CN114605801A - 一种高导热绝缘板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高导热绝缘板及其制备方法，以重量份数计，所述高导热绝缘板包含以下原材料：不饱和聚酯树脂20‑30份，低收缩剂15‑25份，填料60‑90份，增强纤维30‑40份，脱模剂1‑2份，引发剂0.5‑1份，颜料0‑2份。具体制备步骤：按配比称取重不饱和聚酯树脂、低收缩剂、脱模剂和引发剂混合搅拌得到树脂糊；然后再按配比称取填料加入混合机中，再加入树脂糊搅拌均匀；最后加入增强纤维搅拌均匀，得到的混合物加入预热的模具中，经加压、加热后固化成型，得到高导热绝缘板。本发明合理优化材料配比，具有高效的导热性能和绝缘性，避免了接头器处产生的热量堆积在绝缘板附近，提高了接头处的散热性能和使用安全性。
Description
技术领域
本发明属于配电设备技术领域，具体涉及一种高导热绝缘板及其制备方法。
背景技术
在配电领域中，母线槽是传输、分配电能的一种设备，具有载流能力大，安装方便，安全可靠，分配电能方便等诸多优点。近年来，随着人们对用电的需求量越来越大，母线槽逐步使用在大型供电设备中。
作为密集型母线槽存在一些缺点，比如，在输送电流过程中，由于输送电流较大，在母线槽各段接头处的接头器部位，因为相线导体与接头器导电排之间不可避免存在间隙，接头器内部发热程度一般高于母线槽其他部位，而传统密集型母线槽的接头器中的绝缘板几乎不导热使得接头处产生的热量堆积，不能散发出去，造成接头器部位内部温度高于母线槽其他部位，存在安全隐患。
中国专利(申请号201710911638.4)公开的“导热绝缘板及其制备方法和电子元件”虽然使导热绝缘版同时具有了绝缘性能和导热性能，但如果金属基板表面的涂层磨损或是开裂就会导致漏电，存在安全隐患。中国专利(申请号201510011419.1)公开的“一种高导热绝缘炭系填料和高导热绝缘环氧树脂复合材料及制备方法”，虽然提高了绝缘材料的导热性能，但是需要制取导热绝缘石墨烯，过程繁琐而且花费了大量时间，不利于高效生产。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种高导热绝缘板及其制备方法，改善了原本密集型母线槽接头处散热性能不够好的缺点。与现有绝缘板相比，本发明高导热绝缘板以氧化铝、碳化硅、氮化硼、超高分子量聚乙烯纤维和PBO纤维创造性结合，显著提高了绝缘板的导热系数、抗压和防腐等性能。
为了实现以上技术目的，本发明首先提供一种高导热绝缘板，以重量份数计，包含以下原材料：不饱和聚酯树脂20-30份，低收缩剂15-25份，填料60-90份，增强纤维30-40份，脱模剂1-2份，引发剂0.5-1份，颜料0-2份。
优选的，所述高导热绝缘板以重量份数计，包含以下原材料：不饱和聚酯树脂25份，低收缩剂20份，填料75份，增强纤维35份，脱模剂1.5份，引发剂0.5份。
优选的，所述不饱和聚酯树脂为选自邻苯型不饱和聚酯树脂、间苯型不饱和聚酯树脂、间二甲苯不饱和聚酯树脂和双酚A型不饱和聚酯树脂中的任意一种或两种以上的组合。
优选的，所述的低收缩剂选自聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的任意一种。
优选的，所述的填料为重质碳酸钙、300-600目的氧化铝粉、300-500目的碳化硅粉、10-25微米氮化硼粉中的任意一种或多种组合。
优选的，所述增强纤维为玻璃纤维与超高分子量聚乙烯纤维或PBO纤维中的任意一种或多种组合；所述玻璃纤维的直径为15～20μm、长度为6～12mm；PBO纤维的直径为15μm、长度为6mm；超高分子量聚乙烯纤维的直径为15μm、长度为6mm。
优选的，所述脱模剂为硬脂酸锌。
优选的，所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯按1:2质量比组合。
本发明还提供一种高导热绝缘板的制备方法，具体步骤如下：
按重量份配比称取不饱和聚酯树脂、低收缩剂、脱模剂和引发剂混合均匀，制成树脂糊；然后再按配比称取填料装在混合机中混合均匀；再加入树脂糊搅拌均匀；
按配比称取增强纤维，分多次加入混合机中搅拌均匀；得到的混合物最后加入预热至一定温度的模具中，经加压、加热后固化成型，即得到高导热绝缘板。
