CN108192286A - 复合绝缘子及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复合绝缘子，包括绝缘体，绝缘体为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕或拉挤工艺成型，树脂胶液为由树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂的原料制成，使得树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子。本发明还公开一种复合绝缘子的制备方法。通过这种方式，能够提升绝缘体整体的机械性能，同时由于绝缘体整体机械性能的提升，在相同工况条件下，绝缘体的尺寸可以减小，实现复合绝缘子的减重和小型化，降低生产成本，该复合绝缘子的制备方法操作简单，耗时较少，容易实现工业化生产。

Description

复合绝缘子及其制备方法
技术领域
本发明涉及输电外绝缘技术领域，更具体地涉及一种复合绝缘子及其制备方法。
背景技术
复合绝缘子主要由绝缘体、外部硅橡胶伞裙、端部金具法兰等组成，其中绝缘体是承担机械负荷的核心载体，在实际使用过程中会受到弯曲应力、拉伸应力、压缩应力等作用。绝缘体材料的机械性能直接决定了相同工况条件下的复合绝缘子几何尺寸大小，利用更高性能的绝缘体制备复合绝缘子可以起到减重的作用。
绝缘体材料一般由增强纤维和热固性树脂组成，热固性树脂固化过程中由于集中放热、收缩等因素会残余大量内应力，在受到外力破坏时，萌生裂纹会优先验证应力集中区域以及树脂-纤维界面区域扩展蔓延，从而导致复合材料破坏，使得绝缘体的机械性能下降，容易发生断裂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合绝缘子及其制备方法，能够解决绝缘体在长期受力、以及受到外力破坏时机械性能下降，容易发生断裂的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种技术方案为：提供一种复合绝缘子，包括绝缘体，绝缘体为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕或拉挤工艺成型，树脂胶液为由树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂的原料制成，使得树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子。
通过这种方式，利用纳米粒子增强湿法缠绕绝缘体技术，在绝缘体中引入纳米粒子，纳米粒子分散于树脂基体以及树脂基体与纤维增强体的界面处，纳米粒子的存在可以有效吸收复合材料受外力时的能量，纳米粒子在界面处的大量存在可以有效阻止萌生裂纹的扩展，从而阻止复合材料破坏，提升绝缘体整体的机械性能；同时由于绝缘体整体机械性能的提升，在相同工况条件下，绝缘体的尺寸可以减小，实现复合绝缘子的减重和小型化，降低生产成本。
上述方案直接将纳米粒子加入树脂基体中，再加上其他原料一起制备树脂胶液，利用该添加有纳米粒子的树脂胶液浸渍纤维增强体，再经由缠绕或拉挤工艺生产出绝缘体，相比现有在纤维增强体上沉积、涂刷一些增韧物质来说，该方法操作简单，耗时较少，容易实现工业化生产。
其中，树脂胶液按质量比由以下原料制成：树脂基体100份、纳米粒子1-120份、纳米粒子改性剂0.1-30份和固化剂40-150份。
树脂基体、纳米粒子和纳米粒子改性剂三者的质量配比，能够充分发挥三者的复配协同作用，纳米粒子很好地分散在树脂基体中，对树脂基体具有优异的增韧效果，与固化剂混合后制备的树脂胶液，具有良好的粘度，后续与纤维增强体作用时具有优异的加工性能，纳米粒子在树脂基体和纤维增强体界面处的分散性也很好。
其中，树脂基体为环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯或酚醛树脂。
其中，纳米粒子改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂和铬络合物的一种或多种的混合。
其中，树脂胶液的原料还包括增韧剂、促进剂和消泡剂。
在制备树脂胶液时，除了加入固化剂，还可加入增韧剂、促进剂和消泡剂，能够达到更好的混合和固化效果。
其中，纳米粒子为无机纳米粒子。
相比于常规增韧剂，无机纳米粒子增韧复合材料的耐热性以及弹性模量并不会出现明显下降。
其中，无机纳米粒子为二氧化钛、炭黑、碳化硅、氮化硅、氧化铝、碳纳米管、石墨烯、富勒烯和气相二氧化硅中的一种或多种的混合。
其中，纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。
