CN110698860B - 一种碳纳米管接地体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纳米管接地体的制备方法，包括1)碳纳米管与陶瓷颗粒进行静电自吸附；2)将复合陶瓷颗粒与硅橡胶进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中；3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；4)将浸润了硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下经过加热模具拉挤固化成型，得到碳纳米管接地体。本发明使用导电性能优异的碳纳米管与陶瓷颗粒静电吸附并采用硅橡胶和玻璃纤维作为基体材料，使得最终复合材料的导电性能、耐磨性能和机械强度良好。本发明的制备方法解决了碳纳米管在硅橡胶中的分散问题，同时增加了硅橡胶的耐磨性；制备方法所需设备成本较低，操作方便，制备周期较短，适用于工业化批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及接地体的制备方法，具体地指一种碳纳米管接地体的制备方法。
背景技术
硅橡胶是指主链由硅和氧原子交替构成，硅原子上通常连有两个有机基团的橡胶。硅橡胶具有优良的耐高温性、耐候性和物理机械特性，使得它在众多领域均有广泛的应用
碳纳米管是20世纪90年代初发现的一种纳米尺寸管状结构炭材料，它是由单层或多层石墨烯片卷曲而成的无缝中空管，具有奇异的物理化学性能，在复合材料增强、纳米器件、场发射、催化剂等领域具有潜在的应用价值。大量研究表明，纳米碳管杨氏模量值高达5TPa，比强度为50GPa/(mg/m3)，约为钢的100倍，同时具有优良的热稳定性和良好的润滑性能，成为理想的纳米纤维材料。
目前，由于传统金属接地体变形困难、易腐蚀、运输成本高等突出问题，同时在山区等复杂地形处难以绕过障碍施工，众多研发者开始着手研究包括碳系材料在内的非金属接地体。柔性石墨接地体很好的解决了接地体在复杂地形的施工问题，然而却带来了一些新的问题。
公开号为CN 204333295U的发明专利采用在加强芯外包覆碳纳米管改性石墨层的结构，增加了石墨基柔性复合接地体的机械强度和导电性，能降低接地电阻，且柔性石墨质软和稳定性的特点使接地体施工便捷，抗腐蚀性强而增加使用寿命。该专利仅考虑了接地体的导电性强化，然而外层石墨纸的机械性能仍存在问题。公开号为CN 206976595U的发明专利公开了一种碳纤维石墨柔性接地体，该碳纤维石墨柔性接地体由多股的碳纤维石墨线编织制成绳缆状，每股所述碳纤维石墨线内均布有碳纤维，所述碳纤维石墨线由碳纤维石墨复合膜的窄条捻制成线，所述碳纤维石墨复合膜由膨胀石墨和碳纤维复合制成，然而碳纤维的耐久性仍需考量。公开号为CN 207183565U的发明专利石墨烯导体芯和石墨烯编制包层，所述石墨烯编制包层包设在所述石墨烯导体芯的外侧，所述石墨烯导体芯包括若干根相互绞合的石墨烯导电丝线，每根石墨烯导电丝线均包括半导电聚乙烯丝线，所述半导电聚乙烯丝线的表面涂设有石墨烯层，所述半导电聚乙烯丝线的内部空隙处也渗透有石墨烯颗粒。该专利中采用的石墨烯价格昂贵，现阶段仍难以实现工业化生产。
综上所述，目前仍然缺乏一种适用于复杂地形的碳纳米管接地体的制备方法。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种碳纳米管接地体的制备方法。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种碳纳米管接地体的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纳米管与陶瓷颗粒进行静电自吸附，得到复合陶瓷颗粒；
2)将复合陶瓷颗粒与硅橡胶进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中，得到复合硅橡胶；
3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；
4)将浸润了复合硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下经过加热模具拉挤固化成型，即得到适用于复杂地形的新型碳纳米管接地体。
作为本发明的进一步改进，步骤1)中，所述陶瓷颗粒为氧化铝、氧化铁、碳化硅、氮化硼、氧化硅中的任意一种或两种以上的组合。
作为本发明的进一步改进，步骤1)中，所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为1％～20％。
作为本发明的进一步改进，步骤2)中，所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为1％～50％。
作为本发明的进一步改进，步骤2)中，所述球磨的转速为500～5000r/min。
作为本发明的进一步改进，步骤4)中，所述牵引力的牵引速度为5～50cm/min。
作为本发明的进一步改进，步骤4)中，所述固化温度为100～200℃。
作为本发明的进一步改进，所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为10％，所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为20％，所述球磨的转速为2000r/min，所述牵引力的牵引速度为20cm/min，所述固化温度为150℃。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明使用碳纳米管作为导电相，相比于传统的石墨在电导率方面有极大提升，有利于大电流传导和接地散流；野外接地施工，尤其是输电线路杆塔接地，地处高地，地质地貌复杂，接地面积小且不规则，地下阻碍物多，刚性(金属)接地体现场布置困难；柔性石墨接地体可解决现场布置和施工问题，由于石墨粉(导电物质)是粘附在纤维上，不但搬运和施工会导致其脱落，敷设后由于雨水冲刷和粘结剂老化等因素也会导致石墨粉松散，影响接地性能。本发明利用硅橡胶的优良韧性和玻璃纤维的高抗拉强度性质，使得本新型接地体具有优异的弯折和力学性能，同时相比于传统的柔性石墨接地体不易松散和脱落，保持接地装置的接地稳定性；使用静电吸附将碳纳米管包覆于陶瓷颗粒表面，一方面增加了硅橡胶的耐磨性能，另一方面也增加了碳纳米管在流动性不佳的硅橡胶中的分散性；本发明使用导电性能优异的碳纳米管与陶瓷颗粒静电吸附并采用硅橡胶和玻璃纤维作为基体材料，使得最终复合材料的导电性能、耐磨性能和机械强度良好。本发明的制备方法解决了碳纳米管在硅橡胶中的分散问题，同时增加了硅橡胶的耐磨性；制备方法所需设备成本较低，操作方便，制备周期较短，所用原材料绿色环保无污染，适用于工业化批量生产。
