CN108504427B - 一种纳米粒子改性变压器油及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米粒子改性变压器油，其特征在于包括基础油和0.001‐20wt％改性金属铝纳米颗粒；所述改性金属铝纳米颗粒的粒径为1‐500纳米；所述改性金属铝纳米颗粒是在纳米金属铝的表面通过化学反应形成一层金属氧化物以及无机盐的保护层。该纳米粒子改性变压器油显著提高了变压器油的导热性能，同时克服了纳米金属的添加给变压器油电绝缘性能带来的不利影响，具有良好的导热性、绝缘性和稳定性。

Description

一种纳米粒子改性变压器油及其制备方法

技术领域

本发明属于变压器油技术领域，尤其涉及一种纳米变压器油及其制备方法。

背景技术

随着电网系统的快速发展，电压等级和传输容量不断提升，这不仅使得电力设备的体积和重量持续增加，同时也降低了设备的安全可靠性。调查显示，2005～2010年间我国因输变电设备故障导致的电网停电事故占当年总事故的37％～48％，居故障起因第一位。油纸绝缘作为一种较为成熟的绝缘技术，在电力设备中受到广泛运用，但随着服役年限的增加，在电、磁、机械等多重物理场的作用下，油纸绝缘结构暴露出了越来越严重的综合老化问题，尤其是由材料发热引起的热老化。

为了解决油纸绝缘结构的散热问题，1995年纳米微粒首次被添加到变压器油中形成纳米流体，以提高绝缘结构自身的散热能力。研究表明在变压器油中添加体积分数为0.5％的AlN纳米颗粒，可将油流体的热导率提高8％，整体热效率提高20％。纳米改性变压器油是指在变压器油中添加纳米颗粒，并形成稳定的悬浮胶体，这些粒子的平均直径为几到几十纳米，比变压器油中常见微粒小2到3个数量级。纳米改性变压器油最开始是以纳米磁流体作为研究对象，即添加Fe₃O₄等铁磁性纳米材料，但研究显示铁磁性纳米油流体的稳定性和击穿特性受外部磁场的影响较大，并不适用于变压器等油纸绝缘结构的电力设备。在后续的相关研究中，半导体材料和绝缘材料逐渐被作为改性纳米材料添加到变压器油中。同时，流体基液也由矿物变压器油发展到植物变压器油。国内外各项研究结果表明，通过纳米材料改性的变压器油在导热性、电气特性和抗老化等方面都具有较明显的提高。

纳米改性变压器油的稳定性是其作为绝缘材料运用的必备条件。在纳米流体中，纳米粒子很容易聚集形成团聚体，在重力的作用下缓慢沉降，这样会使纳米流体性能逐步退化，甚至造成微管堵塞、热导率降低。目前克服颗粒团聚，保持流体稳定性的有效手段是对颗粒进行表面处理，一般为通过分散剂改善颗粒表面活性。但是利用化学试剂表面改性往往会破坏改性油的电气特性和老化特性，因此寻找合适的改性变压器油的制备工艺，保证改性油的稳定性与其他性能的平衡，将是纳米改性变压器油研究过程中的主要问题。

纳米材料体系的选择。理论上讲，绝大部分固体材料都可以提高纳米流体的导热性能，例如金属材料、绝缘材料、半导体材料等。但是纳米颗粒的引入必须考虑到纳米油作为绝缘材料实际使用的这一要求，而不能仅仅追求散热能力的提高。对于纳米改性变压器油的评价标准将是电气耐压特性、抗老化特性、稳定性和散热性等多种因素的综合，所以改性纳米颗粒材料体系的筛选将是当前以及今后一个长期存在的问题。

发明内容

本发明以纳米金属作为添加到变压器油中的核心组分，利用金属远超金属氧化物和氮化物的高导热性，进一步提高变压器油的导热性能，同时克服了纳米金属添加到变压器油中导致变压器油电气性能显著变劣的缺陷，取得了意料不到的技术效果。

本发明提供一种纳米粒子改性变压器油，包括基础油，0.001‐20wt％改性金属铝纳米颗粒，所述改性金属铝纳米颗粒的粒径为1‐500纳米；所述改性金属铝纳米颗粒是在纳米金属铝的表面通过化学反应形成一层金属氧化物以及无机盐的保护层。

所述纳米粒子改性变压器油，包括基础油，0.01‐5wt％改性金属铝纳米颗粒，所述改性金属铝纳米颗粒的粒径为50‐200纳米；所述改性金属铝纳米颗粒是在纳米金属铝的表面通过化学反应形成一层金属氧化物以及无机盐的保护层。

