CN114521200A - 作为电绝缘材料的干燥复合泡沫 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种绝缘装置，包括具有腔室的绝缘体和在腔室中的电绝缘材料，其中，电绝缘材料包括干燥复合泡沫。本发明还涉及使用干燥复合泡沫作为电绝缘材料以及用于制造电绝缘装置的方法，包括(a)提供具有腔室的绝缘体，(b1)要么提供至少由膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球和未膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球组成的混合物，(b2)要么提供由未膨胀状态中的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物，这些至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有膨胀的不同温度范围，以及(c)通过在50℃和200℃之间的范围中的温度下的热处理使由基于可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡，构造作为电绝缘材料的干燥复合泡沫，其中，要么将由可热膨胀的微空心球组成的混合物填入到绝缘体的腔室中并在那里发泡，要么将由可热膨胀的微空心球组成的混合物首先发泡并且将所获得的干燥复合泡沫填入到绝缘体的腔室中。

Description

作为电绝缘材料的干燥复合泡沫
技术领域
本发明涉及一种绝缘装置，包括具有腔室的绝缘体和在腔室中的电绝缘材料，其中，电绝缘材料包括干燥复合泡沫。本发明还涉及使用干燥复合泡沫作为电绝缘材料以及用于制造电绝缘装置的方法，包括(a)提供具有腔室的绝缘体，(b1)要么提供至少由膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球和未膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球组成的混合物，(b2)要么提供由未膨胀状态中的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物，这些至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有膨胀的不同温度范围，以及(c)通过从50℃至200℃的范围中的温度下的热处理使由基于可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡，构造作为电绝缘材料的干燥复合泡沫，其中，要么将由可热膨胀的微空心球组成的混合物填入到绝缘体的腔室中并在那里发泡，要么将由可热膨胀的微空心球组成的混合物首先发泡并且将所获得的干燥复合泡沫填入到绝缘体的腔室中。
背景技术
电绝缘材料或电介质原则上可以分成三组，即根据其聚集态分成气体、液体和固体。这些材料尤其是必须满足的前提是，在运行条件下不发生电击穿，也就是说，其所经受的电负荷低于其临界的电击穿强度。固体电介质具有最高的电击穿强度，但固体电介质也具有最高的密度。这导致大的机械负荷并因此导致提高的操作成本。相同的情况原则上也适用于液态电介质，其中，液体的电击穿强度通常小于固体的电击穿强度。当需要低密度时，尽管其电击穿强度更低，但通常使用气体作为电绝缘材料。使用液体和气体具有附加的缺点，即液体和气体在泄漏时可能流出或漏出。然而，在固态电介质的情况下，不会出现这种问题。
在高压技术中，通常使用所谓的空气绝缘的空心绝缘体，例如在变电站中。在此，最初基本使用基于陶瓷的空心绝缘体；同时，增加地使用空心复合绝缘体。
这些空心绝缘体的空腔通常填充有作为电绝缘材料的氮气(N2)或六氟化硫(SF6)。然而，这些气态电介质的使用需要复杂的监控系统来确定运行中的空心绝缘体中的任何泄漏。此外，必须确保绝缘体是持久气密的。此外，含氟化合物六氟化硫被认为是最强温室气体中的一种温室气体，并且由于这个原因在生态上也是极其有问题的。然而，介电填充气体不能容易地被其他的电绝缘材料替代，因为由于高压绝缘体的大尺寸(具有高达10m的长度)，使用常规固体电介质将导致绝缘体的非常高的总重量，这对于通常应用是不实际的。
为了解决这种矛盾，已经提出使用介电泡沫。在RWTH Aachen的Μ.Keβler在2010年的“在高压技术中使用弹性复合泡沫”的论文中描述了复合泡沫，该复合泡沫由具有引入的气体填充的微空心球的硅树脂基体组成。这些基于硅胶的复合泡沫提供了相比于其他固态基体系统更低密度(在约0.7至1g/cm3的范围中)的优点。EP 2 203 522Al描述了一种电绝缘装置，所述电绝缘装置包括具有电绝缘材料的腔室，其中，电绝缘材料包括基于硅树脂的凝胶作为基体以及在所述基体中的微空心球。然而，在这些复合泡沫的情况下，由于高的混合粘度，仅可以实现微空心球的填充度达到50体积％，使得不能实现甚至更低的密度。此外，介电特性(尤其是击穿强度)与纯硅胶的数量级相同。
