CN110003656B - 一种硅橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及硅橡胶复合材料技术领域，具体涉及一种硅橡胶复合材料及其制备方法。本发明提供的一种硅橡胶复合材料，包括如下重量份的原料：硅橡胶100份、交联剂1‑5份、催化剂1‑3份、表面镀覆有金属层的非线性电导填料5‑30份、抑制剂1‑3份。本发明提供的硅橡胶复合材料五种组分相互配合，在电场作用下可显著提高复合材料的非线性电导特性，有效解决了由于电场不均匀分布或绝缘材料中电荷积聚导致的复合材料加速老化的问题，在电场均化方面有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及硅橡胶复合材料技术领域，具体涉及一种硅橡胶复合材料及其制备方法。
背景技术
硅橡胶是一种常见的弹性体材料，具有电气性能优异、耐高低温、耐候性好、耐油性好、成本低廉等特性，是目前应用较为广泛的一种电气绝缘材料，被广泛应用于电力系统中，如避雷器、套管、绝缘子等。随着输变电技术的发展，电压等级不断提升，在高压、超高压乃至特高压交直流输变电系统中，绝缘是其核心问题之一，系统电压等级越高，绝缘问题的重要性和困难度越加显著。然而高压输变电系统中的绝缘设备或部件，其自身所承受的电场分布往往极不均匀，例如输电电缆终端的绝缘部分、各种绝缘子的高压端部分，其所承受的电场强度要远远超出整体电场强度的平均值，甚至达到平均值的数倍，由此会带来一系列设计、制造方面的不利影响。
由于绝缘设备或部件(尤其是易导致出现电晕、局部放电等现象的电介质材料)自身承受电场分布的不均匀性，电场强度较大，导致其老化速度往往很快、老化程度也更为严重，由此对系统的长期安全稳定运行会带来更大的威胁。因此，由于电场不均匀分布或绝缘材料中电荷积聚导致的电树枝老化问题日益受到行业研究人员的重视。
非线性电导复合材料的出现为此提供了一条有效路径，非线性电导材料是指在正常使用状态下，材料表现为绝缘状态，发挥绝缘材料的作用，当空间电荷积累或局部电场强度超过一定程度后，材料的导电性能增强，释放积累电荷，从而达到均化电场的作用。现有技术文献CN107123463A公开了一种可自适应调控电导及介电的氧化锌复合绝缘材料，首先以铋、锰、钴、铌掺杂氧化锌得到非线性介电特性的氧化锌粉体颗粒；再在其表面原位聚合聚酰亚胺，赋予氧化锌粉体颗粒非线性电导特性；最后以此填充硅橡胶，制得一种可自适应调控电导及介电的氧化锌复合绝缘材料。上述方案得到的复合绝缘材料有助于解决高电压等级电力系统绝缘设备或部件电场分布不均匀的难题，同时复合材料具有的非线性电导特性也能消散积累的空间电荷，避免因其导致的局部电场集中。然而通过上述方法得到的复合绝缘材料的非线性特性不明显，难以满足实际生产和应用的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中复合绝缘材料的非线性特性不明显，不能有效解决由于电场不均匀分布或绝缘材料中电荷积聚导致的复合绝缘材料加速老化的问题，进而提供一种新的硅橡胶复合材料及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种硅橡胶复合材料,包括如下重量份的原料：硅橡胶100份、交联剂1-5份、催化剂1-3份、表面镀覆有金属层的非线性电导填料5-30份、抑制剂1-3份。
优选的，所述表面镀覆有金属层的非线性电导填料中，所述金属层占所述非线性电导填料质量的1-30％。
优选的，所述非线性电导填料选自碳化硅、氧化锌、钛酸钡、二氧化硅中的一种或几种。
优选的，所述金属层中的金属选自银、铜、镍、铝、锡、铅中的一种或几种。
优选的，所述交联剂为羟基硅油，所述催化剂为铂金催化剂，所述抑制剂为炔醇抑制剂。
本发明还提供一种上述所述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将硅橡胶、交联剂、催化剂、表面镀覆有金属层的非线性电导填料、抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶在电场下预成型，得到预成型硅橡胶材料；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料硫化成型，得到所述的硅橡胶复合材料。
优选的，步骤2)中所述混炼胶在电场下预成型的步骤为将所述混炼胶模压成型后，置于电场下5-30分钟。
优选的，所述电场强度为1kV/cm-30kV/cm；所述电场为交流电场或直流电场。
优选的，所述表面镀覆有金属层的非线性电导填料是通过在非线性电导填料的表面镀覆金属制备得到的。
优选的，步骤3)中所述预成型硅橡胶材料采用平板硫化机或烘箱进行硫化成型。
本发明的有益效果：
1)本发明提供的硅橡胶复合材料,包括如下重量份的原料：硅橡胶100份、交联剂1-5份、催化剂1-3份、表面镀覆有金属层的非线性电导填料5-30份、抑制剂1-3份。本发明提供的硅橡胶复合材料五种组分相互配合，在电场作用下可显著提高复合材料的非线性电导特性，有效解决了由于电场不均匀分布或绝缘材料中电荷积聚导致的复合材料加速老化的问题，在电场均化方面有广泛的应用前景。尤其是本发明所述的表面镀覆有金属层的非线性电导填料在电场的作用下，填料极化，使得更利于复合材料的微观组织进行微调，使得填料取向更利于提高复合材料的非线性电导特性，更利于发挥匀化电场的作用。
2)本发明提供的硅橡胶复合材料，进一步的，所述金属层占所述非线性电导填料质量的1-30％，本发明通过控制金属层占所述非线性电导填料的质量比为1-30％，所述金属层在此质量范围内为不完全包覆状态，在增加电场力的情况下，不会改变填料特性，更易产生复合材料微观组织的微调过程，更利于提高复合材料的非线性电导特性。
3)本发明提供的所述硅橡胶复合材料的制备方法，通过将硅橡胶、交联剂、催化剂、表面镀覆有金属层的非线性电导填料、抑制剂混合制备混炼胶；然后将混炼胶在电场下预成型，得到预成型硅橡胶材料；对预成型硅橡胶材料进行硫化成型，得到所述的硅橡胶复合材料。通过本发明所述的复合材料的制备方法得到的硅橡胶复合材料，其非线性电导特性显著，更利于发挥匀化电场的作用。
4)本发明提供的所述硅橡胶复合材料的制备方法，进一步的，所述电场强度为1kV/cm-30kV/cm；在此电场强度下，更利于提高硅橡胶复合材料的非线性电导特性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1-3和对比例1得到的硅橡胶复合材料的伏安特性曲线；
