CN105802240B - 一种复合绝缘子用硅橡胶复合材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于橡胶产品技术领域的一种复合绝缘子用硅橡胶复合材料。所述的硅橡胶复合材料由硅橡胶、气相法白炭黑、沉淀法白炭黑、改性埃洛石纳米管、结构控制剂和硫化剂组成。本发明的复合绝缘子用硅橡胶复合材料具有加工性能好、击穿电压高、耐漏电起痕性能好、力学性能优良的优点,能够满足复合绝缘子外绝缘材料的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于橡胶产品技术领域,具体涉及一种复合绝缘子用硅橡胶复合材料。
背景技术
硅橡胶复合绝缘子是目前最新型的绝缘子,与传统的瓷绝缘子和玻璃绝缘子相比,硅橡胶复合绝缘子具有重量轻、不易破碎、疏水性好、耐污闪能力强、制造维护方便等优点。硅橡胶复合绝缘子一般由高温硫化硅橡胶复合材料的伞裙护套、玻璃纤维增强的环氧树脂芯棒及端部金具三部分组成。绝缘子用硅橡胶复合材料常用的填料是白炭黑和氢氧化铝,白炭黑主要起补强提高力学性能的作用,而氢氧化铝主要起提高电性能的作用,尤其是耐漏电起痕性能。
由于氢氧化铝的成本较低,目前在制备硅橡胶复合绝缘子伞裙时,主要通过大量添加氢氧化铝来保证电气性能,一般每100份硅橡胶需要至少150份氢氧化铝才能保证耐漏电起痕满足国家标准要求的1A4.5级(即用于测试的五个试样均能经受4.5kV电压6小时)。但是大量氢氧化铝的添加会导致材料力学性能的下降,目前国内大部分厂家所制备的绝缘子用硅橡胶复合材料的力学性能都是刚好满足国家机械行业标准JB/T 10945-2010的要求(即拉伸强度≥3.0MPa、断裂伸长率≥100%)。作为长期在户外使用的外绝缘材料,硅橡胶伞裙护套在潮湿、表面放电、紫外线、温度、盐雾等因素的长期作用下,会逐渐发生老化,而硅橡胶复合绝缘子的表面疏水性、物理机械性能及电气性能会因老化而衰减,严重时会导致污闪事故的发生。由此可见,较低的力学性能对于复合绝缘子在老化过程中电气性能和物理机械性能的维持是非常不利的。为了保障复合绝缘子运行过程中的稳定性,在保持硅橡胶复合材料优良电气性能的前提下改善其力学性能是非常有必要的。高性能复合绝缘子用硅橡胶复合材料的制备对防治大面积污闪事故、提高电网运行可靠性具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种复合绝缘子用硅橡胶复合材料,具体技术方案如下;
一种复合绝缘子用硅橡胶复合材料,所述复合材料中的各组分及相应的重量份数配比为:硅橡胶100份;气相法白炭黑10~25份;沉淀法白炭黑15~30份;改性埃洛石纳米管100~180份;结构控制剂2~15份;硫化剂0.5~2.0份。
所述的硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶,分子量为30~80万,乙烯基含量为0.07%~0.22%。
所述的气相法白炭黑的比表面积为150~300m2/g。
所述的沉淀法白炭黑平均粒径为4~30μm。
所述的埃洛石纳米管的纯度大于95%,长径比为20~50。
所述改性埃洛石纳米管的制备方法为:所述改性埃洛石纳米管的制备方法为:将埃洛石纳米管、乙烯基三甲氧基硅烷加入乙醇水溶液中,油浴搅拌;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
其中,所述乙醇水溶液的质量浓度为70%;埃洛石纳米管、乙烯基三甲氧基硅烷、乙醇水溶液的用量之比为(80~100g):(3~7g):(0.8~1.3L);油浴温度为80~100℃,时间为4~7小时。
在改性过程中,埃洛石纳米管表面的羟基与乙烯基三甲氧基硅烷发生反应,形成共价键,将硅烷偶联剂接到埃洛石纳米管表面,从而有效降低了埃洛石纳米管的亲水性,提高了埃洛石纳米管与有机硅橡胶之间的界面相容性,从而改善了埃洛石纳米管在硅橡胶基体中的分散。
此外,埃洛石纳米管本身是一种较好的绝缘材料,在高压电场作用下生热可失去结晶水,失水过程中有效地吸收大部分热量,减缓了硅橡胶基体材料的电老化过程,因此赋予材料优异的耐电击穿性能、耐漏电起痕性能。
所述的结构控制剂为羟基硅油、甲基硅油、乙基硅油、甲基含氢硅油、乙基含氢硅油中的一种或一种以上。
结构化指的是气相法白炭黑填充硅橡胶体系在加工和贮存中,白炭黑的表面活性羟基对硅橡胶分子的物理化学吸附使得胶料变硬、可塑性下降、逐渐丧失返炼和加工工艺性能的现象,上述结构控制剂能够有效控制白炭黑的结构化,改善复合材料的加工性能。
所述的硫化剂为2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷。
