CN110189966A - 一种高压熔断器用灭弧材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种高压熔断器用灭弧材料及其制备方法，本发明灭弧材料由以下重量份的原料组成：40‑45份改性脲醛树脂、40‑45份改性麻纤维、4‑5份产气添加剂、0.5‑1份催化剂、0.1‑0.2份混合促进剂和0.5‑1份脱膜剂，本发明灭弧材料由以下步骤制备而成：（1）合成改性脲醛树脂；（2）合成改性麻纤维；（3）将改性麻纤维置于改性脲醛树脂中浸渍，然后加入产气添加剂、催化剂、混合促进剂和脱膜剂，混合均匀后转入烘箱中烘干，再转入平板硫化机压制成片，待自然冷却至室温即可。本发明解决了传统红钢纸灭弧材料抗冻性不佳、易受潮、易被微生物附着腐蚀而改变尺寸的问题和传统脲醛树脂灭弧材料耐湿性差，无法户外和湿热气候条件下使用的问题。

Description

一种高压熔断器用灭弧材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种高压熔断器用灭弧材料及其制备方法。
背景技术
熔断器是指当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，断开电路的一种电器。熔断器是根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统以及用电设备中，作为短路和过电流的保护器，是应用最普遍的保护器件之一。
电路中的熔断器熔断过程中，当电流和电压达到一定值时，气体会产生离子化，使电流通过了通常状态下是绝缘的介质而产生电弧。短路电流越大，电弧能量就越大，燃烧越强烈，电弧熄灭的时间也越长。电弧的存在延长了开关电器开断故障电路时间，加重了电力系统短路的概率；电弧产生的高温，将触头表面融化和蒸发，烧坏绝缘材料，对充油电器设备还可能引发着火、爆燃等危险。熔断器中的熔管对熔断器实现其灭弧功能，保持开断能力有至关重要的作用。为了减小电弧危害，熔管灭弧材料的选择和制备至关重要。
性能优异的灭弧材料必须满足以下几个条件：(1)在电弧热作用下能产生大量去游离气体，从而提高开断后气体间隙的击穿电压，减少电击穿的可能性；(2)在电弧热作用下不会碳化或只是轻微碳化，避免因大量碳化使电弧间隙的介电强度大大降低而导致的重击穿或重燃；(3)有较高的机械强度和耐热性；(4)具有较好的耐老化性。传统的灭弧材料为红钢纸，这种材料是以棉浆纸经氯化锌处理，通过热压或热卷，再脱氯化锌后干燥而成。制造工艺复杂，且材料的耐热性、灭弧性能均受到一定限制，且易受潮而改变尺寸，无法满足对配合间隙要求高的高压电器产品的要求。公告号为CN103996583B的中国发明专利公开了一种微型贴片式耐高压保护元件及其制备方法，以填充了石英砂的橡胶为灭弧层，石英砂虽然具有较高的导热性和绝缘的性能，但是存在杂质难以去除、表面粗糙导致难以控制填充密度的均一度、散热较快导致使熔断器难以分断低倍过载的缺点。公开号为CN108493079A的中国发明专利公开了一种熔断器用灭弧材料及其制备方法，以麻短切纤维、环氧树脂和脲醛树脂为原料；公开号为CN108281336A的中国发明专利公开了一种高压熔断器用灭弧材料及其制备方法，灭弧材料由麻纤布、环氧树脂和脲醛树脂组成，由于脲醛树脂的耐湿性差，限制了此类熔断器在户外和湿热气候条件下的使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高压熔断器用灭弧材料及其制备方法，目的在于解决传统红钢纸灭弧材料抗冻性不佳、易受潮、易被微生物附着腐蚀而改变尺寸的问题和传统脲醛树脂灭弧材料耐湿性差，无法户外和湿热气候条件下使用的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种高压熔断器用灭弧材料，由以下重量份的原料组成：40-45份改性脲醛树脂、40-45份改性麻纤维、4-5份产气添加剂、0.5-1份催化剂、0.1-0.2份混合促进剂和0.5-1份脱膜剂。