其中，绝缘体为空心的绝缘管或实心的绝缘棒。
为实现上述目的，本发明提供又一技术方案为：提供一种复合绝缘子的制备方法，包括：
在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后进行预混炼以形成树脂母液；
在树脂母液中加入固化剂以形成树脂胶液；
将纤维增强体和树脂胶液作用后经缠绕或拉挤工艺形成绝缘体，以使得树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子。
通过这种方法，在树脂基体中直接加入纳米粒子和纳米粒子改性剂进行预混炼，纳米粒子改性剂对纳米粒子进行表面修饰改性，能够使纳米粒子的增强增韧作用更为明显体现，预混炼后形成的树脂母液中加入固化剂形成树脂胶液中，此时树脂胶液为添加有纳米粒子的树脂胶液，利用该添加有纳米粒子的树脂胶液浸渍纤维增强体，再经由缠绕或拉挤工艺生产出绝缘体，绝缘体的树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子，可以看出，相比现有的在纤维增强体上沉积或涂刷一些增韧物质来说，该方法操作简单，耗时较少，容易实现工业化生产。
其中，在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后进行预混炼以形成树脂母液的步骤包括：
在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后，在混炼设备中进行预混炼30-50min，形成树脂母液。
其中，按照质量比，树脂基体100份、纳米粒子1-120份、纳米粒子改性剂0.1-30份和固化剂40-150份。
具体实施方式
根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。
本发明一实施方式的复合绝缘子，包括绝缘体，绝缘体为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕或拉挤工艺成型，树脂胶液为由树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂的原料制成，使得树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子。
具体地，绝缘体可选为空心的绝缘管或实心的绝缘棒，空心的绝缘管通常为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕成型，一般步骤为纤维增强体经过树脂胶液槽浸渍，浸渍有树脂胶液的纤维增强体在芯模上缠绕，再经由固化脱膜等形成；实心的绝缘棒通常为由树脂胶液和纤维增强体经拉挤成型，一般步骤为纤维增强体经过树脂胶液槽中浸渍，浸渍有树脂胶液的纤维增强体在牵引力作用下通过挤压模具后，再经由固化形成。
其中，纤维增强体可选为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维，具体可为纱、毡或布等，如玻璃纤维纱、或芳纶纤维布。
现有技术中的绝缘体为浸渍树脂基体的纤维增强体经缠绕或拉挤成型，树脂基体为热固性树脂，在固化过程中由于集中放热、收缩等因素会残余大量内应力，在长期受力或受到外力破坏时，在应力集中区域和树脂-纤维界面区域内很容易萌生裂纹，绝缘体机械性能下降，容易弯折或断裂。
因此，本实施方式的目的在于避免在长期受力或受到外力破坏时绝缘体机械性能的下降，通过上述分析可知，该机械性能的下降是由于在应力集中区域、以及树脂-纤维界面区域内萌生裂纹，为了阻止这种裂纹的产生，本实施方式通过改进树脂胶液，该树脂胶液由树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂的原料制成，在树脂基体中加入纳米粒子，纳米粒子改性剂主要为纳米粒子进行表面改性，能够增强纳米粒子对树脂基体的增韧效果。
其中，纳米粒子可选为有机纳米粒子或无机纳米粒子，较优地，本实施方式的纳米粒子为无机纳米粒子，无机纳米粒子可选为二氧化钛、炭黑、碳化硅、氮化硅、氧化铝、碳纳米管、石墨烯、富勒烯和气相二氧化硅中的一种或多种的混合。
应该可以理解，无机纳米粒子可选但不限于上述几种原料，无机纳米粒子的粒径可选但不限于10-90nm，根据实际生产和需求进行选择。
纳米粒子在使用过程中容易发生团聚或与其他物质发生吸附，为了使纳米粒子增韧树脂基体的效果明显体现，可利用纳米粒子改性剂对纳米粒子进行表面修饰改性，纳米粒子改性剂可选为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂和铬络合物的一种或多种的混合。