硫化过程中在热的作用下形成自由基,一方面可以使含有乙烯基的硅橡胶发生交联反应,另一方面可以使改性埃洛石纳米管表面含不饱和双键的乙烯基三甲氧基硅烷与硅橡胶反应形成共价键,相当于乙烯基三甲氧基硅烷在硅橡胶和埃洛石纳米管之间起到一个桥梁的作用。因此改性埃洛石纳米管与硅橡胶基体之间的可形成共价键结合的化学界面,与气相法白炭黑和硅橡胶基体之间形成的物理界面发生协同作用,具备独特的纳米分散结构,从而赋予材料优异的力学性能、耐电击穿性能和耐漏电起痕性能。
本发明所述的复合材料的所有组分可通过传统的橡胶加工设备来混合,如开炼机、密炼机、捏合机,混合后得到的混炼胶经过平板硫化机高温硫化后,可作为硅橡胶复合绝缘子的外绝缘材料。
本发明与现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
(1)本发明的复合材料使用传统橡胶复合材料的加工设备进行加工,但是其加工性能更好,良好的加工性能可降低橡胶混炼过程的能耗。
(2)本发明利用改性埃洛石纳米管和气相法白炭黑的协同作用在硅橡胶中形成独特的纳米分散结构,使复合材料具备优良的电气性能和力学性能。
(3)本发明能够简单地通过改变改性埃洛石纳米管和白炭黑的用量来控制复合材料的电气性能和力学性能,使复合材料在电气性能和力学性能之间达到最佳的平衡。
(4)本发明所制备的硅橡胶复合材料的击穿电压高于25kV/mm,耐漏电起痕性能达到1A4.5级、拉伸强度大于4.5MPa,断裂伸长率大于250%,能够满足硅橡胶复合绝缘子外绝缘材料的使用要求。
具体实施方法
下面结合各实施例对本发明作进一步的阐述,但不是对本发明的限制。
实施例1
复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量30万,乙烯基含量0.07%)100份;气相法白炭黑(比表面积150m2/g)10份;沉淀法白炭黑(平均粒径4μm)20份;改性埃洛石纳米管180份;甲基含氢硅油2份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷0.5份。
其中,改性埃洛石纳米管的制备方法为:将80~100g埃洛石纳米管、3~7g乙烯基三甲氧基硅烷加入0.8~1.3L质量浓度为70%的乙醇水溶液中,在80~100℃下油浴搅拌,冷凝回流,反应4~7小时;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
实施例2
复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量80万,乙烯基含量0.22%)100份;气相法白炭黑(比表面积300m2/g)25份;沉淀法白炭黑(平均粒径30μm)30份;改性埃洛石纳米管100份;羟基硅油6份;甲基硅油4份;乙基硅油5份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷2份。
其中,改性埃洛石纳米管的制备方法为:将80~100g埃洛石纳米管、3~7g乙烯基三甲氧基硅烷加入0.8~1.3L质量浓度为70%的乙醇水溶液中,在80~100℃下油浴搅拌,冷凝回流,反应4~7小时;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
实施例3
复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量40万,乙烯基含量0.12%)100份;气相法白炭黑(比表面积200m2/g)15份;沉淀法白炭黑(平均粒径10μm)25份;改性埃洛石纳米管150份;甲基含氢硅油5份;乙基含氢硅油4份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷1份。
其中,改性埃洛石纳米管的制备方法为:将80~100g埃洛石纳米管、3~7g乙烯基三甲氧基硅烷加入0.8~1.3L质量浓度为70%的乙醇水溶液中,在80~100℃下油浴搅拌,冷凝回流,反应4~7小时;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
实施例4
复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量50万,乙烯基含量0.17%)100份;气相法白炭黑(比表面积250m2/g)20份;沉淀法白炭黑(平均粒径16μm)25份;改性埃洛石纳米管120份;羟基硅油2份;甲基含氢硅油4份;乙基含氢硅油3份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷1.5份。
其中,改性埃洛石纳米管的制备方法为:将80~100g埃洛石纳米管、3~7g乙烯基三甲氧基硅烷加入0.8~1.3L质量浓度为70%的乙醇水溶液中,在80~100℃下油浴搅拌,冷凝回流,反应4~7小时;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
实施例5
