CN107346687B - 复合空心绝缘子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合空心绝缘子及其制备方法。本发明的复合空心绝缘子包括环氧树脂/玻璃纤维复合管，和位于环氧树脂/玻璃纤维复合管内侧的与其一体化的聚酰亚胺/氟塑料复合膜，所述氟塑料为全氟乙丙烯共聚物和/或聚四氟乙烯。所述聚酰亚胺/氟塑料复合膜可以掺杂导热性纳米粒子。与现有技术相比，本发明提高了绝缘子内壁瞬时耐高温性能，工艺简单，并且绝缘子整体壁厚基本上不变，不影响绝缘子的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及高压输变电领域，尤其涉及高压断路器用复合空心绝缘子。
背景技术
复合空心绝缘子(套管)在高压输变电领域有着广泛的应用，如应用于断路器、互感器、开关设备等。其一般由环氧树脂/玻璃纤维复合管与其外部的硅橡胶伞裙组成。当应用于断路器时，在某些情况下，空心复合套管内部的装置或端部会出现电弧、电晕等现象，其产生的高温直接作用于环氧层内壁，或者是电弧产生的等离子体以及断路器内SF6分解产生的腐蚀性气体冲击到裸露的环氧层内壁。聚环氧乙烷本身耐高温烧蚀、耐电弧及电晕能力有限，可能会出现严重的表面烧蚀漏电的状况。因此，如何提高复合空心绝缘子的耐电弧性对于该产品在特定环境中应用至关重要。
在现有技术中，将氟塑料管套在聚环氧乙烷/玻璃纤维复合管内，利用氟塑料的耐电弧性来防止电弧、电晕等对空心复合管内壁的破坏。但是，由于氟塑料管的直径要与空心复合管相匹配，变换不同系列绝缘子产品时需要制备不同直径的氟塑料管，其灵活性差。而且，氟塑料管的管壁比较厚，对于大型的中空绝缘子产品而言，氟塑料中空管生产难度大，成本高。
发明内容
本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提供一种一体化的复合空心绝缘子，其不仅提高绝缘子内壁瞬时耐高温性能，而且绝缘子整体壁厚基本上不变，不影响绝缘子的力学性能。
为了实现本发明的上述目的，本发明的一个方面提供一种复合空心绝缘子，包括环氧树脂/玻璃纤维复合管和位于环氧树脂/玻璃纤维复合管内侧、与其一体化的聚酰亚胺/氟塑料复合膜，所述氟塑料为全氟乙丙烯共聚物和/或聚四氟乙烯。
在某些实施方案中，聚酰亚胺/氟塑料复合膜以聚酰亚胺层面向环氧树脂/玻璃纤维复合管的方式热粘结于其内侧，即环氧树脂层上。
在某些实施方案中，聚酰亚胺/氟塑料复合膜还掺杂有导热性纳米粒子。所述导热性纳米粒子优选掺杂在聚酰亚胺层中。
本发明的另一个方面提供一种制备复合空心绝缘子的方法，包括使聚酰亚胺/氟塑料复合膜以聚酰亚胺层面向环氧树脂/玻璃纤维复合管的方式热粘结于其内侧的步骤，所述氟塑料为全氟乙丙烯共聚物和/或聚四氟乙烯。
根据本发明，通过将聚酰亚胺/全氟乙丙烯共聚物复合膜(PI/FEP)或聚酰亚胺/聚四氟乙烯复合膜(PI/PTFE)热粘结于环氧树脂/玻璃纤维复合管的内侧，提高了复合空心绝缘子内壁耐瞬时高温及电压能力。而且，容易选择PI/PTFE或PI/FEP膜厚度，使整个绝缘子的壁厚保持基本不变，利于生产和保持原有力学性能。
附图说明
参考以下附图对本发明的实施方案进行详细说明，以便于更全面地理解本发明，其中：
图1为根据本发明一个实施方案的复合空心绝缘子的结构示意图。
图2为本发明的实施例1、实施例3和比较例1的耐温性测量结果图。
具体实施方式
本发明提供一种制造工艺简单的，能够提高复合空心绝缘子内壁耐瞬时高温及电压能力，同时保持原有力学性能的复合空心绝缘子。
复合空心绝缘子
本发明的复合空心绝缘子包括环氧树脂/玻璃纤维复合管和位于环氧树脂/玻璃纤维复合管内侧、与其一体化的聚酰亚胺/氟塑料复合膜。
根据某些实施方案，复合空心绝缘子包括环氧树脂/玻璃纤维复合管和位于其外部的硅橡胶伞裙。环氧树脂/玻璃纤维复合管的厚度一般可以为0.4-5cm，管内径一般可以为5-100cm。
