防沉淀微?納米復合絕緣材料及其制備方法與流程

本發明屬于微-納米復合材料技術領域，更具體地，本發明涉及一種防沉淀微-納米復合絕緣材料及其制備方法。

背景技術：

環氧樹脂在電性能和機械性能上所具有的優勢，使之成為了多種電氣設備的絕緣結構所使用的主要絕緣材料之一，例如gis(氣體絕緣金屬封閉開關設備)的盆式絕緣子、支柱絕緣子和平板絕緣子等。研究表明，盆式絕緣子作為gis設備的重要絕緣結構，對gis的穩定運行和整個電網的安全起著決定性的作用。而gis在運行過程中，盆式絕緣子表面局部電場畸變很嚴重，容易在絕緣子表面積聚大量的表面電荷，并造成沿面閃絡。而據國內外調查得知，環氧盆式絕緣子沿面放電或閃絡故障是造成gis絕緣故障的最重要原因。因此，新型的絕緣材料的研究和開發成為提高電力系統穩定性和安全性的重要一環。

微-納米復合絕緣材料是將微米填料和納米填料共同摻雜入材料基體中而得到的多功能材料。由于納米及微米填料具有表面效應、小尺寸效應及量子尺寸效應，因此微-納米復合多功能材料相較于傳統的電介質材料，將表現出更加優秀的電、熱、機械等性能。另外，微-納米復合絕緣材料的出現，大大地降低了以往傳統復合絕緣材料的生產成本和使用成本，成為納米復合絕緣材料研究和發展的一條新途徑。

然而微-納米復合絕緣材料制作過程中，由于填料粒子表面的不飽和性、不穩定性和高活潑性，粒子很容易發生團聚現象而造成沉淀，使填料粒子在基體中分布極不均勻，進而使性能得不到保證。因此需要通過物理方法和(或)化學方法來抑制填料粒子的團聚，減少沉淀現象，提高微-納米復合絕緣材料的各項性能指標。目前應用較廣泛的物理防沉淀方法有機械攪拌法、反絮凝劑法和超聲分散法等，化學防沉淀法有表面接枝反應法、偶聯劑法、酯化反應法和氣相沉積法，也可以多種防沉淀法混合以提高分散效果。然而現有技術只能從一個方面改進填料的分散性，效果比較單一，作用較差。

技術實現要素：

基于此，為了克服上述現有技術的缺陷，本發明提供了一種防沉淀微-納米復合絕緣材料及其制備方法。

為了實現上述發明目的，本發明采取了以下技術方案：

一種防沉淀微-納米復合絕緣材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)、對微-納米填料進行表面改性處理；

(2)、將經表面改性處理后的微-納米填料加入至環氧樹脂基體和防沉劑中，機械攪拌20～40min得到基料1；所述微-納米填料為環氧樹脂基體質量的10～50％；所述防沉劑為環氧樹脂基體質量的1～2％；

(3)、將固化劑加入基料1中，超聲處理和機械攪拌共同分散處理60～90min，得到基料2；所述固化劑為環氧樹脂基體質量的30～35％；

(4)、使用抽氣泵和帶有加熱功能的真空箱在30～40℃下對基料2進行脫氣處理40～60min，接著將真空箱升溫至50～60℃，然后將基料2倒入涂有脫模劑的模具中，固化、冷卻、脫模，即得。

