CN108364726A - 含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的应用及方法 - Google Patents

含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的应用及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的应用及方法。本发明所述含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法，包括：将含氟可溶聚酰亚胺溶解在极性溶剂中，配置成含氟可溶聚酰亚胺溶液；将钇系高温超导带材表面用乙醇清洗并烘干，浸入到含氟可溶聚酰亚胺溶液中，刮胶去除过量的含氟可溶聚酰亚胺溶液，烘干，在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层。本发明在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法能有效降低钇系超导带表面形成连续绝缘涂层的处理温度和处理时间，确保钇系高温超导带材表面形成致密绝缘涂层后，其超导电性能不发生退降、且绝缘性能优异。

Description

含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的 应用及方法
技术领域
本发明涉及超导带材绝缘处理技术领域。更具体地，涉及含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的应用及方法。
背景技术
高温超导电缆具有通流能力强、能量利用率高、占用空间小、传输能力是普通电缆数倍的优势，因而备受电力行业的广泛关注。高温超导电缆根据其绝缘介质的工作温度可分为室温绝缘和冷绝缘两种：室温绝缘电缆是将电绝缘层置于低温恒温器之外，其工作温度在室温范围，因此可以选用可靠性较高的常规电缆绝缘材料。然而，室温绝缘电缆具有损耗较大、运行费用较高等缺点。冷绝缘电缆是将电绝缘层和超导带放置在液氮温度下，与室温绝缘电缆相比，其传输容量更大、损耗更小、运行成本较低。自2001年世界首条实际应用的高温超导电缆由美国南线电力公司在哥伦布市投运后，冷绝缘超导电缆获得了快速发展，且目前世界各国的示范超导电缆均主要采用冷绝缘结构。
冷绝缘超导电缆中的绝缘材料工作在液氮温度(-196℃)，传统的交联聚乙烯(XLPE)和三元乙丙橡胶(EPR)等绝缘材料在此温度下会发生应力开裂。因此，冷绝缘超导电缆通常采用聚丙烯层压纸(PPLP)、芳香族聚酰胺纸(Nomex)和聚酰亚胺(PI)薄膜材料，以绕包工艺层层包覆在超导带材的表面。然而，绕包形式的绝缘结构有如下缺点：(1)绕包结构必然在绕包层重叠或间隙部分形成间隙，在绝缘承受电压时，绝缘层间隙中的气孔或气隙将成为电场集中点、引发局部放电，并在远低于绝缘击穿强度的电压下发生沿面闪络击穿。在高压直流应用场合，由绕包层间隙局部放电引发的沿面击穿危害将愈发严重。(2)绕包生产效率较低，不利于长带的绝缘处理。目前，采用涂覆的方法在超导线带材表面包覆绝缘层可以避免绕包绝缘结构的缺点。
公开号为CN 1588565的国家发明专利将成品高温超导线带材浸入羟基羧酸树脂绝缘涂覆液后，在500～600℃加热固化后可获得10～20μm的绝缘涂层，绝缘性能达到耐压500伏，工艺简单、适合大规模使用。公开号CN102676059A的国家发明专利采用虫胶、无水乙醇和氮化铝混合制成了可用于MgB2线代材的表面绝缘漆，在200～300℃加热固化后可获得2～5μm的绝缘涂层，该绝缘漆含有高导热、绝缘的纳米级氮化铝粉末，有效提高了低温环境下超导磁体的热传导，且该绝缘漆对环境无污染，价格低廉，适宜于批量化生产。然而，上述绝缘处理过程均需要采用过高的固化温度(200～600℃)和较长的热处理时间，将会导致钇系高温超导带材的超导电性能发生严重退降。
因此，需要提供一种钇系高温超导带材表面的绝缘涂层，以解决上述至少一个问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的应用。
本发明的另一个目的在于提供一种含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法，有效降低钇系超导带表面形成绝缘涂层的处理温度和处理时间，保证钇系高温超导带材超导电性能。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的应用。