根据某些实施方案，聚酰亚胺/氟塑料复合膜以聚酰亚胺层面向环氧树脂/玻璃纤维复合管的方式热粘结于其内侧，使氟塑料成为空心绝缘子的内壁层。本发明的热粘结方式充分利用了聚酰亚胺(PI)与氟塑料以及与环氧树脂的良好粘接性能，使聚酰亚胺/氟塑料复合膜牢固结合于环氧树脂/玻璃纤维复合管的内壁上(一体化)。同时，聚酰亚胺本身也具有优异的耐电晕，耐高压及耐高温的性能，其与耐电弧性能优异的氟塑料(耐电弧能力可达300s)组成的复合膜可以充分提高复合空心绝缘子内壁耐瞬时高温及电压能力。
本发明的上述一体化设计可以在复合空心绝缘子生产过程中直接形成耐瞬时高温和耐电压的复合膜内壁，相同牌号的复合膜可以方便做各种大小的中空绝缘子，而无需根据不同系列绝缘子产品而单独制备氟塑料管套，从而灵活性大大提高。另外，复合膜内壁的厚度可以远小于环氧树脂/玻璃纤维复合管的厚度(例如，聚酰亚胺/氟塑料复合膜的厚度可以小于100μm)，使整个绝缘子的壁厚保持基本不变，利于生产和保持原有力学性能。
根据某些实施方案，聚酰亚胺/氟塑料复合膜是可以商购的，例如杜邦的产品150FCR。根据某些实施方案，聚酰亚胺/氟塑料复合膜可以通过将全氟乙丙烯共聚物膜和/或聚四氟乙烯膜与聚酰亚胺膜加热粘结而获得。
根据某些实施方案，聚酰亚胺/氟塑料复合膜的厚度在5至200μm范围内，例如25μm，38μm，63.5μm等。
根据某些实施方案，聚酰亚胺/氟塑料复合膜可以是多个聚酰亚胺/氟塑料复合膜的组合体，前提是至少一个最外层是聚酰亚胺层。
根据某些实施方案，为了进一步提高聚酰亚胺/氟塑料复合膜的耐高温性能，可以在聚酰亚胺/氟塑料复合膜中掺杂导热性纳米粒子，例如Al2O3、SiO2、TiO2、MgO2、ZnO2、BN、AlN3、SiC、Al(OH)3和Mg(OH)2纳米粒子中一种或其组合。考虑到制备容易性，优选在聚酰亚胺层中掺杂纳米粒子。例如，在聚酰亚胺膜的制备过程中，在形成膜之前将纳米粒子掺到聚酰亚胺溶液或熔融体中。
图1显示了根据本发明一个实施方案的复合空心绝缘子的结构示意图。复合空心绝缘子套管100包括位于环氧树脂/玻璃纤维复合管内侧的聚酰亚胺/氟塑料复合膜，其中内层110为氟塑料层(FEP或PTFE层)，中间层120为PI层，外层130为环氧树脂/玻璃纤维复合层，各层依次结合在一起。绝缘子套管外为硅胶伞裙结构等(图中未显示)。
本发明的复合空心绝缘子广泛应用于高压输变电领域，例如应用于断路器、互感器、开关设备等。优选地，本发明的复合空心绝缘子用作高压断路器用复合空心绝缘子。
制备复合空心绝缘子的方法
本发明还涉及一种制备复合空心绝缘子的方法，该方法包括使聚酰亚胺/氟塑料复合膜以聚酰亚胺层面向环氧树脂/玻璃纤维复合管的方式热粘结于其内侧的步骤。
根据某些实施方案，可以将聚酰亚胺/氟塑料复合膜以氟塑料层面朝内绕包在金属圆柱上并且加热粘结，然后，将涂敷有聚环氧乙烷的玻璃纤维布以涂有聚环氧乙烷的面向内的方式绕在聚酰亚胺/氟塑料复合膜上，再加热固化，得到含有聚酰亚胺/氟塑料复合膜的聚环氧乙烷复合管。
根据某些实施方案，将上述的聚环氧乙烷复合管经生产复合空心绝缘子的常规后续工序处理，得到内壁上具有聚酰亚胺/氟塑料复合膜的复合空心绝缘子。
关于“聚酰亚胺/氟塑料复合膜”的详细描述，参见上面的“复合空心绝缘子”部分。
具体实施例
以下通过举例说明的方式示出若干具体实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，设想了其他实施例并可以进行修改。因此，以下的具体实施例不具有限制性意义。
具体实施例中使用的主要原料总结在下表1中。
表1
比较例1(聚环氧乙烷/玻璃纤维复合管)
在玻璃纤维布上涂敷聚环氧乙烷，绕包在金属圆柱上，然后高温固化，得到聚环氧乙烷/玻璃纤维复合管。
实施例1
将杜邦公司的型号为150FN019的PI/FEP复合膜(厚度为38um)以FEP面朝内绕包在金属圆柱上，将叠包部分用热风枪加热粘结。然后以现有的生产工艺在玻璃纤维布上涂敷聚环氧乙烷，再将玻璃纤维复合聚环氧乙烷以涂有聚环氧乙烷的面向内的方式绕在PI/FEP复合膜上，而后高温固化，得到含有PI/FEP膜的聚环氧乙烷复合管。此管再经后续的复合硅胶伞裙等工艺即可生产出本发明的复合空心绝缘子1。
