CN107151367A

CN107151367A - 直流输电用聚合晶硅绝缘子材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN107151367A
Application number: CN201710424866.9A
Authority: CN
Inventors: 严维逊; 严姗芝; 吴剑峰
Original assignee: JIANGSU JINSANLI POWER EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: JIANGSU JINSANLI POWER EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2017-06-07
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2017-09-12

Abstract

本发明公开了一种直流输电用聚合晶硅绝缘子材料及其制备方法和应用，该聚合金硅绝缘子材料的原料包括酚醛胶乳、硅酮、聚乙烯、聚丙烯和紫外光吸收剂。上述直流输电用聚合晶硅绝缘子材料，用于制造直流输电绝缘子。采用该聚合晶硅绝缘子材料制成的绝缘子，既能满足传统绝缘子电气特性、机械性能要求又能满足寿命要求，又能解决在直流电压下伞套材料的耐电蚀损问题、老化问题具有防污自洁功能，其性价比高、节能环保、无污染、产品到达寿命期后可回收再利用。

Description

直流输电用聚合晶硅绝缘子材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于绝缘子技术领域，具体涉及一种直流输电用聚合晶硅绝缘子材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着经济的发展，我国的用电需求不断增加，又由于我国一次资源的分布极度不均匀，电力能源主要分布在西南部和西部地区，而电力需求相对集中在经济发展较好的东部、南部和中部地区，这导致能源的分布与需求存在不一致性，也使得远距离大容量的输电成为必然。直流输电是目前世界上电力大国解决远距离、大容量、高电压及电网互联的一个非常重要的手段。直流输电发展可分为四个阶段：20世纪以前的初级阶段；20世纪30年代至50年代的研究阶段；1954年至1970年的复兴阶段和1970年以后的迅速发展阶段。近些年来我国直流输电技术快速发展，直流线路的投运数量急剧增加。

直流输电的发展对绝缘子的要求也提出了新的要求。由于直流电与交流电特性上的差异，对绝缘子的要求也逐步提高，例如直流线路的静电吸附作用，使其污秽能力要比同样条件下的交流线路的高，那么对直流线路绝缘子的抗污秽性能也就要求更高。

传统的瓷绝缘子存在着诸多不足：1)、在制造传统的瓷绝缘子时，传统窑炉既消耗大量能源又排放大量的烟尘污染，严重的破坏了生态环境，且生产周期长、工序多、实现机械化、自动化生产的难度大且造价昂贵；2)、在输电线路上，需要定期登杆用仪表对瓷绝缘子进行逐片检测，增加了员工的劳动强度和劳动工作量，且在检测过程中，容易发生误判和漏检情况，给线路带来隐患；3)、瓷绝缘子表面为高能面，被水浸润后形成连续水膜，易形成导电通路，致使沿面泄漏电流较大；4)、直流输电过程中，随着污秽的加重，瓷绝缘子耐污性能下降很快，当达到中等污秽水平时，其污闪电压已低于正常运行电压，长期运行后，表面变得粗糙，积垢粘附力强，极易发生污闪。

为解决传统瓷绝缘子不足，20世纪30年代，英国皮尔金顿公司首先试用了玻璃绝缘子，它是瓷绝缘子派生产品，能弥补瓷绝缘子的不足之处。但是玻璃绝缘子为内胶装结构，玻璃、水泥、钢脚热胀系数各不相同，当绝缘子受冷热变化时，玻璃受较大压力和剪切应力，故绝缘件易开或被击穿而形成零值绝缘子，且其价格除考虑出厂价外，还需要考虑零值检测、人工清扫费用及因停电清扫而造成的停电损失，玻璃绝缘子的价格随着运行时间的增加不断上升。

