CN110136901A - 一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陶瓷绝缘子绝缘性能提升方法，具体涉及一种提高陶瓷绝缘子真空闪络电压的方法。目的是解决现有提高绝缘子闪络电压的技术中存在的真空绝缘闪络耐压性能提升幅度低、可靠性差或涂层无法用于复杂结构的问题。本发明中提高陶瓷绝缘子闪络电压的方案包括以下步骤：步骤1，配制硅烷偶联剂、有机溶剂和去离子水的混合溶液进行水解，制得自组装反应液；步骤2，将表面干燥的绝缘子浸入自组装反应液中进行分子自组装反应；步骤3，取出绝缘子，清洁绝缘子表面并干燥，得到预制样品；步骤4，对预制样品进行高温醚化反应，得到绝缘子样品。该提升陶瓷绝缘子真空沿面闪络性能的方法具有应用面广、可靠性高、工艺难度小和成本低等优点。

Description

一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法
技术领域
本发明属于陶瓷绝缘子绝缘性能提升方法，具体涉及一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法。
背景技术
在真空绝缘系统中，沿绝缘子表面极易发生放电，放电电压一般远低于绝缘子与真空的体击穿电压，这种现象称为绝缘子真空沿面闪络。闪络现象的存在严重降低了整个绝缘体系的耐压强度，给设备运行的安全性和稳定性造成了巨大隐患，因此如何提升绝缘子的闪络电压一直是真空绝缘领域内的研究热点。为提升绝缘子的闪络电压，研究人员在理论与实验方面均投入了大量研究，发现闪络电压受多种因素的影响，其中绝缘子的表面化学成分对闪络的影响尤为明显，表面成分的微细变化可能引起闪络性能的很大变化。通过改变绝缘子的表面特性来提升绝缘子闪络电压成为了一种有效提升闪络耐压的手段。邵涛等人在期刊《APPLIED PHYSICS LETTERS》上发表的文章《Enhanced surface flashoverstrength in vacuum of polymethylmethacrylate by surface modification usingatmospheric-pressure dielectric barrier discharge》中说明，通过介质阻挡放电的方式在聚合物绝缘子上制备了一层含氟物质，能够有效地提升绝缘子闪络电压。Sudarshan、Cross等人在《IEEE Transactions on Electrical Insulation EI》上发表的《Prebreakdown Processes Associated with Surface Flashover of Solid Insulatorsin Vacuum》一文中提到，氧化铝陶瓷材料表面制备一层低二次电子发射系数的Cu2O和Cr2O3金属氧化物涂层，降低了表面二次电子发射系数，使得绝缘子真空沿面闪络电压得到了一定的提高。虽然多种方法都具有一定的效果，但均存在提高真空绝缘闪络特性幅度不大、可靠性不高或涂层无法用于复杂结构的绝缘子等缺陷。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中针对提高绝缘子闪络电压，虽然在改变绝缘子表面化学成分方面已经做了很多改善，但仍然存在提高真空绝缘闪络特性幅度不大、可靠性不高或涂层无法用于复杂结构的问题，而提供一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1，配制硅烷偶联剂、有机溶剂和去离子水的混合溶液，并对混合溶液进行水解，制得自组装反应液；
步骤2，将表面干燥的绝缘子浸入自组装反应液中进行分子自组装反应；
步骤3，取出绝缘子，清洁绝缘子表面并干燥，得到预制样品；
步骤4，对预制样品进行高温醚化反应，得到绝缘子样品。
进一步地，步骤1所述硅烷偶联剂、去离子水和有机溶剂体积比1：1：20-500，有机溶剂能够溶解硅烷偶联剂。
进一步地，步骤1所述硅烷偶联剂、去离子水和有机溶剂按照体积比是1：1：30或1：1：450。
进一步地，步骤1所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-570、硅烷偶联剂KH-550或十八烷基三氯硅烷中的任一种。有机溶剂的选择与硅烷偶联剂相匹配。
进一步地，步骤1所述有机溶剂为甲苯、丙酮或乙醇中的任一种。
