳定性等领域得到广泛的应用。利用气体氟化技术提高聚合物绝缘性能的报道非常少，而将气体氟化技术用于改善聚合物真空沿面闪络性能领域尚无人涉及。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高聚合物真空沿面闪络性能的方法，即利用气体氟化技术对聚合物的表面分子进行氟化改性，在聚合物表面形成一定厚度的氟化层，改善绝缘体的真空沿面闪络特性，提高绝缘体的表面击穿电压。本发明具有应用面广、可靠性高、工艺难度小、成本低等优点。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种提高聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的方法，其特殊之处是：将聚合物绝缘子放置在气体氟化试剂中，在温度高于0度且低于聚合物材料的玻璃化转变温度以及气体压强为0.1～2atm的条件下进行氟化反应0.5～24h，直至形成表面氟化层；所述的聚合物绝缘子的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯醚；所述的气体氟化试剂为含氟气体或者含氟气体与氮气的气体混合物或者含氟气体与惰性气体的气体混合物；所述含氟气体占气体混合物中的体积浓度为1～10%。

上述的含氟气体为氟气、二氟化氙气体、三氟化氯或三氟化溴气体。

上述聚合物绝缘子的表面氟化层的厚度为0.3-3μm。

采用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

1、本发明采用的气体氟化技术操作简单，影响因素少，该方法仅对与聚合物绝缘体真空沿面闪络特性相关的材料表面（深度<10μm）进行改性，显著地提高了绝缘体的表面击穿电压；而材料的内部仍保留了材料原有的性能。因此具有应用面广、可靠性高、工艺难度小、成本低等优点。可方法可用于真空高压绝缘器件领域。

2、本发明提出的气体氟化技术可直接对绝缘器件进行处理，而且反应条件温和，不影响器件的加工和使用。

3、本发明提出的气体氟化技术可应用于聚乙烯、聚丙烯、尼龙、聚苯乙烯、有机玻璃、聚苯醚、环氧树脂等高分子聚合物绝缘子材料，而且从原理上分析，对其它高分子碳链上含氢元素的其它聚合物绝缘子材料也具有有效性。

附图说明

图1为实施例1聚苯乙烯氟化前后的FTIR吸收谱；

图2为实施例1聚苯乙烯的XPS全谱；

图3为实施例1聚苯乙烯氟化后的XPS全谱；

具体实施方式

本发明提供的提高聚合物真空沿面闪络性能的方法，典型反应步骤为：

一、将聚合物绝缘子放入密封反应器中，将反应器抽真空。

二、反应器中充入含氟气体/惰性气体混合物至0.1～2atm。

三、根据聚合物材料的不同，控制氟化反应温度为室温～100°C，反应时间为0.5h～24h，最高氟化温度不超过聚合物材料的玻璃化转变温度。

四、将反应器中的气体用氮气充分置换后，即可打开反应器取出聚合物绝缘子。

实施例1：

1）在室温25℃下，将聚苯乙烯绝缘子放入密闭反应器中，然后将反应器抽真空至压力小于10^-2Pa；

2）向反应器中充入1.0atm的氟气/氮气混合气体，其中氟气的体积浓度为20%；

3）控制反应器的温度至50°C，反应时间为2h；

4）反应结束后，用氮气将反应室中的含氟混合气吹扫至碱液吸收塔内进行尾气处理；

5）将反应器冷却至室温后取出聚苯乙烯绝缘子。

实施例2：

1）在室温下，将高密度聚乙烯绝缘子放入密闭反应器中，然后将反应器抽真空至压力小于10^-2Pa；

2）向反应器中充入2atm的三氟化氯/氮气混合气体，其中三氟化氯气体的体积浓度为5%；

3）在室温下（18°C）进行反应，反应时间为24h；

4）反应结束后，用氮气将反应室中的含氟混合气吹扫至碱液吸收塔内进行尾气处理；

5）将反应器打开取出聚乙烯绝缘子。

实施例3：

1）在室温下，将聚酰胺（尼龙）绝缘子放入密闭反应器中，然后将反应器抽真空至压力小于10^-2Pa；

2）向反应器中充入0.1atm的二氟化氙气体；

3）在100°C下进行反应，反应时间为0.5h；

4）反应结束后，用氮气将反应室中的二氟化氙气体吹扫至碱液吸收塔内进行尾气处理;

5）将反应器打开取出尼龙绝缘子。

实施例4：

1）在室温下，将聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）绝缘子放入密闭反应器中，然后将反应器抽真空至压力小于10^-2Pa；

2）向反应器中充入1.0atm的三氟化溴/氦气混合气体，其中三氟化溴的体积浓度为10%；

3）控制反应器的温度至40°C，反应时间为2h；

4）反应结束后，用氮气将反应室中的含氟混合气吹扫至碱液吸收塔内进行尾气处理；

5）将反应器冷却至室温后取出PMMA绝缘子。

实施例5：

将聚苯醚放入反应器中开展氟化反应，条件同实施例1。

实施例6：

将聚丙烯放入反应器中开展氟化反应，条件同实施例3。

从图1中可以看出，氟化后，聚苯乙烯在3200—2700cm^-1处苯环和烃基上C-H键伸缩振动明显减弱，而在900—1400cm^-1处出现了非常宽的C-F键漫射带。这说明氟原子取代了苯环和烃基上C-H键上的氢原子，形成了C-F键。

从图2和图3可以看出，聚苯乙烯氟化后在688eV出现了新的F(1s)峰，表明经过氟化反应后，氟原子取代了高分子链上的碳—氢键，形成了键能更高的碳—氟键。在XPS测量中，采用电子束刻蚀，并测量刻蚀前后元素组成的变化来判断氟化的深度，测试结果见表1。此外，在图2和图3的XPS谱中都在531.7eV处出现了聚苯乙烯中的添加剂如抗氧化剂所引起的O(1s)峰。

将上述实施例1-6中未氟化和氟化处理后的样品于脉宽1微秒的脉冲真空绝缘沿面闪络特性测试台上进行相关真空闪络测试。结果表明，采用本发明中的方法氟化处理后的聚合物绝缘子真空闪络电压是相同材料未氟化绝缘子的1.2～1.6倍，具体结果见表1。表1为实施例1-6中氟化前后聚合物绝缘子在微秒高压脉冲下真空绝缘性能比较结果。

表1

Claims (3)

1.一种提高聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的方法，其特征在于：

将聚合物绝缘子放置在气体氟化试剂中，在温度高于0度且低于聚合物材料的玻璃化转变温度以及气体压强为0.1～2atm的条件下进行氟化反应0.5～24h，直至形成表面氟化层；所述的聚合物绝缘子的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯醚；所述的气体氟化试剂为含氟气体或者含氟气体与氮气的气体混合物或者含氟气体与惰性气体的气体混合物；所述含氟气体占气体混合物中的体积浓度为1～10%。

2.根据权利要求1所述的提高聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的方法，其特征在于：所述的含氟气体为氟气、二氟化氙气体、三氟化氯或三氟化溴气体。

3.根据权利要求1或2所述的提高聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的方法，其特征在于：所述聚合物绝缘子的表面氟化层的厚度为0.3-3μm。

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