CN117153453A - 导电高分子复合材料及其制备方法和包含其的接地极 - Google Patents
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Abstract
本发明属于导电复合材料技术领域，具体涉及一种导电高分子复合材料及其制备方法和包含其的接地极。其中，导电高分子复合材料以质量份数计包括如下组分：导电高分子60～80份，液态金属10～20份，润滑剂1～5份，偶联剂1～3份，抗氧化剂0.5～2份，阻燃剂2～5份，以及防老剂1～5份。将导电高分子复合材料包裹于金属线芯外部制备得到接地极。该接地极具有优异的接地排流性能，在遇到故障电流、雷击电流时，电流可以通过其中的金属内芯快速向远端横向传输，并通过耐温型导电高分子复合包覆层快速纵向向土壤中散流，达到迅速排流；电阻率不大于埋设土壤电阻率的1/30，而且还具有良好的耐酸碱及海水腐蚀性，年腐蚀性小于0.07％，吸水率小于0.9％。
Description
技术领域
本发明属于导电复合材料技术领域，具体涉及一种导电高分子复合材料及其制备方法和包含其的接地极。
背景技术
电力、石化、交通、通讯等关键性基础设施对接地系统要求越来越严格，尤其是电网接地系统稳定、高效、全寿命成为电力安全关键因素之一。输变电、配电站接地网故障会引起电网及供电区域发生严重事故，危害周围人身安全。而接地材料的腐蚀失效导致接地电阻增高或者接地材料断裂是造成接地网故障的主要原因。传统接地材料主要是碳钢、镀锌钢、铜包钢或铜等，都面临金属腐蚀的问题，特别在酸性、碱性、高盐分和含水量大的腐蚀性土质下，一般5-10年就需要改造甚至更换，全寿命周期成本大大增加。
针对金属接地材料长期存在的腐蚀问题，相关科研工作者开发了一些高分子接地材料。传统高分子类导电材料电阻率较大，为了改善这一性能，金属粉末被添加到导电高分子中来提高其导电性。传统金属填料在加工条件下，纯液态填充不导电，纯固态填充导电率低，力学性能差。现有技术CN115536958A公开了利用四硫富瓦烯与苯乙烯、丁二烯类共聚得到热塑性弹性体，从而使得热塑性弹性体在提高导电性的同时具有弹性体的优势。然而，此技术需要共聚加入弹性体来改善复合物的弹性，又会损害部分导电性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导电高分子复合材料及其制备方法和包含其的接地极，以解决现有问题中的至少一种。
根据本发明的一个方面，提供了一种导电高分子复合材料，其以质量份数计包括如下组分：导电高分子60～80份，液态金属10～20份，润滑剂1～5份，偶联剂1～3份，抗氧化剂0.5～2份，阻燃剂2～5份，以及防老剂1～5份。
在一些实施方式中，导电高分子为聚苯乙烯、聚甲基吡咯、聚乙基噻吩、苯乙烯-乙烯腈共聚物、聚苯硫醚、四硫富瓦烯-镍共聚物中的至少一种。优选的，导电高分子为四硫富瓦烯-镍共聚物，其中四硫富瓦烯选自双(羰基二硫代)四硫富瓦烯、甲酰四硫富瓦烯和四(甲硫代)四硫富瓦烯中的至少一种。更优选的，四硫富瓦烯为双(羰基二硫代)四硫富瓦烯。
在一些实施方式中，液态金属为熔点在25-200℃的纯金属或合金。优选地，液态金属为锂、钠、钾、铟、汞、镓中的一种或其合金。更优选的，液态金属为铟镓合金。
在一些实施方式中，润滑剂选自石墨、二硫化钼、二硒化铌、石蜡中的至少一种。
在一些实施方式中，偶联剂选自硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种。
在一些实施方式中，抗氧化剂选自黄酮类抗氧化剂、β-萘黄酮、泽兰黄酮、甘草黄酮A中的至少一种。
在一些实施方式中，阻燃剂选自磷氮系无卤阻燃剂、三聚氰胺、聚磷酸铵、DOPO(9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物)衍生物中的至少一种。
在一些实施方式中，防老剂选自6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2二氢化喹啉、N-苯基-α-苯胺中的至少一种。
在一些实施方式中，导电高分子复合材料的颗粒尺寸为1mm～2mm。
本发明提供的导电高分子复合材料中的聚四硫富瓦烯导电高分子是一种由四硫富瓦烯和镍盐共聚而成的导电聚合物，具有良好的导电性；在液态金属处于固液共存相时，对其与导电高分子进行混合加工，使其导电性能与延展性能保持最优。液态金属一方面能够提高复合材料的电导率，另一方面液态金属具有良好的柔性，能够使复合材料的柔韧性提高。
根据本发明的第二个方面，提供了一种导电高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)准备导电高分子，备用；
