CN106893186A - 高介电性能n‑乙基咔唑/聚乙烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

高介电性能n‑乙基咔唑/聚乙烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电缆绝缘材料加工技术领域，具体涉及一种高介电性能N‑乙基咔唑/聚乙烯复合材料及其制备方法。其各成分及重量份为低密度聚乙烯100份，N‑乙基咔唑0.5~2份及抗氧剂0.2~0.5份；其制备方法为：取100份的低密度聚乙烯，0.5~2份的N‑乙基咔唑和0.2~0.5份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，温度为130~180℃，转速为30~80r/min，时间为5~8min，获得高介电性能N‑乙基咔唑/聚乙烯复合材料；将材料置于模具中通过平板硫化机中压制成薄片，压制温度为150~180℃，压力为8~16Mpa，压制时间为5~15min。

Description

高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于电缆绝缘材料加工技术领域，具体涉及一种高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料及其制备方法。
背景技术：
高压直流输电线路低的铺设成本、没有无功功率、小的线路损耗、方便电网连接、控制和调节容易，已被广泛应用于长距离输电工程中。聚乙烯具有突出的电学性能、良好的加工性能以及较低的价格，因而成为高压和超高压电力电缆材料的首选，聚乙烯电缆将成为直流输电的重要的一环。然而，对于高压及超高压直流电缆绝缘材料的研究还存在一些难题亟待解决，其中最大问题就是如何抑制聚乙烯及交联聚乙烯材料中空间电荷积聚。
基于此，2015年中国专利CN 104927175A[抑制内部空间电荷的交联聚乙烯复合材料及其制备方法和应用]；2016年中国专利CN 105542290A[一种具有抑制空间电荷的高压直流电缆料的配方及其制备方法]；2016年中国专利CN 105837889A[一种聚合物纳米绝缘电介质复合材料及其制备方法]；2016年中国专利CN 105906846A[一种氰乙基纤维素基高介电纳米复合膜及其制备方法]；2016年中国专利CN 105218932A[一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料及其制备方法]采用向聚乙烯中添加纳米粒子制得抑制空间电荷的复合材料。以上专利由于纳米粒子易发生团聚，且易发生迁移，在聚乙烯中很难分散均匀，容易产生缺陷，易发生击穿。故此，研发一种高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料势在必行。
发明内容：
本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提出了一种高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料及其制备方法，不仅可以起到抑制聚乙烯中空间电荷的作用，同时避免无机粒子的团聚问题和有机共轭小分子的迁移问题。
本发明采用的技术方案为：一种高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料，该复合材料各成分及重量份为低密度聚乙烯（LDPE）100份，N-乙基咔唑0.5~2份及抗氧剂0.2~0.5份。
所述的抗氧剂为四{β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸}季戊四醇酯【抗氧剂1010】。
一种高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料的制备方法，该制备方法为：取100份的低密度聚乙烯（LDPE），0.5~2份的N-乙基咔唑和0.2~0.5份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为130~180℃，转矩流变仪的转速为30~80r/min，混炼时间为5~8min，获得高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料； 将复合材料置于模具中通过平板硫化机中压制成薄片状，平板硫化机的温度为150~180℃，压力为8~16Mpa，压制时间为5~15min。
本发明的有益效果：所制备的高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料，其内部空间电荷的密度明显小于未添加N-乙基咔唑的低密度聚乙烯，说明在聚乙烯中添加N-乙基咔唑能明显有效的改善聚乙烯内部空间电荷的分布；同时N-乙基咔唑的加入也使得材料击穿强度得到了提高；而且解决了填料在基体中团聚的问题。
附图说明：
图1是本发明实施例中未添加N-乙基咔唑的材料空间电荷分布图。
图2是本发明实施例中添加0.5份N-乙基咔唑的材料空间电荷分布图。
图3是本发明实施例中添加1份N-乙基咔唑的材料空间电荷分布图。
图4是本发明实施例中添加1.5份N-乙基咔唑的材料空间电荷分布图。
具体实施方式：
实施例1
取100份的低密度聚乙烯（LDPE）和0.5份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为170℃，转矩流变仪的转速为40r/min，混炼时间为5min，获得复合材料； 将复合材料置于模具中通过平板硫化机中压制成薄片状，压制温度为170℃，压力为10Mpa，压制时间为12min，压制后的薄片厚度为300μm~1mm。
实施例1制得的复合材料在40kV/mm直流电场作用0.5min、10min时材料内部空间电荷分布图见图1。从图中可以看出，加压时间为0.5min时，纯LDPE试样阴极附近有同极性电荷的注入，并且电荷逐渐向试样内部移动，随着加压时间的延长，在加压10 min时，注入的电荷量增加，试样内部最大电荷密度达到7.5 C/m3，阴极的电荷逐步向阳极移动，阳极的电荷逐渐向阴极移动，电荷分布范围变广，整个试样内部出现了明显空间电荷的积累，并逐步注入纯PE试样内部形成同极性电荷。