另外，传统的瓷和玻璃绝缘子用于直流输电线路，还存在以下众多存在不利因素：1)、瓷和玻璃绝缘子在直流电场作用下，静电集尘效应使绝缘子积污严重，污闪概率增大。随着我国工业的发展，污秽区逐年扩大，许多过去划定的清洁区已不复存在。因此，瓷和玻璃绝缘子的直流污闪问题在我国更加突出；2)、瓷和玻璃绝缘子在直流电场作用下，材料中的离子迁移使绝缘子的机电性能下降；3)、瓷和玻璃绝缘子在直流电场作用下，沿面的泄漏电流致使金具产生电解腐蚀，降低了绝缘子的机械强度。

复合绝缘子之于前两种绝缘子，克服了诸多缺陷，从60年代开始发展，我国电网于20世纪80年代开始使用复合绝缘子。尽管我国起步较晚，但在吸取国外经验的基础上，高起步，一开始就研究高硫化硅橡胶复合绝缘子，它是由金属附件、环氧树脂芯棒和有机材料组合而成。复合绝缘子大都采用硅橡胶材料，其具有耐高低、温、耐紫外线、优良的防污性能等优点。但存在耐电痕化和耐蚀损性能以及老化性能较差，以及防护性能较差等缺陷，在直流电压下伞套材料的耐电蚀损问题、老化问题更为突出，这些缺陷导致使其难以长期安全运行。

综上所述，现有的几种直流输电绝缘子，不能兼得具有防污、电蚀损、抗腐蚀和抗老化等性能，为此，积极开展直流合成绝缘子材料的研究，不仅具有很强的工程背景，而且对于推动我国电力工业的科技进步、赶超世界先进水平也有很大意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流输电用聚合晶硅绝缘子材料及其制备方法和应用，解决现有技术中几种直流输电绝缘子不能兼得具有防污、电蚀损、抗腐蚀和抗老化等性能直流输电绝缘子的技术问题。

本发明根据共混理论和高聚物相似相容的机理，将聚乙烯、聚丙烯结构相似，溶解度参数接近，具有链段扩散能力或两相界面结合良好的聚合物，辅以硅酮、紫外光吸收剂、酚醛胶乳共混，组成具有良好工艺性能和机械性能的高聚物共混体。

本发明为了解决上述技术问题，采用如下技术方案：

直流输电用聚合晶硅绝缘子材料，该聚合金硅绝缘子材料的原料包括酚醛胶乳、硅酮、聚乙烯、聚丙烯和紫外光吸收剂。按质量分数计算，所述聚乙烯占65％-80％、聚丙烯占15％-30％、硅酮占3％-8％、酚醛胶乳占0.2％-0.8％、紫外光吸收剂占0.3％-0.6％。

聚丙烯和聚乙烯共混，高密度聚乙烯和聚丙烯材料具有优良的介电性能，体积电阻可达10¹⁵～10²⁰MΩ，具有良好机械性能，尤其聚丙烯的拉伸强度比高密度聚乙烯更高，但前者耐寒性能优异，冷脆温度为-70℃，而聚丙烯耐低温冲击较差，因而采用两种高聚物共混的改性聚合物，增强聚合晶硅绝缘子材料的耐酸、耐碱性能，即体现了母材的良好性能又改善了弥补了母材性能的不足；加入酚醛胶乳提高了聚合晶硅绝缘子材料的结合力和耐受性；加入硅酮，提升了聚合晶硅材料的加工流动性质和脱模性能，降低了扭矩，减少了设备磨损，明显降低摩擦系数，改善表面光泽，增进表面丝质触感，提高阻燃性能；加入紫外光吸收剂后，提高抗老化等性能。

该聚合晶硅材料具有良好的介电性能和介损性能，介电常数为2.3—2.6，介损常数为3.8×10^-4—5.0×10^-4，具有良好耐的绝缘性能。瓷和玻璃绝缘子在直流电场作用下，材料中的离子迁移使绝缘子的机电性能下降，而聚合晶硅绝缘子的平均工作场强仅为盘形悬式瓷和玻璃绝缘子材质工作场强的1/10左右，因此在高场强下离子迁移损坏问题对于聚合晶硅绝缘子可能不成为问题。