其中，树脂基体为环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯或酚醛树脂。
其中，固化剂与树脂基体发生反应，形成网状交联聚合物，固化剂可选为酸酐类固化剂。
通过树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂这四种原料制成树脂胶液，当然可以理解的是，这四种原料并不构成对树脂胶液的限定，在其它实施方式中，树脂胶液中还可包括其它原料，比如在添加固化剂的同时，还可加入增韧剂、促进剂和消泡剂等，使树脂胶液具有很好的效果，缠绕成的绝缘体性能更佳。
本实施方式中，树脂胶液由树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂按一定质量比制成，具体地，树脂基体100份、纳米粒子1-120份、纳米粒子改性剂0.1-30份和固化剂40-150份，较优地，纳米粒子1-10份，纳米粒子改性剂1.5-2份，固化剂80-85份。
树脂基体、纳米粒子和纳米粒子改性剂三者的质量配比，能够充分发挥三者的复配协同作用，纳米粒子很好地分散在树脂基体中，对树脂基体具有优异的增韧效果，与固化剂混合后制备的树脂胶液，具有良好的粘度，后续与纤维增强体作用时具有优异的加工性能，纳米粒子在树脂基体和纤维增强体界面处的分散性也很好，制备的绝缘体具有更好的机械性能。
本实施方式中，利用纳米粒子增强湿法缠绕绝缘体技术，在绝缘体中引入纳米粒子，纳米粒子分散于树脂基体、以及树脂基体与纤维增强体的界面处，纳米粒子的存在可以有效吸收复合材料受外力时的能量，纳米粒子在界面处的大量存在可以有效阻止萌生裂纹的扩展，从而阻止复合材料破坏，提升绝缘体整体的机械性能；同时由于绝缘体整体机械性能的提升，在相同工况条件下，绝缘体的尺寸可以减小，实现复合绝缘子的减重和小型化，降低生产成本。
本发明复合绝缘子的制备方法一实施方式，包括：
S1：在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后进行预混炼以形成树脂母液；
具体地，树脂基体可选为环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯或酚醛树脂。
纳米粒子可选为二氧化钛、炭黑、碳化硅、氮化硅、氧化铝、碳纳米管、石墨烯、富勒烯和气相二氧化硅中的一种或多种的混合。
纳米粒子改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂和铬络合物的一种或多种的混合。
在一具体的实施例中，该步骤可选为：
S101：在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后，在混炼设备中进行预混炼30-50min，形成树脂母液。
具体地，将纳米粒子和纳米粒子改性剂加入树脂基体中，在高速混炼设备进行预混炼，制备树脂母液，高速混炼设备包括但不限于砂磨机、行星式球磨机、高速搅拌机、细胞粉碎机、超声波分散仪、密炼机或捏合机等。
预混炼30-50min能够使纳米粒子改性剂对纳米粒子进行充分改性，能够使纳米粒子充分分散在树脂母液中。
S2：在树脂母液中加入固化剂以形成树脂胶液；
在树脂胶液中加入固化剂，固化剂与树脂基体发生反应，形成网状交联聚合物，制备形成树脂胶液。
其中，固化剂可选为酸酐类固化剂。
S3：将纤维增强体和树脂胶液作用后经缠绕或拉挤工艺形成绝缘体，以使得树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子。
具体地，纤维增强体可选为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维，具体可为纱、毡或布等，如玻璃纤维纱、或芳纶纤维布。
在一具体的实施例中，该步骤可为将纤维增强体和树脂胶液作用后经缠绕工艺形成绝缘体，具体包括：将纤维增强体浸渍树脂胶液后直接缠绕在芯模上，通过固化后脱模形成空心的绝缘体，也称空心的绝缘管。
在又一具体的实施例中，该步骤可为将纤维增强体和树脂胶液作用后经拉挤工艺形成绝缘体，具体包括：将纤维增强体浸渍树脂胶液后，在牵引力的作用下经由拉挤模具拉挤，再进行固化形成实心的绝缘体，也称实心的绝缘棒。
在这两个实施例形成的绝缘体中，在树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子，纳米粒子的存在可以有效吸收复合材料受外力时的能量，纳米粒子在界面处的大量存在可以有效阻止萌生裂纹的扩展，从而阻止复合材料破坏，提升绝缘体整体的机械性能。
