CN1062507C - 模塑方法、抗爬电硅氧烷弹性体组合物以及具有更好的抗电弧、抗飞弧及抗沾污性的改良模塑件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种避免纵向合模线的弹性体材料的模塑方法和改进的模塑组合物以及用作混合绝缘子等的模塑件。

Description

模塑方法、抗爬电硅氧烷弹性体组合物以及具有更好的抗电弧、抗飞弧及抗沾污性的改良模塑件
          发明的技术领域
本发明涉及改进的硅氧烷弹性体模塑组合物、用于高压器件的改进模塑方法以及具有改进的抗电弧、抗飞弧和/或抗沾污性的新颖外裙设计。更具体地说，本发明涉及一种改良的弹性体组合物及其模塑方法，它消除了用于低、中及高压绝缘子、变压器及设备绝缘套管、保险装置组件、电力开关、支座绝缘子等的带外裙的零件上的竖直(纵向)合模线。
           发明的背景
低、中及高压绝缘子传统地用陶瓷做成。这种材料在干燥的环境中本来具有高度的绝缘性，可是在污染或潮湿的环境当中其表面电阻却往往下降约4～5个数量级。这种材料还重而脆，从而限制了其设计的可能性。例如，陶瓷绝缘子的表面泄漏/间隙比一般被限制在5∶1，这在高度污染的环境中常常是不够的。以这样低的比率，陶瓷外表面积聚的污染物往往导致从绝缘端子的一端到另一端的电弧或飞弧以及不可接受地高的漏电流。
采用聚合物外套制作了较轻、抗破坏和耐气候能力强的绝缘子，它能较好地经受住热交替和环境污染。当模塑好这种聚合物外壳件，经热套收缩或滑套到绝缘子上去时，就成为一种简化的套件。但是，制造出径向伸出的外裙部分的传统模塑技术要求其模具沿零件的纵向轴线合模。这便造成了必须磨光合模线，以便避免在外裙部分表面的合模线处积聚的污染物及其他脏物所造成的沿纵向轴线的爬电。此外，合模线处聚合物中的填料含量和组成差异还导致事故的增加，这正如Corour等人在“盐雾中聚合物绝缘材料的性能”，IEEE TransactionPower Delivery，Vol2，No.2，pp486～492，1987年4月(1986年预印集)一文中所讨论的。
所以，一种将合模线从纵向轴线挪到外裙的周边的模塑技术，连同适合于这种技术的组合物会是十分渴求的。此外，这种组合物将在高度污染的环境中表现出良好的抗电弧及抗飞弧性能。进而，十分渴求的是这样一种模塑件，专门用来利用此种组合物的优越性能制造出比传统陶瓷设计所能够做到的更为合理和有效的形状应用于绝缘子、电涌放电器外套、变压器及设备的套管、电缆端子以及保险装置。
发明的概述
本发明通过各种各样的实施方案说明了上述渴求的模塑技术、组合物以及绝缘子的式样。本发明的一个实施方案涉及一种模塑方法，将合模线从零件的轴线方向移至径向外伸裙部的周边。本发明的另一实施方案涉及带有自纵向轴线伸出的较大的径向壁外伸部分的优化外裙设计。这种设计至少部分地是通过采用弹性体材料而不是陶瓷来达到的。本发明的一个进一步的实施方案包括能用于任何模塑工艺的优化弹性体材料组合物，它尤其适用于制造更好的混合材料的绝缘子外裙零件，该零件在高度污染的环境中具有较强的抗电弧及抗飞弧性能。
因此，在本发明的第一个实施方案中，提供了一种管状聚合物裙部，包括中央管状部分及至少两个从中央管外伸的径向壁翅片延伸部分，此诣部是用一种模塑聚合物组合物制成的，而且其合模线位于该径向壁外伸翅片的周边上。
本发明的第二个方面提供了一种带有从零件的管状部分伸出的两个或更多个径向壁环状翅片延伸部分的弹性体零件的模塑方法，该方法把合模线设在径向壁翅片延伸部分的周边处从而取消了纵向合模线，该方法包括下列步骤：
(a)把包含模塑造型的模塑板合起来，模具开、合时各板沿模塑件的纵轴移动，所说板沿模具周边有溢料点，制出的模塑弹性体零件带有伸出于主管状壁之外的部分，而且模塑板还包括一只用以形成管状壁的嵌件；
(b)将能够模塑成该弹性体零件的材料注入模具；
(c)将模具内的材料固化：
(d)开启模具以便弹性体零件的径向壁环状翅片的至少一段能移动通过一个模塑板的一个开孔；以及
(e)取出模塑的弹性体零件。
本发明的第三方面提供了一种用于模塑的改良硅氧烷弹性体组合物，包含：