进一步改进，所述聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均为10万～20万，硅酮的重均分子量为1000-1500。在该范围内，制得的多相结构共混体具有更加优异的机械性能，结构稳定性、一致性更好。

进一步改进，所述紫外光吸收剂为水杨酸苯脂、UV-P或UV-531中的一种，通过加入紫外光吸收剂后，聚合晶硅绝缘子材料制成的绝缘子能够在长期暴晒下不遭破坏，具有良好的抗老化性能。

上述直流输电用聚合晶硅绝缘子材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将天然乳胶加水稀释至质量比为60％后倒入熟成酚醛树脂液中，并搅拌均匀，然后在室温下静置12小时，制得酚醛胶乳，其中胶乳与酚醛树脂液的质量比为1～2:3；酚醛树脂液为现有产品，从扬子石化购购得；

步骤二、将硅酮、紫外光吸收剂、聚乙烯和聚丙烯分别在60-80℃的温度中干燥24小时，将干燥处理后的硅酮、紫外光吸收剂、聚乙烯和聚丙烯的与酚醛胶乳混合，并在60℃-110℃下搅拌，得到混合物，搅拌速度为1500-2500转/分钟；

步骤三、将步骤二得到的混合物在70-100℃的温度中干燥5-8分钟；

步骤四、将干燥处理后的混合物放入造粒机中进行挤出造粒，形成聚合晶硅材料，挤出温度为165-230℃，使混合物熔化，挤出压力为10-30MPa，挤出速度为8-12mm/s，保持挤出效率。

进一步改进，所述造粒机包括挤出机、冷却槽和切粒机，挤出机采用双螺杆，双螺杆的外围沿其长度方向设置有十段独立控制的加热电偶，加热电偶的外围设置有冷却套，冷却套中有冷却水。挤出机挤出的熔融状态的料经冷却槽中的水冷却后进入切粒机中造粒。造粒机工作时，十段加热电偶均处于工作状态，因为双螺杆的长度较长，需要多个热电偶沿双螺杆长度方向布置，且同时工作才能使双螺杆均热加热，保证混合料被均匀加热，顺利挤出。

上述直流输电用聚合晶硅绝缘子材料，用于制造直流输电绝缘子。采用该聚合晶硅绝缘子材料制成的绝缘子，既能满足传统绝缘子绝缘特性，机械性能要求又能满足寿命要求，又能解决在直流电压下伞套材料的耐电蚀损问题、老化问题具有防污自洁功能，其性价比高、节能环保、无污染、产品到达寿命期后可回收再利用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

聚丙烯和聚乙烯共混，可以增强聚合晶硅绝缘子材料的耐酸、耐碱性能，又能增加其内应力；而加入硅酮，提升了聚合晶硅材料的加工流动性质和脱模性能，降低了扭矩，减少了设备磨损，明显降低摩擦系数，改善表面光泽，增进表面丝质触感，提高阻燃性能；加入紫外光吸收剂后，提高了抗老化等性能。因此采用该聚合晶硅绝缘子材料制成的绝缘子，既能满足传统绝缘子电气特性、机械性能要求又能满足寿命要求，又能解决在直流电压下伞套材料的耐电蚀损问题、老化问题具有防污自洁功能，其性价比高、节能环保、无污染、产品到达寿命期后可回收再利用。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1：

将1kg天然乳胶用水稀释至质量比为60％，然后倒入3kg熟成酚醛树脂液中，并搅拌，使其混合均匀，在室温下停放12小时，制得酚醛胶乳；取经过60℃、24小时干燥处理的3kg硅酮、0.3kg紫外光吸收剂水杨酸苯脂、65kg聚乙烯和15kg聚丙烯与0.2kg酚醛胶乳共混并进行高速、高温搅拌，进行生成混合物原料，拌速度为1500转/分钟，温度60℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均为10万～13万，硅酮的重均分子量为1000-1200。将混合物原料放入洁净的干燥桶中烘干，干燥温度为70℃进入烘干机中干燥5分钟。将干燥处理后的混合物放入造粒机中挤出造粒，挤出温度为165℃，挤出压力为10MPa，挤出速度为8mm/s；将挤出的料进行冷却、风干，然后造粒，形成聚合晶硅材料A。

