CN114750485A - 钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料及其制备方法，涉及高压和特高压电缆附件材料技术领域。所述制备方法包括：按重量份计，将氟硅橡胶生胶80～120份，增强剂30～40份，硫化剂1～6份，钛酸锶钡5～30份混合均匀，得到混合物，并且其中氟硅橡胶生胶与钛酸锶钡的配比满足100：5～30，将混合物进行混炼、熔融处理，采用增材成型技术得到层状分布的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，所述钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料包括由内到外钛酸锶钡含量逐层减少的第1至N复合材料层，且N不小于3。本发明将钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料附加在半导电屏蔽层，实现均化电场的目的。
Description
技术领域
本发明涉及高压或特高压电缆附件材料技术领域，具体来讲，涉及一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料及其制备方法、一种基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件、一种高压或特高压电缆以及一种高压或特高压电力输送系统。
背景技术
硅橡胶是一种以硅氧键为主链以有机基团为侧基的聚合物，具有优异的电气性能，广泛应用于复合绝缘子、电缆应力锥等高电压绝缘领域。在高压电缆附件中，通常选用乙烯基硅橡胶制备电缆附件。
在电缆头制作中，半导电屏蔽层剥离会改变原有电场分布，导致断口处电场集中，通常采用“应力锥”结构达到均化电场的目的；但现有应力锥结构装配工艺要求较高，易带来装配缺陷问题，导致电缆附件故障。
发明内容
发明人经分析，发现：解决应力锥因结构装配工艺高，导致电缆附件故障问题，需在结构与材料方面，研究一种去应力锥结构，达到均化电场的目的，在电缆附件领域，具有较高相对介电常数的材料可以改善电场分布的均匀性。因此，发明人希望研究一种改善电场分布均匀性的介电梯度材料。
本发明的目的之一在于提供一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料及其制备方法。本发明的另一目的在于提供一种基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件。
为实现上述目的，本发明涉及以下技术方案：
本发明的第一方面提供一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料的制备方法，所述制备方法可由以下步骤构成：
按重量份计，将80～120份的氟硅橡胶生胶，30～40份的增强剂，1～6份的硫化剂以及5～30份的钛酸锶钡混合均匀，得到混合物，并且其中氟硅橡胶生胶与钛酸锶钡的配比满足100：5～30，将混合物进行混炼、熔融处理，采用增材成型技术得到层状分布的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，所述钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料包括由内到外钛酸锶钡含量逐层减少的第1至N复合材料层，且N不小于3。加入增强剂可使氟硅橡胶生胶具有一定的强度，主要起到塑性的目的，此外，氟硅橡胶和钛酸锶钡均具有高相对介电常数，在氟硅橡胶生胶中添加钛酸锶钡可以使材料相对介电常数增大，但是钛酸锶钡含量过多时，会降低复合材料的击穿性能。
例如，可通过开炼机混炼或密炼机混炼对混合物进行混炼处理，可通过熔融沉积3D打印技术来形成钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，然而本发明可不限于此。熔融处理的温度可以在60℃～80℃。熔融温度过低氟硅橡胶生胶不能软化，过高会焦烧或造成硫化剂挥发损失。
在本发明的一个示例性实施例中，第i+1复合材料层的钛酸锶钡含量占第i复合材料层40％～90％，其中，i为自然数，且遍历1至N-1；进一步，第i+1复合材料层的钛酸锶钡含量占第i复合材料层60％～75％。
在本发明的一个示例性实施例中，钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料中复合材料层的厚度可以均匀设置或者可以按照由内到外逐层增厚或逐层减薄的形式设置。例如，钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料中各复合材料层厚度可以为0.7～1.2倍的1/N。各复合材料层厚度与组分相配合，从而使断口处电场更均匀，更适于高压和特高压电缆附件领域。
在本发明的一个示例性实施例中，所述氟硅橡胶生胶90～110份，增强剂33～38份，硫化剂4～6份，钛酸锶钡10～25份。此外，进一步，所述氟硅橡胶生胶97～105份，增强剂35～36份，钛酸锶钡15～20份。
在本发明的一个示例性实施例中，所述氟硅橡胶为分子链中引入0.2～0.4wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。
在本发明的一个示例性实施例中，所述硫化剂可以为双二五、过氧化二异丙苯(DCP)；所述增强剂可以为疏水型气相补强剂。例如，增强剂可以为气相法白炭黑、沉淀法白炭黑。疏水型气相增强剂可以为硅烷化处理后的疏水型气相白炭黑、疏水型沉淀法白炭黑。
本发明的第二方面提供一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，所述钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料通过如上所述的任意一项制备方法得到。
在本发明的一个示例性实施例中，所述钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料具有沿径向截面由内向外方向逐渐降低的相对介电常数。
本发明的第三方面提供一种基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件，所述去应力锥结构电缆附件沿从内到外方向由交联聚乙烯绝缘层、如上所述的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料、以及硅橡胶绝缘层层叠而成。