优选的，所述加压的参数为14～28Mpa，预热至一定温度为105～130℃，加热温度为120～150℃；所述多次为3-5次。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明填料采用的氧化铝、碳化硅、氮化硼，增强纤维采用的超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维都具有高热导率，并且优选纤维直径以及长度，明显提升绝缘板的导热性能；根据Agari模型和Rayleigh模型计算得本发明的高导热绝缘板比普通绝缘板导热系数提高80％以上，能够使该发明具有高效的导热性能和绝缘性，避免了接头器处产生的热量堆积在绝缘板附近，提高了母线槽接头处的散热性能，降低了母线槽使用的安全隐患。
2、本发明合理配比，增强纤维30-40份，虽然增强纤维含量能大幅度提高复合材料的性能，但是其用量不能过高，过高则会容易导致制品表面粗糙使导热绝缘板不能与母线槽里的连接片紧密接触，影响使用性能；本发明合理的选择30-40份，结合剩余组分，在此种比例下才使制品外观质量良好。
3、本发明填料为重质碳酸钙、300-600目的氧化铝粉、300-500目的碳化硅粉、10-25微米氮化硼粉，与制备普通绝缘板的复合材料相比在采用不同填料的同时选取不同的粒径，粒径小的填料起到填充空隙的作用，使填料在能够在基体中紧密堆积实现传热通路同时还能进一步加强结构强度。
4、本发明所制备的高导热绝缘板具有很好的防腐蚀性能，普通绝缘板的填料仅为碳酸钙，本发明采用了具有很高的耐腐蚀性的碳化硅、氧化铝和氮化硼，提升了母线槽接头器的耐腐蚀性，增长了母线槽接头器的使用寿命。
具体实施方式
通过以下实施例和验证试验对本发明的高导热绝缘板及其制备方法作进一步的说明。
实施例1：
一、一种高导热绝缘板，以重量份数计，包含以下原材料：
邻苯型不饱和聚酯树脂25份；
聚苯乙烯20份；
重质碳酸钙与500目的氧化铝粉按1:2质量比组合，共75份；
直径为15μm、长度为12mm玻璃纤维与直径为15μm、长度为6mm超高分子量聚乙烯纤维按1:1质量比组合，共35份；
脂酸硬锌1.5份；
过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯按1:2质量比组合，共0.5份。
二、制备方法
按配方称取邻苯型不饱和聚酯树脂，聚苯乙烯，硬脂酸锌，过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯混合均匀，制成树脂糊；按配方称取重质碳酸钙和氧化铝装在混合机中混合均匀，制成填料；将树脂糊加入到混合机中搅拌均匀；按配方称取玻璃纤维和超高分子量聚乙烯纤维装入塑料桶，经混合蓬松后，分3次加入混合机中搅拌均匀；最后加入预热(120℃)的模具中，经平板硫化机加压(21Mpa)、加热(135℃)后固化成型。
三、导热系数理论计算
第一步：
Agari模型：
logλ＝V1log(C1λ1)+V2 C2log(λ2)+V3C3log(λ3)
λ：邻苯型不饱和聚酯树脂与重质碳酸钙和氧化铝形成的复合材料的导热系数
λ1：邻苯型不饱和聚酯树脂的导热系数
λ2：重质碳酸钙的导热系数
λ3：氧化铝的导热系数
V1：邻苯型不饱和聚酯的体积分数
V2：重质碳酸钙的体积分数
V3：氧化铝的体积分数
C1：邻苯型不饱和聚酯的结晶度和晶体尺寸的影响因子系数
C2：重质碳酸钙形成导热链的难易程度系数
C3：氧化铝形成导热链的难易程度系数
本实施例中C1、C2、C3的取值均为1；
第二步：
Rayleigh模型：
C′1＝0.3058C′2＝0.0134
λ′：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ′1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙和氧化铝形成的复合材料的导热系数
λ′2：玻璃纤维的导热系数
V′：玻璃纤维的体积分数；V'2为V'数值的平方
C1'、C2'均为常数；C2'2为C2'数值的平方
γ为无纲量系数
第三步：
Rayleigh模型：
C″1＝0.3058C″2＝0.0134
λ″：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝、玻璃纤维和PE纤维形成的复合材料的导热系数
λ″1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ″2：PE纤维的导热系数
V″：PE纤维的体积分数；V”2为V”数值的平方
C1”、C2”均为常数，C2”2为C2”数值的平方
γ'为无纲量系数