进一步地，步骤1所述水解，是将混合溶液在室温下进行0.1-10h的水解。水解过程中，去离子水能够与硅烷偶联剂具有极性的一端发生反应生成硅醇。
进一步地，步骤2所述绝缘子是基体为氧化铝、氧化锆或硅酸盐中任一种的陶瓷绝缘子，这类绝缘子表面存在大量羟基。
进一步地，步骤2是将表面干燥的绝缘子浸入自组装反应液中进行12-36h的分子自组装反应。
进一步地，步骤3所述清洁绝缘子表面是先后采用乙醇和水对绝缘子进行超声清洗，去除表面残留。
进一步地，步骤3所述的干燥是在烘箱内60℃下进行烘干。
进一步地，所述步骤4是在100-150℃下进行高温醚化反应，使陶瓷绝缘子表面以醚键连接自组装小分子，对绝缘子表面改性，提高绝缘子表面均匀性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，采用表面分子组装技术，操作简单、影响因素少。利用硅烷偶联剂、去离子水、有机溶剂在陶瓷绝缘子表面进行自组装反应，在绝缘子表面形成具有一定厚度的自组装有机物分子层，改善陶瓷绝缘子的真空沿面闪络特性，提高绝缘子的表面击穿电压，提高幅度达到90％-120％，而绝缘子内部仍保留了陶瓷材料的固有性能。因而具有应用面广、可靠性高、工艺难度小和成本低等优点。另外，本发明的分子组装方法在溶液中进行反应，能满足任意形状陶瓷绝缘子的改性需求，且反应条件温和，可直接对陶瓷绝缘子进行处理，改性处理后不影响绝缘子的加工和使用。
2.硅烷偶联剂经水解后，能够形成一端具有极性的硅醇，另一端具有非极性的碳氢链，形成双极性分子，而绝缘子表面为极性基底，因此硅烷偶联剂能够在极性的绝缘子基底表面形成整齐排列的分子层。
3.绝缘子选用基体为氧化铝、氧化锆或硅酸盐的陶瓷绝缘子，这类绝缘子基体表面存在大量羟基，因此更有利于发生分子自组装反应。
4.高温醚化反应能够在水解后的硅烷偶联剂和绝缘子基体间形成醚键，因而在绝缘子基体表面形成稳定的有一定厚度的有机物分子层，从而提高绝缘子的闪络电压。
附图说明
图1为本发明一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法实施例中的流程示意图；
图2为本发明实施例中绝缘子表面分子自组装反应的原理示意图；
图3为本发明实施例一中绝缘子表面分子自组装反应前后的接触角检测结果示意图；其中，图(a)为绝缘子表面分子自组装反应前的接触角检测结果示意图，图(b)为绝缘子表面分子自组装反应后的接触角检测结果示意图；
图4为本发明实施例一中绝缘子表面分子自组装反应前后的表面元素种类及含量检测结果示意图；其中，图(a)为绝缘子表面分子自组装反应前表面元素种类及含量检测结果示意图，图(b)为绝缘子表面分子自组装反应后表面元素种类及含量检测结果示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
如图1，一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，包括以下步骤：
步骤1，配制硅烷偶联剂、有机溶剂和去离子水的混合溶液，并对混合溶液进行水解，制得自组装反应液；硅烷偶联剂、去离子水和有机溶剂按照体积比1：1：20-500混合，水解是将混合溶液在室温下进行0.1-10h的水解；
步骤2，将表面干燥的绝缘子浸入自组装反应液中进行12-36h分子自组装反应；
步骤3，取出绝缘子，先后用乙醇和水清洁绝缘子表面去除残留物并干燥，得到预制样品；干燥是在烘箱内60℃下进行烘干。
步骤4，升温至100-150℃，对预制样品进行高温醚化反应1-2h，得到表面具有自组装分子膜的陶瓷绝缘子样品。
本发明是利用分子自组装反应对绝缘子表面进行改性。如图2是绝缘子表面分子自组装反应的原理示意图，硅烷偶联剂是能够水解的双极性分子有机物，水解后一端为具有极性的硅醇，另一端为非极性碳氢链，再经高温醚化反应，具有极性的一端与绝缘子表面通过醚键连接，另一非极性端得碳氢链尾部之间通过范德华力相互结合整齐排列，在绝缘子表面形成纳米级厚度的有机物分子层，得到规整的表面结构，通过在绝缘子表面进行分子自组装反应对其表面改性提升绝缘子的表面均匀性，从而提高闪络电压。
陶瓷绝缘子一般选用氧化铝、氧化锆或硅酸盐等表面具有羟基的绝缘材料作为绝缘子基体，这类基体表面存在大量羟基，但从原理分析，其他无机绝缘材料也具有有效性。硅烷偶联剂可以是硅烷偶联剂KH-570、硅烷偶联剂KH550和十八烷基三氯硅烷(OTS)中的任一种。有机溶剂主要起溶解硅烷偶联剂的功能，去离子水分子与硅烷偶联剂具有极性的一端发生反应生成硅醇，可根据硅烷偶联剂的性质选用甲苯、丙酮和乙醇等有机溶剂中的一种。