(2)准备液态金属，备用；
(3)将导电高分子、液态金属、润滑剂、偶联剂、抗氧化剂、阻燃剂、防老剂混合后，即得。
优选地，一种导电高分子复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将四硫富瓦烯与镍盐共聚得到聚四硫富瓦烯导电高分子；
S2、将铟与镓按混合，并炼制合金；
S3、将含有导电高分子、液态金属、润滑剂、偶联剂、抗氧化剂、阻燃剂、防老剂混合后，挤出造粒即得。
在一些实施方式中，步骤S1中四硫富瓦烯为双(羰基二硫代)四硫富瓦烯、甲酰四硫富瓦烯和四(甲硫代)四硫富瓦烯中的至少一种，镍盐为醋酸镍、氯化镍和硝酸镍中的至少一种。
在一些实施方式中，步骤S1中将四硫富瓦烯与镍盐投入到反应釜中，在持续搅拌下开始共聚，共聚条件为：时间10h～20h，温度120℃～160℃。
在一些实施方式中，步骤S2中，液态铟镓合金的炼制温度为30-150℃。铟：镓二者质量比为(0.5～10):1。
根据本发明的第三个方面，提供了一种接地极，其由熔融挤出法将导电高分子复合材料包裹于金属线芯外部制备得到。
在一些实施方式中，金属线芯为铸铁、碳钢、铜、不锈钢、镀锌钢、铝中的一种；优选的，金属线芯材料为碳钢或者铝。
在一些实施方式中，步骤S3挤出造粒采用双螺杆挤出时，双螺杆挤出机的输送段、熔融段、混炼段、排气段、均化段和机头温度依次为100℃～110℃、130℃～150℃、115℃～155℃、115℃～145℃、105℃～155℃和145℃～155℃；采用单螺杆挤出时，单螺杆挤出机的加工温度依次为：第一区100℃～120℃、第二区145℃～155℃、第三区140℃～160℃和机头145℃～160℃。
利用本发明的导电高分子复合材料包裹在金属纤芯外部制备接地极时，接地极具有优异的接地排流性能，在遇到故障电流、雷击电流时，电流可以通过其中的金属内芯快速向远端横向传输，并通过耐温型导电高分子复合包覆层快速纵向向土壤中散流，达到迅速排流；电阻率不大于埋设土壤电阻率的1/30，而且还具有良好的耐酸碱及海水腐蚀性，年腐蚀性小于0.07％，吸水率小于0.9％。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。若无特殊说明，以下原料均为市购。
实施例1
(1)聚四硫富瓦烯导电高分子制备
将50.0份双(羰基二硫代)四硫富瓦烯与12.5份醋酸镍的混合物，150℃共聚12h得到聚四硫富瓦烯导电高分子。
(2)液态金属的炼制
在氮气氛围下，将铟镓质量比为1:2的两种金属放入坩埚中，140℃炼制3h，得到液态合金。
(3)导电高分子复合材料及接地极的制备
聚四硫富瓦烯导电高分子80.0份、液态合金10.0份、润滑剂二硫化钼1.0份、润滑剂二硒化铌1.5份、偶联剂铝酸酯2.0份、抗氧化剂β-萘黄酮1.0份、抗氧化剂泽兰黄酮0.3份、阻燃剂DOPO 3.0份、防老化剂6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2二氢化喹啉0.5份、防老化剂N-苯基-α-苯胺0.5份混合9min，混合均匀后加入双螺杆挤出机中挤出造粒，料粒再进入热风干燥机干燥，得到导电高分子复合材料，将导电高分子复合材料通过熔融挤出法包裹于金属纤芯外部得到接地极。双螺杆挤出机的输送段、熔融段、混炼段、排气段、均化段、机头温度依次为100℃、130、115、115、105℃和145℃。
当然，在实际操作过程中，可直接将导电高分子、液态金属、润滑剂、偶联剂、抗氧化剂、阻燃剂、防老剂等物料混合后，直接熔融挤出包覆于金属线芯外部结构上。将导电高分子复合材料进行熔融挤出造粒，是考虑到该复合材料可作为母粒进行更多改性，或者应用于其他领域。
另外，经测试发现，实施例1制备得到的镍基聚四硫富瓦烯导电高分子的电导率为1087Scm-1，说明其具备更为优秀的导电能力。
实施例2
(1)聚四硫富瓦烯导电高分子制备
与实施例1相同，不再赘述。
(2)液态金属的炼制
在氮气氛围下，将铟镓质量比为5:1的两种金属放入坩埚中，140℃炼制3h，得到液态合金。
(3)导电高分子复合材料及接地极的制备
与实施例1相同，不再赘述。
实施例3
(1)聚四硫富瓦烯导电高分子制备
与实施例1相同，不再赘述。
(2)液态金属的炼制
在氮气氛围下，将铟镓质量比为10:1的两种金属放入坩埚中，140℃炼制3h，得到液态合金。
(3)导电高分子复合材料及接地极的制备
与实施例1相同，不再赘述。
实施例4
(1)聚四硫富瓦烯导电高分子制备
与实施例1相同，不再赘述。
(2)液态金属的炼制
