CN103396601A

CN103396601A - 高介电性能聚乙烯复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN103396601A
Application number: CN2013103727901A
Authority: CN
Inventors: 张文龙; 戴亚杰; 仲利东
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Yangzhou Longda Electrical Materials Co., Ltd.
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-23
Also published as: CN103396601B

Abstract

一种高介电性能聚乙烯复合材料，该复合材料包含：低密度聚乙烯和聚乙烯咔唑；抗氧剂的质量百分数为0.5%；其中聚乙烯咔唑的质量百分数为0.5%~3%；所述的抗氧剂是四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯。该高介电性能聚乙烯复合材料在聚乙烯中添加一定量的聚乙烯咔唑，其空间电荷的密度明显小于纯的低密度聚乙烯，聚乙烯中添加聚乙烯咔唑能明显改善聚乙烯内部空间电荷的分布；同时聚乙烯卡唑的加入也使得材料具有更高的击穿强度。

Description

高介电性能聚乙烯复合材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及电介质、复合材料技术领域，尤其是指一种高介电性能聚乙烯复合材料。

背景技术：

由于聚乙烯具有优良的电气绝缘性能，成为一种重要的工业材料，在电力系统特别是电线电缆中有越来越广泛的应用。21世纪以来，世界经济飞速发展，人们对电力的需求亦在日益增大，高压直流输电相比传统的高压交流架空输电，由于在线路造价低、输电容量大、无电能损耗、送电距离长、不易老化、寿命长等方面的特出优点，正用于高压电能的传输。但在高压直流传输过程中聚乙烯绝缘电缆中会因空间电荷的大量积累使内部的电场分布严重畸变，局部电场甚至比平均电场高 5-11倍，进而加速塑料电缆的老化和击穿，影响其使用。向聚乙烯中掺杂纳米粒子（比如纳米MgO）制备的纳米复合材料，能在聚乙烯具有优良电气特性外，还具有良好的机械性能，同时能有效抑制聚乙烯中的空间电荷积累，实现高压直流输电。

国外有关纳米MgO/PE复合材料介电性能的研究较早，比较系统，YUJI HAYASE [YUJI HAYASE, HIROYUKI AOYAMA, YASUHIRO TANAKA, et al. Space Charge Formation in MgO/LDPE Nano-composite Thin Film under Ultra-high DC Electric Stress. Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, 2006, 126(11): 1084-1089]、TAIMA [TAIMA J, INAOKA K, MAEZAWA T, et al. Observation of Space Charge Formation in LDPE/MgO Nano-composite under DC Stress at High Temperature. Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, China, 2006: 302-305]、YKANEGAE [YKANEGAE E, OHKI Y. Space Charge Behavior in Multi-layered Dielectrics with LDPE and LDPE/MgO Nanocomposites. 2010 International Conference on Solid Dielectrics, Potsdam, Germany, 2010: 4-9]、ISHIMOTO [ISHIMOTO K, TANAKA T, OHKI Y, et al. Thermally Stimulated Current in Low-Density Polyethylene/MgO Nanocomposite, On the Mechanism of Its Superior Dielectric Properties. Electrical Engineering, 2011, 176(3): 1-7]等多位学者对其进行研究，证实加入少量的纳米MgO，可提高复合材料的体积电阻率，抑制复合材料内部空间电荷的积累，提高复合材料的击穿强度。

国内，我们采用共混法制备了MgO/LDPE纳米复合材料，研究发现100nm左右的MgO粒子均匀分散在介质中，并且MgO粒子的加入可以有效抑制复合材料中空间电荷的注入，对复合材料内部的空间电荷有明显的抑制作用；而当纳米MgO粒子的粒径过大或过小时，容易引起空间电荷的注入且空间电荷量分布复杂；同时研究了MgO/LDPE纳米复合材料的制备工艺，并系统研究了纳米MgO含量对复合材料内部空间电荷分布的影响，研究发现纳米MgO含量为0.5-2wt%时，能有效抑制复合材料内部空间电荷的积累，纳米MgO含量为2wt%时效果最理想。聚乙烯/无机纳米复合材料具有聚乙烯（PE）和纳米粒子在混合时，由于极性相差很大，二者相容性不好，纳米粒子在聚乙烯中容分散性不好，易团聚，制备出的聚乙烯/无机纳米复合材料分散性难以控制，制备难度大，性能不稳定。