实施例一
(1)按照体积比1：1：30量取十八烷基三氯硅烷、去离子水和甲苯，将十八烷基三氯硅烷和去离子水溶解于甲苯中制备十八烷基三氯硅烷的甲苯溶液，在室温下进行1h的搅拌水解，得到自组装反应液；
(2)将直径为30mm，厚度为10mm的圆柱形三氧化二铝陶瓷绝缘子浸入上述自组装反应液中静置，进行24h的分子自组装反应；
(3)取出绝缘子，先后采用甲苯、乙醇和水超声清洗，除去表面的残留物，60℃下在烘箱中真空烘干6h；
(4)将烘箱温度升高至120℃，保持2h进行高温醚化，冷却取出，最终得到表面具有自组装膜的陶瓷绝缘子样品，记做绝缘子样品1。
如图3(a)和图3(b)所示，绝缘子样品1的表面经过自组装反应后，表面水接触角发生变化，原接触角为57.8°，经过分子自组装反应后表面水接触角变为127.9°，由亲水性表面变为疏水性表面，这表明经过改性后在三氧化二铝陶瓷表面形成了一层分子膜层。
如图4(a)和图4(b)可以看出，分子自组装反应前后三氧化二铝陶瓷表面的元素也发生了变化，C元素含量的增加，以及Si元素在Al、O元素中的占比增加，也说明表面生成了自组装小分子。
实施例二
(1)将硅烷偶联剂KH-570、去离子水和无水乙醇按照体积比1：1：450混合，40℃下进行2h的搅拌水解，得到自组装反应液；
(2)将直径为30mm，厚度为10mm的圆柱形氧化锆陶瓷绝缘子浸入在自组装反应液中静置，60℃下进行6h的分子自组装反应；
(3)先后采用乙醇、去离子水超声清洗，除去表面的残留物，再在烘箱中60℃下真空烘干处理6h；
(4)将烘箱温度升高到110℃保持2h进行高温醚化，然后冷却取出，最终得到表面具有自组装膜的陶瓷绝缘子样品，记做绝缘子样品2。
实施例三
(1)按照体积比1：1：20量取硅烷偶联剂KH-550、去离子水和丙酮，将硅烷偶联剂KH-550和去离子水溶解于丙酮中制备硅烷偶联剂KH-550的丙酮溶液，在室温下进行10h的搅拌水解，得到自组装反应液；
(2)将直径为30mm，厚度为10mm的圆柱形硅酸盐陶瓷绝缘子浸入在上述自组装反应液中静置，进行12h的分子自组装反应；
(3)取出绝缘子，采用甲苯、乙醇和水超声清洗，除去表面的残留物，60℃下在烘箱中真空烘干6h；
(4)将烘箱温度升高至100℃，保持2h进行高温醚化，冷却取出，最终得到表面具有自组装膜的陶瓷绝缘子样品。
实施例四
(1)按照体积比1：1：500量取硅烷偶联剂KH-570、去离子水和甲苯，将硅烷偶联剂KH-570和去离子水溶解于甲苯中制备硅烷偶联剂KH-570的甲苯溶液，在室温下进行0.1h的搅拌水解，得到自组装反应液；
(2)将直径为30mm，厚度为10mm的圆柱形氧化锆陶瓷绝缘子浸入在上述自组装反应液中静置，进行36h的分子自组装反应；
(3)取出绝缘子，采用甲苯、乙醇和水超声清洗，除去表面的残留物，60℃下在烘箱中真空烘干6h；
(4)将烘箱温度升高至150℃，保持2h进行高温醚化，冷却取出，最终得到表面具有自组装膜的陶瓷绝缘子样品。
实施例五
(1)按照体积比1：1：100称量硅烷偶联剂KH-570、去离子水和甲苯，将硅烷偶联剂KH-570和去离子水溶解于甲苯中制备硅烷偶联剂KH-570的甲苯溶液，在室温下进行5h的搅拌水解，得到自组装反应液；
(2)将直径为30mm，厚度为10mm的圆柱形氧化锆陶瓷绝缘子浸入在上述自组装反应液中静置，进行20h的分子自组装反应；
(3)取出绝缘子，采用甲苯、乙醇和水超声清洗，除去表面的残留物，60℃下在烘箱中真空烘干6h；
(4)将烘箱温度升高至130℃，保持2h进行高温醚化，冷却取出，最终得到表面具有自组装膜的陶瓷绝缘子样品。
实施例六
(1)按照体积比1：1：300称量硅烷偶联剂KH-550、去离子水和丙酮，将硅烷偶联剂KH-550和去离子水溶解于丙酮中制备硅烷偶联剂KH-550的丙酮溶液，在室温下进行7h的搅拌水解，得到自组装反应液；
(2)将直径为30mm，厚度为10mm的圆柱形硅酸盐陶瓷绝缘子浸入在上述自组装反应液中静置，进行18h的分子自组装反应；
(3)取出绝缘子，采用甲苯、乙醇和水超声清洗，除去表面的残留物，60℃下在烘箱中真空烘干6h；