在上述一系列步骤中，树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂具有一定的质量比，上述原料的质量比可选为：树脂基体100份、纳米粒子1-120份、纳米粒子改性剂0.1-30份和固化剂40-150份。在这一范围内的原料质量比，制成的树脂胶液，纳米粒子具有较优的分散性，进而制备的绝缘体具有较优的机械性能。
通过这种方法，在树脂基体中直接加入纳米粒子和纳米粒子改性剂进行预混炼，纳米粒子改性剂对纳米粒子进行表面修饰改性，能够使纳米粒子的增强增韧作用更为明显体现，预混炼后形成的树脂母液中加入固化剂形成树脂胶液中，此时树脂胶液为添加有纳米粒子的树脂胶液，利用该添加有纳米粒子的树脂胶液浸渍纤维增强体，再经由缠绕或拉挤工艺生产出绝缘体，绝缘体的树脂基体、以及树脂基体和纤维增强体的界面处分散有纳米粒子，可以看出，相比现有的在纤维增强体上沉积或涂刷一些增韧物质来说，该方法操作简单，耗时较少，容易实现工业化生产。
为了更好地说明上述实施方式，下面列举具体的实施例。
实施例1
复合绝缘子包括绝缘体，绝缘体为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕工艺形成，树脂胶液为环氧树脂胶液，纤维增强体为玻璃纤维纱，环氧树脂胶液的制备原料中：树脂基体为环氧树脂，纳米粒子为气相二氧化硅，纳米粒子改性剂为硅烷偶联剂。
环氧树脂胶液的制备原料质量比为：环氧树脂100份，气相二氧化硅5份，硅烷偶联剂1.5份，固化剂80份。
以上复合绝缘子的制备方法包括：
步骤1：在100phr环氧树脂中加入5phr气相二氧化硅以及1.5phr硅烷偶联剂，在主桨转速为300rpm，高速桨转速为2000rpm的设备内进行预混炼45min，得到稳定分散有气相二氧化硅的环氧树脂母液。
步骤2：向环氧树脂母液加入80份固化剂，再根据需要加入一定配比的增韧剂、促进剂和消泡剂，从而制备环氧树脂胶液。
步骤3：在缠绕设备上，利用浸渍环氧树脂胶液的玻璃纤维纱缠绕一定尺寸的绝缘体，经过高温固化后得到空心的绝缘体。
经检测，该空心的绝缘体与未添加气相二氧化硅的环氧树脂相比，抗弯强度明显提升20％以上，达到150MPa。
实施例2-实施例3
实施2和实施例3，与实施例1相比，采用的制备方法相似，纤维增强体均为玻璃纤维纱，不同的是环氧树脂胶液中各个原料的质量比不同，为了进一步说明各个原料的质量比对复合绝缘子中绝缘体性能的影响，另外列举2个对比例，对比例的制备方法与实施例1也相似。
请详细参阅表1和表2。
表1为实施例1-实施例3、对比例1-对比例2中环氧树脂胶液的原料质量比
表2为实施例1-实施例3、对比例1-对比例2中绝缘体的抗弯强度。
项目 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
抗弯强度 150MPa 130MPa 145MPa 125MPa 70MPa
从表1可以看出，对比例1中未添加气相二氧化硅，对比例2中添加气相二氧化硅为130份，超出了纳米粒子120份的范围，实施例1-实施例3中原料的添加量均在本发明揭示的范围内。
从表2可以看出，实施例1-实施例3制备的绝缘体的抗弯强度，相比对比例1均有所提升，其中又以实施例1和实施例3提升的效果更好，实施例1中绝缘体的抗弯强度比对比例1提升了20％，实施例3中绝缘体的抗弯强度比对比例1提升了16％，因此，气相二氧化硅在5-10份时，制备的绝缘体的抗弯性能更好，机械性能更好。
实施例2中，添加的气相二氧化硅为100份，固化剂为150份，制备的绝缘体的抗弯性能提升的不太明显，当添加的气相二氧化硅为130份，固化剂为100份时，绝缘体的抗弯性能反而呈现下降趋势。
由此可以推出，气相二氧化硅的添加量对绝缘体机械性能的提升呈抛物线趋势，在气相二氧化硅量逐渐增加过程中，绝缘体机械性能逐渐提升，但当超过一定量，如本发明揭示的气相二氧化硅120份的量时，绝缘体机械性能逐渐下降，主要是由于当气相二氧化硅量较大时，会影响环氧树脂胶液的粘度等，环氧树脂胶液与玻纤作用时的加工性能变差，缠绕出的绝缘体的机械性能也变差。
实施例4
复合绝缘子包括绝缘体，绝缘体为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕工艺形成，树脂胶液为环氧树脂胶液，纤维增强体为碳纤维纱，环氧树脂胶液的制备原料中：树脂基体为环氧树脂，纳米粒子为气相二氧化硅，纳米粒子改性剂为硅烷偶联剂。
在100份环氧树脂中加入10份气相二氧化硅以及1.5份硅烷偶联剂进行预混炼30min，得到稳定分散有气相二氧化硅的环氧树脂母液，再向环氧树脂母液中加入85份固化剂，制备环氧树脂胶液，将浸渍环氧树脂胶液的碳纤维纱在缠绕设备上缠绕一定尺寸的绝缘体，制备出的绝缘体的抗弯性能高达200MPa。
实施例5