在其中一些實施例中，步驟(1)中所述微-納米填料進行表面改性處理，包括以下步驟：

a)將硅烷偶聯劑加入至丙酮中稀釋，在水浴25～35℃條件下使用機械攪拌器分散20～30min，制成硅烷偶聯劑丙酮混合液；

b)將微-納米填料加入至硅烷偶聯劑丙酮混合液中，在水浴50～60℃條件下使用超聲波和機械攪拌共同作用分散處理60～90min；

c)將水浴溫度上升至60～70℃處理20～30min后，充分研磨，75～85℃干燥12～24小時，即得；

其中，所述硅烷偶聯劑為微-納米填料質量的1～2％，所述丙酮為微-納米填料質量的5～10％。

在其中一些實施例中，所述硅烷偶聯劑為3-氨基丙基三乙氧基硅烷。

在其中一些實施例中，步驟(b)中所述機械攪拌的轉速為1000～1500r/min，所述超聲波的頻率為30～50khz，功率為500～700w。

在其中一些實施例中，步驟(4)中所述固化過程采用梯度溫度固化法，即先加熱至70℃下固化4小時，然后再加熱至130℃固化4小時。

在其中一些實施例中，所述環氧樹脂基體為縮水甘油醚類的雙酚a環氧樹脂，所述固化劑為低分子量聚酰胺樹脂hy-651，所述微-納米填料為微-納米sic填料或者微-納米zno填料；所述防沉劑為氣相二氧化硅。

在其中一些實施例中，所述微-納米sic填料為微米sic顆粒和/或納米sic顆粒，所述微米sic顆粒的粒徑為10～50μm，所述納米sic顆粒的粒徑為10～100nm。

在其中一些實施例中，所述微-納米sic填料為微米sic顆粒和納米sic顆粒，所述微米sic顆粒和納米sic顆粒的質量比為1:5～3:1。

在其中一些實施例中，所述微-納米zno填料為微米zno顆粒和/或納米zno顆粒，所述微米zno顆粒的粒徑為10～50μm，所述納米zno顆粒的粒徑為10～100nm。

在其中一些實施例中，所述微-納米zno填料為微米zno顆粒和納米zno顆粒，所述微米zno顆粒和納米zno顆粒的質量比為1:5～3:1。

在其中一些實施例中，步驟(3)中所述機械攪拌的轉速為1000～1500r/min，所述超聲波的頻率為30～50khz，功率為500～700w。

本發明還提供了上述制備方法制備得到的防沉淀微-納米復合絕緣材料。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

本發明通過使用硅烷偶聯劑表面處理過的微-納米填料和防沉劑可以提高填料粒子在環氧樹脂基中的分散情況，并使填料粒子在環氧樹脂復合材料制作過程中有效地抑制了團聚和沉淀現象，提高了微-納米復合絕緣材料的性能，得到了防沉淀微-納米復合絕緣材料，也為微-納米復合絕緣材料的后續研究提供了技術保證。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中防沉淀微-納米復合絕緣材料的制作流程圖；

圖2為本發明實施例1中防沉淀微-納米復合絕緣材料的sem電鏡圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例進一步敘述本發明，本發明未述及之處適用于現有技術。下面給出本發明的具體實施例，但實施例僅是為了進一步詳細敘述本說明，并不限制本發明的權利要求。以下實施例中所使用的試劑或原料，如無特殊說明，均來源于市售。

本發明實施例中制備的防沉淀微-納米復合絕緣材料，是由環氧樹脂基體、固化劑、微-納米表面處理改性填料、硅烷偶聯劑、丙酮和防沉劑等原料制備而得的。

實施例1防沉淀微-納米zno復合絕緣材料

請參閱圖1，為本實施例中防沉淀微-納米復合絕緣材料的制備流程圖；本實施例的微-納米zno復合絕緣材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)、對微-納米填料進行表面處理：微-納米填料為微米zno顆粒和納米zno顆粒的混合物，微米zno顆粒的粒徑為30μm，納米zno顆粒的粒徑為50nm，微米zno顆粒和納米zno顆粒的質量之比為1:4；

a)將硅烷偶聯劑加入至丙酮中稀釋，在水浴30℃條件下使用機械攪拌器分散30min，制成硅烷偶聯劑丙酮混合液；

b)將微-納米填料加入至硅烷偶聯劑丙酮混合液中，在水浴60℃條件下使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，使之混合充分；其中硅烷偶聯劑的質量為微-納米填料質量的1％，丙酮的質量為微-納米改性填料質量的5％；機械攪拌的轉速為1000r/min，所述超聲波的頻率為30khz，功率為500w；

c)將水浴溫度上升至65℃，處理20min以將多余的丙酮揮發充分，得到表面改性后的微-納米改性填料；最后將制得的表面改性后的微-納米改性填料充分研磨后放置在干燥箱中，在80℃的條件下干燥12小時后備用；