优选地，本发明的高压熔断器用灭弧材料由以下重量份的原料组成：43份改性脲醛树脂、43份改性麻纤维、4.5份产气添加剂、0.8份催化剂、0.15份混合促进剂和0.8份脱膜剂。
优选地，所述产气添加剂为聚甲醛或三聚氰胺。
优选地，所述催化剂为氧化钯、氧化镍或二氧化铂其中的一种。
优选地，所述混合促进剂为苄基二甲胺、DMP-30和咪唑按质量比10:3:4的混合物。
优选地，所述脱膜剂为脂肪酸或液体石蜡。
本发明还提供了一种上述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，由以下制备步骤组成：
（1）合成改性脲醛树脂：将苯酚、甲醛和氨水混合后进行反应，得到反应产物，所述反应产物包括酚醇混合物和甲醛；将反应产物与尿素、聚乙烯醇和苯磺酸混合，在92-98℃条件下反应得到苯酚改性脲醛树脂；
（2）合成改性麻纤维：取200g麻纤维，浸入800mL质量分数为70-75%的乙醇溶液中，在超声振荡仪中以200W超声振荡15min，过滤收集麻纤维，并转入烘箱，在75-80℃条件下干燥4h，随后切割成长度3-5mm的短麻纤维；在盛有70mL无水四氢呋喃的三口烧瓶中，依次加入0.6-0.8g叔丁醇钾，0.3-0.5g二环己基-18-冠醚-6和10-15g上述所得短麻纤维，随后以5mL/min速率向三口烧瓶中通氮气，置换出所有空气，再将烧瓶置于数显测速恒温磁力搅拌器中，于常温下以300-400r/min转速搅拌混合60min，在搅拌状态下，加入5mL3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷，于48℃、500r/min条件下，恒温搅拌反应4-6h；待反应结束，过滤收集滤渣，将滤渣在75-80℃条件下干燥6-8h，得预处理麻纤维；将预处理麻纤维倒入烧杯，依次加入45-50mL无水甲醇和50mL质量分数15-18%偏铝酸钠溶液，随后将烧杯置于磁力搅拌器上，设转速160r/min，在搅拌状态下，滴加40mL质量分数为10%柠檬酸溶液，控制在10-15min内滴完，待滴加完毕，继续搅拌反应3-5h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3-5次，再将其置于烘箱中，于80℃条件下干燥6h，得到改性麻纤维；
（3）按重量份取相应的改性脲醛树脂、改性麻纤维、产气添加剂、催化剂、混合促进剂和脱膜剂，将改性麻纤维置于改性脲醛树脂中浸渍2-3h，然后加入产气添加剂、催化剂、混合促进剂和脱膜剂，混合均匀后转入烘箱中，于105-110℃条件下烘干至恒重，再将干燥后的物料转入平板硫化机，于温度为130-140℃，压力为360-400kg/cm2条件下压制成片，待自然冷却至室温，即得高压熔断器用灭弧材料。
优选地，步骤（1）所述聚乙烯醇与尿素的质量比为3-8:100。
优选地，步骤（1）所述苯酚、甲醛与尿素的摩尔比为1:10:1-3。
优选地，步骤（2）所述将麻纤维浸入盛有800mL质量分数为70-75%乙醇溶液的烧杯中之前，先用纱布包裹麻纤维，将其浸入盛有3L沼气液的发酵罐中，于30-35℃条件下，恒温密闭发酵6-8h，随后取出用去离子水洗涤3-5次。
本发明具有如下有益效果：
