高直流擊穿場強(qiáng)的納米復(fù)合交聯(lián)聚乙烯絕緣材料及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及一種直流電纜用絕緣材料，具體涉及一種高直流擊穿場強(qiáng)納米氮化硼摻雜交聯(lián)聚乙烯復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來直流輸電發(fā)展迅速，已經(jīng)采用常規(guī)直流輸電技術(shù)建設(shè)了多條±800kV特高壓、±660kV和±500kV超高壓架空輸電線路，常規(guī)高壓直流輸電技術(shù)多采用架空線或有紙絕緣電纜、充油電纜等作為輸電線路，投資巨大且對環(huán)境影響大。柔性直流輸電技術(shù)一般采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，其電氣性能優(yōu)良，運(yùn)行溫度高，無漏油風(fēng)險(xiǎn)。然而交聯(lián)聚乙烯電纜在直流場下存在空間電荷聚集問題是制約其應(yīng)用于高壓直流的關(guān)鍵技術(shù)問題?？臻g電荷的存在會(huì)導(dǎo)致局部場強(qiáng)畸變，致使絕緣材料的老化現(xiàn)象加劇，最終可能導(dǎo)致絕緣本體擊穿。所以在研究和設(shè)計(jì)直流電纜用絕緣材料時(shí)，一方面應(yīng)當(dāng)考慮材料的空間電荷特性，另一方面應(yīng)提高材料的直流擊穿場強(qiáng)。此外，交聯(lián)聚乙烯絕緣層在電纜運(yùn)行中存在溫度梯度。電纜有載荷時(shí)，線芯的焦耳熱使得溫度升高，從而交聯(lián)聚乙烯內(nèi)層為高溫，外側(cè)溫度相對較低。因此提高材料直流擊穿場強(qiáng)的研究必須在電纜工作溫度范圍內(nèi)進(jìn)行研究。

近年來，納米復(fù)合電介質(zhì)的研究和發(fā)展為高擊穿性能絕緣材料發(fā)展指明了方向。采用具有絕緣、導(dǎo)電或?qū)崽匦缘募{米尺度粒子改性聚合物基體，制備納米復(fù)合電介質(zhì)材料，可以改變介質(zhì)的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，調(diào)控介質(zhì)材料的介電響應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)擊穿場強(qiáng)的提高。納米復(fù)合電介質(zhì)的優(yōu)異性能來源于納米粒子與聚合物基體間的界面區(qū)，而通過納米粒子的表面化學(xué)修飾可以調(diào)控界面區(qū)的物理化學(xué)特性，改變聚合物的微觀電荷輸運(yùn)過程，改善聚合物的擊穿特性。

氮化硼目前僅報(bào)道可用于提高材料的導(dǎo)熱能力，且普遍應(yīng)用的是微米級(jí)粒子。目前，尚未見到利用納米氮化硼提高直流電纜交聯(lián)聚乙烯絕緣材料直流擊穿場強(qiáng)的報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高直流擊穿場強(qiáng)的納米復(fù)合交聯(lián)聚乙烯絕緣材料及其制備方法，能有效的提高直流電纜絕緣材料在20℃到90℃溫度范圍內(nèi)的直流擊穿場強(qiáng)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種高直流擊穿場強(qiáng)的納米復(fù)合交聯(lián)聚乙烯絕緣材料，該絕緣材料是由納米復(fù)合聚乙烯材料交聯(lián)而成；所述納米復(fù)合聚乙烯材料按質(zhì)量份數(shù)計(jì)包括100份低密度聚乙烯、0.1-0.5份抗氧化劑以及0.1-3份納米粒子，所述納米粒子選自表面改性處理或表面未改性處理的納米氮化硼。