以普通绝缘板为对比，普通绝缘板为BMC绝缘板；根据Agari模型Rayleigh模型计算实施例1制备高导热绝缘板的导热系数为1.71W/(m·K)，普通绝缘板为BMC绝缘板的导热系数为0.25W/(m·K)；
通过以上结果可以发现，本发明的高导热绝缘板与普通绝缘板的导热系数相比提高了85.38％。
实施例2：
一、一种高导热绝缘板，以重量份数计，包含以下原材料：
邻苯型不饱和聚酯树脂25份；
聚苯乙烯20份；
重质碳酸钙与300目的碳化硅粉按1:2质量比组合，共75份；
直径为15μm、长度为12mm玻璃纤维与直径为15μm、长度为6mmPBO纤维按1:1质量比组合，共35份；
脂酸硬锌1.5份；
过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯按1:2质量比组合，共0.5份。
二、制备方法：
按配方称取邻苯型不饱和聚酯树脂，聚苯乙烯，硬脂酸锌，过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯混合均匀，制成树脂糊；按配方称取重质碳酸钙和碳化硅装在混合机中混合均匀，制成填料；将树脂糊加入到混合机中搅拌均匀；按配方称取玻璃纤维和PBO纤维装入塑料桶，经混合蓬松后，分3次加入混合机中搅拌均匀；最后加入预热(120℃)的模具中，经平板硫化机加压(21Mpa)、加热(135℃)后固化成型。
三、导热系数理论计算
第一步：
Agari模型：
logλ＝V1log(C1λ1)+V2 C2log(λ2)+V3C3log(λ3)
λ：邻苯型不饱和聚酯树脂与重质碳酸钙和碳化硅形成的复合材料的导热系数
λ1：邻苯型不饱和聚酯树脂的导热系数
λ2：重质碳酸钙的导热系数
λ3：碳化硅的导热系数
V1：邻苯型不饱和聚酯的体积分数
V2：重质碳酸钙的体积分数
V3：碳化硅的体积分数
C1：邻苯型不饱和聚酯的结晶度和晶体尺寸的影响因子
C2：重质碳酸钙形成导热链的难易程度
C3：碳化硅形成导热链的难易程度
本实施例中C1、C2、C3的取值均为1；
第二步：
Rayleigh模型：
C′1＝0.3058C′2＝0.0134
λ′：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、碳化硅和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ′1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙和碳化硅形成的复合材料的导热系数
λ′2：玻璃纤维的导热系数
V′：玻璃纤维的体积分数；V'2为V'数值的平方
C1'、C2'均为常数，C2'2为C2'数值的平方
γ为无纲量系数
第三步：
Rayleigh模型：
C″1＝0.3058C″2＝0.0134
λ″：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、碳化硅、玻璃纤维和PBO纤维形成的复合材料的导热系数
λ″1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、碳化硅和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ″2：PBO纤维的导热系数
V″：PBO纤维的体积分数，V”2为V”数值的平方
C1”、C2”均为常数
γ'为无纲量系数
以普通绝缘板为对比，普通绝缘板为BMC绝缘板；根据Agari模型Rayleigh模型计算高导热绝缘板的导热系数为1.95W/(m·K)，BMC绝缘板的导热系数为0.25W/(m·K)；
通过以上结果可以发现，本发明的高导热绝缘板与普通绝缘板的导热系数相比提高了87.18％。
实施例3：
一、一种高导热绝缘板，以重量份数计，包含以下原材料：
邻苯型不饱和聚酯树脂25份；
聚苯乙烯20份；
重质碳酸钙、400目的氧化铝粉和300目的碳化硅按1:2:2质量比组合，共75份；
直径为15μm、长度为10mm玻璃纤维与直径为15μm、长度为6mmPBO纤维按2:1质量比组合，共35份；
脂酸硬锌1.5份；
过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯按1:2质量比组合，共0.5份。
二、制备方法：
按配方称取邻苯型不饱和聚酯树脂，聚苯乙烯，硬脂酸锌，过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯混合均匀，制成树脂糊；按配方称取重质碳酸钙、氧化铝和碳化硅装在混合机中混合均匀，制成填料；将树脂糊加入到混合机中搅拌均匀；按配方称取玻璃纤维和PBO纤维装入塑料桶，经混合蓬松后，分3次加入混合机中搅拌均匀；最后加入预热(120℃)的模具中，经平板硫化机加压(21Mpa)、加热(135℃)后固化成型。