因此，研究具有高介电性能的聚合物基复合材料具有十分重要的学术意义和实用价值。高介电性能的聚合物基电介质材料无论是在电力工程，具有十分重要的作用，尤其在超高压直流传输电缆中具有重要的应用价值。

发明内容：

如前文所述研究具有高介电性能的聚合物基复合材料具有十分重要的学术意义和实用价值，掺杂纳米MgO的LDPE样品更容易捕获电荷载体，使得LDPE/MgO纳米复合材料有着优异的介电性能，聚乙烯/无机纳米复合材料具有聚乙烯（PE）和纳米粒子在混合时，由于极性相差很大，二者相容性不好，纳米粒子在聚乙烯中容分散性不好，易团聚，而本发明的目的就是提供一种高介电性能聚乙烯复合材料及其制备方法，本发明所提供的高介电性能聚乙烯复合材料及其制备方法，采用一种有机空间电荷抑制剂—聚乙烯咔唑（PVK）与聚乙烯进行共混。由于聚乙烯咔唑分子中非极性的聚乙烯分子链与聚乙烯有很好的相容性，同时咔唑中氮原子形成D-π共轭结构在聚乙烯中引入大量的浅陷阱，这些浅陷阱对复合材料内部空间电荷有良好的束缚作用，能大大降低聚乙烯中空间电荷密度。聚乙烯咔唑不仅对材料内部空间电荷的产生有良好的抑制作用，同时也解决了纳米粒子与聚乙烯相容性不好的问题。

本发明的目的是以如下方式实现的：一种高介电性能聚乙烯复合材料，该复合材料包含：低密度聚乙烯和聚乙烯咔唑；抗氧剂的质量百分数为0.5%；其中聚乙烯咔唑的质量百分数为0.5%~3%；所述的抗氧剂是四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯。

该发明的制造方法为：将占聚乙烯复合材料总量的质量百分数为0.5%~3%的聚乙烯咔唑，质量分数为0.5%的抗氧剂和聚乙烯在混合机中室温下搅拌低速混合均匀，将混合后的原料在转矩流变仪混炼器中在130-160℃，转速为50-80r/min，共混时间为10-15min，进行熔融共混，将共混后所得的物料放入300μm/1mm厚的模具中，在平板硫化机中进行压制成片，温度为120-150℃，先将料预热3-8min，然后在10Mpa的压力下保压10-15min后取出，自然冷却到室温得到所述的高介电性能的聚乙烯复合材料。

本发明的有益效果是：在聚乙烯中添加一定量的聚乙烯咔唑，其空间电荷的密度明显小于纯的低密度聚乙烯，说明在聚乙烯中添加聚乙烯咔唑能明显改善聚乙烯内部空间电荷的分布；同时聚乙烯卡唑的加入也使得材料具有更高的击穿强度。

附图说明：

图1未添加聚乙烯咔唑的材料空间电荷分布图；

图2添加1%聚乙烯咔唑的材料空间电荷分布图；

图3 添加3%聚乙烯咔唑的材料空间电荷分布图；

图4添加4%聚乙烯咔唑的材料空间电荷分布图；

具体实施方式：

一种高介电性能聚乙烯复合材料，该复合材料包含：低密度聚乙烯和聚乙烯咔唑；抗氧剂的质量百分数为0.5%；其中聚乙烯咔唑的质量百分数为0.5%~3%；所述的抗氧剂是四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯。

该发明的制造方法为：将占聚乙烯复合材料总量的质量百分数为0.5%~3%的聚乙烯咔唑，质量分数为0.5%的抗氧剂和聚乙烯在混合机中搅拌混合均匀，将混合后的原料在转矩流变仪中进行熔融共混，将共混后所得的物料在平板硫化机中压制成一定厚度的薄片，得到所述的高介电性能的聚乙烯复合材料。

实施例1

以未加入聚乙烯咔唑的纯聚乙烯作为介电性能对照。称取39.8gPE，0.2g抗氧剂在混合机中混合均匀；将混合后的物料经过转矩流变仪中熔融共混，共混温度为140℃，转速为60r/min，共混时间为12min。将上述共混后所得的物料在平板硫化机中压制成一定后的薄片。取3.7g/12g共混后的料，放入300μm/1mm厚的模具中，在平板硫化机中进行压制成片，温度为130℃，先将料预热5min，然后在10Mpa的压力下保压12min后取出，自然冷却到室温后从模具中取出装入试样袋中(样品1)。

