CN106750747A - 通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，主要解决聚乙烯中的电树枝现象，其严重影响聚乙烯绝缘材料的使用寿命及电力设备的安全运行。制备方法：一、将蒙脱土加入到一定浓度的酸溶液中，在水浴锅中高速搅拌，然后用离心机对其离心，去除杂质；二、向离心后的溶液中加十八烷基三甲基铵盐，在水浴锅中高速搅拌后放入分液漏斗静置；三、取上层悬浊液用蒸馏水反复洗涤后置于超声波振荡仪中振荡1h，然后放入烘箱中烘干，最后研磨、过筛；向混炼式转矩流变仪中加入聚乙烯，待其完全熔融，将步骤三中的蒙脱土以不同比例分数加入其中共混。本发明主要是为了有效提高聚乙烯基体的耐电树枝性能。

Description

通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法

技术领域

本发明涉及通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，属于高压绝缘领域。

背景技术

聚乙烯中的电树枝现象严重影响聚乙烯绝缘材料的使用寿命，同时也使其在很多领域中的应用受到限制。很多实验研究表明，添加微量的纳米蒙脱土相较于其他微米级的填料更可以显著提高复合物的介电性能以及电树枝特性。

超声波处理作为一种特殊能量作用形式，在很多方面都得到了广泛应用。超声波在发生能量作用时，会产生局部超高温、超高压以及超声空化作用，特别是超声空化作用所产生的空化能，能够使处于超声波作用下的固体颗粒之间发生剧烈碰撞，从而导致固体颗粒的粒径尺度减小。超声波的空化原理指的是，存在于液体中的空气泡(微气核)在超声波的作用下发生振动，当声压达到一定值时空气泡(微气核)发生生长与崩溃的动力学过程，在这个过程中所产生的条件足以使有机物、无机物在空气泡中发生化学键断裂、热分解，促进分均相界面的搅动，实现介观的均匀混合，同时可以阻止晶核的生长和团聚，控制颗粒的尺寸与分布。人们正是利用超声波具有的上述特点，来处理化工、电镀、生物医学等方面的问题。

发明内容

本发明的目的是提高作为耐高压绝缘材料的聚乙烯纳米复合物耐电树枝能力，结合国内外关于超声技术作用于纳米材料的文献，利用超声技术对纳米蒙脱土进行了剥离处理，采用熔融插层法与低密度聚乙烯混合，制备出超声处理蒙脱土/聚乙烯纳米复合物。

本发明所述通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法按下列步骤实现：

一、先将蒙脱土加入到一定浓度的酸溶液中在水浴锅中高速搅拌，蒙脱土均匀溶解在酸溶液中，使用离心机对溶解到酸溶液中的蒙脱土进行离心，去除蒙脱土内杂质；

二、向离心后的溶液中加十八烷基三甲基铵盐，然后继续放在水浴锅中高速搅拌，使用分液漏斗静置后，取上层悬浊液用去离子水反复进行洗涤，直至AgNO₃滴定无白色沉淀；

三、将上述的悬浊液倒入烧杯中，并置于超声波振荡仪中振荡，然后放入烘箱中烘干，最后经研磨、过筛；

四、先向混炼式转矩流变仪中加入聚乙烯，待其完全熔融后，将步骤三中的蒙脱土以不同比例分数加入其中，与聚乙烯共混。

本发明制备的纳米复合物是利用功率超声波来二次剥离有机化处理之后的蒙脱土。根据目前的研究状况看来，决定纳米复合物耐电树性能的主要因素是纳米填料的分散性及由此而调控的介观结构，而常规纳米填料制备方法很难使纳米复合物内的无机纳米填料达到纳米级分散程度。这是因为当填料颗粒尺寸减小到0.1μm以下时，填料颗粒的表面能相对来说会变得很高，导致填料颗粒之间发生自聚集效应。以蒙脱土为例，这种表面能的存在会导致其发生层状堆叠，降低了蒙脱土的分散性。本实验将有机化处理后的蒙脱土再次进行超声处理，就是为了在与聚合物熔融共混前破坏蒙脱土的层状堆叠结构，使其颗粒尺寸更微小，在与聚合物共混时的分散性更好。另一方面，通过超声剥离蒙脱土的异相成核作用，调控纳米复合物的晶粒尺度及结晶度等。当聚合物与纳米填料的混合在介观尺度上达到均匀时，填料的纳米特性能得以充分发挥，从而达到提高纳米复合物耐电树性能的目的。

附图说明

图1和图2分别是是本发明所述实施例1中三种试样晶粒尺度和结晶度的示意图。

图3是本发明所述实施例2中三种试样电树引发电压的示意图。

图4和图5分别是是本发明所述实施例3中三种试样电树生长长度和电树生长形态的示意图。

图中：(1)、(2)、(3)分别为聚乙烯、未经超声波调控介观结构的纳米复合物、超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法按下列步骤实施：

一、称取适当质量的蒙脱土，配以适当浓度的乙酸溶液混合在一起，随后将混合好的的蒙脱土悬浊液在一定温度下水浴加热并高速搅拌。将搅拌好的悬浊液静置至冷却，进行离心提纯；