实施例2：

将1.5kg天然乳胶用水稀释至质量比为60％，然后倒入3kg熟成酚醛树脂液中，并搅拌，使其混合均匀，在室温下停放12小时，制得酚醛胶乳；取经过70℃、24小时干燥处理的5.5kg硅酮、0.45kg紫外光吸收剂UV-531、72.5kg聚乙烯和22.5kg聚丙烯与0.5kg酚醛胶乳共混并进行高速、高温搅拌，进行生成混合物原料，拌速度为2000转/分钟，温度85℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均为14万～18万，硅酮的重均分子量为1100-1400。将混合物原料放入洁净的干燥桶中烘干，干燥温度为85℃进入烘干机中干燥6.5分钟。将干燥处理后的混合物放入造粒机中挤出造粒，挤出温度为180℃，挤出压力为20MPa，挤出速度为10mm/s；将挤出的料进行冷却、风干，然后造粒，形成聚合晶硅材料B。

实施例3：

将1.7kg天然乳胶用水稀释至质量比为60％，然后倒入3kg熟成酚醛树脂液中，并搅拌，使其混合均匀，在室温下停放12小时，制得酚醛胶乳；取经过80℃、24小时干燥处理的6.5kg硅酮、0.5kg紫外光吸收剂UV-531、78kg聚乙烯和20kg聚丙烯与0.7kg酚醛胶乳共混并进行高速、高温搅拌，进行生成混合物原料，拌速度为2500转/分钟，温度100℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均为12万～15万，硅酮的重均分子量为1100-1400。将混合物原料放入洁净的干燥桶中烘干，干燥温度为80℃进入烘干机中干燥8分钟。将干燥处理后的混合物放入造粒机中挤出造粒，挤出温度为200℃，挤出压力为20MPa，挤出速度为10mm/s；将挤出的料进行冷却、风干，然后造粒，形成聚合晶硅材料C。

实施例4：

将2kg天然乳胶用水稀释至质量比为60％，然后倒入3kg熟成酚醛树脂液中，并搅拌，使其混合均匀，在室温下停放12小时，制得酚醛胶乳；取经过80℃、24小时干燥处理的8kg硅酮、0.6kg紫外光吸收剂UV-P、80kg聚乙烯和30kg聚丙烯与0.8kg酚醛胶乳共混并进行高速、高温搅拌，进行生成混合物原料，拌速度为2500转/分钟，温度110℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均为16万～20万，硅酮的重均分子量为1200-1500。将混合物原料放入洁净的干燥桶中烘干，干燥温度为100℃进入烘干机中干燥8分钟。将干燥处理后的混合物放入造粒机中挤出造粒，挤出温度为230℃，挤出压力为30MPa，挤出速度为12mm/s；将挤出的料进行冷却、风干，然后造粒，形成聚合晶硅材料D。

性能测试：

1、对上述绝缘子材料A、B、C进行机械性能、耐漏电起痕电蚀损性能测试，其中，拉伸强度和扯断伸长率的测试方法参考GB/T1040.2/1A-2006，耐漏电起痕评级TMA的测试方法参考GB/T6553-2014，击穿电压的测试方法参考GB/T1408.1-2006，邵氏硬度的测试方法参考GB/T2411-1980，加速天候老化外观的测试方法参考GB/T16422.2-1999，摩擦系数的测试方法参考GB/T3960-1983(1989)测试结果见表1：

