CN114773857A - 二元复合硅橡胶材料及其制备方法和用途 - Google Patents

二元复合硅橡胶材料及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种二元复合硅橡胶材料及其制备方法和用途，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10～20份的苯基硅橡胶生胶与余量的乙烯基硅橡胶生胶充分混合，形成100份的第一混合物，将100份的所述第一混合物与30～40份的补强剂、1～7份的硫化剂和5～20份的偶联剂改性纳米碳化硅充分混合，形成第二混合物；使所述第二混合物在160℃～200℃反应，制得所述二元复合硅橡胶材料。本发明能够提高硅橡胶复合材料电导率的同时不降低复合材料的击穿性能以及提高高温“电缆主绝缘层‑附件硅橡胶绝缘层”界面匹配特性。

Description

二元复合硅橡胶材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及高压和特高压电缆附件材料技术领域，具体来讲，涉及一种二元复合硅橡胶材料及其制备方法、含有该二元复合硅橡胶材料的电缆以及该二元复合硅橡胶材料在制作电缆的附件绝缘层方面的用途。
背景技术
高压直流输电系统凭借线路损耗小、输送容量大、运行稳定性高等优点被广泛应用于输电、送电、配电网络等方面，但电缆附件作为电缆重要的部件，限制着高压直流输电的发展。
高温下电缆交联聚乙烯(XLPE)绝缘和附件硅橡胶(SIR)绝缘电导率不匹配导致二者界面电荷积聚，甚至使绝缘老化或击穿。
发明内容
发明人经分析，发现：为了提高高温下“电缆主绝缘层-附件硅橡胶绝缘”界面匹配特性，减少界面电荷积聚，需要对硅橡胶材料进行改性，提高其在高温下的电导率。然而，如果仅仅针对电缆的附件用硅橡胶通过引入纳米粒子改性非线性电导，常常导致在实际应用中同时会降低复合材料的击穿性能。因此，发明人希望研究一种既可提高电导特性又不降低击穿性能，从而能够具有优良的界面匹配特性的改性硅橡胶复合材料。
本发明的目的之一在于提供一种具有优良的界面匹配特性的二元复合硅橡胶材料及其制备方法。本发明的另一目的在于提供一种适合于用作高温条件下的高压直流输电系统的电缆附件、且具有优良的界面匹配特性的二元复合硅橡胶材料。
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二元复合硅橡胶材料的制备方法，所述制备方法可由以下步骤构成：
按重量份计，将10～20份的苯基硅橡胶生胶与余量的乙烯基硅橡胶生胶充分混合，形成100份的第一混合物，将100份的所述第一混合物与30～40份的补强剂、1～7份的硫化剂和5～20份的偶联剂改性纳米碳化硅充分混合，形成第二混合物；
使所述第二混合物在160℃～200℃反应，制得所述二元复合硅橡胶材料。
例如，可通过混炼机的混炼来形成所述第一混合物，可通过在辊筒上混炼并随后静置的方式来形成所述第二混合物，然而本发明可不限于此。形成第一混合物的温度可以在60～70℃，形成第二混合物的温度可以在60～70℃。
在本发明的一个示例性实施例中，所述苯基硅橡胶生胶的份数可以为13～17，所述补强剂的份数可以为33～38，所述硫化剂的份数可以为2～4，所述偶联剂改性纳米碳化硅的份数可以为10～16。此外，进一步，所述补强剂的份数可以为34～36，所述偶联剂改性纳米碳化硅的份数可以为12～14。
在本发明的一个示例性实施例中，所述苯基硅橡胶生胶中苯基的摩尔分数可以为5％-15％，乙烯基硅橡胶生胶中乙烯基的摩尔分数可以为0.08％～1％。另外，所述苯基硅橡胶生胶中苯基的摩尔分数可以为7％-13％，乙烯基硅橡胶生胶中乙烯基的摩尔分数可以为0.12％～0.7％，进一步，所述苯基硅橡胶生胶中苯基的摩尔分数可以为9％-12％，乙烯基硅橡胶生胶中乙烯基的摩尔分数可以为0.15％～0.3％。苯基的含量在5-15％。此时硅橡胶的热稳定性较好，当苯基含量增多会使加工困难，物理机械性能变差。
在本发明的一个示例性实施例中，所述偶联剂改性纳米碳化硅可由以下方式得到：将纳米碳化硅、无水乙醇和偶联剂按照1：90～110：0.2～0.4的重量比混合，随后按照与所述纳米碳化硅的重量比为22～30：1的配比额外滴加蒸馏水，形成混合液，随后超声分散、分离、烘干，得到1份的所述偶联剂改性纳米碳化硅。例如，偶联剂改性纳米碳化硅的粒径可以为800nm以下，进一步为50～100nm。这里，偶联剂可以为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、Y-5475、A189、A1100等，然而，本发明不限于此。硅烷偶联剂能够增强与基体的界面作用，有利于改善其在基体中的分散。