发明内容
在此背景下，本发明的任务是提供一种具有电绝缘材料的电绝缘装置，所述电绝缘装置结合了固态电介质(即，通过泄漏造成的排出风险低和良好的介电特性)与气态电介质(即，低重量)的优点。
所述任务通过在权利要求中所表征的实施方式来解决。
尤其是，根据本发明提供一种电绝缘装置，所述电绝缘装置包括具有腔室的绝缘体和在腔室中的电绝缘材料，其中，电绝缘材料包括干燥复合泡沫。
根据本发明，令人惊奇地发现，干燥复合泡沫可以用作具有高电击穿强度并且同时相对低密度的电绝缘材料。因此，本发明涉及在空心绝缘体中使用干燥复合泡沫作为超轻填料。相应的干燥复合泡沫虽然在现有技术中是已知的；但是它们的介电特性和因此它们作为电绝缘材料的适宜性现在被首次且令人惊讶地确定。
附图说明
附图示出以下内容：
图1示出用于制造根据本发明的复合绝缘体的方法。
图2示出用于确定击穿强度的击穿电压测量的电路。
图3示出未填充的以及由玻璃纤维增强塑料制成的填充有干燥复合泡沫的环的照片图像(俯视图)。
具体实施方式
本发明涉及一种电绝缘装置。电绝缘装置可以具有任何合适的形状和设计方案。根据本发明，这优选涉及用于高压应用的绝缘装置。绝缘装置例如可以是空心绝缘体(例如用于变电站中的应用)或用于高压线塔的绝缘体。合适的空心绝缘体尤其是包括复合绝缘体、瓷绝缘体和混合绝缘体。根据本发明的优选实施方式，电绝缘装置是以复合绝缘体的形式或者是以高压线塔臂的形式。
根据本发明的电绝缘装置包括具有腔室的绝缘体。因此，绝缘体是空心体。
该绝缘体可以由任何适合于作为绝缘装置的所设置的应用的材料构成。根据本发明的优选实施方式，绝缘体由选自复合材料、瓷料及其组合的材料制成。复合材料特别优选地是玻璃纤维增强塑料(GFK)。绝缘体可以具有适合于相应应用的任何形状。优选地，绝缘体是空心管的形式或空心杆的形式。管或杆可以具有任何合适的横截面。绝缘体例如可以是锥形的、直径在长度上减小的或旋转对称的或非旋转对称的空心管。然而，绝缘体也可以具有简单的圆形横截面(即，以柱体的形式)或者具有矩形或正方形横截面。
根据优选的实施方式，绝缘体是由复合材料或由瓷料制成的管。特别优选地，绝缘体是由玻璃纤维增强的塑料制成的管。该管可以以合适的方式通过本领域技术人员已知的方法制造，例如通过将玻璃纤维浸入相应的树脂中并且然后卷绕成空心管。
根据本发明的电绝缘装置除了绝缘体外必要时也可以包括另外的部件，例如在绝缘装置或绝缘体的相应的端部上的凸缘和/或金属配件。这些凸缘和配件优选是耐腐蚀的并且例如可以由钢、铝或铝合金制成。凸缘或配件可以必要时包括可选地可闭合的通风开口。如果该膨胀是直接在绝缘体中执行的，则空气可以通过这些通风开口在可热膨胀的微空心球的膨胀过程期间漏出。根据本发明的电绝缘装置还可以包括例如由塑料或硅树脂制成的壳体或护套，以便保护电绝缘装置。相应的壳体在现有技术中是已知的。在端部配件和壳体或护套之间的可能的间隙必要时可以利用适当的密封剂密封，以便防止湿气侵入绝缘体，从而确保电绝缘装置的长的使用寿命。合适的密封剂包括例如防泄漏电流的聚氨酯。根据本发明的特别优选的实施方式，电绝缘装置附加地包括在绝缘体的两端部处的凸缘，其中，至少一个凸缘具有可封闭的通风开口，以及电绝缘装置包括硅树脂壳体，所述硅树脂壳体围绕绝缘体布置。
根据本发明的电绝缘装置还包括在绝缘体的腔室中的电绝缘材料。换句话说，绝缘体填充有电绝缘材料。该电绝缘材料包括干燥复合泡沫。电绝缘材料除了干燥复合泡沫以外必要时还可以包括另外的电绝缘材料，例如氮气(N2)或六氟化硫(SF6)。根据本发明的优选实施方式，电绝缘材料由干燥复合泡沫构成，也就是说，除了干燥复合泡沫外不包含另外的电绝缘材料。绝缘体的腔室可以具有任何合适的填充度。例如，至少70体积％的腔室填充有电绝缘材料，优选至少90体积％。根据本发明的特别优选的实施方式，绝缘体的腔室基本上完全地用干燥复合泡沫填充，即腔室的填充度为至少95体积％。
在本发明的范围中，干燥复合泡沫(在现有技术中也称为“干燥复合泡沫(DSF)”理解为如下材料，所述材料由基于聚合物的、可热膨胀的微空心球组成，所述微空心球通过加热至少部分地膨胀。可热膨胀的微空心球包括聚合物壳并且至少在膨胀之前包括具有低沸点的气体。气体优选为烷烃气体，例如异戊烷或异丁烯。与常规的复合泡沫相比，根据本发明使用的复合泡沫不包括被嵌入有微空心球的液态聚合物基体，并且由于这个原因被称为干燥复合泡沫。相应的干燥复合泡沫及其制造在现有技术中是已知的，例如从US 6,593,381 B2已知。