本发明的第四方面是提供一种高压或特高压电缆，所述高压电缆包括通过如上所述的基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件。这里，所述高压的范围为110kV以上，进一步额定功率为1000-3000兆瓦。所述特高压的范围为绝对值800kV以上的直流电压，进一步为1000kV及以上交流电。所述基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件设置在高压或特高压电缆的半导电断口处。
本发明的第五方面提供一种高压或特高压电力输送系统，所述电力输送系统包括如上所述的高压或特高压电缆。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的一项或者多项：
(1)提供一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料及其制备方法，将钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料附加在高压或特高压电缆的半导电屏蔽层，替代了应力锥，降低了装配工艺要求，且提高了装配质量和稳定性；
(2)提供了一种基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件，利用其具有沿径向截面由内向外方向逐渐降低的相对介电常数性质，减少界面参数差异，改善电场分布的均匀性；
(3)获得了一种能够有利于均化高压或特高压电缆断口处电场的电缆附件、以及高压或特高压电缆，通过介电梯度材料，利用半导电断口处高介电材料与电缆主绝缘相对介电常数的差异性，实现电缆半导电断口电场控制，使电场控制方式从“控形”到“控性”的改变。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件的一个示例性实施例；
图2示出了3D打印本发明钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料相对介电常数(ε)变化的一个示例性实施例；
图3示出了相对介电常数均匀材料与本发明钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料相对介电常数变化的一个示例性实施例。
附图标记说明：
1-交联聚乙烯绝缘层；
2-硅橡胶绝缘层；
3-应力锥；
4-钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料。
具体实施方式
为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
按照表1中各层复合材料层的配比，将氟硅橡胶生胶、增强剂、硫化剂、不同浓度钛酸锶钡混炼均匀，分别得到各层对应的混炼胶。以各层对应的混炼胶为原料，通过熔融沉积3D打印方式逐层或逐点积累，形成从内到外由第一复合材料层、第二复合材料层和第三复合材料层构成的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料。
这里，前述的混炼胶也可在进行熔融沉积3D打印之前，进一步通过混炼、熔融后造粒处理，形成粒状原料。此外，前述的混炼胶也可在进行熔融沉积3D打印之前，进一步通过混炼、熔融后造粒处理、线材成型处理，得到可适用于熔融沉积3D打印的线状原料。
关于第一复合材料层、第二复合材料层和第三复合材料层对应的混炼胶的制备详述如下。
具体来讲，第三复合材料层采用开炼机混炼，熔融温度为70℃。氟硅橡胶为分子链中引入0.25wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。增强剂为硅烷化处理后的疏水型气相白炭黑。硫化剂为双二五。
第二复合材料层采用开炼机混炼，熔融温度为70℃。氟硅橡胶为分子链中引入0.35wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。增强剂为硅烷化处理后的疏水型沉淀法白炭黑。硫化剂为双二五。
第一复合材料层采用开炼机混炼，熔融温度为70℃。氟硅橡胶为分子链中引入0.3wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。增强剂为疏水型气相白炭黑。硫化剂为DCP。
然而，本发明的线材成型方式不限于上述情况，其他诸如聚合物喷射的方式也可以实现线材成型以便配合后续熔融沉积3D打印的加工工艺。此外，本发明的增材成型方式也不限于上述的熔融沉积3D打印，其他方式亦可。
表1实施例1配料表
将第一复合材料层、第二复合材料层、第三复合材料层通过熔融沉积3D打印技术加工形成等厚度的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，并形成相应的去应力锥结构电缆附件。
测试实施例1对应的去应力锥结构电缆附件的相对介电常数及其梯度变化状况。相关测试结果见表2。
表2相对介电常数及其梯度变化状况
以上述相应的去应力锥结构电缆附件，构成适用于高压与特高压的电缆。
在交流10kV/mm的电场强度下，测试实施例1对应的去应力锥结构电缆附件的断口处电场强度及其均匀状况。相关测试结果见表3。
表3电场强度及其均匀状况
实施例2
按照表4中各层复合材料层的配比，将氟硅橡胶生胶，增强剂，硫化剂，钛酸锶钡混合均匀，分别得到各层对应的混炼胶。以各层对应的混炼胶为原料，通过光固化快速成型的方式，形成从内到外由第一复合材料层、第二复合材料层、第三复合材料层和第四复合材料层构成的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料。
关于第一复合材料层、第二复合材料层、第三复合材料层和第四复合材料层对应的混炼胶的制备详述如下。
具体来讲，第四复合材料层采用开炼机混炼，熔融温度为65℃。氟硅橡胶为分子链中引入0.25wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。增强剂为硅烷化处理后的疏水型气相白炭黑。硫化剂为双二五。
第三复合材料层采用密炼机混炼，熔融温度为60℃。氟硅橡胶为分子链中引入0.25wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。增强剂为硅烷化处理后的疏水型气相白炭黑。硫化剂为双二五。