实施例2
重复实施例1的操作，只是将PI/FEP复合膜替换为杜邦公司的型号为250FN029的PI/FEP复合膜(厚度为63.5um)，制备得到本发明的复合空心绝缘子2。
实施例3
重复实施例1的操作，只是将PI/FEP复合膜替换为杜邦公司的型号为150FCR019的PI+Al2O3/FEP复合膜(厚度为38um)，制备得到本发明的复合空心绝缘子3。
将比较例1的聚环氧乙烷/玻璃纤维复合管和实施例1的含有PI/FEP膜的聚环氧乙烷复合管和实施例3的含有PI+Al2O3/FEP膜的聚环氧乙烷复合管在热重分析仪(型号TGAQ500，美国TA公司)上，在空气气氛下以20度/分钟升温速率测量耐温性，结果示于图2中。
从图2可以看出，通过在聚环氧乙烷复合管内壁热粘结极薄(38um)的PI/FEP复合膜，在总厚度变化很小的前提下，可以减缓或避免高温烧蚀，极大地提高了表面耐温性。聚环氧乙烷树脂复合管材料(比较例1)的起始热分解温度约为284度，而PI/FEP(实施例1)和PI+Al2O3/FEP(实施例3)的起始热分解温度则约为422度。而且PI/FEP和PI+Al2O3/FEP的快速分解温度(图中的切线交叉点温度)也比聚环氧乙烷树脂的快速分解温度高约100度。
比较例2(常规的聚环氧乙烷/玻璃纤维复合管+氟塑料管套)
常规的聚环氧乙烷/玻璃纤维复合管+氟塑料管套的生产过程是将PTFE管套在金属圆柱上缠绕玻璃纤维/环氧复合材料经固化后形成中空绝缘子的套管再经常规后续工艺生产中空绝缘子，其中氟塑料管套所用的材料是PTFE，其厚度大于1mm。
在不偏离本发明的范围和精神的前提下，对本发明的各种修改和更改对于本领域技术人员将是显而易见的。应当理解，本发明并非意图受本文所给出的示例性实施例和实例的不当限制，这些实例和实施例仅以举例的方式提供，本发明的范围旨在仅受所附权利要求的限制。
Claims (10)
1.一种复合空心绝缘子，包括环氧树脂/玻璃纤维复合管和位于环氧树脂/玻璃纤维复合管内侧、与其一体化的聚酰亚胺/氟塑料复合膜，所述氟塑料为全氟乙丙烯共聚物和/或聚四氟乙烯，其中所述聚酰亚胺/氟塑料复合膜的厚度在5至100μm范围内，并且所述聚酰亚胺/氟塑料复合膜以聚酰亚胺层面向环氧树脂/玻璃纤维复合管的方式热粘结于其内侧。
2.根据权利要求1所述的复合空心绝缘子，其中所述复合空心绝缘子还包括位于环氧树脂/玻璃纤维复合管外部的硅橡胶伞裙。
3.根据权利要求1所述的复合空心绝缘子，其中所述聚酰亚胺/氟塑料复合膜通过全氟乙丙烯共聚物膜和/或聚四氟乙烯膜与聚酰亚胺膜的加热粘结而获得。
4.根据权利要求1所述的复合空心绝缘子，其中所述聚酰亚胺/氟塑料复合膜掺杂有导热性纳米粒子。
5.根据权利要求4所述的复合空心绝缘子，其中所述导热性纳米粒子包括Al2O3、SiO2、TiO2、MgO2、ZnO2、BN、AlN3、SiC、Al(OH)3和Mg(OH)2纳米粒子中一种或其组合。
6.根据权利要求1所述的复合空心绝缘子，其是高压断路器用复合空心绝缘子。
7.一种制备权利要求1所述的复合空心绝缘子的方法，包括使聚酰亚胺/氟塑料复合膜以聚酰亚胺层面向环氧树脂/玻璃纤维复合管的方式热粘结于其内侧的步骤，所述氟塑料为全氟乙丙烯共聚物和/或聚四氟乙烯。
8.根据权利要求7所述的方法，其在热粘结步骤之前还包括：将聚酰亚胺/氟塑料复合膜以氟塑料层面朝内绕包在金属圆柱上并且加热粘结的步骤。
9.根据权利要求8所述的方法，其中使聚酰亚胺/氟塑料复合膜热粘结于环氧树脂/玻璃纤维复合管内侧的步骤包括：将涂敷有聚环氧乙烷的玻璃纤维布以涂有聚环氧乙烷的面向内的方式绕在聚酰亚胺/氟塑料复合膜上，然后加热固化。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述聚酰亚胺/氟塑料复合膜掺杂有导热性纳米粒子。
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