CN113980423A - 一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料及其制备方法，包括以下按照重量份的原料：氧化铝纳米线3‑15重量份、碳纳米管1‑10重量份、石墨纳米片1‑10重量份、硅烷偶联剂0.1‑0.5重量份、硬脂酸0.1‑1.5重量份、有机溶剂50‑100重量份、环氧树脂300‑500重量份和环氧树脂固化剂3‑30重量份。通过采用氧化铝纳米线、碳纳米管、石墨纳米片与硅烷偶联剂、硬脂酸反应后形成表面功能化改性的纳米功能填料，然后将其与环氧树脂复合，通过纳米尺度分散及界面相互作用形成高导热阻燃绝缘材料；由于使用了表面功能化的纳米线、纳米管及纳米片，能够使导热并具有耐高温的纳米材料与环氧树脂聚合物基材有效复合，大大提高材料的导热性能、耐高温性能，实现阻燃防燃目的。

Description

一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料及其制备方法
技术领域
本发明属于电气设备绝缘材料领域，具体属于一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料及其制备方法。
背景技术
近年来的统计表明，由电气设备事故引起的火灾占总体火灾的比例已达到30％以上，且电气设备事故中大部分属于电线电缆问题，这源于电线电缆一般使用聚合物作为绝缘材料。由于聚合物具有可燃易燃特性，且燃烧过程中热值高、不易熄灭，产生的有毒烟气在火灾发生后造成人体生命及环境等的二次灾害。因此，国内外常采用在聚合物中添加阻燃剂方法赋予其阻燃性能。最早发明并使用的是含卤素元素的阻燃剂，其阻燃效果较好而被广泛使用。然而，含卤阻燃聚合物绝缘材料在燃烧时不仅产生有毒气体，还产生大量浓烟及腐蚀性气体，对自然环境和人员人身安全造成很大危害；因此今年来无卤阻燃聚合物绝缘材料得到较为深入研究。但这些技术只考虑对聚合物自身的燃烧进行抑制，没有考虑线缆发热引起的聚合物绝缘材料内部的热量聚集是导致燃烧的根本原因。因此只靠线缆外部绝缘层或涂层阻燃，而没有考虑缆的热传导，导致目前使用的线缆阻燃防火技术存在缺陷而产生安全隐患。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料及其制备方法，提升线缆的热传导，通过抑制热量聚集，同时结合抑制燃烧，由此提升线缆的阻燃防火技术。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料，包括以下按照重量份的原料：氧化铝纳米线3-15重量份、碳纳米管1-10重量份、石墨纳米片1-10重量份、硅烷偶联剂0.1-0.5重量份、硬脂酸0.1-1.5重量份、有机溶剂40-100重量份、环氧树脂300-500重量份和环氧树脂固化剂3-30重量份。
优选的，所述环氧树脂固化剂采用脂肪族胺类和酸酐类中的一种或多种。
优选的，所述有机溶剂采用酮类、醇类和酯类中的一种或多种。
一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，包括以下步骤，
步骤1，将重量份数为3-15的氧化铝纳米线、重量份数为1-10的碳纳米管、重量份数为1-10的石墨纳米片、重量份数为0.1-0.5的硅烷偶联剂、重量份数为0.1-1.5的硬脂酸、重量份数为40-100的有机溶剂进行混合，超声震荡处理120-240分钟，升温至25-95℃，反应30-120分钟形成混合溶液；
步骤2，将步骤1的混合溶液加入到重量份数为300-500的环氧树脂，将得到的混合物混合搅拌，同时调节温度至35-65℃，持续处理20-120分钟；
步骤3，将步骤2的环氧树脂/纳米填料混合溶液进行超声波震荡处理50-150分钟，然后加入重量份数为3-30的环氧树脂固化剂，混合搅拌10-50分钟，形成导热阻燃绝缘材料。