本发明中含氟可溶聚酰亚胺可以根据现有技术常规方法合成，在本发明具体的实施方式中，所述含氟可溶聚酰亚胺的制备包括以下步骤：首先，将总摩尔质量为100mmol的间苯二胺与4，4-二氨基二苯醚依次加入到300g N-甲基吡咯烷酮中，在氮气保护下充分溶解；之后，将100mmol的六氟二酐分批加入反应体系中，室温搅拌24h，得到预聚溶液；最后，将所得预聚溶液依次以“80℃/2h、100℃/1h、120℃/1h、150℃/1h、180℃/1h、210℃/2h、240℃/2h”过程加热反应，获得含氟可溶聚酰亚胺；其中，间苯二胺与4，4-二氨基二苯醚的摩尔比为1：1～9。
本发明进一步还提供了含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法，包括以下步骤：
1)将含氟可溶聚酰亚胺溶解在极性溶剂中，配置含氟可溶聚酰亚胺溶液；
2)将钇系高温超导带材表面用乙醇清洗并烘干，浸入到含氟可溶聚酰亚胺溶液中，刮胶去除过量的含氟可溶聚酰亚胺溶液，烘干，在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层。
通过以上方法，可得到在钇系高温超导带材表面形成0.5～2μm的含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层，根据需要重复数次可在钇系高温超导带材表面形成任意厚度的绝缘涂层。
进一步，所述烘干的条件为在60～210℃条件下烘干6h。
进一步，所述极性溶剂包括但不限于N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺或氯仿。本发明中上述极性溶剂为低沸点极性溶剂，因此无需过高的温度即可在钇系高温超导带材表面形成含氟聚酰亚胺涂层。
进一步，所述含氟可溶聚酰亚胺溶液的浓度为20～100mg/mL。本发明中浓度过低，需要涂覆次数就太多，涂覆效率低；浓度太高，不利于聚酰亚胺在溶剂中充分溶解。
进一步，所述配置含氟可溶聚酰亚胺溶液的温度为50～80℃。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成的绝缘涂层方法采用的含氟可溶聚酰亚胺溶液为含氟可溶聚酰亚胺的低沸点极性溶液(N-甲基吡咯烷酮/沸点202℃、或N,N-二甲基甲酰胺/沸点153℃、或氯仿/沸点61℃)，成膜过程为低沸点极性溶剂挥发过程，无需过高的热处理温度即可在钇系高温超导带材表面形成含氟可溶聚酰亚胺涂层，可避免长时间高温所导致的带材超导电性能退降。另外，含氟可溶聚酰亚胺中含有大量的4，4-二氨基二苯醚柔性链段，因而聚合物在低温液氮环境下具有优异的机械韧性。
(2)本发明含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成的绝缘涂层方法采用半干法浸胶工艺，可通过重复浸液-刮胶-烘干过程在钇系高温超导带材表面快速形成厚度可控的均匀绝缘涂层，从根本上避免了由绕包绝缘结构层间气隙导致的局部放电。
(3)本发明含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成的绝缘涂层并未导致钇系超导带临界电流发生变化和超导电性能发生退降。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出超导带绝缘涂层的浸胶涂覆工艺；
其中，1为浸液槽，2为刮胶装置，3为加热烘干设备
图2示出钇系超导带形成绝缘涂层前后的E-I伏安特性测试曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法
含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法，包括以下步骤：
(1)制备含氟可溶聚酰亚胺
首先，将总摩尔质量为100mmol的二胺(间苯二胺与4，4-二氨基二苯醚的摩尔比为10/90)依次加入到300g N-甲基吡咯烷酮中，在氮气保护下充分溶解；之后，将100mmol的六氟二酐分批加入反应体系中，室温搅拌24h；将所得预聚溶液依次以“80℃/2h、100℃/1h、120℃/1h、150℃/1h、180℃/1h、210℃/2h、240℃/2h”过程加热反应，最终获得含氟可溶聚酰亚胺。
(2)在80℃将50g含氟可溶聚酰亚胺溶解在极性溶剂(N-甲基吡咯烷酮)中，配置成20mg/mL的含氟可溶聚酰亚胺溶液。
(3)将钇系高温超导带材表面用乙醇清洗并烘干，将其以50m/min速度通过装有含氟可溶聚酰亚胺溶液的图1中浸液槽1，经过刮胶装置2去除过量胶液后，超导带通过205℃的加热烘干设备3烘干6h，可在超导带表面形成0.5μm的含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层。重复浸液-刮胶-烘干过程五次，最终获得2μm的含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层，绝缘耐压强度达440V。
实施例2含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法
