CN107001765A - 电绝缘材料和用于制备绝缘材料元件的方法 - Google Patents

电绝缘材料和用于制备绝缘材料元件的方法 Download PDF

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Abstract

本公开的实施例提供了电绝缘材料和用于制备电绝缘元件的方法。电绝缘材料包含包括基体组分、填料组分和液体疏水组分；其中基体组分包括饱和苯乙烯嵌段共聚物。基于饱和苯乙烯嵌段共聚物的电绝缘材料具有良好的耐UV老化、耐漏电起痕和电蚀损、热稳定性，以及较低的介电常数和介电损耗。容易生产加工且生产成本较低。

Description

电绝缘材料和用于制备绝缘材料元件的方法
技术领域
本公开的实施例涉及电绝缘材料的领域、特别是基于苯乙烯嵌段共聚物的电绝缘材料，和用于制备电绝缘元件的方法。
背景技术
目前，常用的绝缘材料有三元乙丙橡胶(EPDM)、硅橡胶或环氧树脂。这些材料分别有其缺点。对于EPDM，用于制造具有该材料的绝缘体时需要交联，并且EPDM在室外环境中的疏水性较低。硅橡胶的加工工艺比较复杂，其中牵涉到交联这会增加生产成本。对于环氧树脂，交联步骤也是比较耗时的，并且环氧树脂产品是硬而脆，因此很容易在安装或运输过程中被破坏。
期望能提供一种相对便宜且容易制作的电绝缘材料。同时，该电绝缘材料应该满足对户外绝缘的技术要求，并具有良好的机械和电气性能。
发明内容
现在，上面提到的这些问题可以由一种新的绝缘子材料来解决。该电绝缘材料包含基体组分、填料组分和液体疏水组分。基体组分包括饱和苯乙烯嵌段共聚物。
根据示例性实施例，饱和苯乙烯嵌段共聚物包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物，即SEBS；苯乙烯-乙烯-丙基-苯乙烯嵌段共聚物，即SEPS；或者SEBS和SEPS的混合物。
根据示例性实施例，填料组分的量至多为电绝缘材料的总重量的85％，优选地在电绝缘材料的总重量的从5％至85％的范围内、更优选地在从40％至80％的范围内、更优选地在从50％至80％的范围内并且最优选地在从50％至70％的范围内。
根据示例性实施例，填料组分包括耐漏电起痕和电蚀损填料。
根据示例性实施例，液体疏水组分的量在电绝缘材料的总重量的从1％至15％的范围内，并且填料组分进一步包含用于吸附液体疏水组分的填料。
根据示例性实施例，耐漏电起痕和电蚀损填料包含由以下构成的组中的一个或多个材料：天然纯化砂、氧化硅、氢氧化硅、氧化铝、氢氧化铝、氧化钛、氢氧化钛、硼酸锌、氧化锌、氢氧化锌、硅酸盐、硅铝硅酸盐和矿物碳酸盐。
根据示例性实施例，用于吸附液体疏水组分的填料包含由以下构成的组中的一个或多个材料：地质聚合物、纳米二氧化硅、玻璃、云母、陶瓷颗粒和有机填料。
根据示例性实施例，填料组分具有在从1.0μm至200μm的范围内、优选地在从1μm至100μm的范围内、并且更优选地在从5μm至50μm的范围内、更优选地在从5μm至40μm的范围内、最优选地在从5μm至35μm的范围内的平均粒径。
根据示例性实施例，电绝缘材料进一步包含添加剂组分。添加剂组分可以包括以下中的至少一个：抗氧化剂、相容剂、增塑剂、增韧剂和UV稳定剂。添加剂组分的量可以在电绝缘材料的总重量的从0.1％至10％的范围内。
根据示例性实施例，液体疏水组分包含拥有以下基团中的一种或多种材料：包含-CH2-单元、-CHF-单元、-CF2-单元、-CF3-单元、-CHCl-单元、-C(Cl)2-单元和/或-C(Cl)3-单元的液体氟化或氯化烃；和环状、线型或支化的液体有机聚硅氧烷。