称取39.4gPE,0.4g聚乙烯咔唑，0.2g抗氧剂，在混合机中混合均匀；将混合后的物料经过转矩流变仪中熔融共混，共混温度为140℃，转速为60r/min，共混时间为12min。将上述共混后所得的物料在平板硫化机中压制成一定后的薄片。取3.7g/12g共混后的料，放入300μm/1mm厚的模具中，在平板硫化机中进行压制成片，温度为130℃，先将料预热5min，然后在10Mpa的压力下保压12min后取出，自然冷却到室温后从模具中取出装入试样袋中，得到聚乙烯复合材料(样品2)。

称取39.0 gPE,0.8g聚乙烯咔唑，0.2g抗氧剂，在混合机中混合均匀；将混合后的物料经过转矩流变仪中熔融共混，共混温度为140℃，转速为60r/min，共混时间为12min。将上述共混后所得的物料在平板硫化机中压制成一定后的薄片。取3.7g/12g共混后的料，放入300μm/1mm厚的模具中，在平板硫化机中进行压制成片，温度为130℃，先将料预热5min，然后在10Mpa的压力下保压12min后取出，自然冷却到室温后从模具中取出装入试样袋中，得到聚乙烯复合材料(样品3)。

称取38.6gPE,1.2g聚乙烯咔唑，0.2g抗氧剂，在混合机中混合均匀；将混合后的物料经过转矩流变仪中熔融共混，共混温度为140℃，转速为60r/min，共混时间为12min。将上述共混后所得的物料在平板硫化机中压制成一定后的薄片。取3.7g/12g共混后的料，放入300μm/1mm厚的模具中，在平板硫化机中进行压制成片，温度为130℃，先将料预热5min，然后在10Mpa的压力下保压12min后取出，自然冷却到室温后从模具中取出装入试样袋中，得到聚乙烯复合材料(样品4)。

空间电荷测试采用上海交通大学制造的PEA-01空间电荷分布测试仪；

制备得到复合材料中空间电荷分布见图1和图2。

a) 未添加聚乙烯咔唑的材料空间电荷分布图 b）添加1%聚乙烯咔唑的材料空间电荷分布图

图中复合材料在40kV/mm直流电场作用0.5min、10min时材料内部空间电荷分布图

实施例2

以样品1作为击穿强度对照

击穿强度测试采用长春市智能仪器设备有限公司制造的HT-100型击穿电压测试仪

测试试样厚度为1mm，采用连续升压的升压方式，升压速度为1Kv/s

制备得复合材料的击穿强度数值见表1：

表1

样品	样品1	样品2	样品3	样品4
					击穿强kV/mm	26.5	29.80	28.70	28.20

复合材料介电性能小结

在聚乙烯中添加一定量的聚乙烯咔唑，样品2、3、4中空间电荷的密度明显小于纯的低密度聚乙烯，说明在聚乙烯中添加聚乙烯咔唑能明显改善聚乙烯内部空间电荷的分布，在聚乙烯咔唑的添加量在1%时，复合材料内部的空间电荷最少，说明在此添加量下抑制空间电荷效果最佳；同时聚乙烯卡唑的加入也使得材料具有更高的击穿强度，复合材料中聚乙烯咔唑的添加量在1%时材料的击穿强度最高，样品2、3、4的击穿强度分别比纯的聚乙烯提高了12.5%、8.3%、6.4%。

Claims

1. 一种高介电性能聚乙烯复合材料，该复合材料包含：

低密度聚乙烯和聚乙烯咔唑；

抗氧剂的质量百分数为0.5%；

其中聚乙烯咔唑的质量百分数为0.5%~3%；

所述的抗氧剂是四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯。

2. 一种高介电性能聚乙烯复合材料的制造方法，所述制造方法是权利要求1 所述的复合材料的制造方法：

将占聚乙烯复合材料总量的质量百分数为0.5%~3%的聚乙烯咔唑，质量分数为0.5%的抗氧剂和聚乙烯在混合机中搅拌混合均匀，将混合后的原料在转矩流变仪中进行熔融共混，将共混后所得的物料在平板硫化机中压制成一定厚度的薄片，得到所述的高介电性能的聚乙烯复合材料。