CN105778220A - 一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料，由下列重量份的原料制成：四针状氧化锌晶须5‑6、无水乙醇适量、硼酸正丁酯0.8‑1.2、四甲基氟化铵0.6‑0.8、纳米氧化镁10‑11、聚乙烯90‑91、N，N’‑二甲基甲酰胺30‑35、20‑22wt％的硫酸溶液200‑220、全氟辛酸100‑120、纳米聚四氟乙烯微粉23‑27、氯仿70‑75、甲基丙烯酸甲酯2.4‑2.5、过硫酸钾0.1‑0.2、非离子硼酸酯1.5‑1.6。本发明通过使用硼酸正丁酯、四甲基氟化铵对四针状氧化锌晶须进行改性，使得四针状氧化锌晶须具有更好的耐水性和耐热性，能够提高复合材料的抗撕裂性和耐热性。

Description

一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及电缆料技术领域，尤其涉及一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料及其制备方法。
背景技术
纳米掺杂已被广泛用来提高材料的导热性能、力学性能、电性能等。近几十年来，由最初的微米颗粒、微纳颗粒复合到纳米颗粒掺杂使材料性能得到进一步提升，开发了许多新型的特种功能材料。在绝缘材料领域，纳米掺杂提高材料的电性能也被逐渐重视。当前，节约能源已成为社会发展的重要环节，传统的交流输电由于电能输送过程中损耗大、附件复杂、成本高等缺点，而直流输电却可以弥补这些缺点。直流输电有三种方式：充油电缆输电；油浸纸电缆输电；塑料直流电缆输电。其中塑料直流电缆具有强大的潜力，主要应用于跨海输电、城市地下电网建设等。但塑料电缆在直流输电时，会发生导体向绝缘层注入电子和空穴，而绝缘层由于是不均匀介质，极易容易发生电子或空穴积聚，形成空间电荷包，引发电场畸变，严重时发生电击穿，造成输电事故。纳米掺杂技术的应用，为解决塑料直流电缆空间电荷积聚问题提供了方向。
研究表明，在绝缘电缆料中添加少量的纳米颗粒ZnO、TiO2、SiO2等，可以改善空间电荷积聚难题。研究发现，在交联聚乙烯(XLPE)中添加纳米颗粒可以有效抑制空间电荷积聚，提高击穿强度和体积电阻率，抑制电树枝生长，改善了绝缘材料的电气性能。这使得纳米颗粒/XLPE复合材料越来越受关注，人们称之为第三代绝缘材料。目前，日本科学家已成功通过在聚乙烯中添加少量的MgO，制备出250kV/mm及500kV/mm的高压直流电缆，正等待商业应用。美国DOW公司也有商品化的纳米改性电缆料。但是，对于纳米颗粒如何抑制空间电荷积聚的机理，却还未有一致的结论。
研究表明，在绝缘电缆料中添加少量的纳米颗粒ZnO、TiO2、SiO2等，可以改善空间电荷积聚难题。研究发现，在交联聚乙烯(XLPE)中添加纳米颗粒可以有效抑制空间电荷积聚，提高击穿强度和体积电阻率，抑制电树枝生长，改善了绝缘材料的电气性能。这使得纳米颗粒/XLPE复合材料越来越受关注，人们称之为第三代绝缘材料。目前，日本科学家已成功通过在聚乙烯中添加少量的MgO，制备出250kV/mm及500kV/mm的高压直流电缆，正等待商业应用。美国DOW公司也有商品化的纳米改性电缆料。但是，对于纳米颗粒如何抑制空间电荷积聚的机理，却还未有一致的结论。
《纳米MgO掺杂聚乙烯直流电缆复合材料的制备与性能》一文通过热处理方法得到表面不含羟基（—OH）的MgO颗粒，采用母料法制备了10wt%MgO/聚乙烯（LDPE）复合材料，并研究了MgO/LDPE复合材料在70kV/mm直流电场下的空间电荷特性，评估了该方法对纳米颗粒分散的效果及工业化应用推广价值。此外，还研究了MgO表面羟基化（—OH）对纳米MgO颗粒掺杂LDPE的空间电荷特性、变温体积电阻率及介电特性的影响，并探究了MgO抑制空间电荷机制。
但是该文章使用母料法制备的10 wt% MgO/聚乙烯（LDPE）复合材料在潮湿环境中会吸收水分，会生成氢氧化镁，影响复合材料的空间电荷特性、变温体积电阻率及介电特性，需要进行改进。另外该复合材料的阻燃性、强度、抗龟裂性、抗弯折性、抗撕裂性、耐寒性、耐磨性、防潮性、致密性、耐老化性需要改进。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料，由下列重量份的原料制成：四针状氧化锌晶须5-6、无水乙醇适量、硼酸正丁酯0.8-1.2、四甲基氟化铵0.6-0.8、纳米氧化镁10-11、聚乙烯90-91、N，N’-二甲基甲酰胺30-35、20-22wt％的硫酸溶液200-220、全氟辛酸100-120、纳米聚四氟乙烯微粉23-27、氯仿70-75、甲基丙烯酸甲酯2.4-2.5、过硫酸钾0.1-0.2、非离子硼酸酯1.5-1.6。
所述抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将四针状氧化锌晶须与3-4倍重量份的无水乙醇混合，搅拌均匀，加热至75-80℃，保温搅拌20-30分钟，加入四甲基氟化铵、硼酸正丁酯，搅拌均匀，继续保温搅拌直至干燥，得到粉末；
（2）将第（1）步不得到的粉末与纳米氧化镁、全氟辛酸进行混合加入到N，N’-二甲基甲酰胺中，超声30-35分钟，然后边搅拌边滴加硫酸溶液，再加热至80-85℃搅拌反应20-30分钟，结束反应后，过滤，真空干燥得到氟化纳米氧化镁；
（3）氟化纳米氧化镁与纳米聚四氟乙烯微粉混合，加入到氯仿中，超声分散1-1.2h，挥发除去氯仿，干燥得到纳米粉末；
（4）将甲基丙烯酸甲酯、非离子硼酸酯与所述纳米粉末混合均匀，再加入过硫酸钾混合均匀，得到混合物料；
（5）将第（4）步得到的混合物料与其他剩余原料，送入高速混合机中混合，在135-140℃下混合均匀，再经造粒即得。
本发明的优点是：本发明将纳米氧化镁进行氟化，与纳米聚四氟乙烯微粉制成纳米微球，防止电缆料吸水氧化镁变成氢氧化镁影响复合材料的体积电阻率，提高了复合材料的击穿强度，而且提高了纳米氧化镁的分散性，减少团聚现象，提高了复合材料的润滑性；再使用甲基丙烯酸甲酯、非离子硼酸酯进行改性，提高了纳米粉末与聚乙烯的相容性，防止粉体与聚乙烯分离，强度降低。通过使用硼酸正丁酯、四甲基氟化铵对四针状氧化锌晶须进行改性，使得四针状氧化锌晶须具有更好的耐水性和耐热性，能够提高复合材料的抗撕裂性和耐热性。
具体实施方式
一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料，由下列重量份（公斤）的原料制成：四针状氧化锌晶须5、无水乙醇适量、硼酸正丁酯0.8、四甲基氟化铵0.6、纳米氧化镁10、聚乙烯90、N，N’-二甲基甲酰胺30、20wt％的硫酸溶液200、全氟辛酸100、纳米聚四氟乙烯微粉23、氯仿70、甲基丙烯酸甲酯2.4、过硫酸钾0.1、非离子硼酸酯1.5。
所述抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将四针状氧化锌晶须与3倍重量份的无水乙醇混合，搅拌均匀，加热至75℃，保温搅拌20分钟，加入四甲基氟化铵、硼酸正丁酯，搅拌均匀，继续保温搅拌直至干燥，得到粉末；
（2）将第（1）步不得到的粉末与纳米氧化镁、全氟辛酸进行混合加入到N，N’-二甲基甲酰胺中，超声30分钟，然后边搅拌边滴加硫酸溶液，再加热至80℃搅拌反应20分钟，结束反应后，过滤，真空干燥得到氟化纳米氧化镁；
（3）氟化纳米氧化镁与纳米聚四氟乙烯微粉混合，加入到氯仿中，超声分散1h，挥发除去氯仿，干燥得到纳米粉末；
（4）将甲基丙烯酸甲酯、非离子硼酸酯与所述纳米粉末混合均匀，再加入过硫酸钾混合均匀，得到混合物料；
（5）将第（4）步得到的混合物料与其他剩余原料，送入高速混合机中混合，在135℃下混合均匀，再经造粒即得。
该实施例复合材料的熔点为119℃，在70kV/mm电场下，在加压90min中没有出现空间电荷积聚，介电常数为2.37；进行力学性能测试，制作成厚度3 mm 的试样用于氧指数测试，结测试结果为拉伸强度为29MPa，断裂伸长率为287%，氧指数为37.5、电气强度为38.5V/m。

