專利名稱：一種環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明屬于聚合物基納米復合材料技術領域，具體涉及一種環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法。
背景技術：
環氧樹脂以其優良的電氣、機械性能被當作一種絕緣材料應用于各類電氣產品上，例如作為電力互感器、變壓器、絕緣子等電器絕緣的澆注材料，斷路器中的密封絕緣、直流電機繞組的浸漬等。絕緣材料是保證電機電器正常運行的關鍵條件，電力工業的飛速發展，對絕緣材料的性能提出了更高的要求，所以發展新型的絕緣材料或者對原有的絕緣材料進行性能上的改進，一直以來都是世界各國研究的熱點。純環氧樹脂往往脆性大，抗開裂能力差，一般會加入無機填料以改善其機械性能， 并降低成本，但這會降低其電氣性能。近些年來，隨著納米技術的發展，納米材料被廣泛的應用于醫學、電子、生物、化工等眾多領域，在此大環境下，在電工材料領域也開始將納米材料應用于絕緣材料，在環氧樹脂絕緣中加入納米無機填料，不僅可以提高改善其機械性能， 而且可期望提高絕緣材料的介電性能。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法，本發明的復合材料具有介電性能優良，特別是工頻擊穿場強高的優點，本發明復合材料制備方法具有成本低廉的特點。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是一種環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料，其特征在于所述復合材料由基體樹脂、固化劑、促進劑以及添加劑組成，所述基體樹脂為環氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐，促進劑為N，N-二甲基芐胺，添加劑為納米氧化鋅，該復合材料中各組分的重量份為環氧樹脂為 100份、甲基六氫苯酐為70-120份、N, N- 二甲基芐胺為1_4份以及納米氧化鋅為0. 5-10 份。所述復合材料中各組分的重量份為環氧樹脂為100份、甲基六氫苯酐為80-110 份、N，N- 二甲基芐胺為1-3. 5份以及納米氧化鋅為1-9. 5份。所述環氧樹脂為雙酚A型環氧樹脂。一種制備權利要求1所述復合材料的方法，包括如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合高速剪切，首先將0. 5-10重量份表面經偶聯劑處理過的納米氧化鋅粒子加入到40-60重量份的環氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以 5000-20000r/min的轉速處理分散液15_60min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發生器以功率 500-1000W、頻率 20-25kHz 處理分散液 15_60min ；
步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌2-4h以脫去丙酮；步驟4:加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 70-120重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及1-4重量份的促進劑N，N-二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09—0. IMpa，隨后加熱至30-50°C并保溫30-60min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經脫模劑處理的模具中，在烘箱中加熱80-105°C并保溫2-4h，然后繼續加熱至120-140°C并保溫6_10小時，即可固化得到環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。步驟1所述納米氧化鋅粒子在加入到混合溶液之前進行烘干，烘干溫度為 100-130°C，烘干時間為 5-10h。步驟1所述的偶聯劑為Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯劑(KH550)、Y_(3，2_環氧丙氧基)甲基三甲氧基硅烷(ΚΗ560)、甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ570)、 鈦酸四丁酯中的一種或兩種以上，若為兩種以上則為任意配比。步驟1所述的環氧樹脂稀釋劑丙酮為分析純的丙酮。步驟5所述的脫模劑為質量濃度為5%的硅脂/甲苯溶液。本發明把納米氧化鋅粒子通過高速剪切和超聲波方法均勻分散到了環氧樹脂基體中，表面處理方式保證了納米氧化鋅粒子的分散及納米粒子與環氧樹脂分子鏈的緊密交聯。由于納米粒子產生的特殊效應，例如界面效應等，使得僅添加少量納米氧化鋅即可制得介電性能優于純環氧樹脂的納米復合材料。
圖1是本發明復合材料制備方法流程圖。圖2是納米粒子加入量為9. 5重量份時，本發明的環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料試樣斷面的形貌掃描電鏡圖。圖3是本發明環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的擊穿場強隨納米粒子含量變化圖。圖4是本發明環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的工頻擊穿場強的威布爾概率分布圖。圖5是本發明實施例二所制備的復合材料與純環氧樹脂以及對比例所制備的復合材料的性能比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。實施例一如圖1所示，本環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合高速剪切，首先將0. 5重量份表面經 ΚΗ560處理過的納米氧化鋅粒子在100°C的溫度下烘干他，然后加入到40重量份的環氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以5000r/min的轉速處理分散液15min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發生器以功率 500W、頻率20kHz處理分散液15min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌池以脫去丙酮；步驟4:加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 80重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及1重量份的促進劑N，N_ 二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09Mpa,隨后加熱至40°C并保溫30min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱80°C并保溫2h，然后繼續加熱至120°C并保溫6小時，即可固化得到環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。