该干燥复合泡沫是通过首先提供由已经膨胀的基于聚合物的、可热膨胀的微空心球与还没有膨胀的基于聚合物的、可热膨胀的微空心球组成的混合物而获得的。在本发明的范围中，概念“可热膨胀的微空心球”因此包括已经膨胀的微空心球以及还未膨胀的微空心球。
然后该混合物加热到50℃至200℃范围中、优选100℃至180℃、还更优选125℃至175℃范围中的温度。由此，在还未膨胀的微空心球中的气体压力升高并且一旦达到相应的玻璃化转变温度，微空心球的聚合物壳就塑性变形。由此，造成球体积的显著增大，即材料的发泡。根据本发明的优选实施方式，因此可以通过使至少由处于膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球和处于未膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡来获得干燥复合泡沫。
在此，已经膨胀的微空心球形成基体，尚未膨胀的微空心球嵌入到该基体中。以这种方式，可以利用热处理(也就是说利用发泡)实现还未膨胀的微空心球的均匀膨胀，这导致具有均匀的材料分布和有序的孔结构的泡沫。尤其是，泡沫的孔尺寸可以以这种方式精确地设定，并且由于这个原因，泡沫被称为复合泡沫。
根据备选的优选实施方式，干燥复合泡沫也可以通过使由处于未膨胀状态中的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡而获得，其中，所述至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有膨胀的不同温度范围。在这种情况下，因此不使用由已经膨胀的和还未膨胀的微空心球构成的混合物，而是使用至少两种不同类型的微空心球。例如，第一类型的微空心球可以在50℃到120℃的温度范围中可膨胀，而第二类型的微空心球可以在高于120℃的较高温度下膨胀。如果将由这两种类型的微空心球组成的混合物首先加热到在50℃至120℃的范围中、优选在80℃至100℃的范围中的温度，则首先仅仅使第一类型的微空心球膨胀，第一类型的微空心球然后用作用于第二类型的微空心球的基体。然后，这种第二类型的微空心球在第二步骤中通过在高于120℃的温度下、优选在130℃至160℃的范围中的温度下的热处理膨胀。
但是也可以使用多于两种类型的微空心球。也可以将上述两种方法组合。因此，例如可以将由两种类型的已经膨胀的微空心球组成的混合物与两种类型的还未膨胀的微空心球一起使用。
通过适当地选择微空心球的类型和混合比，可以以适当的方式和形式设定干燥复合泡沫的特性。
合适的干燥复合泡沫以及用于其制造的微空心球在现有技术中是已知的并且可商购。在这种情况下，例如参考由Nouryon公司以商品名
Figure BDA0003559702010000061
销售的微空心球。这些都可以以不同的尺寸和密度以膨胀形式(
Figure BDA0003559702010000062
DE(“干燥，膨胀”))和未膨胀形式(
Figure BDA0003559702010000063
DU(“干燥，未膨胀”))获得。合适的未膨胀的微空心球例如是具有名称031DU40(堆积密度0.4134g/cm3)、551DU 40(堆积密度0.5543g/cm3)、920DE 40(堆积密度0.4633g/cm3)、920DE 80(堆积密度0.4937g/cm3)和461DU 40(堆积密度0.4553g/cm3)的微空心球，其中，在本发明的范围中，堆积密度被定义为填充特定体积的微空心球的粉末材料的质量。合适的膨胀的微空心球是例如551DET40d25(堆积密度0.0125g/cm3)和920DET40d25(堆积密度0.0146g/cm3)。因此，未膨胀的微空心球具有膨胀的微空心球的大约50倍的堆积密度。
电绝缘材料的密度可以以合适的方式通过选择合适的可热膨胀的微空心球来设定。根据本发明的优选实施方式，电绝缘材料具有0.01g/cm3至0.6g/cm3、特别优选0.05g/cm3至0.5g/cm3、还更优选在0.1至0.2g/cm3的范围中的密度。这些密度可以在不显著影响电绝缘材料的电特性的同时实现。
电绝缘材料的电击穿强度(也称为介电强度)同样可以以合适的方式通过选择相应的可热膨胀的微空心球来设定。根据本发明的优选实施方式，该电击穿强度为5kV/mm至60kV/mm，特别优选为10kV/mm至50kV/mm，并且非常特别优选为30kV/mm至40kV/mm(根据IEC60243-1标准“绝缘材料的电气强度，2014年，电极嵌入材料中”来测量)。