图2为实施例4-6和对比例2得到的硅橡胶复合材料的伏安特性曲线。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
本发明以下实施例和对比例中所述硅橡胶3450A和硅橡胶3450B购自蓝星有机硅有限公司，所述炔醇抑制剂、铂金催化剂、交联剂羟基硅油购自广东力翔有机硅有限公司。
实施例1：
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、表面镀覆有金属银层的氧化锌填料10kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将氧化锌填料表面镀银，得到表面镀覆有金属银层的氧化锌填料，其中所述金属银层占氧化锌填料质量的5％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属银层的氧化锌填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于交流电场下20分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为1kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
实施例2：
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、表面镀覆有金属银层的氧化锌填料10kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将氧化锌填料表面镀银，得到表面镀覆有金属银层的氧化锌填料，其中所述金属银层占氧化锌填料质量的5％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属银层的氧化锌填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于交流电场下20分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为10kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
实施例3：
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、表面镀覆有金属银层的氧化锌填料10kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将氧化锌填料表面镀银，得到表面镀覆有金属银层的氧化锌填料，其中所述金属银层占氧化锌填料质量的5％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属银层的氧化锌填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于交流电场下20分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为20kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
实施例4：
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料20kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳化硅填料表面镀铜，得到表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料，其中所述金属铜层占碳化硅填料质量的25％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于直流电场下30分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为1kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
实施例5：
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料20kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳化硅填料表面镀铜，得到表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料，其中所述金属铜层占碳化硅填料质量的25％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于直流电场下30分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为10kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
实施例6：
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料20kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将碳化硅填料表面镀铜，得到表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料，其中所述金属铜层占碳化硅填料质量的25％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属铜层的碳化硅填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于直流电场下30分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为20kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
实施例7
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油1kg、铂金催化剂3kg、表面镀覆有金属镍层的钛酸钡填料5kg、炔醇抑制剂3kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将钛酸钡填料表面镀镍，得到表面镀覆有金属镍层的钛酸钡填料，其中所述金属镍层占钛酸钡填料质量的1％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属镍层的钛酸钡填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于交流电场下5分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为30kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