(2)、將經表面改性處理后的微-納米zno填料加入至環氧樹脂基體和防沉劑中，接著使用機械攪拌器攪拌20min得到基料1；所述微-納米zno填料為環氧樹脂基質量的10％；所述防沉劑為環氧樹脂基質量的1％；

(3)、將固化劑加入基料1中，使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，得到基料2；所述固化劑為環氧樹脂基體質量的33％；機械攪拌的轉速為1000r/min，所述超聲波的頻率為30khz，功率為500w；

(4)、使用抽氣泵和帶有加熱功能的真空箱在30℃下對基料2進行脫氣處理60min，接著將真空箱升溫至50℃以提高基料的流動性，然后將基料2倒入涂有脫模劑的模具中；

(5)、采用梯度溫度進行固化，即先將模具及基料加熱至70℃下固化4小時，然后再加熱至130℃固化4小時，完全固化后，冷卻、脫模即得到本實施例的防沉淀微-納米zno復合絕緣材料。

本實例得到的防沉淀微-納米zno復合絕緣材料在3kv/mm電場中的體積電導率為5×10^-15s/m，而在10kv/mm電場中的體積電導率為1×10^-13s/m，交流擊穿強度為55kv/mm，直流擊穿強度為80kv/mm，最大非線性系數為13.1。

圖1為本實施例中防沉淀微-納米復合絕緣材料的sem電鏡圖，從圖中可以看出zno粒子在環氧樹脂基體中的分散狀況良好。

實施例2防沉淀微-納米zno復合絕緣材料

本實施例的微-納米zno復合絕緣材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)、對微-納米填料進行表面處理：微-納米填料為微米zno顆粒和納米zno顆粒的混合物，微米zno顆粒的粒徑為30μm，納米zno顆粒的粒徑為50nm，微米zno顆粒和納米zno顆粒的質量之比為2:1；

a)將硅烷偶聯劑加入至丙酮中稀釋，在水浴30℃條件下使用機械攪拌器分散30min，制成硅烷偶聯劑丙酮混合液；

b)將微-納米填料加入至硅烷偶聯劑丙酮混合液中，在水浴60℃條件下使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，使之混合充分；其中硅烷偶聯劑的質量為微-納米填料質量的1％，丙酮的質量為微-納米改性填料質量的5％；機械攪拌的轉速為1000r/min，所述超聲波的頻率為50khz，功率為700w；

c)將水浴溫度上升至65℃，處理20min以將多余的丙酮揮發充分，得到表面改性后的微-納米改性填料；最后將制得的表面改性后的微-納米改性填料充分研磨后放置在干燥箱中，在80℃的條件下干燥12小時后備用；

(2)、將經表面改性處理后的微-納米zno填料加入至環氧樹脂基體和防沉劑中，接著使用機械攪拌器攪拌20min得到基料1；所述微-納米zno填料為環氧樹脂基質量的50％；所述防沉劑為環氧樹脂基質量的1％；

(3)、將固化劑加入基料1中，使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，得到基料2；所述固化劑為環氧樹脂基質量的33％；機械攪拌的轉速為1000r/min，所述超聲波的頻率為50khz，功率為700w；

(4)、使用抽氣泵和帶有加熱功能的真空箱在30℃下對基料2進行脫氣處理60min，接著將真空箱升溫至50℃以提高基料的流動性，然后將基料2倒入涂有脫模劑的模具中；