电绝缘材料优选具有尽可能小的吸水能力，因为否则干燥复合泡沫在使用中会吸收过多的湿气，这会导致电绝缘装置的重量提高以及电击穿强度的降低。根据本发明的优选实施方式，干燥复合泡沫具有不超过4体积％、特别优选不超过1体积％的吸水能力(通过将泡沫样品在蒸馏水中于50℃下浸渍2周来测量)。此外，可以采取另外的措施，尤其是适当地密封绝缘体，以避免在使用中通过干燥复合泡沫吸水。
根据本发明的优选实施方式，选择可热膨胀的微空心球以及绝缘体的材料，使得它们是温度相容的。当绝缘体包括复合材料时，这尤其是应当被考虑。在这种情况下优选的是，形成微空心球的壳的聚合物的玻璃化转变温度(Tg)低于复合材料的聚合物的玻璃化转变温度至少20℃，优选至少30℃。因此，对于具有130℃的玻璃化转变温度的玻璃纤维增强的塑料制成的绝缘体，尤其是优选的是具有低于110℃的玻璃化转变温度的基于聚合物的微空心球，例如Nouryon
Figure BDA0003559702010000071
461DU 40(Tg 100℃)，Nouryon
Figure BDA0003559702010000072
031DU 40(Tg95℃)或者Nouryon
Figure BDA0003559702010000073
551DU 40(Tg 100℃)。
根据非常特别优选的实施方式，本发明涉及复合绝缘体，包括：
-由玻璃纤维增强的塑料制成的空心管，
-作为空心管中的填充物的作为电绝缘材料的干燥复合泡沫，
-在空心管的两端部上的凸缘，其中，至少一个凸缘具有可封闭的通风开口，以及
-硅树脂壳体，该硅树脂壳体围绕空心管布置。
总体上，根据本发明，电绝缘装置中的常规气态电绝缘材料可以被干燥复合泡沫替代，该干燥复合泡沫同样具有低密度并且因此使得能够制造具有小重量的电绝缘装置，并且该干燥复合泡沫同时避免气态电绝缘材料的缺点。此外，令人惊讶地表明，根据本发明用作电绝缘材料的干燥复合泡沫具有对绝缘体的材料的良好粘附性，从而不需要附加的粘附剂。当绝缘体由复合材料(尤其是由玻璃纤维增强塑料)构成时，尤其是提供良好的粘附性。同样，得到相对于铝和其他金属的良好的粘附性，所述金属例如能够用作为在绝缘体的或者电绝缘装置的相应的端部上的配件和/或凸缘的材料。此外，根据本发明用作电绝缘材料的干燥复合泡沫具有另外的优点，即，干燥复合泡沫可以良好地且简单地制造和加工、无毒以及从环境角度看比常规使用的六氟化硫更无害。
根据本发明，这优选涉及用于高压应用的绝缘装置。绝缘装置例如可以是空心绝缘体(例如用于变电站中的应用)或用于高压线塔的绝缘体。合适的空心绝缘体尤其是包括复合绝缘体、瓷绝缘体和混合绝缘体。根据本发明的优选实施方式，电绝缘装置以复合绝缘体的形式存在。
根据本发明的另外的优选实施方式，电绝缘装置以高压线塔臂的形式存在。这种应用具有的优点是，一方面可以在高压线塔臂中实现重量减轻。另一方面，电流电缆由于绝缘体中的干燥复合泡沫的介电特性可以直接或通过金属配件紧固在高压线塔臂上。以这种方式，可以省去附加的绝缘，这极大地简化了电线杆的结构。
本发明还涉及使用干燥复合泡沫作为电绝缘材料。在此，优选地，干燥复合泡沫用作由复合材料或瓷料制成的空心体中的填充物。优选地，空心体具有管的形状。更优选的复合材料是玻璃纤维强化的塑料。
根据优选的实施方式，干燥复合泡沫被用作高压应用的电绝缘材料，例如作为复合绝缘体或作为高压线塔臂。
本发明还涉及一种用于制造电绝缘装置的方法，包括以下步骤：
(a)提供具有腔室的绝缘体，
(b1)要么提供至少由膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球和未膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球组成的混合物，
(b2)要么提供由未膨胀状态中的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物，所述至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有膨胀的不同温度范围，以及
(c)通过50℃至200℃的范围中的温度下的热处理使由基于可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡，以构造作为电绝缘材料的干燥复合泡沫，
其中，要么由可热膨胀的微空心球组成的混合物填入到绝缘体的腔室中并在那里发泡，要么由可热膨胀的微空心球组成的混合物首先发泡并且所获得的干燥复合泡沫填入到绝缘体的腔室中。
在根据本发明的方法的步骤(a)中，首先提供具有腔室的绝缘体。因此，绝缘体是空心体。该绝缘体可以是任何合适的绝缘体，如上所述。