（1）脲醛树脂的化学结构中含有—CO—、—NH—、—N—和—CH2CH基团，在电弧的高温作用下，可分解产生大量气体，其中包括氢气、二氧化碳和氨气等气体，这些成分都有助于熄灭电弧。本发明的高压熔断器用灭弧材料中采用了改性脲醛树脂，先在碱性、较高的反应温度条件下使苯酚和甲醛反应，生成分子量较高的水溶性酚醛树脂，然后添加尿素和甲醛，在较低温度下反应制得改性脲醛树脂，使得改性脲醛树脂具备了较好的耐湿性，提高了熔断器在户外和湿热环境中的适应能力。
（2）本发明的高压熔断器用灭弧材料中添加了产气材料，产气材料受电弧侵蚀后产生气体，会增大灭弧室内压力，其与外界大气压力之差形成灭弧室通过出气口的气流，该气流一方面能对电弧进行对流冷却，更重要的是，产气材料产生的气体中含有氢气，氢气有良好的导热性能，对冷却电弧起到关键作用。
（3）本发明的高压熔断器用灭弧材料采用了改性麻纤维，首先将麻纤维与沼气液混合发酵活化，经超声清洗后切割成短麻纤维，再与有机硅烷于无氧条件下反应使麻纤维表面接枝硅氧基团，利用其静电及化学吸附偏铝酸钠水解产生的纳米氢氧化铝微球，经干燥后形成具有超疏水疏油特性的粗糙表面结构，可有效使避免因水或微生物附着而产生的腐蚀，使得灭弧材料的耐水和耐候性能大大提高，提高了熔断器在户外环境中的适应能力。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种高压熔断器用灭弧材料，由以下重量份的原料组成：40份改性脲醛树脂、40份改性麻纤维、4份聚甲醛、0.5份氧化钯、0.1份混合促进剂和0.5份脂肪酸。
本实施例所述混合促进剂为苄基二甲胺、DMP-30和咪唑按质量比10:3:4的混合物。
本实施例还提供了一种上述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，由以下制备步骤组成：
（1）合成改性脲醛树脂：将苯酚、甲醛和氨水混合后进行反应，得到反应产物，所述反应产物包括酚醇混合物和甲醛；将反应产物与尿素、聚乙烯醇和苯磺酸混合，在92℃条件下反应得到苯酚改性脲醛树脂；
（2）合成改性麻纤维：取200g麻纤维，浸入800mL质量分数为70%的乙醇溶液中，在超声振荡仪中以200W超声振荡15min，过滤收集麻纤维，并转入烘箱，在75℃条件下干燥4h，随后切割成长度3mm的短麻纤维；在盛有70mL无水四氢呋喃的三口烧瓶中，依次加入0.6g叔丁醇钾，0.3g二环己基-18-冠醚-6和10g上述所得短麻纤维，随后以5mL/min速率向三口烧瓶中通氮气，置换出所有空气，再将烧瓶置于数显测速恒温磁力搅拌器中，于常温下以300r/min转速搅拌混合60min，在搅拌状态下，加入5mL3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷，于48℃、500r/min条件下，恒温搅拌反应4h；待反应结束，过滤收集滤渣，将滤渣在75℃条件下干燥6h，得预处理麻纤维；将预处理麻纤维倒入烧杯，依次加入45mL无水甲醇和50mL质量分数15%偏铝酸钠溶液，随后将烧杯置于磁力搅拌器上，设转速160r/min，在搅拌状态下，滴加40mL质量分数为10%柠檬酸溶液，控制在10min内滴完，待滴加完毕，继续搅拌反应3h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3次，再将其置于烘箱中，于80℃条件下干燥6h，得到改性麻纤维；
（3）按重量份取相应的改性脲醛树脂、改性麻纤维、聚甲醛、氧化钯、混合促进剂和脂肪酸，将改性麻纤维置于改性脲醛树脂中浸渍2h，然后加入聚甲醛、氧化钯、混合促进剂和脂肪酸，混合均匀后转入烘箱中，于105℃条件下烘干至恒重，再将干燥后的物料转入平板硫化机，于温度为130℃，压力360kg/cm2条件下压制成片，待自然冷却至室温，即得高压熔断器用灭弧材料。
本实施例步骤（1）所述聚乙烯醇与尿素的质量比为3:100。