根据示例性实施例，液体疏水组分具有依照DIN 53 019在20℃下测得的在从50cSt至10000cSt的范围内、优选地在从100cSt至10000cSt的范围内并且最优选地在从40cSt至1000cSt的范围内的粘度。
根据示例性实施例，液体有机聚硅氧烷对应于通式(III)：
其中
R彼此独立的是含有1～8个碳原子的无取代或氯代或氟代烷基、(C1-C4-烷基)芳基或芳基；
R1每次出现时独立的具有R或R2的定义之一，连接到不同Si原子上的两个末端取代基R1可以被合到一起成为一个氧原子(即环状化合物)；
R2具有R的定义之一，或是氢或基团-(A)r-CH＝CH2；
A是基团-CsH2s-，式中
s是从1至6的整数；
r是0或1；
m是从0至5000；
n是从0至100；
非环状化合物的[m+n]的总和为至少20，并且分子中的基团-[Si(R)(R)O]-和-[Si(R1)(R2)O]-的顺序是任意的。
根据示例性实施例，液体有机聚硅氧烷的量在电绝缘材料的总重量的从0.1％至15％的范围内，优选地在电绝缘材料的总重量的从0.25％至10％的范围内并且最优选地在从5％至10％的范围内。
根据示例性实施例，提供了一种用于制备具有如上面提到的电绝缘材料的电绝缘元件的方法，包括步骤：a)将电绝缘材料的各组分以任何期望的顺序混合以得到混合物；b)将来自步骤a)的混合物放入布拉本德(Brabender)混合器或挤出机中以便以熔融状态共混，c)将来自步骤b)的混合物切割成颗粒；和d)将来自步骤c)的颗粒放入注塑机中以生产出电绝缘元件的所期望的形状。
基于饱和苯乙烯嵌段共聚物的电绝缘材料具有良好的疏水性能、耐漏电起痕和电蚀损性和热稳定性。同时，与硅橡胶相比，它具有较低的介电常数和介电损耗。此外，该材料的成本远低于硅橡胶。更重要的是该材料的加工优势。因为饱和苯乙烯嵌段共聚物是热塑性材料，所以可以通过注塑成型或挤出的方式进行加工，这比需要交联步骤的硅橡胶的加工工艺要简单并快捷得多。因此，加工成本和产品成本都可以大大地降低。
具体实施方式
在下文中，将在描述本公开的机制和精神时参考示例性实施例。应理解的是，这些实施例仅仅是被提供以便于本领域技术人员理解并进而实现本公开，而不是以任何方式限制本公开的范围。
电绝缘材料包含基体组分、填料组分和液体疏水组分。基体组分包括饱和苯乙烯嵌段共聚物。饱和苯乙烯嵌段共聚物可以是苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物，即SEBS；苯乙烯-乙烯-丙基-苯乙烯嵌段共聚物，即SEPS；或SEBS和SEPS的混合物。
SEBS的通式示出如下：
其中m、n、p和q的指数可以是任何整数，并且聚合物包括无规共聚物嵌段。
SEPS的通式示出如下：
其中m、n、p和q的指数可以是任何整数，并且聚合物包括无规共聚物嵌段。
这种基体材料显示出良好的柔韧性能、拉伸强度性能、抗UV性能、疏水性能、稳定性能和抗老化性能，并且适合用作电绝缘材料的基体材料。
为了改善材料的介电性能、耐漏电起痕和电蚀损能力、阻燃能力、疏水性恢复能力和机械性能，可以将一些填料添加到电绝缘材料中。填料组分的量为电绝缘材料的总重量的至多85％，优选地在电绝缘材料的总重量的从5％至85％的范围内、更优选地在从40％至80％的范围内、更优选地在从50％至80％的范围内并且最优选地在从50％至70％的范围内。
为了改善耐漏电起痕和电蚀损能力，可以添加以下填料中的至少一个：天然纯化砂、氧化硅(诸如干二氧化硅粉末)、氢氧化硅；氧化铝、氢氧化铝；氧化钛、氢氧化钛、硼酸锌、氧化锌、氢氧化锌、包括硅酸钠和硅酸钾的硅酸盐和硅铝硅酸盐、包括钙-镁碳酸盐和钙-硅-镁碳酸盐的矿物碳酸盐。