在根据本发明的方法的步骤(b)中，提供了一种由基于聚合物的、可热膨胀的微空心球组成的混合物。
为此，根据第一备选方案(b1)，可以提供至少由膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球和未膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球组成的混合物。如以上已经描述的，这种可热膨胀的微空心球在现有技术中是已知的并且是可商购的。在这种情况下，例如参考由Nouryon公司以商品名
Figure BDA0003559702010000091
销售的微空心球。这些都可以以不同的尺寸和密度以膨胀形式(
Figure BDA0003559702010000092
DE(“干燥，膨胀”))和未膨胀形式(
Figure BDA0003559702010000093
DU(“干燥，未膨胀”))获得。合适的未膨胀的微空心球例如是具有名称031DU 40(堆积密度0.4134g/cm3)、551DU 40(堆积密度0.5543g/cm3)、920DE 40(堆积密度0.4633g/cm3)、920DE80(堆积密度0.4937g/cm3)和461DU 40(堆积密度0.4553g/cm3)的微空心球，其中，在本发明的范围中，堆积密度被定义为填充特定体积的微空心球的粉末材料的质量。合适的膨胀的微空心球是例如551DET 40d25(堆积密度0.0125g/cm3)和920DET 40d25(堆积密度0.0146g/cm3)。因此，未膨胀的微空心球具有膨胀的微空心球的大约50倍的堆积密度。
考虑到测量的堆积密度，膨胀的或未膨胀的微空心球的质量贡献(即两种类型的微空心球的质量的比率)可以根据干燥复合泡沫的目标密度来计算。
为了制造混合物，优选将膨胀的微空心球放在合适的容器中并且然后加入未膨胀的微空心球。以这种方式直接实现未膨胀的微空心球嵌入到已经膨胀的微空心球中。然后可以将这些微空心球混合在一起以便实现这两种类型的微空心球的均匀分布。这种充分混合可以在合适的混合装置中执行例如1至20分钟、优选在10至15分钟的范围中的合适的持续时间。根据优选的实施方式，充分混合可以直接在容器中执行，在所述容器中在步骤(c)中进行发泡，即例如直接在绝缘体的腔室中或在单独的膨胀模具中进行。
根据第二备选方案(b2)，提供由未膨胀状态中的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物，所述至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有膨胀的不同温度范围。
当然，在步骤(b)中也可以使用多于两种类型的微空心球。也可以组合上述两种备选方案(b1)和(b2)。因此，例如可以将由两种类型的已经膨胀的微空心球组成的混合物与两种类型的还未膨胀的微空心球一起使用。
然后在根据本发明的方法的步骤(c)中，通过从50℃至200℃的范围中的温度下的热处理使由基于可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡，构造作为电绝缘材料的干燥复合泡沫。
为此，要么由可热膨胀的微空心球组成的混合物填入到绝缘体的腔室中并在那里发泡，要么由可热膨胀的微空心球组成的混合物首先发泡并且所获得的干燥复合泡沫填入到绝缘体的腔室中。
如果由可热膨胀的微空心球组成的混合物首先在腔室外部发泡，则这例如可以在合适的膨胀模具中进行。该膨胀形式优选具有与绝缘体的腔室相同的形状，然后在该绝缘体中填入干燥复合泡沫。这具有的优点是，干燥复合泡沫的形状在其被填入到绝缘体中之前不必附加地适配，例如不必通过修整切割。优选地，膨胀模具包括例如由PTFE制成的防粘涂层，以便防止泡沫附着在膨胀模具上并且仅能困难地从膨胀模具中去除。
根据优选的实施方式，由可热膨胀的微空心球组成的混合物被填入到腔室中并且在那里发泡。混合物直接填入到绝缘体的腔室中是有利的，因为以这种方式需要较少的方法步骤，即，将干燥复合泡沫从膨胀模具传递到绝缘体中。此外，在由可热膨胀的微空心球组成的混合物在腔室中发泡时，可以实现泡沫到绝缘体的腔室的壁上的更好的粘附性。
加热例如在合适的炉中进行。发泡在50℃至200℃范围中的温度下进行。根据优选的实施方式，发泡在100℃至180℃范围中的温度下、优选在125℃至175℃范围中的温度下执行。
膨胀温度或发泡温度优选取决于聚合物的玻璃化转变温度(Tmin)，以及微空心球达到其最大膨胀体积时的温度(Tmax)，由所述聚合物制成微空心球的壳。
优选地，膨胀温度或发泡温度优选在Tmin和Tmax之间，特别优选大约在(Tmin+Tmax)/2。