第二复合材料层采用开炼机混炼，熔融温度为70℃。氟硅橡胶为分子链中引入0.35wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。增强剂为硅烷化处理后的疏水型沉淀法白炭黑。硫化剂为双二五。
第一复合材料层采用密炼机混炼，熔融温度为65℃。氟硅橡胶为分子链中引入0.3wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基。增强剂为疏水型气相白炭黑。硫化剂为DCP。
表4实施例2配料表
将第一复合材料层、第二复合材料层、第三复合材料层以及第四复合材料层通过光固化快速成型方式加工形成钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，并形成相应的去应力锥结构电缆附件。
测试实施例2对应的去应力锥结构电缆附件的相对介电常数及其梯度变化状况。相关测试结果见表5。
表5相对介电常数及其梯度变化状况
以上述相应的去应力锥结构电缆附件，构成适用于高压与特高压的电缆。
在交流10kV/mm的电场强度下，测试实施例2对应的去应力锥结构电缆附件的断口处电场强度及其均匀状况。相关测试结果见表6。
表6电场强度及其均匀状况
通过表3和表5可以看出，实施例1和2对应的基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件的断口处电场集中得到明显改善，内部的断口处电场强度减小。
另外，如图2所示，本发明3D打印是将不同含量钛酸锶钡复合材料层在电脑程序的控制下，通过逐层或逐点地累积形成从内到外不同钛酸锶钡含量的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，此处，这里不同含量钛酸锶钡复合材料层对应形成不同相对介电常数材料组元。通过对钛酸锶钡含量的控制，采用3D打印方式形成由内到外相对介电常数逐层递减的第1至N复合材料层，进而实现材料局部结构与总体形状的“控形控性一体化”制造，使电缆断口处电场更均匀，更适于高压和特高压电缆附件领域。
此外，将不同钛酸锶钡含量的复合材料层增材成型处理得到相对介电常数由内到外逐层降低的梯度材料。如图3所示，改性后的材料，即本发明钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料的相对介电常数可随样品厚度呈梯度变化，即本发明钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料的相对介电常数由内到外随层数的增加而减小。
在电缆附件领域，具有较高相对介电常数的材料可以改善电场分布的均匀性，从而保障了线路的安全。因此，通过材料与结构方面研究一种去应力锥结构具有重大意义。
本申请中，相对介电常数是指预测材料介电常数与真空介电常数之比，真空介电常数为8.85×10-12F/m。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
按重量份计，将80～120份的氟硅橡胶生胶、30～40份的增强剂、1～6份的硫化剂以及5～30份的钛酸锶钡混合均匀，得到混合物，并且其中氟硅橡胶生胶与钛酸锶钡的配比满足100：5～30；
将混合物进行混炼、熔融处理，采用增材成型技术得到层状分布的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，所述钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料包括由内到外钛酸锶钡含量逐层减少的第1至N复合材料层，且N不小于3。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第i+1复合材料层的钛酸锶钡含量占第i复合材料层40％～90％，其中，i为自然数，且遍历1至N-1。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟硅橡胶生胶90～110份，增强剂33～38份，硫化剂2～4份，钛酸锶钡10～25份，进一步，所述氟硅橡胶生胶97～105份，增强剂35～36份，钛酸锶钡15～20份。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氟硅橡胶为分子链中引入0.2～0.4wt％乙烯基硅氧烷共聚改性的三氟丙基甲基聚硅氧烷，并且所述三氟丙基甲基聚硅氧烷的主链由硅和氧原子组成，与硅相连的侧基为甲基、乙烯基和三氟丙基；所述增强剂为气相白炭黑；进一步，所述增强剂为硅烷化处理后的疏水型气相白炭黑。
5.一种钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，其特征在于，所述钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料由如权利要求1至4中任意一项所述的制备方法得到。
6.根据权利要求5所述的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料，其特征在于，所述钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料具有沿径向截面由内向外方向逐渐降低的相对介电常数。
7.一种基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件，其特征在于，所述去应力锥结构电缆附件沿从内到外方向由交联聚乙烯绝缘层、如权利要求5或6所述的钛酸锶钡氟硅橡胶复合梯度材料、以及硅橡胶绝缘层层叠而成。
8.一种高压或特高压电缆，其特征在于，所述高压或特高压电缆如权利要求7所述的基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件。
9.根据权利要求8所述高压或特高压电缆，其特征在于，所述基于介电梯度的去应力锥结构电缆附件设置在高压或特高压电缆的半导电断口处。
10.一种高压或特高压电力输送系统，其特征在于，所述电力输送系统包括如权利要求8或9所述的高压或特高压电缆。
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