CN115112548A - 一种htv硅橡胶的裂解和降解模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其步骤是：1)制备含有不同尺寸界面缺陷的高温硫化硅橡胶和高温硫化硅橡胶‑玻璃纤维增强环氧树脂复合材料样品；2)样品分别在水、硫酸溶液和硝酸溶液中进行老化；其中，在水中老化温度为60～100℃。该方法考虑了两种绝缘材料之间界面对HTV SIR老化的影响，填补了两种复合材料界面问题研究的空白，同时为理解复合绝缘子失效与绝缘材料降解提供理论支持。
Description
技术领域
本发明属于电力系统运维技术领域，特别涉及一种硅橡胶裂解和降解的模拟方法。
背景技术
高分子复合材料，如HTV SIR(高温硫化硅橡胶)和E-玻璃纤维增强环氧树脂(GFRP)，因其重量轻、易维护、价格低，特别是抗污染闪络性能好等优点，被广泛用于高压输电线路绝缘子。近年来，复合绝缘子在输电线路绝缘子中的用量大大增加，远远超过了玻璃绝缘子和陶瓷绝缘子。然而，在复合绝缘子中仍会遇到许多类型的运行问题，对电力系统造成严重损害。复合材料的老化缺陷伴随着其用量的增加，引起了大量的绝缘故障。发现HTVSIR护套的退化、开裂和疏水性丧失是导致复合绝缘子绝缘性能下降的重要因素。
近年来，对老化因素进行多元耦合分析的研究主要集中在一种材料上，而对两种复合材料界面问题的研究还不够。在HTV SIR和GREP之间的复合绝缘子中发现的界面缺陷会产生大量潜在风险，如击穿电压降低，SIR吸水性增强引起的界面粘附力损失，以及绝缘性能下降。然而，界面缺陷对HTV-SIR老化过程的影响尚未得到解释。为了探索界面缺陷和恶劣环境因素的协同降解效应，制备含有不同尺寸界面缺陷的纯HTV-SIR和HTV-SIR-GFRP复合材料样品，并分别在80℃的水、硫酸和硝酸条件下进行老化，结果成功地模拟和研究了含界面缺陷复合绝缘子的开裂现象及其机理，同时研究了样品的介电性能和机械性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种HTV硅橡胶在酸和热应力下裂解和降解的模拟方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其步骤是：1)制备含有不同尺寸界面缺陷的高温硫化硅橡胶和高温硫化硅橡胶-玻璃纤维增强环氧树脂复合材料样品；2)样品分别在水、硫酸溶液和硝酸溶液中进行老化；其中，在水中老化温度为60～100℃。
优选的，制备含有不同尺寸界面缺陷的高温硫化硅橡胶和高温硫化硅橡胶-玻璃纤维增强环氧树脂复合材料样品的方法是：1)将硅橡胶、固化剂和增强剂用双辊磨混合；2)选择不锈钢作为模具；3)将玻璃纤维增强环氧树脂板放入模具中；4)将粘合剂均匀地涂在玻璃纤维增强环氧树脂板表面；5)将步骤4)得到的混合物倒入模具中，成型。
优选的，步骤1)中硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶、甲基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶，其睛硅橡胶、氟硅橡胶中的至少一种。
优选的，步骤1)中固化剂为过氧化苯甲酰。
优选的，步骤1)中增强剂为纳米二氧化硅、硫酸钡、硫酸铅、氯化银中的至少一种。
优选的，步骤4)中粘合剂为甲基乙烯基硅橡胶。
优选的，步骤5)中成型的方法是：将步骤4)的混合物倒入模具中，并在130℃的温度下保持样品在10MPa下压缩10分钟；压缩后的样品在150℃下保持4h。
优选的，硝酸溶液pH≤2。
优选的，硫酸溶液pH≤2。
优选的，玻璃纤维增强型环氧树脂是玻璃纤维增强型缩水甘油醚类环氧树脂；玻璃纤维增强型缩水甘油酯类环氧树脂；玻璃纤维增强型缩水甘油胺类环氧树脂；玻璃纤维增强型线型脂肪族类环氧树脂；玻璃纤维增强型脂环族类环氧树脂中的至少一种。
本发明的有益效果是，1)本发明考虑了两种绝缘材料之间界面对HTV SIR老化的影响，填补了两种复合材料界面问题研究的空白；2)本发明对比了不同界面缺陷尺寸、老化条件和老化时间下，HTV SIR样品的微观形貌和介电、机械性能变化，能够为理解复合绝缘子失效与绝缘材料降解提供理论支持；3)本发明综合考虑了界面缺陷与恶劣环境因素的协同老化效应，加快了HTV SIR样品的老化速度，硝酸老化样品在老化4天时就出现明显裂纹，而现有研究普遍未考虑二者协同作用，需要20天以上才能达到同等老化程度；4)本发明成功模拟和研究了含界面缺陷复合绝缘子的开裂现象及其机理，同时研究了样品的介电性能和机械性能变化。