发泡可以在恒定的温度下进行。然而也可能的是，在发泡期间连续地或逐步地升高温度，直至达到上述温度范围。例如，如果根据备选方案(b2)使用由在未膨胀状态下的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物，所述至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有膨胀的不同温度范围，则例如第一类型的微空心球可以在50℃至120℃的温度范围中膨胀，而第二类型的微空心球可以在高于120℃的较高温度下膨胀。如果将由这两种类型的微空心球组成的混合物首先加热到在50℃至120℃的范围中、优选在80℃至100℃的范围中的温度，则首先仅仅使第一类型的微空心球膨胀，第一类型的微空心球然后用作用于第二类型的微空心球的基体。然后，这种第二类型的微空心球在第二步骤中通过在高于120℃的温度下、优选在130℃至160℃的范围中的温度下的热处理膨胀。
发泡或热处理的持续时间可以以合适的方式由本领域技术人员选择。例如，热处理可以进行15分钟至4小时范围中的持续时间，优选1至3小时范围中的持续时间。
通过选择用于使可热膨胀的微空心球发泡的热处理的温度以及持续时间，可以设定微空心球的最终尺寸并因此设定干燥复合泡沫的密度。
根据优选的实施方式，步骤(c)被划分为第一子步骤(cl)和第二子步骤(c2)。在步骤(cl)中，由可热膨胀的微空心球组成的、按照备选方案(b1)和/或备选方案(b2)构造的混合物在第一膨胀阶段中通过在50℃到200℃的范围中的温度下热处理确定的持续时间来发泡，形成由可热膨胀的微空心球组成的预膨胀的混合物。在此，在该第一膨胀阶段中，由可热膨胀的微空心球组成的混合物不完全地、也就是说尚未膨胀到干燥复合泡沫的所希望的密度，而是仅膨胀到微空心球的所希望的“预膨胀”状态。这优选在0.01g/cm3至0.9g/cm3范围中的混合物的密度处实现。
通过选择用于第一膨胀阶段的热处理的温度以及持续时间可以设定微空心球的状态。优选地，第一膨胀阶段的热处理可以在合适的炉中在100℃至175℃的范围中的温度下进行15分钟至2小时范围中的持续时间。
由可热膨胀的微空心球组成的混合物的发泡在子步骤(c1)中在至少一个合适的膨胀模具中进行，该膨胀模具具有至少比绝缘体的腔室更小的容积，使得由在预膨胀状态中的微空心球的混合物组成的一些结构构件被构造。所述结构构件例如可以被构造为具有在2cm至50cm的范围中的厚度和小于或等于绝缘体的腔室的直径的盘。
在步骤(c2)中，由可热膨胀的微空心球组成的预膨胀混合物在第二膨胀阶段中通过在50℃至200℃的温度范围中的温度下再次热处理确定的持续时间来发泡，以构造干燥复合泡沫作为电绝缘材料。为此，各个结构构件引入到绝缘体的腔室中或合适的膨胀模具中。优选地，在第二膨胀阶段之后，干燥复合泡沫具有0.01g/cm3至0.6g/cm3、优选0.05g/cm3至0.5g/cm3的密度。通过选择用于第二膨胀阶段的热处理以及该热处理的持续时间可以设定微空心球的状态。
优选地，第二膨胀阶段的热处理又可以在合适的炉中在所期望的温度、优选100℃至175℃下进行。备选地或附加地，在第二膨胀步骤中可以使用热空气，该热空气被引入绝缘体的腔室中或膨胀模具中并流过结构构件。优选地，结构构件为此具有孔，从而空气能够更好地循环通过。第二膨胀阶段的热处理的持续时间优选在15分钟至5小时的范围中。
混合物的发泡划分为两个膨胀阶段提供的优点是，一方面可以更好地设定干燥复合泡沫的密度，并且另一方面可以实现电绝缘材料的特别均匀的材料分布。
此外，以这种方式也可以毫无问题地将包括较大体积的空腔发泡。这是因为在微空心球的大堆积情况下可能发生热量可能不会到达核心，即在空腔体积的最内部区域中，并且因此微空心球不会在空腔的这些区域中膨胀或完全膨胀。这通过在各个结构部件中分两级的膨胀以及通过发泡来抵消。
根据优选的实施方式，根据本发明的方法在发泡步骤(c)之后还包括真空处理步骤(d)。这种真空处理有利于去除残留的空气，以便由此实现微空心球进一步发泡或完成发泡。在本发明的范围中，小于200mbar的任何压力被称为真空。优选地，真空处理中的压力小于100mbar，更优选小于20mbar。真空处理的持续时间可以是例如1分钟至1小时，优选10分钟至30分钟。优选在升高的温度下执行真空处理，以便实现微空心球的进一步膨胀。优选在上述与步骤(c)中对于发泡所限定的相同温度范围中执行真空处理，其中，步骤(c)和(d)中的温度可以相同或不同。特别优选地在不高于(Tmin+Tmax)/2的温度下执行真空处理，其中，Tmin表示聚合物的玻璃化转变温度，并且Tmax表示微空心球达到其最大膨胀体积时的温度。