(a)100份硅氧烷弹性体，其中包含0.15～0.30％(摩尔)乙烯基和0.15～0.30％(摩尔)硅烷基团；
(b)2～25ppm铂催化剂；
(c)0～20phr煅制二氧化钛：
(d)0.01phr以下三水合铝：
(e)5～35phr红氧化铁：以及
(f)0～50phr填料。
                附图的简要说明
图1是包括本发明的改良裙部设计的绝缘子的剖面图。这种裙部设计可以被包括于聚合物或陶瓷绝缘子之中或者做为其基础上的改进部分以提高在高度污染环境中的抗电弧及抗飞弧性能。
图2表示图1的裙部元件150的放大剖视图。
图3表示一个本发明的新颖裙部设计，具有多个同心钟罩，它们任选地用本发明的优选组合物制成。
图4表示一个带有湿飞弧环形延长部分的新颖裙部设计。
图5表示一种象图3所示的裙部，但在此外钟罩形裙内部又进一步包括一个带有径向壁环形延伸部分的裙的组合新颖裙部设计。
图6表示一只适用于实施本发明的模塑方法的模具，此模具处于打开的位置。
                优选实施方案的描述
下面将结合附图对本发明的优选实施方案做详细的说明。尤其好的制品可以任选地采用优选的模塑组合物及方法。
图1到图5面出了新颖裙部式样。这些裙部设计的独特形状和/或尺寸使内层元件(象陶瓷或纤维增强塑料(FRP)绝缘棒或电涌放电器阀元件等)提高了性能。特别是，图4和5的环状延伸部提供了提高的温飞弧性能。弹性体材料的使用使得可以制造如所有附图画出的裙件，使其具有比传统的陶瓷设计所可能达到的更大的表面泄漏距离/间隙比(国际电工委员会(IEC)报告出版物815pg.31，D3及pg.37，图3a/b)，后者若做成此种比例则要么过重，要么太脆。图1、2、3、4及5中所示的带裙零件可以用任何合适的材料来制造，如硅橡胶、乙丙共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元共聚物、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙烯共聚物与硅氧烷弹性体的共混物等等。但是，还是优选本文提出的特别优选的模塑组合物及方法。任选地，此种新颖裙部设计可以完全用承载塑料如FRP来模塑。
图1画出一种混合绝缘子或者说本发明的裙件100，具有金属端面端子110及120、用陶瓷、FRP、复合材料、塑料等制成的绝缘芯材130以及其外面装配的聚合物带裙零件140、150及180。聚合物带裙件(优选带裙件150和180)可以具有沿着如142、144、146、182、184和186所示的径向伸出翅片段的周边而不是沿零件的纵向长度方向的合模线。这就减少了污物的积聚以及因此而发生的爬电和侵蚀损坏。另外，带裙件140包括一个外罩裙，其闭端的圆管状钟罩形外罩裙145连接在管形件147的一端。外罩裙145具有大于5∶1、优选大于7.5∶1、且最优选大于10∶1的泄漏距离/间隙比。这种设计尤其有可能在高度污染的环境当中(象沿海或工业地区、炼油厂或软煤燃烧地区)获得改善的性能。“泄漏距离/间隙比”意指沿裙体的内表面部分148的表面距离r1与外裙145的边缘和内部短翅片裙180本体或者芯材130的接口处之间的距离r2的比值。一般地说，这个比值愈大，则抗爬电或抗飞弧能力也愈大。内部小裙(短翅)180，即构成绝缘子100的第三个管状裙的部分，位于带裙件140的内部，具有两个或更多径向壁翅片延伸环(图中所示的182、184和186)，从而加长了表面爬电长度，减弱了有效电应力和空气中污染物的进入。绝缘芯材130最好是一只位于中心、内部的陶瓷件或玻璃纤维增强棒，两端具有金属端部附件。
图2是带裙件150的放大视图，强调了其不闪弧的模塑多个径向壁设计。零件150具有包围绝缘芯130的管状部分的内径ID、长度L和厚度t，如图所示。零件150可以由任何材料模塑而成，使得ID/L比值为0.25～10，t为0.254mm(0.01英寸)至12.7mm(0.5英寸)，该材料在模塑温度下具有1～80的肖尔A硬度和50～1，200％的伸长率。优选的是，比值ID/L是0.75～2.5，厚度t为0.782mm(0.03英寸)至5.08mm(0.200英寸)，且该材料具有10-60的肖尔A硬度以及300～900％的伸长率。最优选的是比值ID/L为1.2～1.8，厚度t为1.91mm(0.075英寸)至2.54mm(0.1英寸)，且该材料具有30～50的肖尔A硬度和500～800％的伸长率。由于在通过模塑板时较软材料及具有较大伸长率的材料的模塑件可能较容易塌陷，故可以具有较厚的壁段及较低的ID/L比值，见图6所示及下文的讨论。