所述改性金属铝纳米颗粒的制备包括以下步骤：1)金属铝纳米颗粒在pH值为10‐12的碱液中进行预处理，处理时间为1‐5min，过滤后水洗干燥，得到经预处理的金属铝纳米颗粒；2)将经预处理的金属铝纳米颗粒浸渍在表面处理液5‐30min，所述表面处理液包括氟硅酸盐、高锰酸钾、草酸钛钾，所述表面处理液的pH值为4.5‐6，过滤后经水洗干燥，得到经表面处理的金属铝纳米颗粒；3)步骤2)的得到的经表面处理的金属铝纳米颗粒经硅烷偶联剂处理，并经过超声波分散处理，得到改性金属铝纳米颗粒。

所述金属铝纳米颗粒是由金属溅射法、电弧等离子体法、凝胶法、激光刻蚀法中的一种得到的。

步骤1)中所述碱液是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的一种或多种的水溶液。

步骤2)的处理温度为35‐50℃；步骤2)中氟硅酸盐的浓度为10‐50g/L、高锰酸钾的浓度为0.1‐5g/L、草酸钛钾的浓度为1‐10g/L；所述氟硅酸盐是氟硅酸钾或氟硅酸钠。

步骤3)中处理过程在无水乙醇中进行，经表面处理的金属铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比是1:20‐50；经表面处理的金属铝纳米颗粒与硅烷偶联剂的质量比为1:0.5‐2。

优选的，步骤3)得到的改性金属纳米颗粒在80‐120℃，0.01‐0.09MPa下，在惰性气氛下干燥1‐6h；所述惰性气氛优选是氮气气氛；干燥温度优选是90‐100℃，干燥压力优选为0.05‐0.07MPa。

所述基础油是石油基、合成酯、硅油、植物油中的一种或多种。

所述纳米粒子改性变压器油优选经过超声波分散处理15‐60min，分散温度为20‐50℃。

本发明的有益技术效果：本发明首次提出以表面改性的金属铝纳米颗粒作为基础油中的纳米添加剂，进一步提高了变压器油的导热性能，同时克服了纳米金属的添加给变压器油电绝缘性能带来的不利影响，具有良好的发展前景。

具体实施方式

实施例1

改性金属铝纳米颗粒的制备：1)金属铝纳米颗粒在pH值为10的氢氧化钠溶液中进行预处理，处理时间为2min，过滤后水洗干燥，得到经预处理的金属铝纳米颗粒；2)将经预处理的金属铝纳米颗粒浸渍在表面处理液5min，所述表面处理液中氟硅酸钾的浓度为10g/L、高锰酸钾的浓度为0.5g/L、草酸钛钾的浓度为2g/L，所述表面处理液的pH值为4.5，过滤后经水洗干燥，得到经表面处理的金属铝纳米颗粒；3)步骤2)的得到的经表面处理的金属铝纳米颗粒经硅烷偶联剂的乙醇溶液处理，经表面处理的金属铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比是1:20；经表面处理的金属铝纳米颗粒与硅烷偶联剂的质量比为1:0.5并经过超声波分散处理，得到改性金属铝纳米颗粒。

纳米粒子改性变压器油的制备，得到的改性金属铝纳米颗粒加入石油基变压器油中，加入量为0.2wt％，30℃下超声波分散处理15min。

实施例2

改性金属铝纳米颗粒的制备：1)金属铝纳米颗粒在pH值为11的碳酸氢钠溶液中进行预处理，处理时间为5min，过滤后水洗干燥，得到经预处理的金属铝纳米颗粒；2)将经预处理的金属铝纳米颗粒浸渍在表面处理液20min，所述表面处理液包括氟硅酸钾、高锰酸钾、草酸钛钾，所述表面处理液的pH值为5，过滤后经水洗干燥，得到经表面处理的金属铝纳米颗粒；3)步骤2)的得到的经表面处理的金属铝纳米颗粒经硅烷偶联剂的乙醇溶液处理，经表面处理的金属铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比是1:30；经表面处理的金属铝纳米颗粒与硅烷偶联剂的质量比为1:1并经过超声波分散处理，得到改性金属铝纳米颗粒。

纳米粒子改性变压器油的制备，得到的改性金属铝纳米颗粒加入石油基变压器油中，加入量为0.5wt％，20℃下超声波分散处理20min。

实施例3

改性金属铝纳米颗粒的制备：1)金属铝纳米颗粒在pH值为12的氨水溶液中进行预处理，处理时间为3min，过滤后水洗干燥，得到经预处理的金属铝纳米颗粒；2)将经预处理的金属铝纳米颗粒浸渍在表面处理液30min，所述表面处理液包括氟硅酸钠、高锰酸钾、草酸钛钾，所述表面处理液的pH值为6，过滤后经水洗干燥，得到经表面处理的金属铝纳米颗粒；3)步骤2)的得到的经表面处理的金属铝纳米颗粒经硅烷偶联剂的乙醇溶液处理，经表面处理的金属铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比是1:40；经表面处理的金属铝纳米颗粒与硅烷偶联剂的质量比为1:2并经过超声波分散处理，得到改性金属铝纳米颗粒。