优选的，步骤1中，将氧化铝纳米线、碳纳米管、石墨纳米片、硅烷偶联剂、硬脂酸、25-50重量份数的有机溶剂进行混合，超声震荡处理60-120分钟之后，再加入余下的25-50重量份数的有机溶剂，进行超声震荡处理60-120分钟，然后升温至25-95℃，反应30-120分钟后形成混合溶液。
优选的，步骤2中，将混合溶液升温至35-65℃后进行混合搅拌10-60分钟，控制转速为300-500转/分；静置10-20分钟后，再混合搅拌10-60分钟，控制转速为300-500转/分；然后常温静置120-480分钟。
优选的，步骤2中，在环氧树脂中分批加入纳米材料混合溶液。
优选的，步骤2中，所述有机溶剂采用丙酮、乙醇、正丁醇和乙酸丁酯，在室温下混合搅拌均匀制成。
优选的，将液态的导热阻燃绝缘材料在模具中刮涂成膜，干燥固化后形成高导热阻燃绝缘材料膜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料，通过采用氧化铝纳米线、碳纳米管、石墨纳米片与硅烷偶联剂、硬脂酸反应后形成表面功能化改性的纳米功能填料，然后将其与环氧树脂复合，通过纳米尺度分散及界面相互作用形成高导热阻燃绝缘材料；由于使用了表面功能化的纳米线、纳米管及纳米片，能够使导热并具有耐高温的纳米材料与环氧树脂聚合物基材有效复合，大大提高材料的导热性能、耐高温性能，实现阻燃防燃目的。
本发明提供一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，通过表面反应处理将氧化铝纳米线、碳纳米管、石墨纳米片表面功能化，功能化后纳米材料的表面基团与环氧树脂分子可发生物理及化学作用；由此可实现纳米线、纳米管、纳米片在环氧树脂中的均匀分布与复合，制备出导热性能、耐高温性能优良的环氧树脂基阻燃绝缘材料，制备方法简便，无需引入常规纳米管处理所用的强酸或分散剂。本发明制备的新型导热阻燃绝缘材料能够通过改变纳米功能填料的用量控制材料的导热性能，同时可以通过改变溶剂的用来控制复合材料的粘度，便于针对不同的线缆部位的导热阻燃需求。材料的导热系数最高可达0.85-1.20W/mK，远高于纯环氧树脂基体的0.19W/mK。
进一步的，通过将纳米材料与有机溶剂混合并超声震荡处理，获得纳米材料自身的良好分散，同时将纳米材料的混合溶液分批加入到环氧树脂中，提升纳米材料在环氧树脂中的纳米尺度分散性及复合材料的均匀性。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
步骤1，分别取0.3克的氧化铝纳米线、0.1克碳纳米管、0.1克石墨纳米片，将其加入到反应釜中，滴加4克的有机溶剂及0.01克的硅烷偶联剂、0.01克硬脂酸，并进行搅拌(搅拌转速为180转/分)，滴加完毕后，将反应釜中的溶液超声震荡120分钟，然后升温至80℃反应30分钟形成纳米材料混合溶液。
步骤2，将步骤1的混合溶液分批加入到30克的环氧树脂中，缓慢加热至45℃并在搅拌转速为300转/分的速度下进行搅拌30分钟，混合均匀后制成含纳米功能填料的环氧树脂溶液。
步骤3，将步骤2的含纳米功能填料的环氧树脂溶液超声震荡处理50分钟，加入0.3克的环氧树脂固化剂，常温下搅拌充分混合，搅拌转速为300转/分，混合时间15分钟，即可形成高导热阻燃绝缘材料(液态)。
环氧树脂固化剂采用聚酰胺类、脂肪族胺类和酸酐类中的一种或多种；聚酰胺类：#500、#651、V115等；脂肪族胺类：H6688、T31等；酸酐类：PA、PMDA、TMA等。
本实施例中环氧树脂固化剂选用#651聚酰胺类环氧树脂固化剂。
有机溶剂采用酮类、醇类和酯类中的一种或多种；酮类：如甲基异丁酮、丙酮、环己酮等；醇类：如乙醇、丁醇、异丙醇等；酯类：如乙酸乙酯、乙酸丁酯等。本实施例中有机溶剂采用丙酮、乙醇和乙酸丁酯，在室温下混合搅拌均匀制成。