含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法，包括以下步骤：
(1)制备含氟可溶聚酰亚胺：首先，将总摩尔质量为100mmol的二胺(间苯二胺与4，4-二氨基二苯醚的摩尔比为50/50)依次加入到300g N-甲基吡咯烷酮中，在氮气保护下充分溶解；之后，将100mmol的六氟二酐分批加入反应体系中，室温搅拌24h；将所得预聚溶液依次以“80℃/2h、100℃/1h、120℃/1h、150℃/1h、180℃/1h、210℃/2h、240℃/2h”过程加热反应，最终获得含氟聚酰亚胺。
(2)在50℃将50g含氟可溶聚酰亚胺溶解在极性溶剂(氯仿)中，配置成100mg/mL的含氟聚酰亚胺溶液。
(3)将钇系高温超导带材表面用乙醇清洗并烘干，将其以50m/min速度通过装有含氟可溶聚酰亚胺溶液的图1中浸液槽1，经过刮胶装置2去除过量胶液后，超导带通过60℃的加热烘干设备3烘干6h，可在超导带表面形成2μm的含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层。重复浸液-刮胶-烘干过程三次，最终获得5μm的含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层，绝缘耐压强度达1100V。
实施例3含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法
含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法，包括以下步骤：
(1)制备含氟可溶聚酰亚胺：首先，将总摩尔质量为100mmol的二胺(间苯二胺与4，4-二氨基二苯醚的摩尔比为25/75)依次加入到300g N-甲基吡咯烷酮中，在氮气保护下充分溶解；之后，将100mmol的六氟二酐分批加入反应体系中，室温搅拌24h；将所得预聚溶液依次以“80℃/2h、100℃/1h、120℃/1h、150℃/1h、180℃/1h、210℃/2h、240℃/2h”过程加热反应，最终获得含氟可溶聚酰亚胺。
(2)在80℃将50g含氟可溶聚酰亚胺溶解在极性溶剂(N,N-二甲基甲酰胺)中，配置成50mg/mL的含氟可溶聚酰亚胺溶液。
(3)将钇系高温超导带材表面用乙醇清洗并烘干，将其以50m/min速度通过装有含氟可溶聚酰亚胺溶液的图1中浸液槽1，经过刮胶装置2去除过量胶液后，超导带通过160℃的加热烘干设备3烘干6h，可在超导带表面形成1μm的含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层。重复浸液-刮胶-烘干过程三次，最终获得3μm的含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层，绝缘耐压强度达640V。
比较钇系高温超导带材在形成含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层前后的E-I伏安特性测试曲线，考察钇系高温超导带材在绝缘热处理后的临界电流变化情况如图2所示，钇系高温超导带材在形成含氟可溶聚酰亚胺绝缘涂层中经加热烘干去除溶剂、形成绝缘涂层等过程，并未导致钇系超导带临界电流发生变化和超导电性能发生退降。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的应用。
2.一种含氟可溶聚酰亚胺在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将含氟可溶聚酰亚胺溶解在极性溶剂中，配置含氟可溶聚酰亚胺溶液；
2)将钇系高温超导带材表面用乙醇清洗并烘干，浸入到含氟可溶聚酰亚胺溶液中，刮胶去除过量的含氟可溶聚酰亚胺溶液，烘干，在钇系高温超导带材表面形成绝缘涂层。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烘干的条件为在60～210℃条件下烘干6h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述极性溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺或氯仿。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氟可溶聚酰亚胺溶液的浓度为20～100mg/mL。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述配置含氟可溶聚酰亚胺溶液的温度为50～80℃。
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