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)；所述补强剂可以为疏水型气相补强剂。例如，补强剂可以为气相白炭黑、沉淀法白炭黑。疏水型气相补强剂可以为硅烷化处理后的疏水型气相白炭黑。
本发明的第二方面提供一种二元复合硅橡胶材料，所述二元复合硅橡胶材料通过如上所述的任意一项制备方法得到。
本发明的第三方面提供一种高压直流输电电缆，包括XLPE主绝缘层、以及形成在所述主绝缘层外部的附件硅橡胶绝缘层，所述附件硅橡胶绝缘层由如上所述任意一项的二元复合硅橡胶材料构成。所述高压直流输电线路的额定功率在1000-3000兆瓦之间，电压等级在110KV以上。所述特高压的范围为绝对值800KV以上的直流电压，进一步为1000千伏及以上交流电。
本发明的第四方面提供一种如上所述任意一项的二元复合硅橡胶材料用于制备电缆的附件绝缘层的用途。
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)提高硅橡胶复合材料的非线性电导的同时不降低复合材料的击穿性能，例如，所述得到的二元复合硅橡胶材料在10～20KV/mm的电场强度范围，温度25℃～90℃，电导率由4.0×10-14S/m增大到2.4×10-12S/m；并且所述二元复合硅橡胶电导率的斜率与主绝缘XLPE层电导率的斜率之比为不小于0.7，例如，为0.7～0.9。
(2)能够提高高温“电缆主绝缘层-附件硅橡胶绝缘层”界面匹配特性，减少界面电荷积聚，尤其适用于80～95℃高温“电缆主绝缘层-附件硅橡胶绝缘层”界面匹配特性。
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示出了电缆主绝缘XLPE层与附件硅橡胶材料的电导率变化关系；
图2示出了电缆主绝缘XLPE层与本发明的附件二元硅橡胶复合材料的电导率变化关系。
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1-3
按照表1中的配比，将苯基硅橡胶生胶与乙烯基硅橡胶生胶充分混合，形成第一混合物。
随后，按照表1中配比，将所有第一混合物与补强剂、硫化剂和偶联剂改性纳米碳化硅充分混合，形成第二混合物。实施例1补强剂为气相白炭黑，硫化剂为双二五，偶联剂改性纳米碳化硅使用实施例4的γ-氨丙基三乙氧基硅烷，采用的是开炼机混炼的方式，反应温度为165℃。实施例2补强剂为气相白炭黑，硫化剂为过氧化二异丙苯(DCP)，偶联剂改性纳米碳化硅使用实施例5的γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，采用的是密炼机混炼的方式，反应温度为180℃。实施例3补强剂为疏水型沉淀法白炭黑，硫化剂为过氧化二异丙苯(DCP)，偶联剂改性纳米碳化硅使用市售的Y-5475，采用的是开炼机混炼的方式，反应温度为175℃。
使所述第二混合物按照表1中的参数进行反应，制得所述二元复合硅橡胶材料。
对比例1
在实施例1的基础上，区别在于不加苯基硅橡胶和偶联剂改性纳米碳化硅。
对比例2
在实施例1的基础上，区别在于不加乙烯基硅橡胶和偶联剂改性纳米碳化硅。
表1
Figure BDA0003568936660000061
实施例4-5
按照表4中的配比，将纳米碳化硅、无水乙醇、偶联剂和水混合，形成混合液，超声分散、分离、烘干，得到所述偶联剂改性纳米碳化硅。实施例4偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷。实施例5偶联剂为γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
表4
纳米碳化硅 无水乙醇 偶联剂 蒸馏水
实施例4 1 95 0.29 23
实施例5 1 100 0.26 26
测试二元复合硅橡胶材料的击穿性能，见表2。
表2
击穿场强(kV/mm) 25℃ 90℃
实施例1 115.36 106.89
实施例2 113.74 104.36
实施例3 111.36 101.36
对比例1 93.74 85.60
对比例2 120.48 108.34
在10KV/mm的电场强度下，测试二元复合硅橡胶材料的电导率，见表3。
表3
电导率(S/m) 25℃ 90℃
实施例1 4.36×10<sup>-14</sup> 2.13×10<sup>-12</sup>
实施例2 3.96×10<sup>-14</sup> 2.21×10<sup>-12</sup>
实施例3 4.29×10<sup>-14</sup> 2.36×10<sup>-12</sup>
对比例1 3.76×10<sup>-14</sup> 8.94×10<sup>-14</sup>
对比例2 8.91×10<sup>-15</sup> 1.03×10<sup>-14</sup>
通过表2、表3可以看出，实施例1-3的二元复合硅橡胶材料的击穿强度高出对比例1的乙烯基硅橡胶的15％以上，且在10KV/mm的电场强度下，90℃电导率约为对比例1的20倍以上，约为对比例2的160倍以上。