按照根据本发明的方法的优选实施方式，不使用粘附剂来连接电绝缘材料与绝缘体。如果由可热膨胀的微空心球组成的混合物的发泡直接在绝缘体的腔室中进行，那么尤其是可以省去粘附剂。
下面参照图1更详细地阐述根据本发明的方法，而不局限于此。根据本发明的复合绝缘体可以例如根据图1所示的方法步骤制造。在此，在第一步骤中提供由玻璃纤维增强的塑料1制成的管。在第二步骤中，管1的两个端部设有敞开的凸缘2或者设有具有带有通风开口4的遮盖部的凸缘3。这可以通过现有技术中已知的常规方法，例如粘合来进行。至少一个通风开口用于使气体或空气在膨胀步骤期间可以漏出。在下一步骤中，硅树脂壳体5被安设到管1周围。硅树脂壳体同样可以通过本领域技术人员已知的常用方法、例如通过模制或通过挤出制造。然后，由可热膨胀的微空心球6组成的混合物通过敞开的凸缘2填充到管1中。为此，首先单独确定和称重至少两种类型的可热膨胀的微空心球的质量比例。然后，至少两种类型的可热膨胀的微空心球彼此混合并填入到绝缘体中。在最后的步骤中，然后也为凸缘2提供遮盖部7，该遮盖部也可以可选地具有通风开口7，并且由可热膨胀的微空心球6组成的混合物通过整个装置的热处理膨胀，在管1中构造干燥复合泡沫。这种热处理优选在炉中进行。优选的是，利用可热膨胀的微空心球填充绝缘体仅在由玻璃纤维增强的塑料制成的管以及硅树脂壳体的制造之后进行，因为对于硅橡胶的硫化所需的温度否则可能损坏或破坏微空心球。
现在借助实施例更详细阐述本发明。
实例
实例1：
该实例涉及在膨胀模具中制造干燥复合泡沫。
由
Figure BDA0003559702010000151
551 DET 40 d25型的膨胀微空心球(34.7体积％；堆积密度0.0125g/cm3)和
Figure BDA0003559702010000152
551 DU 40型的未膨胀微空心球(65.4体积％；堆积密度0.5543g/cm3)组成的具有0.2g/cm3堆积密度的混合物在120℃的温度下在具有PTFE内涂层的由铝构成的圆柱形膨胀模具中膨胀2小时持续时间。
此外，在膨胀模具中，分别具有12mm直径的两个球形电极以1mm的距离布置。为了确保即使在执行膨胀之后仍然遵循该1mm的距离，借助合适的间距保持件将电极固定在其位置中。
在膨胀以在膨胀模具中构造干燥复合泡沫后，通过使用根据图2的用于击穿电压测量的电路来确定电击穿强度。在此，输入电压通过步进变压器控制。320kΩ电阻与样品串联连接以限制短路电流。利用电容分压器测量电压。
五个样品加载有1kV/mm的斜坡电压。利用示波器检测击穿电压，从该示波器根据以下公式计算峰值场强，其中，
Figure BDA0003559702010000156
是峰值击穿电压，η是电极组件的弱因子，并且g是两个电极之间的间隙距离：
Figure BDA0003559702010000153
对于干燥复合泡沫，该测量显示具有标准偏差σ＝23％的30.5kV/mm的击穿强度。
实例2：
该实例涉及直接在绝缘体中制造干燥复合泡沫。
由
Figure BDA0003559702010000154
551 DET 40 d25型的膨胀微空心球(83.9体积％；堆积密度0.0125g/cm3)和
Figure BDA0003559702010000155
551 DU 40型的未膨胀微空心球(16.1体积％；堆积密度0.5543g/cm3)组成的具有0.1g/cm3堆积密度的混合物在120℃的温度下直接在由玻璃纤维增强聚合物制成的具有120mm的内直径和20mm的高度的圆柱形或环形的绝缘体中在2小时的持续时间上膨胀。
圆柱体在膨胀期间在两端部上分别利用PTFE板封闭。
图3在左侧示出未填充的绝缘体的照片图像以及在右侧示出填充有干燥复合泡沫的绝缘体的照片图像。
在发泡后，圆柱形的绝缘体没有变形。这表明膨胀压力低于临界值，该临界值可能导致绝缘体的塑性变形或机械变形。因此，发泡能够容易地直接在绝缘体内部执行。
此外，从图3中可以看出，泡沫均匀地并且基本无空隙地形成。这表明，均匀地进行发泡并且导致均匀的材料分布。
最后还表明，在发泡之后获得的干燥复合泡沫与环形圆柱形的绝缘体的玻璃纤维增强聚合物具有强连接。这表明，在直接在绝缘体中发泡时，不需要附加的粘附剂来将导电材料与绝缘体连接。
附图标记列表
1 由玻璃纤维增强塑料制成的管
2、3 凸缘
4、7 具有通风开口的凸缘遮盖部
5 硅树脂壳体
6 由可热膨胀的微空心球组成的混合物

Claims (15)

1.一种电绝缘装置，所述电绝缘装置包括具有腔室的绝缘体并且包括在所述腔室中的电绝缘材料，其中，所述电绝缘材料包括干燥复合泡沫。