为了改善材料的疏水性恢复，可以添加一些填料用于吸附液体疏水组分。这种填料可以选自以下中的至少一种：包括基于铝硅酸盐或其他碱土金属的陨硫铁(trolites)和沸石的地质聚合物、纳米二氧化硅、玻璃、云母、陶瓷颗粒和有机填料，诸如PTFE粉末。这种填料可以在材料中保持更多的液体疏水组分，使得即使材料的最外表面上的液体疏水组分归因于恶劣的环境(例如，归因于雨水的冲洗或灰尘的清除)而损耗，吸附在该填料中的液体疏水组分也可以渗入材料的最外表面以恢复疏水性。
还可以添加其他填料以在以上方面和其他方面进一步改善材料的性能，诸如阻燃能力和机械性能。这种填料可以选自以下中的至少一种：氧化锌、氢氧化锌、硼酸锌、三水合氧化铝、矿物碳酸盐和其他有机填料。
为了更好的疏水性恢复能力，液体疏水组分的量在电绝缘材料的总重量的从1％至15％的范围内。用于吸附液体疏水组分的填料的量一般可以等于按重量计的液体疏水组分的量。
填料组分具有在从1.0μm至200μm的范围内、优选地在从1μm至100μm的范围内并且更优选地在从5μm至50μm的范围内、更优选地在从5μm至40μm的范围内并且最优选地在从5μm至35μm的范围内的平均粒径。另外，优选地，填料的晶粒中的至少50％的粒径在以上范围内。
在示例性实施例中，液体疏水组分包含由以下构成的组中的一个或多个材料：包含-CH2-单元、-CHF-单元、-CF2-单元、-CF3-单元、-CHCl-单元、-C(Cl)2-单元和/或-C(Cl)3-单元的液体氟化或氯化烃；和环状、线型或支化的液体有机聚硅氧烷(也称为硅油)。
优选地，液体疏水组分具有依照DIN 53 019在20℃下测得的在从50cSt至10000cSt的范围内、优选地在从100cSt至10000cSt的范围内并且最优选地在从40cSt至1000cSt的范围内的粘度。
优选地，液体有机聚硅氧烷对应于通式(III)：
其中
R彼此独立的是含有1～8个碳原子的无取代的或氯化或氟化的烷基、(C1-C4-烷基)芳基或芳基；
R1每次出现时独立的具有R或R2的定义之一，连接到不同Si原子上的两个末端取代基R1可以合到一起成为一个氧原子(即环状化合物)；
R2具有R的定义之一，或是氢或基团-(A)r-CH＝CH2；
A是基团-CsH2s-，式中
s是从1至6的整数；
r是0或1；
m是从0至5000；
n是从0至100；
非环状化合物的[m+n]的总和为至少20，并且分子中的基团-[Si(R)(R)O]-和-[Si(R1)(R2)O]-的顺序是任意的。
发现根据本公开的电绝缘材料中的有机聚硅氧烷和地质聚合物(特别是和基于铝硅酸盐或其他碱土金属的陨硫铁(trolites)和沸石)的组合可以显着地改善材料的疏水性恢复。
优选地，液体有机聚硅氧烷的量在电绝缘材料的总重量的从0.1％至15％的范围内，优选地在电绝缘材料的总重量的0.25％至10％的范围内并且最优选地在从5％至10％的范围内。
也可以将一些添加剂添加到电绝缘材料中。添加剂组分可以包括以下中的至少一个：抗氧化剂、相容剂、增塑剂、增韧剂和UV稳定剂，其在本领域是公知的。
添加剂组分的量可以在电绝缘材料的总重量的从0.1％至10％的范围内。
在液体疏水组分、填料组分和添加剂组分的加入之后，材料中的基于苯乙烯嵌段共聚物的基体组分的量可以高达70重量％。
根据本公开的电绝缘材料可以用于生产电绝缘元件。用于制备电绝缘元件的方法可以包括步骤：a)将电绝缘材料的各组分以任何期望的顺序混合以得到混合物；b)将来自步骤a)的混合物放入布拉本德(Brabender)混合器或挤出机中以便以熔融状态共混，c)将来自步骤b)的混合物切割成颗粒；和d)将来自步骤c)的颗粒放入注塑机中以生产出电绝缘元件的所期望的形状。