复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量60万,乙烯基含量0.15%)100份;气相法白炭黑(比表面积170m2/g)15份;沉淀法白炭黑(平均粒径20μm)20份;改性埃洛石纳米管160份;乙基硅油5份;甲基含氢硅油2份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷1.2份。
其中,改性埃洛石纳米管的制备方法为:将80~100g埃洛石纳米管、3~7g乙烯基三甲氧基硅烷加入0.8~1.3L质量浓度为70%的乙醇水溶液中,在80~100℃下油浴搅拌,冷凝回流,反应4~7小时;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
实施例6
复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量70万,乙烯基含量0.09%)100份;气相法白炭黑(比表面积300m2/g)25份;沉淀法白炭黑(平均粒径25μm)15份;改性埃洛石纳米管140份;羟基硅油2份;甲基硅油4份;乙基含氢硅油2份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷0.8份。
其中,改性埃洛石纳米管的制备方法为:将80~100g埃洛石纳米管、3~7g乙烯基三甲氧基硅烷加入0.8~1.3L质量浓度为70%的乙醇水溶液中,在80~100℃下油浴搅拌,冷凝回流,反应4~7小时;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
对比例1
普通复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量50万,乙烯基含量0.09%)100份;气相法白炭黑(比表面积300m2/g)20份;氢氧化铝150份;羟基硅油6份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷0.5份。
对比例2
普通复合绝缘子用硅橡胶复合材料,各组分及其重量份数配比为:甲基乙烯基硅橡胶(分子量50万,乙烯基含量0.12%)100份;气相法白炭黑(比表面积200m2/g)10份;沉淀法白炭黑(平均粒径25μm)20份;氢氧化铝200份;羟基硅油6份;乙基硅油5份;2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷0.5份。
表1为各实施例和对比例所述的复合绝缘子用硅橡胶复合材料的性能对比。从中可以看出,本发明所制备的硅橡胶复合材料的击穿电压高于25kV/mm,耐漏电起痕性能达到1A4.5级、拉伸强度大于4.5MPa,断裂伸长率大于250%,能够满足硅橡胶复合绝缘子外绝缘材料的使用要求;且均明显优于两个对比例的结果。
表1实施例和对比例的性能对比
Claims (9)
1.一种复合绝缘子用硅橡胶复合材料,其特征在于:所述复合材料中的各组分及相应的重量份数配比为:硅橡胶100份;气相法白炭黑10~25份;沉淀法白炭黑15~30份;改性埃洛石纳米管100~180份;结构控制剂2~15份;硫化剂0.5~2.0份;
所述改性埃洛石纳米管的制备方法为:将埃洛石纳米管、乙烯基三甲氧基硅烷加入乙醇水溶液中,油浴搅拌;待自然冷却至室温后,将上述混合物过滤、真空干燥、粉碎,得到改性埃洛石纳米管。
2.根据权利要求1所述的硅橡胶复合材料,其特征在于,所述的硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶,分子量为30~80万,乙烯基含量为0.07%~0.22%。
3.根据权利要求1所述的硅橡胶复合材料,其特征在于,所述的气相法白炭黑的比表面积为150~300m2/g。
4.根据权利要求1所述的硅橡胶复合材料,其特征在于,所述的沉淀法白炭黑平均粒径为4~30μm。
5.根据权利要求1所述的硅橡胶复合材料,其特征在于,所述的埃洛石纳米管的纯度大于95%,长径比为20~50。
6.根据权利要求1所述的硅橡胶复合材料,其特征在于,所述的结构控制剂为羟基硅油、甲基硅油、乙基硅油、甲基含氢硅油、乙基含氢硅油中的一种或一种以上。
7.根据权利要求1所述的硅橡胶复合材料,其特征在于,所述的硫化剂为2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷。
8.根据权利要求1所述的硅橡胶复合材料,其特征在于,所述乙醇水溶液的质量浓度为70%;埃洛石纳米管、乙烯基三甲氧基硅烷、乙醇水溶液的用量之比为(80~100g):(3~7g):(0.8~1.3L);油浴温度为80~100℃,时间为4~7小时。
9.权利要求1-8任一项所述的硅橡胶复合材料用作硅橡胶复合绝缘子的外绝缘材料。
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