本实施例步骤（1）所述苯酚、甲醛与尿素的摩尔比为1:10:1。
本实施例步骤（2）所述将麻纤维浸入盛有800mL质量分数为70%乙醇溶液的烧杯中之前，先用纱布包裹麻纤维，将其浸入盛有3L沼气液的发酵罐中，于30℃条件下，恒温密闭发酵6h，随后取出用去离子水洗涤3次。
实施例2
本实施例提供了一种高压熔断器用灭弧材料，由以下重量份的原料组成：43份改性脲醛树脂、43份改性麻纤维、4.5份三聚氰胺、0.8份氧化镍、0.15份混合促进剂和0.8份液体石蜡。
本实施例所述混合促进剂为苄基二甲胺、DMP-30和咪唑按质量比10:3:4的混合物。
本实施例还提供了一种上述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，由以下制备步骤组成：
（1）合成改性脲醛树脂：将苯酚、甲醛和氨水混合后进行反应，得到反应产物，所述反应产物包括酚醇混合物和甲醛；将反应产物与尿素、聚乙烯醇和苯磺酸混合，在95℃条件下反应得到苯酚改性脲醛树脂；
（2）合成改性麻纤维：取200g麻纤维，浸入800mL质量分数为73%的乙醇溶液中，在超声振荡仪中以200W超声振荡15min，过滤收集麻纤维，并转入烘箱，在78℃条件下干燥4h，随后切割成长度4mm的短麻纤维；在盛有70mL无水四氢呋喃的三口烧瓶中，依次加入0.7g叔丁醇钾，0.4g二环己基-18-冠醚-6和12g上述所得短麻纤维，随后以5mL/min速率向三口烧瓶中通氮气，置换出所有空气，再将烧瓶置于数显测速恒温磁力搅拌器中，于常温下以350r/min转速搅拌混合60min，在搅拌状态下，加入5mL3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷，于48℃、500r/min条件下，恒温搅拌反应5h；待反应结束，过滤收集滤渣，将滤渣在78℃条件下干燥7h，得预处理麻纤维；将预处理麻纤维倒入烧杯，依次加入48mL无水甲醇和50mL质量分数17%偏铝酸钠溶液，随后将烧杯置于磁力搅拌器上，设转速160r/min，在搅拌状态下，滴加40mL质量分数为10%柠檬酸溶液，控制在12min内滴完，待滴加完毕，继续搅拌反应4h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼4次，再将其置于烘箱中，于80℃条件下干燥6h，得到改性麻纤维；
（3）按重量份取相应的改性脲醛树脂、改性麻纤维、三聚氰胺、氧化镍、混合促进剂和液体石蜡，将改性麻纤维置于改性脲醛树脂中浸渍2.5h，然后加入三聚氰胺、氧化镍、混合促进剂和液体石蜡，混合均匀后转入烘箱中，于108℃条件下烘干至恒重，再将干燥后的物料转入平板硫化机，于温度为135℃，压力为380kg/cm2条件下压制成片，待自然冷却至室温，即得高压熔断器用灭弧材料。
本实施例步骤（1）所述聚乙烯醇与尿素的质量比为1:20。
本实施例步骤（1）所述苯酚、甲醛与尿素的摩尔比为1:10:2。
本实施例步骤（2）所述将麻纤维浸入盛有800mL质量分数为75%乙醇溶液的烧杯中之前，先用纱布包裹麻纤维，将其浸入盛有3L沼气液的发酵罐中，于32℃条件下，恒温密闭发酵7h，随后取出用去离子水洗涤4次。
实施例3
本实施例提供了一种高压熔断器用灭弧材料，由以下重量份的原料组成： 45份改性脲醛树脂、45份改性麻纤维、5份聚甲醛、1份二氧化铂、0.2份混合促进剂和1份脂肪酸。
本实施例所述混合促进剂为苄基二甲胺、DMP-30和咪唑按质量比10:3:4的混合物。
本实施例还提供了一种上述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，由以下制备步骤组成：