二、测量提纯后的悬浊液量，大致估计出蒙脱土含量，按一定比例配制表面改性剂溶液，选择十八烷基三甲基氯化铵作为表面改性剂。将蒙脱土悬浊液与配制好的表面改性剂溶液混合后，放置在水浴加热并高速搅拌一段时间。将制得的溶液冷却后倒入分液漏斗，静置一段时间后，除去下层清液；

三、将上层泡沫状部分全部倒入抽滤漏斗中，加入去离子水进行抽滤，直至用硝酸银溶液滴定至无沉淀即停止抽滤。将上述中的悬浊液倒入烧杯中，并置于超声波振荡仪中振荡；最后将蒙脱土放置烘箱，设置好温度，烘烤。将烘干后的蒙脱土进行研磨、过筛，处理完毕；

四、先向混炼式转矩流变仪中加入聚乙烯，混炼温度为150°C，螺杆转速为50r/min，待其完全熔融后，将步骤三中的蒙脱土以不同比例分数加入其中，与聚乙烯共混。

本实施例所使用的聚乙烯为中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司，蒙脱土原土：阳离子交换量为80mmol/100g。

实施例1

对制备的两种纳米复合物及聚乙烯三种试样的介观结构进行了测量，其中一种纳米复合物的有机蒙脱土通过超声波二次剥离，另一种纳米复合物的有机蒙脱土未经过超声波二次处理。结果表明，通过超声波调控介观结构的纳米复合物其晶粒尺度减小如图1所示，结晶度提高如图2所示。

实施例2

对制备的两种纳米复合物及聚乙烯三种试样的电树枝起始电压进行了测量和统计，其中一种纳米复合物为通过超声波调控介观结构的纳米复合物，另一种为未经过超声波调控介观结构的纳米复合物，结果表明，通过超声波调控介观结构的纳米复合物的电树枝引发电压显著提高，电树枝的起树率降低，如图3所示。

实施例3

制备的纳米复合物进行电树枝生长特性实时观测实验，并对比研究超声处理前后纳米复合物的电树枝生长特性及树枝形态特性等。实验结果，如图4及图5所示：超声处理蒙脱土/聚乙烯纳米复合物的电树枝生长长度明显缩短，且电树枝形态变为更密集的丛状。结构分析表明，超声处理技术可以促进蒙脱土片层结构剥离，使蒙脱土均匀分散在聚乙烯中，形成剥离型蒙脱土/聚乙烯纳米复合结构，从而有效提高了聚乙烯基体的耐电树枝性能。

Claims (10)

1.本发明所述通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于按下列步骤实现：

一、称取适当质量的蒙脱土，配以适当浓度的乙酸溶液混合在一起，随后将混合好的的蒙脱土悬浊液在一定温度下水浴加热并高速搅拌；将搅拌好的悬浊液静置至冷却至室温，进行离心提纯；

二、测量提纯后的悬浊液量，大致估计出蒙脱土含量，按一定比例配制表面改性剂溶液，选择十八烷基三甲基氯化铵作为表面改性剂；将蒙脱土悬浊液与配制好的表面改性剂溶液混合后，放置在水浴加热并高速搅拌一段时间；将制得的溶液冷却一段时间后倒入分液漏斗，静置一段时间后，除去下层清液；

三、将上层泡沫状部分全部倒入抽滤漏斗中，加入去离子水进行抽滤，抽滤多次后，将上述中的悬浊液倒入烧杯中，并置于超声波振荡仪中振荡；最后将蒙脱土放置烘箱内烘干，将烘干后的蒙脱土进行研磨、过筛，处理完毕；

四、先向RM-200A混炼式转矩流变仪中加入聚乙烯，混炼温度为150°C，螺杆转速为50r/min，待其完全熔融后，将步骤三中的蒙脱土以不同比例分数加入其中，与聚乙烯共混15min。

2.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于所用的蒙脱土为蒙脱土原土，阳离子交换量为80mmol/100g。

3.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤一的乙酸溶液浓度为0.1%。

4.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤一的高速搅拌是在80℃的水浴锅中进行，其中搅拌的速度为200～240r/min。

5.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤一中的离心提纯，共离心3次，时间分别为1min、1min、2min，离心转速为3000r/min。

6.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤二中置于分液漏斗的静置时间为12h。

7.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤三有机化蒙脱土均分成两份，一份放入超声振荡仪中振荡，为超声波调控的蒙脱土，另一份未在超声振荡仪中振荡的蒙脱土仅为有机化蒙脱土。

8.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤三中超声波振荡时间为2h，工作频率为40Hz，电功率为160W，且在超声振荡同时仍需高速搅拌。

9.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤三中烘箱温度为80℃，时间为24h。

10.根据权利要求1所述的通过超声波调控介观结构的耐电树纳米复合物的制备方法，其特征在于步骤四共混的蒙脱土占聚乙烯的质量百分数为1%、3%。