任选地，由于弹性体材料的可延展特点，可以做成钟罩形外罩200，如图3所示。外罩200具有封闭的端面壁部分210和(互相)平行的放射状部分220及230，以及最里面的纵向弹性体管状部分240。该封闭端面的管形部部分220和230还可被描绘成封闭端位于外层钟形内部的多层纵向同心钟罩形件，或者封闭端具有嵌套的管状组件。外罩裙200可以用来代替图1中的带裙件180。弹性体材料可以被用来制作最内层同心或最内层嵌套闭端管状件(例如元件230)的泄漏距离/间隙比超过7∶1、优选大于9∶1、最优选大于10∶1且特别优选直到约12∶1或更高的裙。优选每一个内钟罩形件具有大于5∶1的泄漏距离/间隙比。自然，任何外围的同心钟罩或外层闭端管状件例如220将具有大致相似的比例。如前面所说，基于所说原因，较大的比例是优选的。
图4表示出一种图1的任选裙部设计300，它进一步地包括一伸出的圆环360以提高抗飞弧性。环形伸出部分360可以置于沿外壁边缘的任何位置。可以有多个环状伸出部，但是画出的式样是优选的。钟罩形外罩裙300类似于图1中的裙145，但它在钟罩形件320的肩部包括环状伸出部分360。环状伸出的距离(d1)与肩部到此裙部设计的纵向管部分的距离(d2)之比优选为0.1～2.0，更优选为0.5～2.0，最优选为0.75～2.0。当按照ANSI C29.1，节4.3(1988)测定时，若飞弧环的比例为0.2，则湿飞弧电压提高25～35％。
此设计可以进一步包括一个内部带裙零件，用于存在导电粉尘倾向于积聚在裙部的内侧并引起飞弧的环境，例如同时具有天然或人工尘埃或者具有高含盐量的环境，如沿海的环境中。
图5画出了具有内部带裙件500的设计，它具有水平或径向环形件540a～550f，它也作为图1的带裙件180的任选替代方案。件540a～540f的直径可以如图所画出的是相同的也可以变直径的，随着接近肩位410或增大或缩小直径。在外钟罩件400(对应于图1的带裙件140，该件任选地具有在件420上伸出去的环状延伸部分460)和件500之间存在着协同效应，从而限制或防止空气夹带污物进入和/或附着在540a～540f裙的内部。由于空气夹带的污物被阻止于裙件的外边，故这些裙便有了较高的飞弧电压。
图1、2、3、4以及5中所示的裙部设计最好用本发明的硅氧烷弹性体制造。但是任何符合下列条件的弹性体均适用：具有高抗爬电性、抗电弧性、抗飞弧性以及柔性同足以支撑泄漏距离/间隙比大于5的带有长的纵向凸棱的裙部构造的结构刚性相结合，以及能形成环状延伸比d1∶d2大于0.1。范例性的合适弹性体包括乙烯丙烯共聚物、乙烯-丙烯-二烯三元聚合物、硅氧烷弹性体橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯共聚物与硅氧烷弹性体的共混物等等。
用于低模量抗爬电硅氧烷的优选模塑组合物包括100份聚硅氧烷，其中包含0.15～0.30％(摩尔)乙烯基和-当量的(即0.15～0.30％(摩尔))硅烷基用于交联：2～25ppm、优选约5～15ppm铂催化剂：0～20phr(每100份橡胶的份数)、优选0～10phr的煅制二氧化钛：2～35phr、优选5～20phr的红氧化铁：以及0～50phr、但优选0～20phr的煅制氧化硅；优选不含或含至多微量的三水合铝；以及任选地0～10phr、优选0～5phr的粘度小于约2，000厘沲的硅氧烷或氟硅氧烷流体。此混合物通常在约150℃的加热模具内交联，或者挤出后置于350℃的炉内加热。此交联混合物具有30～65、优选30～50的肖尔A硬度(按ASTM D-2240测定)。此混合物还具有小于18kg/cm2(260psi)、优选为11kg/cm2(150psi)至7kg/cm2(100psi)的M100模量(按ASTM D-412测定)。