（1）合成改性脲醛树脂：将苯酚、甲醛和氨水混合后进行反应，得到反应产物，所述反应产物包括酚醇混合物和甲醛；将反应产物与尿素、聚乙烯醇和苯磺酸混合，在98℃条件下反应得到苯酚改性脲醛树脂；
（2）合成改性麻纤维：取200g麻纤维，浸入800mL质量分数为75%的乙醇溶液中，在超声振荡仪中以200W超声振荡15min，过滤收集麻纤维，并转入烘箱，在80℃条件下干燥4h，随后切割成长度5mm的短麻纤维；在盛有70mL无水四氢呋喃的三口烧瓶中，依次加入0.8g叔丁醇钾，0.5g二环己基-18-冠醚-6和15g上述所得短麻纤维，随后以5mL/min速率向三口烧瓶中通氮气，置换出所有空气，再将烧瓶置于数显测速恒温磁力搅拌器中，于常温下以400r/min转速搅拌混合60min，在搅拌状态下，加入5mL3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷，于48℃、500r/min条件下，恒温搅拌反应6h；待反应结束，过滤收集滤渣，将滤渣在80℃条件下干燥8h，得预处理麻纤维；将预处理麻纤维倒入烧杯，依次加入50mL无水甲醇和50mL质量分数18%偏铝酸钠溶液，随后将烧杯置于磁力搅拌器上，设转速160r/min，在搅拌状态下，滴加40mL质量分数为10%柠檬酸溶液，控制在15min内滴完，待滴加完毕，继续搅拌反应5h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼5次，再将其置于烘箱中，于80℃条件下干燥6h，得到改性麻纤维；
（3）按重量份取相应的改性脲醛树脂、改性麻纤维、聚甲醛、二氧化铂、混合促进剂和脂肪酸，将改性麻纤维置于改性脲醛树脂中浸渍3h，然后加入聚甲醛、二氧化铂、混合促进剂和脂肪酸，混合均匀后转入烘箱中，于110℃条件下烘干至恒重，再将干燥后的物料转入平板硫化机，于温度为140℃，压力为400kg/cm2条件下压制成片，待自然冷却至室温，即得高压熔断器用灭弧材料。
本实施例步骤（1）所述聚乙烯醇与尿素的质量比为2:25。
本实施例步骤（1）所述苯酚、甲醛与尿素的摩尔比为1:10:3。
本实施例步骤（2）所述将麻纤维浸入盛有800mL质量分数为75%乙醇溶液的烧杯中之前，先用纱布包裹麻纤维，将其浸入盛有3L沼气液的发酵罐中，于35℃条件下，恒温密闭发酵8h，随后取出用去离子水洗涤5次。
设置对比例，对比例1采用红钢纸，对比例2采用公开号为CN108281336A的中国发明专利公开的高压熔断器用灭弧材料。对实施例1-3、对比例1和对比例2的灭弧材料进行湿热条件下电气性能变化的测试，温度为40±2℃，相对湿度90-95%，测试结果如下表1-5所示。
表1（实施例1湿热条件下电气性能变化）
表2（实施例2湿热条件下电气性能变化）
表3（实施例3湿热条件下电气性能变化）
表4（对比例1湿热条件下电气性能变化）
表5（对比例2湿热条件下电气性能变化）
从上表1-5的测试数据可以看出，在湿热条件下21天后，实施例1-3制备灭弧材料的表面电阻系数、体积电阻系数和击穿强度明显高于对比例1和对比例2采用的灭弧材料，说明本发明的灭弧材料弥补了传统灭弧材料耐湿热性能差，无法在户外工作的缺陷。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种高压熔断器用灭弧材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：40-45份改性脲醛树脂、40-45份改性麻纤维、4-5份产气添加剂、0.5-1份催化剂、0.1-0.2份混合促进剂和0.5-1份脱膜剂。
2.根据权利要求1所述的一种高压熔断器用灭弧材料，其特征在于，由以下重量份的原料组成：43份改性脲醛树脂、43份改性麻纤维、4.5份产气添加剂、0.8份催化剂、0.15份混合促进剂和0.8份脱膜剂。