附图说明
图1为HTV SIR在酸和热应力下裂解和降解的模拟装置示意图。
图2为不同老化条件和老化时间下HTV SIR样品的图像，其中(a)为不同老化时间的样品；(b)为不同缺陷尺寸的样品；(c)为不同溶液老化的样品。
图3为纯硅橡胶和水老化样品的扫描电镜显微图像，其中(a)为纯硅橡胶；(b)为水老化样品。
图4为酸老化样品的扫描电镜显微图像；其中(a-c)为酸老化样品；(d-f)为样品裂纹。
图5为纯硅橡胶和老化HTV SIR样品的介电损耗对比；其中(a)为不同时间处理的样品；(b)为不同溶液处理的样品；(c)为具有不同缺陷尺寸的样品。
图6为纯硅橡胶样品和老化HTV SIR样品的机械性能对比；其中，(a-c)为应力-应变曲线；(d-f)为拉伸强度和断裂应变。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例
一、制备含有不同尺寸界面缺陷的纯HTV-SIR(高温硫化硅橡胶)和HTV-SIR-GFRP(高温硫化硅橡胶-玻璃纤维增强环氧树脂)复合材料样品
1.将100g甲基乙烯基硅橡胶、1g过氧化苯甲酰和50g纳米二氧化硅用双辊磨混合。
2.选择直径为100mm、深度为2mm的不锈钢作为模具。
3.将1mm厚的GFRP(玻璃纤维增强环氧树脂)板放入模具中。
4.将粘合剂均匀地涂在GFRP板表面，为了制作有缺陷的样品，一些样品的一定直径的中间区域不涂粘合剂，粘合剂为甲基乙烯基硅橡胶。
5.将HTV SIR混合物倒入模具中，并在130℃的温度下保持样品在10MPa下压缩10分钟。
6.制作不同的样品，压缩后的样品在150℃下保持4h。
二、样品分别在80℃的水、硫酸和硝酸条件下进行老化
1.准备pH＝1的硫酸和硝酸。
2.将蒸馏水、硫酸和硝酸分别注入底部直径为120mm、高度为150mm的玻璃容器中。
3.用钛板夹住样品，浸入溶液中。
4.所有的容器都放入水浴锅中，水浴锅放在80℃的恒温箱中。
5.单独测量水浴锅中每个容器的温度。
6.每天更换一次溶液。
根据不同老化样品在不同老化条件与老化时间中进行分类编号，具体如下：
表1不同老化条件与老化时间下HTV SIR样品的编号
记录不同老化条件与老化时间下HTV SIR样品微观形貌与介电、机械性能变化。具体实验结果见图1～6的相关表格。图1为HTV SIR在酸和热应力下裂解和降解的模拟装置示意图；图2为不同老化条件和老化时间下HTV SIR样品的图像，其中(a)为不同老化时间的样品；(b)为不同缺陷尺寸的样品；(c)为不同溶液老化的样品；图3为纯硅橡胶和水老化样品的扫描电镜显微图像，其中(a)为纯硅橡胶；(b)为水老化样品；图4为酸老化样品的扫描电镜显微图像；其中(a-c)为酸老化样品；(d-f)为样品裂纹；图5为纯硅橡胶和老化HTV SIR样品的介电损耗对比；其中(a)为不同时间处理的样品；(b)为不同溶液处理的样品；(c)为具有不同缺陷尺寸的样品；图6为纯硅橡胶样品和老化HTV SIR样品的机械性能对比；其中，(a-c)为应力-应变曲线；(d-f)为拉伸强度和断裂应变。
在本实施例中，待测材料是甲基乙烯基硅橡胶，制作甲基乙烯基硅橡胶试片用于测试。该待测材料与复合绝缘子上的硅橡胶伞裙材质相同，从而可以对复合绝缘子进行老化评价。在其他实施例中，待测材料亦可采用其他的硅橡胶，可以是任何在酸雨环境中受到腐蚀和老化的材料，采用本实施例的方法对待测材料进行硅橡胶老化评价。
在本实施例中硅橡胶也可以是甲基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶，其睛硅橡胶、氟硅橡胶等。