(4)将烘箱温度升高至140℃，保持2h进行高温醚化，冷却取出，最终得到表面具有自组装膜的陶瓷绝缘子样品。
实施例七
(1)按照体积比1：1：200称量十八烷基三氯硅烷、去离子水和甲苯，将十八烷基三氯硅烷和去离子水溶解于甲苯中制备十八烷基三氯硅烷的甲苯溶液，在室温下进行4h的搅拌水解，得到自组装反应液；
(2)将直径为30mm，厚度为10mm的圆柱形三氧化二铝陶瓷绝缘子浸入上述自组装反应液中静置，进行32h的分子自组装反应；
(3)取出绝缘子，采用甲苯、乙醇和水超声清洗，除去表面的残留物，60℃下在烘箱中真空烘干6h；
(4)将烘箱温度升高至120℃，保持2h进行高温醚化，冷却取出，最终得到表面具有自组装膜的陶瓷绝缘子样品，记做绝缘子样品。
将实施例一中的绝缘子样品1和实施例二中的绝缘子样品2，与对应的没有进行分子自组装反应的绝缘子，在脉宽500ns的脉冲真空绝缘沿面闪络特性测试台上进行真空闪络电压测试，测试结果如表1所述：
表1绝缘子表面分子自组装反应前后真空闪络电压测试结果表
从表1可知，表面具有自组装膜的绝缘子，其真空闪络电压相比于对应的没有进行分子自组装反应的绝缘子，真空闪络电压提高了90％-120％，说明在绝缘子表面进行分子组装反应，对其表面改性，能够大幅有效地提升绝缘子的闪络电压。对其余几个实施例的绝缘子表面分子自组装反应前后真空闪络电压进行测试，测试结果显示，其真空闪络电压均可提高90％以上。
本发明利用硅烷偶联剂有机溶液与陶瓷绝缘子接触发生分子自组装反应的原理，在陶瓷表面形成一定厚度的自组装有机物分子层，改善陶瓷绝缘体的真空沿面闪络特性，提高绝缘体的表面击穿电压，具有应用面广、可靠性高、工艺难度小和成本低等优点。另外，本发明的分子自组装方法在溶液中进行反应，能满足任意形状陶瓷绝缘子的改性需求，且反应条件温和，可直接对陶瓷绝缘子进行处理，改性处理后不影响绝缘子的加工和使用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，配制硅烷偶联剂、有机溶剂和去离子水的混合溶液，并对混合溶液进行水解，制得自组装反应液；
步骤2，将表面干燥的绝缘子浸入自组装反应液中进行分子自组装反应；
步骤3，取出绝缘子，清洁绝缘子表面并干燥，得到预制样品；
步骤4，对预制样品进行高温醚化反应，得到绝缘子样品。
2.如权利要求1所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤1所述硅烷偶联剂、去离子水和有机溶剂体积比是1：1：20-500。
3.如权利要求2所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤1所述硅烷偶联剂、去离子水和有机溶剂体积比是1：1：30或1：1：450。
4.如权利要求2或3所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤1所述水解，是将混合溶液在室温下进行0.1-10h的水解。
5.如权利要求4所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤1所述硅烷偶联剂为硅烷偶联剂KH-570、硅烷偶联剂KH-550或十八烷基三氯硅烷中的任一种。
6.如权利要求5所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤1所述有机溶剂为甲苯、丙酮或乙醇中的任一种。
7.如权利要求1所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤2所述绝缘子是基体为氧化铝、氧化锆或硅酸盐中任一种的陶瓷绝缘子。
8.如权利要求1所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤2是将表面干燥的绝缘子浸入自组装反应液中进行12-36h的分子自组装反应。
9.如权利要求1所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：步骤3所述清洁绝缘子表面是先后采用乙醇和水对绝缘子进行超声清洗，所述的干燥是在烘箱内60℃下进行烘干。
10.如权利要求1所述一种提高陶瓷绝缘子闪络电压的方法，其特征在于：所述步骤4是在100-150℃下进行高温醚化反应。
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