3.根据权利要求1或2所述的一种高压熔断器用灭弧材料，其特征在于：所述产气添加剂为聚甲醛或三聚氰胺。
4.根据权利要求1或2所述的一种高压熔断器用灭弧材料，其特征在于：所述催化剂为氧化钯、氧化镍或二氧化铂其中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的一种高压熔断器用灭弧材料，其特征在于：所述混合促进剂为苄基二甲胺、DMP-30和咪唑按质量比10:3:4的混合物。
6.根据权利要求1或2所述的一种高压熔断器用灭弧材料，其特征在于：所述脱膜剂为脂肪酸或液体石蜡。
7.一种根据权利要求1或2所述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，其特征在于，由以下制备步骤组成：
（1）合成改性脲醛树脂：将苯酚、甲醛和氨水混合后进行反应，得到反应产物，所述反应产物包括酚醇混合物和甲醛；将反应产物与尿素、聚乙烯醇和苯磺酸混合，在92-98℃条件下反应得到苯酚改性脲醛树脂；
（2）合成改性麻纤维：取200g麻纤维，浸入800mL质量分数为70-75%的乙醇溶液中，在超声振荡仪中以200W超声振荡15min，过滤收集麻纤维，并转入烘箱，在75-80℃条件下干燥4h，随后切割成长度3-5mm的短麻纤维；在盛有70mL无水四氢呋喃的三口烧瓶中，依次加入0.6-0.8g叔丁醇钾，0.3-0.5g二环己基-18-冠醚-6和10-15g上述所得短麻纤维，随后以5mL/min速率向三口烧瓶中通氮气，置换出所有空气，再将烧瓶置于数显测速恒温磁力搅拌器中，于常温下以300-400r/min转速搅拌混合60min，在搅拌状态下，加入5mL3-缩水甘油醚氧基丙基三乙氧基硅烷，于48℃、500r/min条件下，恒温搅拌反应4-6h；待反应结束，过滤收集滤渣，将滤渣在75-80℃条件下干燥6-8h，得预处理麻纤维；将预处理麻纤维倒入烧杯，依次加入45-50mL无水甲醇和50mL质量分数15-18%偏铝酸钠溶液，随后将烧杯置于磁力搅拌器上，设转速160r/min，在搅拌状态下，滴加40mL质量分数为10%柠檬酸溶液，控制在10-15min内滴完，待滴加完毕，继续搅拌反应3-5h，抽滤得滤饼，用去离子水洗涤滤饼3-5次，再将其置于烘箱中，于80℃条件下干燥6h，得到改性麻纤维；
（3）按重量份取相应的改性脲醛树脂、改性麻纤维、产气添加剂、催化剂、混合促进剂和脱膜剂，将改性麻纤维置于改性脲醛树脂中浸渍2-3h，然后加入产气添加剂、催化剂、混合促进剂和脱膜剂，混合均匀后转入烘箱中，于105-110℃条件下烘干至恒重，再将干燥后的物料转入平板硫化机，于温度为130-140℃，压力为360-400kg/cm2条件下压制成片，待自然冷却至室温，即得高压熔断器用灭弧材料。
8.根据权利要求7所述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述聚乙烯醇与尿素的质量比为3-8:100。
9.根据权利要求7所述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述苯酚、甲醛与尿素的摩尔比为1:10:1-3。
10.根据权利要求7所述高压熔断器用灭弧材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述将麻纤维浸入盛有800mL质量分数为70-75%乙醇溶液的烧杯中之前，先用纱布包裹麻纤维，将其浸入盛有3L沼气液的发酵罐中，于30-35℃条件下，恒温密闭发酵6-8h，随后取出用去离子水洗涤3-5次。
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