三、导热系数理论计算
第一步：
Agari模型：
logλ＝V1log(C1λ1)+V2 C2log(λ2)+V3C3log(λ3)+V4C4log(λ4)
λ：邻苯型不饱和聚酯树脂与重质碳酸钙、氧化铝和碳化硅形成的复合材料的导热系数
λ1：邻苯型不饱和聚酯树脂的导热系数
λ2：重质碳酸钙的导热系数
λ3：氧化铝的导热系数
λ4：碳化硅的导热系数
V1：邻苯型不饱和聚酯的体积分数
V2：重质碳酸钙的体积分数
V3：氧化铝的体积分数
V4：碳化硅的体积分数
C1：邻苯型不饱和聚酯的结晶度和晶体尺寸的影响因子
C2：重质碳酸钙形成导热链的难易程度
C3：氧化铝形成导热链的难易程度
C4：碳化硅形成导热链的难易程度
本实施例中C1、C2、C3、C4的取值均为1；
第二步：
Rayleigh模型：
C′1＝0.3058C′2＝0.0134
λ′：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝、碳化硅和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ′1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝和碳化硅形成的复合材料的导热系数
λ′2：玻璃纤维的导热系数
V′：玻璃纤维的体积分数，V'2为V'数值的平方
C1'、C2'均为常数，C2'2为C2'数值的平方
γ'为无纲量系数
第三步：
Rayleigh模型：
C″1＝0.3058C″2＝0.0134
λ″：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝、碳化硅、玻璃纤维和PBO纤维形成的复合材料的导热系数
λ″1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝、碳化硅和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ″2：PBO纤维的导热系数
V″：PBO纤维的体积分数，V”2为V”数值的平方
C1”、C2”均为常数，C2”2为C2”数值的平方
γ'为无纲量系数
以普通绝缘板为对比，普通绝缘板为BMC绝缘板；根据Agari模型Rayleigh模型计算高导热绝缘板的导热系数为2.47W/(m·K)，BMC绝缘板的导热系数为0.25W/(m·K)；
通过以上结果可以发现，本发明的高导热绝缘板与普通绝缘板的导热系数相比提高了89.88％。
实施例4：
一、一种高导热绝缘板，以重量份数计，包含以下原材料：
邻苯型不饱和聚酯树脂25份；
聚苯乙烯20份；
重质碳酸钙与500目的氧化铝粉和25微米氮化硼粉按1:1:1质量比组合，共75份；
直径为20μm、长度为6mm玻璃纤维与直径为15μm、长度为6mmPBO纤维按2:1质量比组合，共35份；
脂酸硬锌1.5份；
氢氧化钙1份
过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯按1:2质量比组合，共0.5份。
二、制备方法：
按配方称取邻苯型不饱和聚酯树脂，聚苯乙烯，硬脂酸锌，氢氧化钙，过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯混合均匀，制成树脂糊；按配方称取重质碳酸钙、氧化铝和氮化硼装在混合机中混合均匀，制成填料；将树脂糊加入到混合机中搅拌均匀；按配方称取玻璃纤维和PBO纤维装入塑料桶，经混合蓬松后，分3次加入混合机中搅拌均匀；最后加入预热(120℃)的模具中，经平板硫化机加压(21Mpa)、加热(135℃)后固化成型。
三、导热系数理论计算
第一步：
Agari模型：
logλ＝V1log(C1λ1)+V2 C2log(λ2)+V3C3log(λ3)+V4C4log(λ4)
λ：邻苯型不饱和聚酯树脂与重质碳酸钙、氧化铝和氮化硼形成的复合材料的导热系数
λ1：邻苯型不饱和聚酯树脂的导热系数
λ2：重质碳酸钙的导热系数
λ3：氧化铝的导热系数
λ4：氮化硼的导热系数
V1：邻苯型不饱和聚酯的体积分数
V2：重质碳酸钙的体积分数
V3：氧化铝的体积分数
V4：氮化硼的体积分数
C1：邻苯型不饱和聚酯的结晶度和晶体尺寸的影响因子
C2：重质碳酸钙形成导热链的难易程度