纳米粒子改性变压器油的制备，得到的改性金属铝纳米颗粒加入石油基变压器油中，加入量为1wt％，50℃下超声波分散处理30min。

对比例1

不添加纳米粒子颗粒的变压器油。

对比例2

粒径为50‐200纳米的金属铝纳米粒子经过硅烷偶联剂进行表面处理，作为纳米添加剂，制备纳米粒子改性变压器油。加入量为0.5wt％，20℃下超声波分散处理20min。

对比例3

粒径为50‐200纳米的氧化铝纳米粒子经过硅烷偶联剂进行表面处理，作为纳米添加剂，制备纳米粒子改性变压器油。加入量为0.5wt％，20℃下超声波分散处理20min。

对实施例1‐3和对比例1‐3得到的纳米粒子改性变压器油进行电气绝缘性能和导热性能的测试，结果如下表所示：

	导热系数(W/(m<sup>2</sup>·K))	稳定分散时间	击穿电压(KV)
				实施例1	4235	＞180d	70
实施例2	4524	＞180d	79
				实施例3	7308	＞180d	92
对比例1	3810	/	61
				对比例2	4927	65d	38
对比例3	4183	＞180d	81

其中所述击穿电压是交流电在尖板间隙5mm下测得的数值。

通过以上对比例的性能分析，可以明显看出，不经过改性的金属纳米颗粒无法在变压器油中稳定分散，且击穿电压显著降低，无法满足正常变压器油的正常使用，而本发明所述的纳米粒子改性变压器油不仅显著提高了变压器油的导热系数，而且保持了较高的电气绝缘性能。

Claims (9)

1.一种纳米粒子改性变压器油，其特征在于包括基础油和0.001‐20wt％改性金属铝纳米颗粒；所述改性金属铝纳米颗粒的粒径为1‐500纳米；所述改性金属铝纳米颗粒是在纳米金属铝的表面通过化学反应形成一层金属氧化物以及无机盐的保护层；

所述改性金属铝纳米颗粒的制备包括以下步骤：1)金属铝纳米颗粒在pH值为10‐12的碱液中进行预处理，处理时间为1‐5min，过滤后水洗干燥，得到经预处理的金属铝纳米颗粒；2)将经预处理的金属铝纳米颗粒浸渍在表面处理液5‐30min，所述表面处理液包括氟硅酸盐、高锰酸钾、草酸钛钾，所述表面处理液的pH值为4.5‐6，过滤后经水洗干燥，得到经表面处理的金属铝纳米颗粒；3)步骤2)的得到的经表面处理的金属铝纳米颗粒经硅烷偶联剂处理，并经过超声波分散处理，得到改性金属铝纳米颗粒。

2.如权利要求1所述的变压器油，其特征在于包括基础油和0.01‐5wt％改性金属铝纳米颗粒；所述改性金属铝纳米颗粒的粒径为50‐200纳米。

3.如权利要求1所述的变压器油，其特征在于所述金属铝纳米颗粒是由金属溅射法、电弧等离子体法、凝胶法、激光刻蚀法中的一种得到的。

4.如权利要求3所述的变压器油，其特征在于步骤1)中所述碱液是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠、氨水中的一种或多种的水溶液。

5.如权利要求3所述的变压器油，其特征在于步骤2)的处理温度为35‐50℃；步骤2)中氟硅酸盐的浓度为10‐50g/L、高锰酸钾的浓度为0.1‐5g/L、草酸钛钾的浓度为1‐10g/L。

6.如权利要求3所述的变压器油，其特征在于步骤3)中处理过程在无水乙醇中进行，经表面处理的金属铝纳米颗粒与无水乙醇的质量比是1:20‐50；经表面处理的金属铝纳米颗粒与硅烷偶联剂的质量比为1:0.5‐2。

7.如权利要求3所述的变压器油，其特征在于步骤3)得到的改性金属纳米颗粒在80‐120℃，0.01‐0.09MPa下，在惰性气氛下干燥1‐6h；所述惰性气氛氮气气氛；干燥温度是90‐100℃，干燥压力为0.05‐0.07MPa。

8.如权利要求1所述的变压器油，其特征在于所述基础油是石油基、合成酯、硅油、植物油中的一种或多种。

9.如权利要求1所述的变压器油，其特征在于所述纳米粒子改性变压器油经过超声波分散处理15‐60min，分散温度为20‐50℃。