表1：

从测试结果可以得出：上述聚合晶硅绝缘子材料都具有较高的拉伸强度和扯断伸长率，机型性能良好；经0.1％NaCL的去离子水浸泡42小时后硬度变化率小，具有良好的抗老化性能；经过强酸、强碱试浸泡，外观无变化，具有良好耐酸性能和耐碱性能；通过击穿电压、介电常数的测试值能够体现出，聚合晶硅绝缘子材料具有抗电击穿性能强。即设定的工艺条件范围内生产的聚合晶硅绝缘子材料的机械性能、抗腐蚀以及绝缘性能均在设计控制范围内，且生产工艺可靠性强，能满足批量生产需求。

2.向上述聚合晶硅绝缘子材料A、B、C、D中分别加入占其总量0.2％的表面活性剂硬脂酸、0.2％的增稠剂甲基纤维素和0.4％的增塑剂邻苯二甲酸酯，并在混料机中混合，然后控制注塑机温度为210℃、压力为105MPa，然后将聚合晶硅材料分别加入注塑机的储料桶中进行加热，待聚合晶硅材料熔融后向绝缘子模具中注塑，注塑速度20mm/s，注塑时间为15s，保持模具中的压强为100Pa，进行冷却，保压冷却时间时间为50s，最后开模，形成聚合晶硅绝缘子产品，产品成型后表面光滑，无水纹，密度大，无缩水，去掉产品咬口、毛边，制得直流输电聚合晶硅绝缘子，分别记为绝缘子产品A、B、C，然后对绝缘子产品按GB/T775.2-2003的方法进行性能测试，其性能检测数据与国标(GB/T19519-2014)同等级硅橡胶复合绝缘子进行比较，测试结果表2：

表2:

从测试结果表2可以看出，采用本发明所述的聚合晶硅绝缘子材料制得的绝缘子，工频湿耐受电压、雷电冲击耐受电以及抗破坏性能强高于同等级的国标硅橡胶复合绝缘子、瓷和玻璃绝缘子；通过加入硅酮，提升了聚合晶硅材料的加工流动性质和脱模性能，降低了扭矩，减少了设备磨损，明显降了低聚合晶硅绝缘子的摩擦系数，改善表面光泽，使其表面不易产生污秽，防污性能强，不易发生污闪。

因此，通过上述试验结果表明该聚合晶硅绝缘子可以在直流电压下使用。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims

1.直流输电用聚合晶硅绝缘子材料，其特征在于，该聚合金硅绝缘子材料的原料包括酚醛胶乳、硅酮、聚乙烯、聚丙烯和紫外光吸收剂，按质量分数计算，聚乙烯占65％-80％、聚丙烯占15％-30％、硅酮占3％-8％、酚醛胶乳占0.2％-0.8％、紫外光吸收剂占0.3％-0.6％。

2.根据权利要求1的直流输电用聚合晶硅绝缘子材料，其特征在于，所述聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均为10万～20万，硅酮的重均分子量为1000-1500。

3.根据权利要求1的直流输电用聚合晶硅绝缘子材料，其特征在于，所述紫外光吸收剂为水杨酸苯脂、UV-P或UV-531中的一种。

4.权利要求1-3所述的直流输电用聚合晶硅绝缘子材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将天然乳胶加水稀释至量比为60％后倒入熟成酚醛树脂液中，并搅拌均匀，然后在室温下静置12小时，制得酚醛胶乳，其中胶乳与酚醛树脂液的质量比为1～2:3；

步骤四、将干燥处理后的混合物放入造粒机中进行挤出造粒，形成聚合晶硅材料，挤出温度为165-230℃，挤出压力为10-30MPa，挤出速度为8-12mm/s。

5.根据权利要求4所述的直流输电用聚合晶硅绝缘子材料的制备方法，其特征在于，所述造粒机包括挤出机、冷却槽和切粒机，挤出机采用双螺杆，双螺杆的外围沿其长度方向设置有十段独立控制的加热电偶，加热电偶的外围设置有冷却套，冷却套中有冷却水。

6.权利1-3所述的直流输电用聚合晶硅绝缘子材料的应用，其特征在于，用于制造直流输电绝缘子。