優(yōu)選的，所述納米粒子的平均粒徑為20-80nm(進(jìn)一步優(yōu)選為50nm±10nm)。

優(yōu)選的，所述表面改性處理采用偶聯(lián)劑。例如硅烷偶聯(lián)劑，可以提高納米氮化硼與低密度聚乙烯的相容性。

優(yōu)選的，所述低密度聚乙烯的密度為0.90-0.95g/cm³。

優(yōu)選的，所述抗氧化劑選自4,4'-硫代雙(6-叔丁基-3-甲基苯酚)、硫代二乙撐雙[3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸醋]或四[β-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯。

上述高直流擊穿場強(qiáng)的納米復(fù)合交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、按照質(zhì)量稱取100份低密度聚乙烯、1-2.5份交聯(lián)劑、0.1-0.5份抗氧化劑以及0.1-3份納米粒子；

步驟2、將步驟1稱取的低密度聚乙烯、抗氧化劑和納米粒子于115-180℃下混煉均勻，得母料；

步驟3、母料經(jīng)造粒制成納米復(fù)合聚乙烯粒料，將納米復(fù)合聚乙烯粒料與步驟1稱取的交聯(lián)劑混合均勻后于60-90℃下均勻化10-24h，然后冷卻至室溫；通過均勻化消除粒料在制粒中產(chǎn)生的應(yīng)力；

步驟4、經(jīng)過步驟3后，將納米復(fù)合聚乙烯粒料進(jìn)行交聯(lián)以及脫氣處理，得到納米復(fù)合交聯(lián)聚乙烯絕緣材料。

優(yōu)選的，所述交聯(lián)劑為過氧化二異丙苯。

優(yōu)選的，所述納米粒子選自表面經(jīng)偶聯(lián)劑改性處理的納米氮化硼。所述改性處理具體包括以下步驟：按質(zhì)量計(jì)將100份納米氮化硼粒子以及1-5份硅烷偶聯(lián)劑(進(jìn)一步優(yōu)選的，偶聯(lián)劑與納米氮化硼粒子的質(zhì)量比為3:100)加入丙酮中，得混合液，將混合液加熱至20-60℃后保溫10-30min，保溫過程中超聲振蕩，然后于60-150℃蒸發(fā)掉丙酮并烘干粒子，得到表面改性處理的納米氮化硼。

優(yōu)選的，所述步驟4中交聯(lián)的條件為：在140-180℃溫度下以及5-20MPa壓強(qiáng)下進(jìn)行熱壓交聯(lián)10-40min；所述步驟4中脫氣處理的條件為：在60-70℃溫度下脫氣12-48h。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明通過添加納米氮化硼粒子，使交聯(lián)聚乙烯絕緣材料具有較高的直流擊穿場強(qiáng)。在20℃-90℃，本發(fā)明所述的納米復(fù)合交聯(lián)聚乙烯絕緣材料的直流擊穿場強(qiáng)相比未添加納米氮化硼粒子的純的交聯(lián)聚乙烯的直流擊穿場強(qiáng)明顯提高。

附圖說明

圖1是不同溫度下的直流擊穿強(qiáng)度的威布爾分布圖；其中，(a)為20℃，(b)70℃，(c)為90℃，XLPE：未添加納米氮化硼的交聯(lián)聚乙烯，BN/XLPE：添加納米氮化硼的交聯(lián)聚乙烯。

圖2是添加和未添加納米氮化硼的交聯(lián)聚乙烯的直流擊穿場強(qiáng)隨溫度的變化趨勢圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

(一)直流電纜絕緣用納米復(fù)合聚乙烯材料的制備(參見以下實(shí)施例)

實(shí)施例1

步驟1、按質(zhì)量稱取100份納米氮化硼(例如，六方氮化硼)粒子溶于丙酮，再加入3份十六烷基三甲氧基硅烷(硅烷偶聯(lián)劑)，在60℃超聲振蕩20min。然后，將溶液置于80℃烘箱內(nèi)蒸發(fā)并烘干粒子，得到表面經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性處理的納米氮化硼粒子(平均粒徑為50nm)。其中，采用超聲振蕩方式可防止納米粒子團(tuán)聚。