实施例8
本实施例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油5kg、铂金催化剂1kg、表面镀覆有金属铝层的二氧化硅填料30kg、1-乙炔基环己醇抑制剂1kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将二氧化硅填料表面镀铝，得到表面镀覆有金属铝层的二氧化硅填料，其中所述金属铝层占二氧化硅填料质量的30％，然后将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、表面镀覆有金属铝层的二氧化硅填料、1-乙炔基环己醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后置于交流电场下20分钟进行预成型，得到预成型硅橡胶材料；所述电场强度为20kV/cm；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料在烘箱中硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
对比例1
本对比例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、氧化锌填料10kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、氧化锌填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
对比例2
本对比例提供一种硅橡胶复合材料,包括如下原料：硅橡胶(其中硅橡胶3450A为90kg，硅橡胶3450B为10kg)100kg、交联剂羟基硅油2kg、铂金催化剂2kg、碳化硅填料20kg、炔醇抑制剂2kg。
上述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将硅橡胶3450A、硅橡胶3450B、交联剂羟基硅油、铂金催化剂、碳化硅填料、炔醇抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶模压成型后在平板硫化机上硫化成型，硫化温度120℃，硫化时间10分钟，得到所述的硅橡胶复合材料。
对通过实施例1-8和对比例1-2得到的硅橡胶复合材料分别进行伏安特性曲线测试，结果见表1。其中实施例1-3和对比例1的伏安特性曲线如图1所示，实施例4-6和对比例2的伏安特性曲线如图2所示，表1中β1为拐点之前的非线性系数，β2为拐点之后的非线性系数。
表1不同实施例硅橡胶复合材料的非线性系数和拐点场强
| β1 | β2 | 拐点场强(kV/mm) | |
| 实施例1 | 0.34 | 1.93 | 2.36 |
| 实施例2 | 0.33 | 2.34 | 2.25 |
| 实施例3 | 0.29 | 2.53 | 2.04 |
| 实施例4 | 0.38 | 1.97 | 2.26 |
| 实施例5 | 0.39 | 2.57 | 2.09 |
| 实施例6 | 0.35 | 2.86 | 2.17 |
| 实施例7 | 0.34 | 2.16 | 2.20 |
| 实施例8 | 0.36 | 2.25 | 2.31 |
| 对比例1 | 0.32 | 1.73 | 2.38 |
| 对比例2 | 0.39 | 1.64 | 2.21 |
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种硅橡胶复合材料,其特征在于，包括如下重量份的原料：硅橡胶100份、交联剂1-5份、催化剂1-3份、表面镀覆有金属层的非线性电导填料5-30份、抑制剂1-3份；
所述硅橡胶复合材料的制备方法，包括如下步骤：
1)将硅橡胶、交联剂、催化剂、表面镀覆有金属层的非线性电导填料、抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶在电场下预成型，得到预成型硅橡胶材料；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料硫化成型，得到所述的硅橡胶复合材料；
所述表面镀覆有金属层的非线性电导填料中，所述金属层占所述非线性电导填料质量的1-30％；
所述非线性电导填料选自碳化硅、氧化锌、钛酸钡、二氧化硅中的一种或几种；
所述金属层中的金属选自银、铜、镍、铝、锡、铅中的一种或几种；
所述交联剂为羟基硅油，所述催化剂为铂金催化剂，所述抑制剂为炔醇抑制剂；
步骤2)中所述混炼胶在电场下预成型的步骤为将所述混炼胶模压成型后，置于电场下5-30分钟；
所述电场强度为1kV/cm-30kV/cm；
所述电场为交流电场或直流电场。
2.一种权利要求1所述硅橡胶复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将硅橡胶、交联剂、催化剂、表面镀覆有金属层的非线性电导填料、抑制剂混合制备混炼胶；
2)将步骤1)得到的混炼胶在电场下预成型，得到预成型硅橡胶材料；
3)将步骤2)得到的预成型硅橡胶材料硫化成型，得到所述的硅橡胶复合材料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述混炼胶在电场下预成型的步骤为将所述混炼胶模压成型后，置于电场下5-30分钟。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述电场强度为1kV/cm-30kV/cm；
所述电场为交流电场或直流电场。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述表面镀覆有金属层的非线性电导填料是通过在非线性电导填料的表面镀覆金属制备得到的。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述预成型硅橡胶材料采用平板硫化机或烘箱进行硫化成型。
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