特别优选的组合物是一种硅氧烷弹性体，包含100份聚硅氧烷、10ppm铂催化剂、10phr煅制二氧化钛、基本上不含或至少不含有高于背景杂质含量的三水合铝、20phr红氧化铁、以及30phr沉淀氧化硅填料(Minusil)，最好不含过氧化物交联荆。此种组合物表现出了高的抗爬电性。
该组合物显示了大于240分钟的持续爬电侵蚀时间和承受3.25kV以上电压的能力(按照ASTM-D2303逐步递增电压程序测定)。爬电和侵蚀时间的标准偏差典型地由±115降低到±50分钟。失效模式主要由侵蚀引起，这对裙件而言是非常理想的。这同多数其他硅氧烷混炼物因爬电而失效的情况明显不同。此混炼物的低模量有利于零件的脱模，因而允许用圆周合模线代替轴(纵)向合棋线进行模塑。此种组合物还使得成本降低了，因为采用了低用量的铂和低量的煅制二氧化钛(一般为最昂贵的成分)。这种组合物本质上不同于先有技术组合物，如Dow Corning Silastic 29760-V灰色材料，它含有高浓度的三水合铝或铂以及煅制二氧化钛以期获得阻燃性，或者含有如同前面提到的Penneck的U.S.4，521，549(1985)中提出的含过氧化物催比的抗爬电化合物的铂及二氧化钛。
此种组合物作为绝缘材料用于户外配、输电器件如电涌放电器、绝缘子、变压器套管、电缆终端以及保险装置组件等尤其有用。此组合物具有令人吃惊的低室温模量(肖尔A硬度为65～30)，这使得在弹性体零件的制造与应用当中很容易令其延伸和收缩。先有技术采用很高含量的三水合铝提高了抗爬电性，但是却使该材料变得非常刚硬。高用量铂或煅制二氧化钛显著增加了混炼物的成本。加入高用量的三水合铝降低了材料的疏水性，从而提高了用于绝缘子或电涌放电器时外罩裙的水润湿程度。这样便增加了飞弧或爬电的可能性。
此种组合物的一个特别优选的用途是用在制造象图1中元件150那样的带有多个径向壁伸出部分的管状模塑零件。此模塑过程利用该材料的弹性体性能从而允许使用合模线基本上垂直于零件纵轴线而连接的模具板。这种模塑过程能生产出合模飞边材料位于沿着裙的最外圆周上的零件，从而减少了磨光的需要也缩短了加工周期，同时还使得抗爬电提高。况且，在边缘处合模线上组合物在成分上的差异对裙件性能很少或根本没有影响。本模塑方法是基于下述的非常出人意外的发现，即采用弹性体模塑材料允许模塑出的多个径向成壁的零件突然离开模塑板，尤其是当把零件从模具中取出时对管状模塑件的内部结构施加真空之际。
具体地说，在图6中画出了优选实施方案，其中模具包括板1、2、3、4、5和6以及由板6伸出的用于形成管的嵌件50。裙部或者至少为模塑零件提供裙部的东西示于图6的元件10、20、30及40，同时其管状特性则由嵌件50产生。当合模并注入弹性体组合物之后，合模线或者物料的溢料点不是出现在沿零件纵向轴线而是分别出现在11与21、23与31、33与41、43与51之间。在模塑操作过程中，板1、2、3、4、5和6被合并在一起并维持弹性材料注入及固化所需的足够压力、热量、时间及温度。
图6所示的模塑方法可以采用一台Engel 165吨带立式压台的注塑机或类似的机器进行。为从模具的侧面推出零件以及移动各板的需要，对Engel 165机进行了改装。改装的理由是此机器的开模冲程/全开时压板间开距必须在至少两板间(例如板2与板3以及板1和板2间)为操作工或者机器人提供空间以便能够把零件从板2取下来。其他的设备如梭式压机或旋转式压机也可以使用，而且最好是用于制造较大注入量的情况，主要原因是容易在模具上添加更多的板或者更多的径向外伸裙部或其他的细节以及减少模具定位销的磨损。在梭式或旋转式台上，模具的支撑很简单，同时打开板和取出零件的能力也比较强。模塑机机简被加热到大约49℃，而且依照模具温度以及零件尺寸和浇入口/排气口同15℃的差距大小将此机筒温度调上或调下。合适的模塑时间(从合模到开模到再开模)是2分钟周期时间，所述周期即从合模、注料、物料模塑乃至打开板、取出成品件最后再次合模而开始新的周期。更具体地说，周期时间取决于机筒温度、模具中使用的组合物以及模具的温度。