步驟2、按照質(zhì)量稱取100份低密度聚乙烯、0.3份的硫代二乙撐雙[3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸醋](抗氧化劑)和0.5份納米粒子。所述納米粒子為上述表面經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性處理的納米氮化硼粒子。所述低密度聚乙烯的密度為0.900-0.925g/cm³。

步驟3、將步驟2稱取的低密度聚乙烯加入溫度設(shè)定為120℃的雙螺桿混煉機(jī)中，低密度聚乙烯加熱至熔融后，均勻緩慢加入步驟2稱取的抗氧化劑和納米粒子，混煉均勻后得母料。

步驟4、將母料送入熔體泵內(nèi)，使母料流過過濾器進(jìn)行過濾。過濾后的母料進(jìn)入單螺桿造粒機(jī)造粒，造粒所得粒料經(jīng)蒸餾水冷卻輸送到離心脫水機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心脫水(此時(shí)即得到納米復(fù)合聚乙烯材料)。

納米復(fù)合聚乙烯材料交聯(lián)前：將離心脫水后的粒料預(yù)熱到80℃，再進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)在80℃保溫，并將1.5份過氧化二異丙苯(交聯(lián)劑)加入轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)，轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至粒料表面干燥，獲得混有交聯(lián)劑的粒料。將混有交聯(lián)劑的粒料送入吸收料倉，在溫度為80℃的條件下均勻化20h，再冷卻至室溫。

實(shí)施例2

步驟1、按質(zhì)量稱取100份納米氮化硼粒子溶于丙酮，再加入1.5份γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶聯(lián)劑)，在60℃超聲振蕩10min。然后，將溶液置于75℃烘箱內(nèi)蒸發(fā)并烘干粒子，得到表面經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性處理的納米氮化硼粒子(平均粒徑為50nm)。其中，采用超聲振蕩方式可防止納米粒子團(tuán)聚。

步驟2、按照質(zhì)量稱取100份低密度聚乙烯、0.5份的4,4'-硫代雙(6-叔丁基-3-甲基苯酚)(抗氧化劑)和1.5份納米粒子。所述納米粒子為上述表面經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性處理的納米氮化硼粒子。所述低密度聚乙烯的密度為0.900-0.925g/cm³。

步驟3、將步驟2稱取的低密度聚乙烯加入溫度設(shè)定為150℃的雙螺桿混煉機(jī)中，低密度聚乙烯加熱至熔融后，均勻緩慢加入步驟2稱取的抗氧化劑和納米粒子，混煉均勻后得母料。

步驟4、將母料送入熔體泵內(nèi)，使母料流過過濾器進(jìn)行過濾。過濾后的母料進(jìn)入單螺桿造粒機(jī)造粒，造粒所得粒料經(jīng)蒸餾水冷卻輸送到離心脫水機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心脫水(此時(shí)即得到納米復(fù)合聚乙烯材料)。

納米復(fù)合聚乙烯材料交聯(lián)前：將離心脫水后的粒料預(yù)熱到80℃，再進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)在80℃保溫，并將2.5份過氧化二異丙苯(交聯(lián)劑)加入轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)，轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至粒料表面干燥，獲得混有交聯(lián)劑的粒料。將混有交聯(lián)劑的粒料送入吸收料倉，在溫度為90℃的條件下均勻化10h，再冷卻至室溫。

實(shí)施例3

步驟1、按質(zhì)量稱取100份納米氮化硼粒子溶于丙酮，再加入3份正辛基三甲氧基硅烷(硅烷偶聯(lián)劑)，在20℃超聲振蕩20min。然后，將溶液置于70℃烘箱內(nèi)蒸發(fā)并烘干粒子，得到表面經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性處理的納米氮化硼粒子(平均粒徑為50nm)。其中，采用超聲振蕩方式可防止納米粒子團(tuán)聚。