根据本公开生产出的电绝缘材料和电绝缘元件的优选用途是用于户外使用的高电压绝缘，尤其用于与高电压线路相关联的户外绝缘体，如长杆、复合和帽型绝缘体，并且还用于中压领域的基础绝缘体，用于与绝缘体相关的户外电力开关、测量传感器、引线和过电压保护器，用于开关柜构造、电力开关、干式变压器和电机，用于晶体管和其他半导体元件的涂层材料和/或用以浸渍电气元件。本公开进一步涉及包含根据本公开的电绝缘元件的电气制品。以下示例说明本公开。
示例1
从以下组分制备配方：100份SEBS；140份氢氧化铝；40份的干二氧化硅粉末(2000目)；20份硅油(10份50cSt和10份300cSt)；20份沸石粉末(500目)；0.3份抗氧化剂1010和0.5份UV稳定剂LS791。
混合过程为1)将所有SEBS和填料、添加剂放入传统的高速混合器中；2)将a)的混合物放入Brabender混合器或挤出机中以便以熔融状态共混，并切成颗粒；3)将来自b)的颗粒放入注塑机中以生产出电绝缘元件的期望的形状。
示例2
从以下组分制备配方：100份SEBS；70份氢氧化铝；20份硼酸锌；3份气相二氧化硅；10份硅油(5份50cSt和5份500cSt)；20份沸石粉末(500目)；0.3份抗氧化剂1076和0.5份UV稳定剂UV326。混合过程与示例1相同。
示例3
从以下组分制备配方：100份SEPS；140份氢氧化铝；40份的干二氧化硅粉末(2000目)；20份硅油(10份50cSt和10份300c St)；20份沸石粉末(500目)；0.3份抗氧化剂1010和0.5份UV稳定剂LS791。混合过程与示例1相同。
示例4
从以下组分制备配方：70份SEBS和30份SEPS；70份氢氧化铝；20份硼酸锌；3份气相二氧化硅；10份硅油(5份50cSt和5份500cSt)；20份沸石粉末(500目)；0.3份抗氧化剂1076和0.5份UV稳定剂UV326。混合过程与示例1相同。
表1示出了分别根据示例1至4中讨论的四个配方1至4的电绝缘材料和作为参考的普通硅橡胶的测试结果。看来根据以上示例的电绝缘材料与硅橡胶相比呈现出更好的机械性能、介电性能，同时满足耐漏电起痕和电蚀损性要求。
表1
尽管已参照当前考虑的实施例描述了本公开，但应该理解的是，本公开不限于所公开的实施例。相反，本公开旨在覆盖落入所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。所附权利要求的范围符合最广泛的解释并且涵盖所有这样的修改和等同结构与功能。

Claims (15)

1.一种电绝缘材料，包括基体组分、填料组分和液体疏水组分；
其中所述基体组分包括饱和苯乙烯嵌段共聚物。
2.根据权利要求1所述的电绝缘材料，其中所述饱和苯乙烯嵌段共聚物包括苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)、苯乙烯-乙烯-丙基-苯乙烯嵌段共聚物(SEPS)，或者其混合物。
3.根据权利要求1或2所述的电绝缘材料，其中所述填料组分的量为所述电绝缘材料的总重量的至多85％，优选地在所述电绝缘材料的所述总重量的从5％至85％的范围内、更优选地在从40％至80％的范围内、更优选地在从50％至80％的范围内、并且最优选地在从50％至70％的范围内。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电绝缘材料，其中所述填料组分包括耐漏电起痕和电蚀损填料。