2.根据权利要求1所述的电绝缘装置，其中，所述绝缘体由如下材料制成，所述材料选自复合材料、瓷料和它们的组合。
3.根据权利要求1或2所述的电绝缘装置，其中，所述绝缘体是由复合材料或瓷料制成的管。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电绝缘装置，其中，所述绝缘体的腔室基本上完全地用所述干燥复合泡沫填充。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电绝缘装置，其中，所述干燥复合泡沫能够通过使如下混合物发泡而获得，所述混合物至少由在膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球和在未膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球组成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的电绝缘装置，其中，所述干燥复合泡沫能够通过使由在未膨胀状态中的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡而获得，其中，所述至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有针对膨胀的不同温度范围。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电绝缘装置，其中，所述电绝缘装置是以复合绝缘体的形式或以高压线塔臂的形式。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电绝缘装置，其中，所述电绝缘材料具有0.01g/cm3至0.6g/cm3、优选0.05g/cm3至0.5g/cm3的密度。
9.一种干燥复合泡沫作为电绝缘材料的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其中，所述干燥复合泡沫用作由复合材料或瓷料制成的空心体、优选管中的填充物。
11.根据权利要求9或10所述的用途，其中，所述干燥复合泡沫用于高压应用、例如作为复合绝缘体或作为高压线塔臂用于高压应用。
12.一种用于制造电绝缘装置的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供具有腔室的绝缘体，
(b1)要么提供至少由在膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球和在未膨胀状态中的基于聚合物的可热膨胀的微空心球组成的混合物，
(b2)要么提供由在未膨胀状态中的基于聚合物的至少两种类型的可热膨胀的微空心球组成的混合物，所述至少两种类型的可热膨胀的微空心球具有针对膨胀的不同温度范围，以及
(c)通过在50℃至200℃范围中的温度下的热处理使由基于可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡，以构造作为电绝缘材料的干燥复合泡沫，
其中，要么将由可热膨胀的微空心球组成的混合物填入到绝缘体的腔室中并且在那里发泡，要么将由可热膨胀的微空心球组成的混合物首先发泡并且将所获得的干燥复合泡沫填入到绝缘体的腔室中。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述步骤(c)包括以下子步骤(c1)和(c2)：
(c1)通过在50℃至200℃范围中的温度下热处理确定的持续时间来使由可热膨胀的微空心球组成的混合物发泡，以构造由可热膨胀的微空心球组成的预膨胀的混合物，
(c2)通过再次热处理确定的持续时间来使所述由可热膨胀的微空心球组成的预膨胀的混合物发泡，以构造干燥复合泡沫作为电绝缘材料，
其中，所述由可热膨胀的微空心球组成的混合物在子步骤(c1)中在至少一个合适的膨胀模具中在构造一些结构构件的情况下发泡，所述至少一个合适的膨胀模具具有至少一个比所述绝缘体的腔室更小的容积，并且在子步骤(c2)中将各个结构构件引入到所述绝缘体的腔室中或引入到合适的膨胀模具中以用于再次热处理。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，不使用粘附剂来连接所述电绝缘材料与所述绝缘体。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述发泡在100℃至180℃范围中的温度下、优选在125℃至175℃范围中的温度下执行。
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