步驟2、按照質(zhì)量稱取100份低密度聚乙烯、0.5份的四[β-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧化劑)和2份納米粒子。所述納米粒子為上述表面經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑改性處理的納米氮化硼粒子。所述低密度聚乙烯的密度為0.900-0.925g/cm³。

步驟3、將步驟2稱取的低密度聚乙烯加入溫度設(shè)定為130℃的雙螺桿混煉機(jī)中，低密度聚乙烯加熱至熔融后，均勻緩慢加入步驟2稱取的抗氧化劑和納米粒子，混煉均勻后得母料。

步驟4、將母料送入熔體泵內(nèi)，使母料流過過濾器進(jìn)行過濾。過濾后的母料進(jìn)入單螺桿造粒機(jī)造粒，造粒所得粒料經(jīng)蒸餾水冷卻輸送到離心脫水機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心脫水(此時(shí)即得到納米復(fù)合聚乙烯材料)。

納米復(fù)合聚乙烯材料交聯(lián)前：將離心脫水后的粒料預(yù)熱到90℃，再進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)在90℃保溫，并將2份過氧化二異丙苯(交聯(lián)劑)加入轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)，轉(zhuǎn)鼓混料機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)至粒料表面干燥，獲得混有交聯(lián)劑的粒料。將混有交聯(lián)劑的粒料送入吸收料倉，在溫度為80℃的條件下均勻化15h，再冷卻至室溫。

實(shí)施例4

所用原料為100份的低密度聚乙烯、0.2份的硫代二乙撐雙[3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸醋]、1.5份的過氧化二異丙苯和1.5份納米粒子。其余同實(shí)施例1。

(二)交聯(lián)聚乙烯的制備以及材料性能試驗(yàn)

將實(shí)施例1中所得納米復(fù)合聚乙烯材料經(jīng)與交聯(lián)劑混合以及均勻化后(參見實(shí)施例1)，置于平板硫化機(jī)中，在140℃溫度和10MPa的壓強(qiáng)下熱壓20min即可完成交聯(lián)過程，得到納米氮化硼復(fù)合交聯(lián)聚乙烯薄片狀試樣。將試樣置于溫度為70℃的真空干燥箱內(nèi)脫氣處理24h，脫氣試樣用于擊穿測試。

采用相同的制備步驟制得未添加納米氮化硼的交聯(lián)聚乙烯薄片狀試樣，并完成脫氣處理。然后進(jìn)行擊穿測試，以進(jìn)行對比。

從圖1中可見，添加納米氮化硼的交聯(lián)聚乙烯擊穿測試數(shù)據(jù)的分散度小，表明納米氮化硼添加改性確實(shí)明顯的提升了交聯(lián)聚乙烯的直流擊穿場強(qiáng)。

圖1中為威布爾分布坐標(biāo)系，對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，即Y＝a×X+b。當(dāng)F(E)＝1-1/e時(shí)，Y＝0，帶入擬合直線，可求出X的值。進(jìn)而可以得出威布爾分布下的尺度參數(shù)，斜率a即為形狀參數(shù)。按此方法可得擊穿場強(qiáng)的結(jié)果如表1所示。

表1.威布爾分布統(tǒng)計(jì)下?lián)舸﹫鰪?qiáng)的尺度參數(shù)和形狀參數(shù)

通過比較添加納米氮化硼的交聯(lián)聚乙烯和未添加納米氮化硼的交聯(lián)聚乙烯在威布爾分布下的尺度參數(shù)(參見圖2)，可以看出在室溫(20℃)、電纜運(yùn)行溫度(70℃)和暫態(tài)溫度(90℃)下納米氮化硼的添加均明顯的提高了交聯(lián)聚乙烯的直流擊穿場強(qiáng)，提高比率分別為27.5％，14.2％，26.5％。且直流擊穿場強(qiáng)高于目前常用的電纜絕緣材料的直流擊穿場強(qiáng)。

因此，本發(fā)明得到一種高直流擊穿場強(qiáng)的納米復(fù)合交聯(lián)聚乙烯絕緣材料。