玻璃纤维增强型环氧树脂可以是玻璃纤维增强型缩水甘油醚类环氧树脂；玻璃纤维增强型缩水甘油酯类环氧树脂；玻璃纤维增强型缩水甘油胺类环氧树脂；玻璃纤维增强型线型脂肪族类环氧树脂；玻璃纤维增强型脂环族类环氧树脂。具体的，玻璃纤维增强型环氧树脂可以是玻璃纤维增强型二氨基二苯甲烷四缩水甘油胺、玻璃纤维增强型二缩水甘油基对氨基苯酚、玻璃纤维增强型3-ESL氨甲基环己烷或其他类似的玻璃纤维增强型环氧树脂。本实施例的模拟加速老化方法建立了一种长期的定量酸加速老化。采用微观、表观、机械、电气表征手段，系统研究了硅橡胶在不同酸老化时间下的结构及性能变化。试验结果表明，随着等效酸老化时间的增加，硅橡胶有机硅主链、侧链逐渐发生断裂，表面化学组态存在一定的无机硅转。
增强剂除二氧化硅外，亦可以是硫酸钡、硫酸铅、氯化银等。
老化过程时，水温处于60～100℃均可，酸性条件下，pH≤2均可达到老化效果。
本实施例对所述老化试验的概念没有特别限制，以本领域技术人员领域内熟知的老化试验的概念即可，本领域技术人员可以根据实际情况、操作规程以及计算要求进行选择和调整。本发明所述老化试验可以模拟类似盐雾老化、酸雾老化、酸雨老化、耐候老化、温度/湿度老化和臭氧老化中的一种或多种。亦可模拟恒温恒湿老化、高湿高温老化、高湿低温老化和高低温交变老化。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其步骤是：1)制备含有不同尺寸界面缺陷的高温硫化硅橡胶和高温硫化硅橡胶－玻璃纤维增强环氧树脂复合材料样品；2)样品分别在水、硫酸溶液和硝酸溶液中进行老化；其中，在水中老化温度为60～100℃。
2.根据权利要求1所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，制备含有不同尺寸界面缺陷的高温硫化硅橡胶和高温硫化硅橡胶-玻璃纤维增强环氧树脂复合材料样品的方法是：1)将硅橡胶、固化剂和增强剂用双辊磨混合；2)选择不锈钢作为模具；3)将玻璃纤维增强环氧树脂板放入模具中；4)将粘合剂均匀地涂在玻璃纤维增强环氧树脂板表面；5)将步骤4)得到的混合物倒入模具中，成型。
3.根据权利要求2所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，步骤1)中硅橡胶为甲基乙烯基硅橡胶、甲基硅橡胶、甲基乙烯基苯基硅橡胶，其睛硅橡胶、氟硅橡胶中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，步骤1)中固化剂为过氧化苯甲酰。
5.根据权利要求2所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，步骤1)中增强剂为纳米二氧化硅、硫酸钡、硫酸铅、氯化银中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，步骤4)中粘合剂为甲基乙烯基硅橡胶。
7.根据权利要求1所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，步骤5)中成型的方法是：将步骤4)的混合物倒入模具中，并在130℃的温度下保持样品在10MPa下压缩10分钟；压缩后的样品在150℃下保持4h。
8.根据权利要求1所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，所述硝酸溶液pH≤2。
9.根据权利要求1所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，所述硫酸溶液pH≤2。
10.根据权利要求2所述的HTV硅橡胶的裂解和降解模拟方法，其特征在于，所述玻璃纤维增强型环氧树脂是玻璃纤维增强型缩水甘油醚类环氧树脂；玻璃纤维增强型缩水甘油酯类环氧树脂；玻璃纤维增强型缩水甘油胺类环氧树脂；玻璃纤维增强型线型脂肪族类环氧树脂；玻璃纤维增强型脂环族类环氧树脂中的至少一种。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117092013A (zh) * | 2023-10-19 | 2023-11-21 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种材料老化实验装置 |
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2022
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