在实际的模塑操作当中，一种合适的模塑温度约为149℃～204℃，优选为160℃～193℃，最优选为约182℃。讨论过总体顺序之后，下面的描述将限据的是一旦将模塑板合上并加压之后的模塑周期。模具合上后，把本发明的优选弹性体材料注入并经过约1分钟的平均固化时间。然后，沿板5和6之间将模具打开随后把装在板6上的嵌传从零件中拔出。使用弹簧锁和压机侧面的注入系统以及弹簧将模具的其余部分保持在一起。接着，通过脱坯螺栓将模塑板4和5打开以放开这些部分。在此操作之后，模塑板3和4打开，从而把取出塞心后的空间里的压扁的零件部分放开。然后将其拖过板4。当零件被拖过板4之后，进一步沿板3和2之间把模具打开，象前一步一样把零件拖过板3。继续开模，打开板1和2，于是模具便处于完全打开的位置，零件位于面对板3的板侧面，此时，模具操作工或机器人就可以从打开的板2与板3之间将零件取出。
这种模塑技术若是用刚性材料便不可能，但是借助这样的出人意料的认识，即诸如优选的硅氧烷弹性体之类弹性体的柔顺特性以及零件的管形特点，就允许模塑一种零件，其分离线或溢料点不是沿着纵向轴线(模塑件通常沿着纵向轴线合起来)，而是位于棋塑零件圆环的边缘处。虽然已经描述了一个具体构造，其上具有大小交替的若干径向壁面的圆环延伸部分，但是，用本发明的方法可以达到任何数目和形状的环状延伸部。本发明的模塑方法允许用大约1分钟的周期时间制造一个模塑件，对比之下制造一只大体相同的零件时含磨平合模线的周期时间却超过7分钟。
上面已结合具体的优选实施方案对本发明作了说明，但是，在本发明的范围之内可以没想出许多对于普通专业人员来说本是很明显的修改方案，例如，模塑机可以采用更大或更小的板，溢料点可以被移到钟罩的边缘，以提供一条滴料线以便进一步提高效能，此新颖的裙部设计可以采用结构塑料如FRP等浇铸或加工得到。

Claims (6)

1．一种管状聚合物裙，包括中央管状部分和至少两个从其延伸出来的径向壁翅片延伸部分，其中翅片延伸部分的内径ID与长度L之比ID/L为0.250至10，中心管状部分的壁厚t为0.254至12.7mm，所述的裙是
(a)用模塑聚合物的组合物制成的，在模塑温度时该组合物具有1至80的肖尔A硬度为以及50至1200％的伸长率；
(b)具有分离地形成的合模线而且其仅仅位于径向壁翅片延伸部分的周边上。
2．按照权利要求1的裙，进一步包括封闭端面的外周管状件，它在封闭端面处与裙的中心管状部分相连接，使得该裙具有大于5∶1的泄漏距离/间隙比。
3．按照权利要求2的裙，其中封闭端面的外周管状件是钟罩形的，而且具有足够的直径，使得该裙的设计进一步包括至少多个在外层钟罩形的内侧、与之同心的管状钟罩形元件，它们都在封闭端连接，而且其中每一个管状、同心、钟罩形元件的表面泄漏/间隙比均大于5∶1。
4．按照权利要求2的裙，其外管状件在其内部具有第三管状裙部分，此第三管状裙部分具有两个或更多个径向壁翅片延伸环，从而增加了表面爬电长度，减少了有效电应力和空气携带的污染物的侵入。
5．按照权利要求2-4中任何一项的裙，进一步包括至少一只湿飞弧环状伸出部分，其伸出比为0.1至2.0，位于所述钟罩形的外缘。
6．制备权利要求1至5的任一项权利要求所限定的管状聚合物裙的模塑方法，此方法把分离的合模线仅仅设在径向壁翅片延伸部分的周边上并取消了纵向合模线，该方法包括下列步骤：
(a)把包含模塑造型的模塑板合在一起，这些板在模具闭合上和张开时沿着管状聚合物裙的纵轴方向移动，所说的板沿模具的周边带有溢料点，制出的管状聚合物裙具有伸出于主管状壁的部分其内径ID与长度L之比ID/L为0.250至10及中心管状部分的壁厚分为0.254至12.7mm，而且模塑板包括用以形成管状部分的嵌件；
(b)向模具中注入可模塑成在模塑温度时具有1至80的肖尔A硬度以及50至1200％的伸长率的管状聚合物裙的材料；
(c)将模具内的材料固化；
(d)打开模具以便至少一段管状聚合物裙的径向壁环状翅片能移动通过一个模塑板上的一个开孔；以及
(e)取出模塑的管状聚合物裙，该管状聚合物裙具有的分离的合模线仅仅设在其径向壁翅片延伸部分的周边上。
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