5.根据权利要求4所述的电绝缘材料，其中所述液体疏水组分的量在所述电绝缘材料的所述总重量的从1％至15％的范围内，并且
所述填料组分进一步包含用于吸附所述液体疏水组分的填料。
6.根据权利要求4所述的电绝缘材料，其中所述耐漏电起痕和电蚀损填料包含由以下构成的组中的一种或多种材料：
天然纯化砂、氧化硅、氢氧化硅、氧化铝、氢氧化铝、氧化钛、氢氧化钛、硼酸锌、氧化锌、氢氧化锌、硅酸盐、硅铝硅酸盐和矿物碳酸盐。
7.根据权利要求5所述的电绝缘材料，其中用于吸附所述液体疏水组分的所述填料包含由以下构成的组中的一种或多种材料：地质聚合物、纳米二氧化硅、玻璃、云母、陶瓷颗粒和有机填料。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的电绝缘材料，其中所述填料组分的平均粒径具有在从1.0μm至200μm的范围内、优选地在从1μm至100μm的范围内、并且更优选地在从5μm至50μm的范围内、更优选地在从5μm至40μm的范围内、并且最优选地在从5μm至35μm的范围内。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的电绝缘材料，其中所述电绝缘材料进一步包含添加剂组分，并且所述添加剂组分包括以下中的至少一个：抗氧化剂、相容剂、增塑剂、增韧剂和UV稳定剂。
10.根据权利要求9所述的电绝缘材料，其中所述添加剂组分的量在所述电绝缘材料的所述总重量的从0.1％至10％的范围内。
11.根据权利要求1所述的电绝缘材料，其中所述液体疏水组分包含拥有以下基团中的一种或多种材料：包含-CH2-单元、-CHF-单元、-CF2-单元、-CF3-单元、-CHCl-单元、-C(Cl)2-单元和/或-C(Cl)3-单元的液体氟化或氯化烃；和环状、线型或支化的液体有机聚硅氧烷。
12.根据权利要求11所述的电绝缘材料，其中所述液体疏水组分具有依照DIN 53 019在20℃下测得的在从50cSt至10000cSt的范围内、优选地在从100cSt至10000cSt的范围内并且最优选地在从40cSt至1000cSt的范围内的粘度。
13.根据权利要求11所述的电绝缘材料，其中所述液体有机聚硅氧烷对应于通式(III)：
其中
R彼此独立的是含有1～8个碳原子的无取代或氯代或氟代烷基，(C1-C4-烷基)芳基，或芳基；
R1每次出现时独立的具有R或R2的定义之一，连接到不同Si原子上的两个末端取代基R1可以合到一起成为一个氧原子(即环状化合物)；
R2具有R的定义之一，或是氢或基团-(A)r-CH＝CH2；
A是基团-CsH2s-，式中
s是从1至6的整数；
r是0或1；
m是从0至5000；
n是从0至100；
非环状化合物的[m+n]的总和为至少20，并且分子中的基团-[Si(R)(R)O]-和-[Si(R1)(R2)O]-的顺序是任意的。
14.根据权利要求13所述的电绝缘材料，其中所述液体有机聚硅氧烷的量在所述电绝缘材料的所述总重量的从0.1％至15％的范围内，优选地在所述电绝缘材料的所述总重量的从0.25％至10％的范围内、并且最优选地在从5％至10％的范围内。
15.一种用于利用根据权利要求1至14中的任一项所述的电绝缘材料来制备电绝缘元件的方法，包括步骤：
a)将所述电绝缘材料的各组分以任何期望的顺序混合以得到混合物；
b)将来自步骤a)的所述混合物放入布拉本德混合器或挤出机中以便以熔融状态共混，
c)将来自步骤b)的所述混合物切割成颗粒；和
d)将来自步骤c)的所述颗粒放入注塑机中以生产出电绝缘元件的所期望的形状。
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