(5)、采用梯度溫度進行固化，即先將模具及基料加熱至70℃下固化4小時，然后再加熱至130℃固化4小時，完全固化后，冷卻、脫模即得到本實施例的防沉淀微-納米zno復合絕緣材料。

本實施例得到的防沉淀微-納米zno復合絕緣材料中的zno粒子在環氧樹脂基體中的分散狀況良好。復合絕緣材料在3kv/mm電場中的體積電導率為5.5×10^-15s/m，而在10kv/mm電場中的體積電導率為1.2×10^-13s/m，交流擊穿強度為50kv/mm，直流擊穿強度為75kv/mm，最大非線性系數為13.5。

實施例3防沉淀微-納米sic復合絕緣材料

本實施例的微-納米sic復合絕緣材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)、對微-納米填料進行表面處理：微-納米填料為微米sic顆粒和納米sic顆粒的混合物，微米sic顆粒的粒徑為50μm，納米sic顆粒的粒徑為10nm，微米sic顆粒和納米sic顆粒的質量之比為1:4；

a)將硅烷偶聯劑加入至丙酮中稀釋，在水浴30℃條件下使用機械攪拌器分散30min，制成硅烷偶聯劑丙酮混合液；

b)將微-納米填料加入至硅烷偶聯劑丙酮混合液中，在水浴60℃條件下使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，使之混合充分；其中硅烷偶聯劑的質量為微-納米填料質量的1％，丙酮的質量為微-納米改性填料質量的5％；機械攪拌的轉速為1500r/min，所述超聲波的頻率為50khz，功率為700w；

c)將水浴溫度上升至65℃，處理20min以將多余的丙酮揮發充分，得到表面改性后的微-納米改性填料；最后將制得的表面改性后的微-納米改性填料充分研磨后放置在干燥箱中，在80℃的條件下干燥12小時后備用；

(2)、將經表面改性處理后的微-納米sic填料加入至環氧樹脂基體和防沉劑中，接著使用機械攪拌器攪拌20min得到基料1；所述微-納米sic填料為環氧樹脂基質量的20％；所述防沉劑為環氧樹脂基質量的1％；

(3)、將固化劑加入基料1中，使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，得到基料2；所述固化劑為環氧樹脂基質量的33％；機械攪拌的轉速為1500r/min，所述超聲波的頻率為50khz，功率為700w；

(4)、使用抽氣泵和帶有加熱功能的真空箱在30℃下對基料2進行脫氣處理60min，接著將真空箱升溫至50℃以提高基料的流動性，然后將基料2倒入涂有脫模劑的模具中；

(5)、采用梯度溫度進行固化，即先將模具及基料加熱至70℃下固化4小時，然后再加熱至130℃固化4小時，完全固化后，冷卻、脫模即得到本實施例的防沉淀微-納米zno復合絕緣材料。

本實施例得到的防沉淀微-納米sic復合絕緣材料中的sic粒子在環氧樹脂基體中的分散狀況良好。復合絕緣材料在3kv/mm電場中的體積電導率為5.3×10^-15s/m，而在10kv/mm電場中的體積電導率為1.1×10^-13s/m，交流擊穿強度為53kv/mm，直流擊穿強度為78kv/mm，最大非線性系數為13.3。

實施例4防沉淀微-納米sic復合絕緣材料

本實施例的微-納米sic復合絕緣材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)、對微-納米填料進行表面處理：微-納米填料為微米sic顆粒和納米sic顆粒的混合物，微米sic顆粒的粒徑為50μm，納米sic顆粒的粒徑為10nm，微米sic顆粒和納米sic顆粒的質量之比為3:1；

a)將硅烷偶聯劑加入至丙酮中稀釋，在水浴30℃條件下使用機械攪拌器分散30min，制成硅烷偶聯劑丙酮混合液；

b)將微-納米填料加入至硅烷偶聯劑丙酮混合液中，在水浴60℃條件下使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，使之混合充分；其中硅烷偶聯劑的質量為微-納米填料質量的1％，丙酮的質量為微-納米改性填料質量的5％；機械攪拌的轉速為1500r/min，所述超聲波的頻率為50khz，功率為700w；

c)將水浴溫度上升至65℃，處理20min以將多余的丙酮揮發充分，得到表面改性后的微-納米改性填料。最后將制得的表面改性后的微-納米改性填料充分研磨后放置在干燥箱中，在80℃的條件下干燥12小時后備用；