实施例2
取100份的低密度聚乙烯（LDPE）、0.5份的N-乙基咔唑和0.5份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为170℃，转矩流变仪的转速为40r/min，混炼时间为5min，获得复合材料； 将复合材料置于模具中通过平板硫化机中压制成薄片状，压制温度为170℃，压力为10Mpa，压制时间为12min，压制后的薄片厚度为300μm~1mm。
实施例2制得的复合材料在40kV/mm直流电场作用0.5min、10min时材料内部空间电荷分布图见图2。从图中可以看出，在加压极化0.5min时，在阳极和阴极附近都只有极少量的电荷注入，加压10min后，复合材料中电荷密度最高约达1.8C/m3，且复合材料内部残余电荷量较少，电荷分布均匀，说明添加0.5份的N-乙基咔唑对复合材料内部空间电荷的积聚具有较强的抑制效果。
实施例3
取100份的低密度聚乙烯（LDPE）、1份的N-乙基咔唑和0.5份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为170℃，转矩流变仪的转速为40r/min，混炼时间为5min，获得复合材料； 将复合材料置于模具中通过平板硫化机中压制成薄片状，压制温度为170℃，压力为10Mpa，压制时间为12min，压制后的薄片厚度为300μm~1mm。
实施例3制得的复合材料在40kV/mm直流电场作用0.5min、10min时材料内部空间电荷分布图见图3.从图中可以看出，在加压极化0.5min时，在阳极和阴极附近电荷注入量有所增加，加压10 min后试样内部异极性电荷增加，较N-乙基咔唑添加量为0.5份的复合材料内部则出现了较多的空间电荷的累积。
实施例4
取100份的低密度聚乙烯（LDPE）、1.5份的N-乙基咔唑和0.5份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为170℃，转矩流变仪的转速为40r/min，混炼时间为5min，获得复合材料； 将复合材料置于模具中通过平板硫化机中压制成薄片状，压制温度为170℃，压力为10Mpa，压制时间为12min，压制后的薄片厚度为300μm~1mm。
实施例4制得的复合材料在40kV/mm直流电场作用0.5min、10min时材料内部空间电荷分布图见图4。从图中可以看出，加压时间为0.5min时，在阴极附近有同极性电荷的注入，并且电荷逐渐向试样内部移动，在加压10 min时，注入的电荷量增加更多，阴极的电荷逐步向阳极移动，阳极的电荷逐渐向阴极移动，电荷分布范围变广，使材料内部出现了明显空间电荷的积累。
实施例1至4原料配方（重量份）如表1所示，以未加入N-乙基咔唑的纯聚乙烯实施例1作为介电性能对照。
表1-原料配方表
原料 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
低密度聚乙烯 100 100 100 100
N-乙基咔唑 0 0.5 1.0 1.5
抗氧剂 0.5 0.5 0.5 0.5
通过将图2 ～4与图1相比，N-乙基咔唑添加量为0.5份、1份和1.5份的N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料在加压极化0.5min后，注入电荷量明显比纯聚乙烯减少，且注入电荷量随着N-乙基咔唑的添加量增加而增加。加压10 min后试样内部出现少量异极性电荷，最大电荷密度约为2.14 C/m3。由此可见添加N-乙基咔唑对抑制复合材料内部空间电荷的积聚、改善空间电荷的分布能起到一定的作用，且N-乙基咔唑添加量为0.5 份的复合材料对空间电荷的抑制效果最好。
以未加入N-乙基咔唑的纯聚乙烯实施例1作为击穿强度测试对照。击穿强度测试采用长春市智能仪器设备有限公司制造的HT-100型击穿电压测试仪，测试试样厚度为1mm，采用连续升压的升压方式，升压速度为1kV/s。本试验制得复合材料的击穿强度数值见表2。
表2-击穿强度表
性能 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
击穿场强/kV/mm 24.08 27.38 26.52 25.45
在聚乙烯中添加一定量的N-乙基咔唑，对减少复合材料内部的空间电荷起到了一定的抑制作用，并且解决了填料在聚乙烯中的团聚问题；当N-乙基咔唑的添加量为0.5份时，复合材料的电性能有明显的提高，复合材料的击穿场强为27.38kV/mm，并且对复合材料内部空间电荷抑制作用最佳,此时复合材料内阴极电荷约为2.1C/m3，阳极电荷密度约为1.8C/m3。
尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详尽描述和说明，但除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料，其特征在于：该复合材料各成分及重量份为低密度聚乙烯（LDPE）100份，N-乙基咔唑0.5~2份及抗氧剂0.2~0.5份。
2.根据权利要求1所述的一种高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂为四{β-（3,5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸}季戊四醇酯【抗氧剂1010】。
3.一种权利要求1所述的高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料的制备方法，其特征在于：该制备方法为：取100份的低密度聚乙烯（LDPE），0.5~2份的N-乙基咔唑和0.2~0.5份的抗氧剂放入混合机中均匀搅拌混合，将混合后的原料加入到转矩流变仪中进行熔融共混，熔融温度为130~180℃，转矩流变仪的转速为30~80 r/min，混炼时间为5~8min，获得高介电性能N-乙基咔唑/聚乙烯复合材料； 将复合材料置于模具中通过平板硫化机中压制成薄片状，平板硫化机的温度为150~180℃，压力为8~16Mpa，压制时间为5~15min。
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