图1示出了电缆主绝缘XLPE层与现有技术中的附件硅橡胶材料的电导率变化关系，图1中SIR表示附件硅橡胶材料。图2示出了电缆主绝缘XLPE层与本发明的附件二元硅橡胶复合材料的电导率变化关系，图2中SIR表示附件二元硅橡胶复合材料。
通过比较图1和图2可以明确，本发明改性后的二元复合硅橡胶材料可以实现：例如，在10～20KV/mm的电场强度范围内下，随温度从25～90°的变化，其电导率可由4.0×10-14增大到2.4×10-12，且其电导率的斜率拟合线与主绝缘XLPE层的斜率拟合线基本平行。而且，经实验模拟，本发明所述的二元复合硅橡胶电导率的拟合线与主绝缘XLPE层拟合线的斜率之比在0.7～0.9范围内更接近1，这就意味着当温度或是电场有明显变化时，硅橡胶能跟上主绝缘XLPE电导率的增长速率，两者可以近乎同比例增长。本发明的电缆尤其适用于80～95℃高温“电缆主绝缘层-附件硅橡胶绝缘层”界面匹配特性。
如图1所示，硅橡胶电导率的拟合线与主绝缘XLPE层拟合线的斜率之比约在0.10～0.20范围内，这就意味着当温度或是电场有明显变化时，硅橡胶与主绝缘XLPE电导率的增长速率匹配性差。
另外，发明人表示，界面空间电荷产生的根本原因是复合界面两侧绝缘材料的电导率不均。电导率既是温度的函数，也是电场的函数，若能使得在不同温度和不同电场强度下，附件绝缘材料的电导率与电缆的主绝缘材料比值相等或近似，就能有效地抑制界面上的空间电荷。根据以上实验结果和推理，可以合理推测本发明的二元复合硅橡胶材料同样适用于其他电压的高压及特高压系统，且能够具有优良的高温“电缆主绝缘层-附件硅橡胶绝缘层”界面匹配特性，减少界面电荷积聚。
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)

1.一种二元复合硅橡胶材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
按重量份计，将10～20份的苯基硅橡胶生胶与余量的乙烯基硅橡胶生胶充分混合，形成100份的第一混合物，将100份的所述第一混合物与30～40份的补强剂、1～7份的硫化剂和5～20份的偶联剂改性纳米碳化硅充分混合，形成第二混合物；
使所述第二混合物在160℃～200℃反应，制得所述二元复合硅橡胶材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述苯基硅橡胶生胶的份数为13～17，所述补强剂的份数为33～38，所述硫化剂的份数为2～4，所述偶联剂改性纳米碳化硅的份数为10～16，进一步，所述补强剂的份数为34～36，所述偶联剂改性纳米碳化硅的份数为12～14。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述苯基硅橡胶生胶中苯基的摩尔分数为5％-15％，乙烯基硅橡胶生胶中乙烯基的摩尔分数为0.08％～1％。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述苯基硅橡胶生胶中苯基的摩尔分数为7％-13％，乙烯基硅橡胶生胶中乙烯基的摩尔分数为0.12％～0.7％，进一步，所述苯基硅橡胶生胶中苯基的摩尔分数为9％-12％，乙烯基硅橡胶生胶中乙烯基的摩尔分数为0.15％～0.3％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述偶联剂改性纳米碳化硅通过以下方式得到：
将纳米碳化硅、无水乙醇和偶联剂按照1：90-110：0.2-0.4的重量比混合，按照与所述纳米碳化硅的重量比为20～40：1的配比额外滴加蒸馏水，形成混合液，超声分散、分离、烘干，得到1份的所述偶联剂改性纳米碳化硅。
6.一种二元复合硅橡胶材料，其特征在于，所述二元复合硅橡胶材料通过如权利要求1至5中任意一项所述的制备方法得到。
7.根据权利要求6所述的二元复合硅橡胶材料，其特征在于，所述二元复合硅橡胶材料在10～20KV/mm的电场强度范围，温度25℃～90℃，电导率由4.0×10-14S/m增大到2.4×10-12S/m，且所述二元复合硅橡胶电导率的斜率与主绝缘XLPE层电导率的斜率之比为不小于0.7。
8.根据权利要求6所述的二元复合硅橡胶材料，其特征在于，所述二元复合硅橡胶材料电导率与主绝缘XLPE层电导率的斜率之比为0.7～0.9。
9.一种高压或特高压直流输电电缆，包括主绝缘层，其特征在于，所述电缆还包括形成在所述主绝缘层外部的附件硅橡胶绝缘层，所述附件硅橡胶绝缘层由如权利要求6至8中任意一项所述的二元复合硅橡胶材料构成。
10.一种权利要求6至8中任意一项所述的二元复合硅橡胶材料在电缆附件绝缘层制备中的用途。
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