复合绝缘子包括绝缘体，绝缘体为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕工艺形成，树脂胶液为聚氨酯胶液，纤维增强体为玻璃纤维纱，聚氨酯胶液的制备原料中：树脂基体为聚氨酯B料(组合多元醇)与A料(异氰酸酯)的混合，纳米粒子为氮化硅，纳米粒子改性剂为硅烷偶联剂。
在聚氨酯B料(组合多元醇)中加入10phr氮化硅，按照一定比例与A料(异氰酸酯)混合，缠绕所得绝缘体的抗弯强度可达到180MPa。
上述实施例1-实施例5，在本发明揭示的各个原料的组合中仅列举了部分原料和技术特征的组合，还有如炭黑、芳纶纤维等等很多可进行的组合，为了使描述的简洁性，没有对所有可能存在的组合都进行描述，然而，只要这些原料和技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本发明复合绝缘子可用于支柱复合绝缘子、线路复合绝缘子、绝缘拉杆、套管等电力设备上。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和材料作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种复合绝缘子，其特征在于，包括绝缘体，所述绝缘体为由树脂胶液和纤维增强体经缠绕或拉挤工艺成型，所述树脂胶液为由树脂基体、纳米粒子、纳米粒子改性剂和固化剂的原料制成，使得所述树脂基体、以及所述树脂基体和所述纤维增强体的界面处分散有所述纳米粒子。
2.如权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于，所述树脂胶液按质量比由以下原料制成：所述树脂基体100份、所述纳米粒子1-120份、所述纳米粒子改性剂0.1-30份和所述固化剂40-150份。
3.如权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于，所述树脂基体为环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯或酚醛树脂。
4.如权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于，所述纳米粒子改性剂为硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、双金属偶联剂、磷酸酯偶联剂和铬络合物的一种或多种的混合。
5.如权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于，所述树脂胶液的原料还包括增韧剂、促进剂和消泡剂。
6.如权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于，所述纳米粒子为无机纳米粒子。
7.如权利要求6所述的复合绝缘子，其特征在于，所述无机纳米粒子为二氧化钛、炭黑、碳化硅、氮化硅、氧化铝、碳纳米管、石墨烯、富勒烯和气相二氧化硅中的一种或多种的混合。
8.如权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于，所述纤维增强体为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维。
9.如权利要求1所述的复合绝缘子，其特征在于，所述绝缘体为空心的绝缘管或实心的绝缘棒。
10.一种复合绝缘子的制备方法，其特征在于，包括：
在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后进行预混炼以形成树脂母液；
在所述树脂母液中加入固化剂以形成树脂胶液；
将纤维增强体和所述树脂胶液作用后经缠绕或拉挤工艺形成绝缘体，以使得所述树脂基体、以及所述树脂基体和所述纤维增强体的界面处分散有所述纳米粒子。
11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于，所述在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后进行预混炼以形成树脂母液的步骤包括：
在树脂基体中加入纳米粒子和纳米粒子改性剂后，在混炼设备中进行预混炼30-50min，形成所述树脂母液。
12.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，按照质量比，所述树脂基体100份、所述纳米粒子1-120份、所述纳米粒子改性剂0.1-30份和所述固化剂40-150份。
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