CN105601912A - 一种自修复超分子绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自修复超分子绝缘材料及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：步骤一，将二聚酸与多元胺混合，并向其中加入纳米粒子，在160℃下持续搅拌24小时，生成纳米粒子均匀分散的聚酰胺，反应结束后，将反应温度降到140℃；步骤二，在含有纳米粒子的聚酰胺中加入尿素，将两者搅拌反应，反应时间控制在30分钟，由此得到所述的自修复超分子绝缘材料。该材料自修复性能和绝缘性能优异，用途广泛。

Description

一种自修复超分子绝缘材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及绝缘材料领域，尤其涉及一种自修复超分子绝缘材料及其制备方法。
背景技术
伴随着现代电力、电子设备的高速进步，相应的高容量、低损耗的输电技术也受到越来越大的重视。电缆绝缘材料是输电线缆的重要组成部分，起着隔离线芯、屏蔽及均匀电磁场、安全防护等重要作用。电缆绝缘材料通常由聚合物材料构成，其使用寿命很大程度上决定了电缆的服役寿命。近年来，超分子材料以其优异的性能在众多领域获得了广泛应用。超分子通常是指由两种或两种以上分子依靠分子间相互作用结合在一起，组成复杂的、有组织的聚集体，并保持一定的完整性使其具有明确的微观结构和宏观特性。超分子间存在的非共价作用力导致分子聚集，从而使得聚集体具有某种特定的性质和功能。现有技术可以通过分子间相互作用，例如氢键、静电相互作用、电荷转移作用等非共价作用的加和以及协同来制备超分子功能材料。由于非共价键的选择性、可逆性、协同性和动态特征，超分子聚合物可实现单体—聚合物的互相转变，所以，分子间具有非共价相互作用的超分子材料一般都具有可自修复的功能，其优势在于可以实现材料的多次修复。自修复材料的重要性在于可延长材料的使用寿命，可以在材料的使用过程中修补材料，尤其是在人不可及的地方如空间站或恶劣条件、腐蚀、辐射环境下，更需要材料具备自修复的功能。
当前电力、电子技术的发展迫切需要一种制备简单、常温下能够实现损伤自修复的绝缘材料。而传统的自修复高分子材料通常采用包埋含油愈合试剂的微胶囊的方法来实现，这种自修复材料的制备过程比较繁琐，反应条件苛刻，材料纯度要求高，修复条件要求较高且无法实现多次修复，并且介电性能也有待提高。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提出了一种可室温自修复的超分子绝缘材料及其制备方法。
本发明的自修复超分子绝缘材料的制备方法包括如下步骤：步骤一，将二聚酸与多元胺混合，并向其中加入纳米粒子，在160℃下持续搅拌24小时，生成纳米粒子均匀分散的聚酰胺，反应结束后，将反应温度降到140℃；步骤二，在含有纳米粒子的聚酰胺中加入尿素，将两者搅拌反应，反应时间控制在30分钟，由此得到所述的自修复超分子绝缘材料。
优选地，在所述步骤一和所述步骤二中，所述搅拌的转速为1500rpm。
优选地，在所述步骤一中，反应过程中持续通入N2。
优选地，所述多元胺为二乙基三胺。
优选地，所述纳米粒子选自二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化镁、钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铜钙、氧化铝组成的组。
优选地，所述二聚酸中的二聚体含量为80％，三聚体的含量为12％。
本发明的自修复超分子绝缘材料，是首先将二聚酸与多元胺混合，并向其中加入纳米粒子，生成纳米粒子均匀分散的聚酰胺，然后在含有纳米粒子的聚酰胺中加入尿素，将两者搅拌反应，最终生成所述的自修复超分子绝缘材料。
本发明的可自修复的超分子绝缘材料，其用途为粘合剂，绝缘材料，电缆，管道，涂料及添加剂。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
图1示出刻刀划痕愈合前的超分子绝缘材料；
图2示出刻刀划痕愈合后的超分子绝缘材料；
图3示出电击穿愈合前的超分子绝缘材料；
图4示出电击穿愈合后的超分子绝缘材料。
具体实施方式
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明自修复超分子绝缘材料的制备方法中，首先，将二聚酸与多元胺反应，并向其中加入纳米粒子，反应24小时后生成纳米粒子均匀分散的聚酰胺；其中多元胺种类不作限制，可选用本领域常用的，例如二乙基三胺；纳米粒子种类不作限制，可选用本领域常用的，例如二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化镁、钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铜钙、氧化铝等等，其中，优选二氧化硅。
然后，将含有纳米粒子的聚酰胺与尿素反应，反应时间控制在30分钟左右。由此合成的超分子材料具有优异的自修复特性和绝缘性能。
为了评价所得材料的自修复性能和绝缘性能的优劣，需要将制备出的复合材料按照如下方式进行测试。自修复性能可以采取以下两种方式进行测定，其一，将所制备的超分子绝缘材料涂敷在聚四氟乙烯塑料板上，用刻刀快速划出一道划痕，加热至50℃下愈合5min，加快其愈合速度，得到划痕愈合后的材料，对比划痕愈合前后拍摄的照片，判断愈合程度。其二，将所制备的超分子绝缘材料涂敷在聚四氟乙烯塑料板上，进行直流电击穿后置于电子显微镜下，得到电子显微镜图片；然后加热至50℃下愈合1分钟，加快其愈合速度，再次使用电子显微镜观察愈合后材料的微观图片。对比愈合前后的微观照片，判断愈合程度。需要说明的是，加热至50度不是自修复材料愈合的必要条件，这里仅仅是为了在测试中方便操作，提高效率。加热温度越高，愈合的速度越快，在室温下同样能愈合，只是时间稍长。