本发明首先制备表面功能改性的纳米材料组份，即将硅烷偶联剂及硬脂酸与氧化铝纳米线、碳纳米管、石墨纳米片的表面进行通过物理化学作用，由此在纳米材料表面引入极性功能基团。然后经过表面改性的纳米功能填料与环氧树脂按照1：60-100的比例复合制备出高导热阻燃绝缘材料。
本发明实施例1制备出的新型导热阻燃绝缘材料由于使用了表面功能化的多种纳米材料，能够使其在环氧树脂中达到纳米尺度分散而大大提高材料的导热性能。与现有的无卤阻燃绝缘材料相比，具有以下优点：(1)从制备方法来说，无卤阻燃绝缘材料需要通过加入大量的无卤阻燃助剂(高达30-50％重量含量)对聚合物进行阻燃改性，其制备过程难以控制；而本发明提供的方法只引入1.5％左右的纳米功能材料，制备过程容易控制。(2)本发明制备的导热阻燃绝缘材料，是基于环氧树脂制备出来的，因此材料具备环氧树脂本身所具有的优良性能，如材料与线缆基材附着力强，可采用液体涂敷、浸润、浇注使用，也可以预制备成薄膜或胶带使用。
实施例2
步骤1，分别取1克的氧化铝纳米线、0.5克碳纳米管、0.5克石墨纳米片，将其加入到反应釜中，滴加40克的有机溶剂及0.04克的硅烷偶联剂、0.02克硬脂酸，并进行搅拌(搅拌转速为180转/分)，滴加完毕后，将反应釜中的溶液超声震荡120分钟，然后升温至90℃反应30分钟形成纳米材料混合溶液。
步骤2，将步骤1的混合溶液分批加入到120克的环氧树脂中，缓慢加热至65℃并在搅拌转速为300转/分的速度下进行搅拌30分钟，混合均匀后制成含纳米功能填料的环氧树脂溶液。
步骤3，将步骤2的含纳米功能填料的环氧树脂溶液超声震荡处理50分钟，加入1.2克的环氧树脂固化剂，常温下搅拌充分混合，搅拌转速为300转/分，混合时间30分钟，即可形成高导热阻燃绝缘材料(液态)。
实施例3
步骤1，分别取0.5克的氧化铝纳米线、0.5克碳纳米管、1.0克石墨纳米片，将其加入到反应釜中，滴加40克的有机溶剂及0.08克的硅烷偶联剂、0.04克硬脂酸，并进行搅拌(搅拌转速为180转/分)，滴加完毕后，将反应釜中的溶液超声震荡120分钟，然后升温至80℃反应30分钟形成纳米材料混合溶液。
步骤2，将步骤1的混合溶液分批加入到200克的环氧树脂中，缓慢加热至65℃并在搅拌转速为300转/分的速度下进行搅拌30分钟，混合均匀后制成含纳米功能填料的环氧树脂溶液。
步骤3，将步骤2的含纳米功能填料的环氧树脂溶液超声震荡处理90分钟，加入2.0克的环氧树脂固化剂，常温下搅拌充分混合，搅拌转速为300转/分，混合时间50分钟，即可形成高导热阻燃绝缘材料(液态)。
步骤4，将步骤3的高导热阻燃绝缘材料(液态)在模具中刮涂成膜，在室温下表干2小时，实干72小时，固化后形成高导热阻燃绝缘材料膜。本发明的新型导热阻燃绝缘材料，经过对比性能测试表明，环氧树脂的导热系数由0.19W/mK提高到0.85W/mK，最高可达1.20W/mK。
实施例4
步骤1，分别取1.5克的氧化铝纳米线、1.0克碳纳米管、1.0克石墨纳米片，将其加入到反应釜中，滴加10克的有机溶剂及0.05克的硅烷偶联剂、0.15克硬脂酸，并进行搅拌(搅拌转速为180转/分)，滴加完毕后，将反应釜中的溶液超声震荡120分钟，然后升温至90℃反应30分钟形成纳米材料混合溶液。
步骤2，将步骤1的混合溶液分批加入到50克的环氧树脂中，缓慢加热至65℃并在搅拌转速为300转/分的速度下进行搅拌30分钟，混合均匀后制成含纳米功能填料的环氧树脂溶液。
步骤3，将步骤2的含纳米功能填料的环氧树脂溶液超声震荡处理50分钟，加入3克的环氧树脂固化剂，常温下搅拌充分混合，搅拌转速为300转/分，混合时间30分钟，即可形成高导热阻燃绝缘材料(液态)。
实施例5
步骤1，分别取0.8克的氧化铝纳米线、0.6克碳纳米管、0.6克石墨纳米片，将其加入到反应釜中，滴加60克的有机溶剂及0.03克的硅烷偶联剂、0.12克硬脂酸，并进行搅拌(搅拌转速为180转/分)，滴加完毕后，将反应釜中的溶液超声震荡120分钟，然后升温至90℃反应30分钟形成纳米材料混合溶液。