實施例二如圖1所示，本環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合高速剪切，首先將9. 5重量份表面經 KH550處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干他，然后加入到60重量份的環氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以lOOOOr/min的轉速處理分散液40min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發生器以功率 600W、頻率MkHz處理分散液30min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 90重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及2重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻， 然后抽真空至相對真空度-0. 095Mpa,隨后加熱至40°C并保溫45min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱80°C并保溫4h，然后繼續加熱至120°C并保溫6小時，即可固化得到環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。實施例三如圖1所示，本環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合高速剪切，首先將6重量份表面經KH570 和鈦酸四丁酯任意比混合處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干10h，然后加入到60重量份的環氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以15000r/min的轉速處理分散液45min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發生器以功率 800W、頻率22kHz處理分散液45min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入100重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及3重量份的促進劑N，N-二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09Mpa,隨后加熱至50°C并保溫60min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱100°C并保溫4h，然后繼續加熱至130°C并保溫10小時，即可固化得到環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。對比例本環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法省略了圖1所示的高速剪切和超聲分散過程，采用了如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合，首先將9. 5重量份表面經KH550處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干他，然后加入到60重量份的丙酮與100重量份的環氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，步驟2 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮。步驟3 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟2脫去丙酮的分散液中加入 90重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及2重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻， 然后抽真空至相對真空度-0. 095MPa,隨后加熱至40°C并保溫45min以脫去分散液中的氣泡；步驟4 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，然后加熱至80°C并保溫4h，最后繼續加熱至120°C并保溫6小時， 固化得到環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。如圖2所示，實例二所制備的環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的斷面掃描電鏡圖，從圖中可看出粒子基本呈納米級分布。如圖3所示，圖中所示質量百分比為納米氧化鋅粒子質量與環氧樹脂固化體系的質量比，例如當納米粒子加入量為9. 5重量份時，所對應的環氧樹脂為100重量份，固化劑為90重量份，所以納米粒子的質量分數為9. 5/ (100+90) = 5%，從圖可以看到，低含量的納米粒子對環氧樹脂的工頻均勻場擊穿場強的影響并不大，但是當含量高時，工頻擊穿場強開始提高，當納米粒子的含量為5%時，復合材料的擊穿場強最高。如圖4所示，從圖中可以看出，不管在低概率擊穿和高概率擊穿，5%含量納米氧化鋅粒子對環氧樹脂的擊穿場強提高均較為明顯。如圖5所示，從圖中可看出對比例所制備的復合材料的介質損耗上升，而電阻率、 擊穿電壓則下降，介電性能變差，而對比例所制備的環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料與實例二所示的材料配比相同，但省略了高速剪切和超聲的分散過程。本發明的環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料介電性能優良，當納米氧化鋅粒子用量為9. 5重量份，其介電性能達到最佳，工頻均勻場擊穿場強提高37. 3%，5%概率擊穿場強提高43.4%，樹枝化擊穿時間提高約一倍，同時工頻下損耗因數僅有輕微上升，平均值從 3. 6 X 10_3上升到4. 2 X IO"3,體積電阻率基本保持不變，在5 X IO14 2 X IO15 Ω · m范圍內變化。本發明的環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及在其基礎上做適當添加劑的產品，可用做多類電氣產品的絕緣材料，如作為電力互感器、變壓器、絕緣子等電器絕緣的澆注材料，斷路器中的密封絕緣、直流電機繞組的浸漬等。