与实施例2相同，不再赘述。
(3)导电高分子复合材料及接地极的制备
将聚四硫富瓦烯导电高分子分数改为70.0份、液态合金15.0份，其余与实施例1相同，不再赘述。
实施例5
(1)聚四硫富瓦烯导电高分子制备
与实施例1相同，不再赘述。
(2)液态金属的炼制
与实施例2相同，不再赘述。
(3)导电高分子复合材料及接地极的制备
将聚四硫富瓦烯导电高分子分数改为60.0份、液态合金20.0份，其余与实施例1相同，不再赘述。
对实施例1～5中制备的接地极的性能进行测试，结果如表1。其中，表1中吸水率测试参照标准GB/T2951.13-2008中的9.2款(重量法)，电阻率测试参照标准GB/T3048.3-2007中的规定。接地相关所有测试参考《复合接地体技术条件》GB/T21698-2008中的有关规定。
接地极埋地后腐蚀速率实验：50cm式样各10根、0.6m深，365天，腐蚀性土壤(pH值<＝4.5，土壤电阻率<20Ωm，土壤氧化还原电位<100mV)。
机械强度测试方法：样品由高0.5m处自由落体至地面，重复三次。
表1实施例1～5制备的接地极的性能测试
从表1可以看出实施例1～5制备的接地极具有优良的耐候性、耐吸水性，电阻率在0.035-0.045Ω·cm左右，具有良好的导电性能。同样可以看出，实施例1～5中制备的接地极都具有极佳的耐腐蚀性和优良的机械强度。本发明制备的接地材料可解决腐蚀导致的接地装置失效，可用于电网系统的故障电流、雷击电流等接地排流与大电流远端排流，实现电网接地装置的全寿命周期服役，可以应用在电力、交通、通讯系统材料中。
对比例1
(1)聚四硫富瓦烯导电高分子制备
与实施例5相同，不再赘述。
(2)普通金属粉制备
使用导电锌粉代替液态合金，其余与实施例5相同。
(3)导电高分子复合接地材料及接地极的制备
与实施例5相同，不再赘述。
采用四探针测试仪对实施例5和对比例1中的接地极进行电阻率测试，其中，实施例5中的接地极的体积电阻率为0.035Ω·cm，对比例1中的接地极的体积电阻率为4.16Ω·cm。可见，液态金属比导电锌粉能够更大程度的降低接地极的电阻率。
上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.导电高分子复合材料，其特征在于，其以质量份数计包括如下组分：导电高分子60～80份，液态金属10～20份，润滑剂1～5份，偶联剂1～3份，抗氧化剂0.5～2份，阻燃剂2～5份，以及防老剂1～5份。
2.根据权利要求1所述的导电高分子复合材料，其特征在于，所述润滑剂选自石墨、二硫化钼、二硒化铌、石蜡中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的导电高分子复合材料，其特征在于，所述偶联剂选自硅烷偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的导电高分子复合材料，其特征在于，抗氧化剂选自黄酮类抗氧化剂、β-萘黄酮、泽兰黄酮、甘草黄酮A中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的导电高分子复合材料，其特征在于，阻燃剂选自磷氮系无卤阻燃剂、三聚氰胺、聚磷酸铵、9,10-二氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物衍生物中的至少一种。
6.根据权利要求3所述的导电高分子复合材料，其特征在于，防老剂选自6-乙氧基-2,2,4-三甲基-1,2二氢化喹啉、N-苯基-α-苯胺中的至少一种。
7.权利要求1-6任一项所述导电高分子复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将四硫富瓦烯与镍盐共聚得到聚四硫富瓦烯导电高分子；
S2、将铟与镓按混合，并炼制合金；
S3、将含有导电高分子、液态金属、润滑剂、偶联剂、抗氧化剂、阻燃剂、防老剂混合后，挤出造粒即得。
8.根据权利要求7所述的导电高分子复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中四硫富瓦烯与镍盐共聚条件为：时间10h～20h，温度120℃～160℃。
9.权利要求8所述的导电高分子复合材料的制备方法，其特征在于，步骤S2中，液态铟镓合金的炼制温度为30℃-150℃，铟与镓质量比为(0.5～10):1。
10.一种接地极，其特征在于，由权利要求1-6任一项所述导电高分子复合材料包裹于金属线芯外部制备得到。
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