(2)、將經表面改性處理后的微-納米sic填料加入至環氧樹脂基體和防沉劑中，接著使用機械攪拌器攪拌20min得到基料1；所述微-納米sic填料為環氧樹脂基質量的40％；所述防沉劑為環氧樹脂基質量的1％；

(3)、將固化劑加入基料1中，使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，得到基料2；所述固化劑為環氧樹脂基質量的33％；機械攪拌的轉速為1500r/min，所述超聲波的頻率為50khz，功率為700w；

(4)、使用抽氣泵和帶有加熱功能的真空箱在30℃下對基料2進行脫氣處理60min，接著將真空箱升溫至50℃以提高基料的流動性，然后將基料2倒入涂有脫模劑的模具中；

(5)、采用梯度溫度進行固化，即先將模具及基料加熱至70℃下固化4小時，然后再加熱至130℃固化4小時，完全固化后，冷卻、脫模即得到本實施例的防沉淀微-納米zno復合絕緣材料。

本實施例得到的防沉淀微-納米sic復合絕緣材料中的sic粒子在環氧樹脂基體中的分散狀況良好。復合絕緣材料在3kv/mm電場中的體積電導率為5.4×10^-15s/m，而在10kv/mm電場中的體積電導率為1.15×10^-13s/m，交流擊穿強度為52kv/mm，直流擊穿強度為79kv/mm，最大非線性系數為13.4。

對比例未改性微-納米zno復合絕緣材料

本對比例的微-納米zno復合絕緣材料的制備方法，除了使用的微-納米zno填料為未做任何處理的微-納米zno填料外，其他步驟和參數均與實施例2相同，具體包括以下步驟：

(1)、將未處理的微-納米zno填料加入至環氧樹脂基體和防沉劑中，接著使用機械攪拌器攪拌20min得到基料1；所述微-納米zno填料為環氧樹脂基質量的50％；所述防沉劑為環氧樹脂基質量的1％；微-納米填料為微米zno顆粒和納米zno顆粒的混合物，微米zno顆粒的粒徑為30μm，納米zno顆粒的粒徑為50nm，微米zno顆粒和納米zno顆粒的質量之比為2:1；

(2)、將固化劑加入基料1中，使用超聲波和機械攪拌器共同作用分散處理60min，得到基料2；所述固化劑為環氧樹脂基質量的33％；機械攪拌的轉速為1000r/min，所述超聲波的頻率為50khz，功率為700w；

(4)、使用抽氣泵和帶有加熱功能的真空箱在30℃下對基料2進行脫氣處理60min，接著將真空箱升溫至50℃以提高基料的流動性，然后將基料2倒入涂有脫模劑的模具中；

(5)、采用梯度溫度進行固化，即先將模具及基料加熱至70℃下固化4小時，然后再加熱至130℃固化4小時，完全固化后，冷卻、脫模即得到本對比例的微-納米zno復合絕緣材料。

本對比例得到的微-納米zno復合絕緣材料中的zno粒子在環氧樹脂基體中的分散狀況欠佳，出現了團聚和沉淀現象。復合絕緣材料在3kv/mm電場中的體積電導率為5.2×10^-15s/m，而在10kv/mm電場中的體積電導率為1.3×10^-13s/m，交流擊穿強度為45kv/mm，直流擊穿強度為65kv/mm，最大非線性系數為11。

以上所述實施例的各技術特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特征的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。