權利要求
1.一種環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料，其特征在于所述復合材料由基體樹脂、固化劑、促進劑以及添加劑組成，所述基體樹脂為環氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐，促進劑為N，N-二甲基芐胺，添加劑為納米氧化鋅，該復合材料中各組分的重量份為環氧樹脂為 100份、甲基六氫苯酐為70-120份、N, N- 二甲基芐胺為1_4份以及納米氧化鋅為0. 5-10 份。
2.根據權利要求1所述的復合材料，其特征在于所述復合材料中各組分的重量份為 環氧樹脂為100份、甲基六氫苯酐為80-110份、N，N-二甲基芐胺為1-3. 5份以及納米氧化鋅為0. 5-10份。
3.根據權利要求1或2所述的復合材料，其特征在于所述環氧樹脂為雙酚A型環氧樹脂。
4.一種制備權利要求1所述復合材料的方法，包括如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合高速剪切，首先將0. 5-10重量份表面經偶聯劑處理過的納米氧化鋅粒子加入到40-60重量份的環氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以 5000-20000r/min的轉速處理分散液15_60min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發生器以功率 500-1000W、頻率 20-25kHz 處理分散液 15_60min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌2-4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 70-120重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及1-4重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09—0. IMpa，隨后加熱至30-50°C并保溫30-60min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經脫模劑處理的模具中，在烘箱中加熱 80-105°C并保溫2-4h，然后繼續加熱至120-140°C并保溫6_10小時，即可固化得到環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟1所述納米氧化鋅粒子在加入到混合溶液之前進行烘干，烘干溫度為100-130°C，烘干時間為5-10h。
6.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟1所述的偶聯劑為Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯劑(腿550)、^-(3，2-環氧丙氧基)甲基三甲氧基硅烷(KH560)、甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ570)、鈦酸四丁酯中的一種或兩種以上，若為兩種以上則為任意配比。
7.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟1所述的環氧樹脂稀釋劑丙酮為分析純的丙酮。
8.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟5所述的脫模劑為質量濃度為 5%的硅脂/甲苯溶液。
9.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合高速剪切，首先將9. 5重量份表面經ΚΗ550處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干他，然后加入到60重量份的環氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以lOOOOr/min的轉速處理分散液40min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發生器以功率600W、 頻率MkHz處理分散液30min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入90 重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及2重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 095Mpa,隨后加熱至40°C并保溫45min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經脫模劑質量濃度為5%的硅脂/甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱80°C并保溫4h，然后繼續加熱至120°C并保溫6小時，即可固化得到環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。
全文摘要
一種環氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法，該復合材料由基體樹脂、固化劑、促進劑以及添加劑組成，所述基體樹脂為環氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐，促進劑為N，N-二甲基芐胺，添加劑為納米氧化鋅，該復合材料中各組分的重量份為環氧樹脂為1))份、甲基六氫苯酐為70-120份、N，N-二甲基芐胺為1-4份以及納米氧化鋅為0.5-10份；其制備方法包括如下步驟納米氧化鋅、丙酮、環氧樹脂混合高速剪切、超聲分散、水浴脫丙酮、加入固化劑和促進劑后真空脫氣、烘箱固化；本發明的復合材料具有介電性能優良，特別是工頻擊穿場強高的優點，本發明復合材料制備方法具有成本低廉的特點。
文檔編號C08K3/22GK102391620SQ201110252309
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者徐陽, 易冉, 曹曉瓏, 楊文虎 申請人:西安交通大學