Claims (2)

1.一种抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料，其特征在于：由下列重量份的原料制成：四针状氧化锌晶须5-6、无水乙醇适量、硼酸正丁酯0.8-1.2、四甲基氟化铵0.6-0.8、纳米氧化镁10-11、聚乙烯90-91、N，N’-二甲基甲酰胺30-35、20-22wt％的硫酸溶液200-220、全氟辛酸100-120、纳米聚四氟乙烯微粉23-27、氯仿70-75、甲基丙烯酸甲酯2.4-2.5、过硫酸钾0.1-0.2、非离子硼酸酯1.5-1.6。
2.根据权利要求1所述抗撕裂纳米氧化镁掺杂聚乙烯直流电缆复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将四针状氧化锌晶须与3-4倍重量份的无水乙醇混合，搅拌均匀，加热至75-80℃，保温搅拌20-30分钟，加入四甲基氟化铵、硼酸正丁酯，搅拌均匀，继续保温搅拌直至干燥，得到粉末；
（2）将第（1）步不得到的粉末与纳米氧化镁、全氟辛酸进行混合加入到N，N’-二甲基甲酰胺中，超声30-35分钟，然后边搅拌边滴加硫酸溶液，再加热至80-85℃搅拌反应20-30分钟，结束反应后，过滤，真空干燥得到氟化纳米氧化镁；
（3）氟化纳米氧化镁与纳米聚四氟乙烯微粉混合，加入到氯仿中，超声分散1-1.2h，挥发除去氯仿，干燥得到纳米粉末；
（4）将甲基丙烯酸甲酯、非离子硼酸酯与所述纳米粉末混合均匀，再加入过硫酸钾混合均匀，得到混合物料；
（5）将第（4）步得到的混合物料与其他剩余原料，送入高速混合机中混合，在135-140℃下混合均匀，再经造粒即得。
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