C3：氧化铝形成导热链的难易程度
C4：氮化硼形成导热链的难易程度
本实施例中C1、C2、C3、C4的取值均为1；
第二步：
Rayleigh模型：
C′1＝0.3058C′2＝0.0134
λ′：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝、氮化硼和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ′1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝和氮化硼形成的复合材料的导热系数
λ′2：玻璃纤维的导热系数
V′：玻璃纤维的体积分数，V'2为V'数值的平方
C1'、C2'均为常数，C2'2为C2'数值的平方
γ为无纲量系数
第三步：
Rayleigh模型：
C″1＝0.3058C″2＝0.0134
λ″：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝、氮化硼、玻璃纤维和PBO纤维形成的复合材料的导热系数
λ″1：邻苯型不饱和聚酯树脂、重质碳酸钙、氧化铝、氮化硼和玻璃纤维形成的复合材料的导热系数
λ″2：PBO纤维的导热系数
V″：PBO纤维的体积分数，V”2为V”数值的平方
C1”、C2”均为常数，C2”2为C2”数值的平方
γ'为无纲量系数
以普通绝缘板为对比，普通绝缘板为BMC绝缘板；根据Agari模型Rayleigh模型计算得高导热绝缘板的导热系数为1.57W/(m·K)，BMC绝缘板的导热系数为0.25W/(m·K)；
通过以上结果可以发现，本发明的高导热绝缘板与普通绝缘板的导热系数相比提高了84.08％。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种高导热绝缘板，其特征在于，以重量份数计，包含以下原材料：不饱和聚酯树脂20-30份，低收缩剂15-25份，填料60-90份，增强纤维30-40份，脱模剂1-2份，引发剂0.5-1份，颜料0-2份。
2.根据权利要求1所述的一种高导热绝缘板，其特征在于，所述高导热绝缘板以重量份数计，包含以下原材料：不饱和聚酯树脂25份，低收缩剂20份，填料75份，增强纤维35份，脱模剂1.5份，引发剂0.5份。
3.根据权利要求1所述的一种高导热绝缘板，其特征在于，所述不饱和聚酯树脂为选自邻苯型不饱和聚酯树脂、间苯型不饱和聚酯树脂、间二甲苯不饱和聚酯树脂和双酚A型不饱和聚酯树脂中的任意一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的一种高导热绝缘板，其特征在于，所述的低收缩剂选自聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种高导热绝缘板，其特征在于，所述的填料为重质碳酸钙、300-600目的氧化铝粉、300-500目的碳化硅粉、10-25微米氮化硼粉中的任意一种或多种组合。
6.根据权利要求1所述的一种高导热绝缘板，其特征在于，所述增强纤维为玻璃纤维与超高分子量聚乙烯纤维或PBO纤维中的任意一种或多种组合；所述玻璃纤维的直径为15～20μm、长度为6～12mm；PBO纤维的直径为15μm、长度为6mm；超高分子量聚乙烯纤维的直径为15μm、长度为6mm。
7.根据权利要求1所述的一种高导热绝缘板，其特征在于，所述脱模剂为硬脂酸锌。
8.根据权利要求1所述的一种高导热绝缘板，其特征在于，所述引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯与过氧化异辛酸叔丁酯按1:2质量比组合。
9.根据权利要求1-8任意一项所述的一种高导热绝缘板的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
按计量好的配比称重不饱和聚酯树脂、低收缩剂、脱模剂和引发剂混合均匀，制成树脂糊；然后再按计量好的配比称重填料装在混合机中混合均匀；再加入树脂糊搅拌均匀；
按计量好的配比称重增强纤维，分多次加入混合机中搅拌均匀；得到的混合物最后加入预热至一定温度的模具中，经加压、加热后固化成型，即得到高导热绝缘板。
10.根据权利要求9所述的一种高导热绝缘板的制备方法，其特征在于，所述加压的参数为14～28Mpa，预热温度为105～130℃，预热至一定温度为120～150℃；所述多次为3-5次。
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