另外值得强调的是，在本发明中，如果只是将二聚酸与多元胺反应，反应24小时后生成聚酰胺，再将聚酰胺与尿素反应，反应时间控制在30分钟左右，这样得到的聚合物为具有良好的自修复特性的自修复材料。为了进一步获得较好的绝缘性能的自修复材料，本发明进一步在自修复材料制备过程中，加入二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化镁、钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铜钙、氧化铝等纳米粒子，从而制备出一种具有优异绝缘性能的自修复超分子绝缘材料。
实施例：材料的制备
将42.1g二聚酸(其中二聚体的含量为80％，三聚体的含量为12％)与17.3g二乙基三胺(DETA)，以及质量百分数为1％的纳米二氧化硅(SiO2)粉末加入到容量为150mL三颈烧瓶中，在160℃、1500rpm(转/分钟)的转速下持续搅拌24小时，反应过程中持续通入N2。反应结束后，将反应温度降到140℃，向三颈烧瓶中加入0.3g尿素，在1500rpm(转/分钟)的转速下持续搅拌30分钟，即可获得超分子绝缘材料。
接下来，使用测试复合材料自修复性能的第一种方法。将上述实施例制备出的自修复超分子绝缘材料，涂敷在聚四氟乙烯塑料板上进行自修复性能的测试。图1和2分别为相机拍摄的照片，其中图1是用刻刀快速划出一道划痕之后的复合材料的划痕照片，图2是加热到50℃保温5分钟，划痕愈合后材料的照片。通过观察对比图1和2，能够明显看出本发明制备出的复合材料具有良好的机械划痕自修复性能。
然后，使用测试复合材料自修复性能的第二种方法。根据上述实施例制备出的自修复超分子绝缘材料，涂敷在聚四氟乙烯塑料板上进行自修复性能的测试。图3和4是使用电子显微镜观察得到的照片，其中图3是直流电击穿之后观察到的材料表面微观图片，明显观察到材料经电击穿留下的损伤痕迹，图4是材料加热至50℃愈合1分钟，再次观察到的愈合后材料的微观图片。通过电子显微镜图片观察，愈合之后的图片显示绝缘材料表面平整，电击穿损伤几乎全部愈合。由此可见，本发明的复合绝缘材料具有良好的电击穿自修复性能。
对上述实施例制备出的自修复超分子绝缘材料进行介电性能测试，可包括绝缘电导率、介电常数、介电损耗、击穿电场强度等。本发明中，采用四探针法测定电导率的变化，采用阻抗分析仪测试材料介电常数及介电损耗，采用耐压测试仪测试材料的击穿电场强度；试样均加工成标准试样；测定条件为室温、大气压。测试结果表明，本发明制备得到的复合绝缘材料，经机械划伤或电击穿的试样在愈合后再次测量，各项电学性能指标可以修复至未损伤前的95％以上。击穿电场强度的对比如表1所示：
表1击穿电场强度的对比
本发明制备的超分子自修复绝缘材料的初始击穿电场强度为52.8kV/mm，被电击穿后，加热样品到50℃时，保温1分钟(min)后再次进行电击穿测试，样品的击穿场强比第一次击穿场强略低，为50.3kV/mm，是原来的95.3％，说明样品基本上完全愈合了。加热样品到50℃并且保温1分钟只是为了加速样品愈合，方便测试。随着时间的延长，样品愈合会越来越好。
因此，用本发明制备的可自修复的超分子绝缘材料在常温下具有非常好的修复效果，其介电性能也能得到很好的修复。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种自修复超分子绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将二聚酸与多元胺混合，并向其中加入纳米粒子，在160℃下持续搅拌24小时，生成纳米粒子均匀分散的聚酰胺，反应结束后，将反应温度降到140℃；
步骤二，在含有纳米粒子的聚酰胺中加入尿素，将两者搅拌反应，反应时间控制在30分钟，由此得到所述的自修复超分子绝缘材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤一和所述步骤二中，所述搅拌的转速为1500转/分钟。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，在反应过程中持续通入N2。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多元胺为二乙基三胺。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米粒子选自二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化镁、钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铜钙、氧化铝组成的组。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二聚酸中的二聚体的含量为80%，三聚体的含量为12%。
7.一种自修复超分子绝缘材料，其特征在于，首先将二聚酸与多元胺混合，并向其中加入纳米粒子，生成纳米粒子均匀分散的聚酰胺，然后在含有纳米粒子的聚酰胺中加入尿素，将两者搅拌反应，最终生成所述的自修复超分子绝缘材料。
8.根据权利要求7所述的绝缘材料，其特征在于，所述纳米粒子选自二氧化硅、二氧化钛、氧化锌、氧化镁、钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铜钙、氧化铝组成的组。
9.根据权利要求7所述的绝缘材料，其特征在于，所述二聚酸中的二聚体的含量为80%，三聚体的含量为12%。
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