附图说明
图1为本发明一种碳纳米管接地体的制备方法的工艺流程图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明一种碳纳米管接地体的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纳米管与陶瓷颗粒进行静电自吸附，得到复合陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒为氧化铝、氧化铁、碳化硅、氮化硼、氧化硅中的任意一种或两种以上的组合。所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为1％～20％。
2)将复合陶瓷颗粒与硅橡胶进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中，得到复合硅橡胶；所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为1％～50％。球磨的转速为500～5000r/min。
3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；
4)将浸润了复合硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下经过加热模具拉挤固化成型，即得到适用于复杂地形的新型碳纳米管接地体。所述牵引力的牵引速度为5～50cm/min。所述固化温度为100～200℃。
下面结合附图和具体实施对本发明做进一步详细说明。
实施例1
一种碳纳米管接地体的制备方法，具体包括：
1)10wt％碳纳米管与90wt％碳化硅颗粒进行表面活性包覆的静电自吸附；
2)将20wt％复合陶瓷颗粒与80wt％硅橡胶以2000r/min进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中；
3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；
4)将浸润了硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下以20cm/min牵引速度经过150℃加热模具拉挤固化成型，即可得到适用于复杂地形的新型碳纳米管接地体。
实施例2
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤1)中，碳纳米管的质量百分比为6wt％。
实施例3
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤1)中，碳纳米管的质量百分比为8wt％。
实施例4
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤1)中，碳纳米管的质量百分比为12wt％。
实施例5
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤2)中的复合陶瓷颗粒的质量百分比为16wt％。
实施例6
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤2)中的复合陶瓷颗粒的质量百分比为18wt％。
实施例7
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤2)中的复合陶瓷颗粒的质量百分比为22wt％。
实施例8
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤2)中，球磨的转速为1600r/min。
实施例9
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤2)中，球磨的转速为1800r/min。
实施例10
按照实施例1的步骤制备，与实施例1的不同点在于，步骤2)中，球磨的转速为2200r/min。
实施例11
按照实施例1的步骤准备，与实施例1的不同点在于，步骤4)中，牵引速度为15cm/min。
实施例12
按照实施例1的步骤准备，与实施例1的不同点在于，步骤4)中，牵引速度为17cm/min。
实施例13
按照实施例1的步骤准备，与实施例1的不同点在于，步骤4)中，牵引速度为23cm/min。
实施例14
按照实施例1的步骤准备，与实施例1的不同点在于，步骤4)中，固化温度为120℃。
实施例15
按照实施例1的步骤准备，与实施例1的不同点在于，步骤4)中，固化温度为140℃。
实施例16
按照实施例1的步骤准备，与实施例1的不同点在于，步骤4)中，固化温度为180℃。
表1为由实施例1～16所制得一种适用于复杂地形的碳纳米管接地体的性能数据。
表1
| 样品 | 电阻率Ω·m | 抗拉强度MPa |
| 实施例1 | 0.05 | 800 |
| 实施例2 | 0.20 | 638 |
| 实施例3 | 0.15 | 690 |
| 实施例4 | 0.12 | 750 |
| 实施例5 | 0.19 | 683 |
| 实施例6 | 0.16 | 761 |
| 实施例7 | 0.10 | 749 |
| 实施例8 | 0.22 | 714 |
| 实施例9 | 0.14 | 769 |
| 实施例10 | 0.31 | 724 |
| 实施例11 | 0.12 | 777 |
| 实施例12 | 0.10 | 786 |
| 实施例13 | 0.18 | 754 |
| 实施例14 | 0.20 | 771 |
| 实施例15 | 0.19 | 784 |
| 实施例16 | 0.13 | 768 |