步骤2，将步骤1的混合溶液分批加入到40克的环氧树脂中，缓慢加热至65℃并在搅拌转速为300转/分的速度下进行搅拌30分钟，混合均匀后制成含纳米功能填料的环氧树脂溶液。
步骤3，将步骤2的含纳米功能填料的环氧树脂溶液超声震荡处理50分钟，加入2.5克的环氧树脂固化剂，常温下搅拌充分混合，搅拌转速为300转/分，混合时间30分钟，即可形成高导热阻燃绝缘材料(液态)。

Claims (9)

1.一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料，其特征在于，包括以下按照重量份的原料：氧化铝纳米线3-15重量份、碳纳米管1-10重量份、石墨纳米片1-10重量份、硅烷偶联剂0.1-0.5重量份、硬脂酸0.1-1.5重量份、有机溶剂40-100重量份、环氧树脂300-500重量份和环氧树脂固化剂3-30重量份。
2.根据权利要求1所述的一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料，其特征在于，所述环氧树脂固化剂采用脂肪族胺类和酸酐类中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料，其特征在于，所述有机溶剂采用酮类、醇类和酯类中的一种或多种。
4.一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1，将重量份数为3-15的氧化铝纳米线、重量份数为1-10的碳纳米管、重量份数为1-10的石墨纳米片、重量份数为0.1-0.5的硅烷偶联剂、重量份数为0.1-1.5的硬脂酸、重量份数为40-100的有机溶剂进行混合，超声震荡处理120-240分钟，升温至25-95℃，反应30-120分钟形成混合溶液；
步骤2，将步骤1的混合溶液加入到重量份数为300-500的环氧树脂，将得到的混合物混合搅拌，同时调节温度至35-65℃，持续处理20-120分钟，形成环氧树脂/纳米填料混合溶液；
步骤3，将步骤2的环氧树脂/纳米填料混合溶液进行超声波震荡处理50-150分钟，然后加入重量份数为3-30的环氧树脂固化剂，混合搅拌10-50分钟，形成导热阻燃绝缘材料。
5.根据权利要求4所述的一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，将氧化铝纳米线、碳纳米管、石墨纳米片、硅烷偶联剂、硬脂酸、25-50重量份数的有机溶剂进行混合，超声震荡处理60-120分钟之后，再加入余下的25-50重量份数的有机溶剂，进行超声震荡处理60-120分钟，然后升温至25-95℃，反应30-120分钟后形成混合溶液。
6.根据权利要求4所述的一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，将混合溶液升温至35-65℃后进行混合搅拌10-60分钟，控制转速为300-500转/分；静置10-20分钟后，再混合搅拌10-60分钟，控制转速为300-500转/分；然后常温静置120-480分钟。
7.根据权利要求4所述的一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，步骤2中，在环氧树脂中分批加入纳米材料混合溶液。
8.根据权利要求4所述的一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，步骤2中，所述有机溶剂采用丙酮、乙醇、正丁醇和乙酸丁酯，在室温下混合搅拌均匀制成。
9.根据权利要求4所述的一种新型导热阻燃聚合物绝缘材料的制备方法，将液态的导热阻燃绝缘材料在模具中刮涂成膜，干燥固化后形成高导热阻燃绝缘材料膜。
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