由实施例1～16所制得一种适用于复杂地形的碳纳米管接地体的力学性能如表1所示。从表1中可以看出，分别以碳纳米管的添加量、复合陶瓷颗粒的添加量、球磨机转速、牵引速度、固化温度作为变量，通过对比实验，采用实施例1中工艺参数，电阻率低至0.05Ω·m，抗拉强度达到800MPa，均优于其他各实施例。因此实施例1中的配方作为最优工艺参数。
实施例17
本发明一种碳纳米管接地体的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纳米管与陶瓷颗粒进行静电自吸附，得到复合陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒为氮化硼和氧化硅组合。所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为1％。
2)将复合陶瓷颗粒与硅橡胶进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中，得到复合硅橡胶；所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为1％。球磨的转速为5000r/min。
3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；
4)将浸润了复合硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下经过加热模具拉挤固化成型，即得到适用于复杂地形的新型碳纳米管接地体。所述牵引力的牵引速度为50cm/min。所述固化温度为200℃。
实施例18
本发明一种碳纳米管接地体的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纳米管与陶瓷颗粒进行静电自吸附，得到复合陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒为氧化铝。所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为20％。
2)将复合陶瓷颗粒与硅橡胶进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中，得到复合硅橡胶；所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为50％。球磨的转速为500r/min。
3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；
4)将浸润了复合硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下经过加热模具拉挤固化成型，即得到适用于复杂地形的新型碳纳米管接地体。所述牵引力的牵引速度为5cm/min。所述固化温度为100℃。
实施例19
本发明一种碳纳米管接地体的制备方法，包括以下步骤：
1)碳纳米管与陶瓷颗粒进行静电自吸附，得到复合陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒为氧化铝。所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为5％。
2)将复合陶瓷颗粒与硅橡胶进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中，得到复合硅橡胶；所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为5％。球磨的转速为5000r/min。
3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；
4)将浸润了复合硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下经过加热模具拉挤固化成型，即得到适用于复杂地形的新型碳纳米管接地体。所述牵引力的牵引速度为50cm/min。所述固化温度为100℃。
上述实施例只是对本发明的实现做出了说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，所述说明并非限定。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，凡是根据本发明的技术特征所作的增加、等同替换，均属于本申请的保护范围。
Claims (3)
1.一种碳纳米管接地体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)碳纳米管与陶瓷颗粒进行静电自吸附，得到复合陶瓷颗粒；
2)将复合陶瓷颗粒与硅橡胶进行球磨混合，使得包覆了碳纳米管的陶瓷颗粒均匀分散于硅橡胶中，得到复合硅橡胶；
3)将复合硅橡胶充分浸润玻璃纤维；
4)将浸润了复合硅橡胶的玻璃纤维在牵引力的作用下经过加热模具拉挤固化成型，即得到适用于复杂地形的碳纳米管接地体；
步骤1)中，所述陶瓷颗粒为氧化铝、氧化铁、碳化硅、氮化硼、氧化硅中的任意一种或两种以上的组合；
步骤1)中，所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为1％～20％；
步骤2)中，所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为1％～50％；
步骤4)中，所述牵引力的牵引速度为5～50cm/min；
步骤4)中，所述固化温度为100～200℃。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米管接地体的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述球磨的转速为500～5000r/min。
3.根据权利要求1至2任一项所述的一种碳纳米管接地体的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管占碳纳米管和陶瓷颗粒总质量的质量比为10％，所述复合陶瓷颗粒占复合陶瓷颗粒和硅橡胶总质量的质量比为20％，所述球磨的转速为2000r/min，所述牵引力的牵引速度为20cm/min，所述固化温度为150℃。
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