專利名稱：一種高導(dǎo)熱硅橡膠納米復(fù)合絕緣材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱硅橡膠納米復(fù)合絕緣材料的制備方法。
背景技術(shù)：
納米BN顆粒對硅橡膠導(dǎo)熱能力的提高:純硅橡膠的導(dǎo)熱率約為0.20W/ (m.k)，在復(fù)合絕緣子表面的放電所釋放的熱量，由于不能及時向外傳導(dǎo)，易使硅橡膠材料表面老化，從而影響其絕緣能力。導(dǎo)熱橡膠是一類具有導(dǎo)熱性能的功能橡膠材料，其導(dǎo)熱性能使其具有良好的散熱和熱傳導(dǎo)能力。研制適合制作絕緣子的高導(dǎo)熱硅橡膠，對提升電網(wǎng)穩(wěn)定將有促進(jìn)作用。導(dǎo)熱硅橡膠的常用制備方法，是向其中添加導(dǎo)熱率高于硅橡膠的填料。通常使用的導(dǎo)熱絕緣填料主要有AIN、BN、A1203、Si3N4, SiC、B4C, TiC等氮化物、碳化物以及金屬氧化物，這些無機(jī)填料具有良好的絕緣性和高熱導(dǎo)率，填充到聚合物基體中可以制備具有良好綜合性能的導(dǎo)熱絕緣材料。其中BN由于其高導(dǎo)熱率、低介電常數(shù)、高電阻率、低膨脹系數(shù)、高橫縱比等特點使其成為高導(dǎo)熱聚合物絕緣材料的理想填料。添加納米顆粒的聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，取決基體、納米填料和其共同的界面。其中導(dǎo)熱填料是復(fù)合材料中的主要導(dǎo)熱載體，無論是顆粒狀，還是纖維狀，其自身的導(dǎo)熱性能都遠(yuǎn)大于基體材料的導(dǎo)熱性。當(dāng)填充量比較小時，填料雖然均勻的分散到體系中，然而在填料之間沒有形成直接的相互接觸和相互作用，此時這些填料對提高整個體系的導(dǎo)熱性能貢獻(xiàn)不大，其耐高溫能力的提升主要是依據(jù)填料本身對熱量吸收能力；當(dāng)填料用量足夠大時，填料之間易有直接接觸，在混合體系中形成鏈狀或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，稱為導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈連接方向與熱流方向平行時，就可以在很大程度上提高混合體系的導(dǎo)熱性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過直流斜面實驗，研究了添加高導(dǎo)熱納米BN顆粒對硅橡膠耐侵蝕能力的影響及表面放電對硅橡膠的侵蝕作用，主要是其釋放大量的熱的作用。因此，提高硅橡膠的導(dǎo)熱性能，可以提高其耐侵蝕能力。并且添加的高導(dǎo)熱納米BN顆粒對硅橡膠表面的憎水性、表面電阻和閃絡(luò)電壓影響很小。


圖1添加不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米BN顆粒的硅橡膠試樣進(jìn)行直流斜面實驗不同時間的熱成像2不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN顆粒的硅橡膠試樣進(jìn)行直流斜面實驗結(jié)果圖3不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN顆粒的硅橡膠試樣侵蝕深度圖4不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN顆粒的硅橡膠試樣侵蝕失重圖5不同熱傳導(dǎo)能力試樣熱量傳遞示意6不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米BN顆粒的硅橡膠試樣表面電阻率
具體實施例方式1.2.1納米BN顆粒含量對硅橡膠表面的溫度分布如圖1所示，為添加不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米BN顆粒的硅橡膠試樣進(jìn)行直流斜面實驗不同時間的熱成像圖。從圖中可以觀察到，由上至下，在相同的實驗時間下，添加不同的納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的試樣表面高溫區(qū)域分布等呈現(xiàn)一定的規(guī)律。添加BN納米顆粒使硅橡膠混合材料對熱量的傳導(dǎo)能力得到了提高。如圖所示，在IOmin時，試樣上獲取的熱成像圖間區(qū)分不大，溫度相近；隨著實驗的進(jìn)行，可見圖中代表高溫的亮色，在納米顆粒含量較高的混合材料試樣表面分布面積更大，而顏色較納米顆粒含量低的混合材料試樣表面相比，其表面的最高溫度較低。當(dāng)實驗進(jìn)行到60min時，從試樣表面獲得的熱成像圖已經(jīng)有了很明顯的區(qū)別?？梢詮膱D中觀察到，不含有納米顆粒硅橡膠材料，在實驗進(jìn)行60min時試樣的邊緣部分區(qū)域溫度仍然低于40°C，熱源周圍的溫度高于140°C，且面積很小而集中；含有納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.0wt%的材料，同一時刻下試樣表面溫度普遍高于60°C,熱源周圍很大一部分面積的溫度為120°C。當(dāng)實驗進(jìn)行到240min時,含有5.0wt %納米顆粒的混合材料試樣,其表面溫度均已經(jīng)達(dá)到90°C ;而同一時刻下，純的硅橡膠材料試樣表面仍然有部分溫度低于70°C。1.2.2納米BN顆粒含量對硅橡膠表面侵蝕深度的影響如圖2所示，是含有不同納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料，經(jīng)過直流斜面實驗后的碳痕跡和侵蝕痕跡照片。從圖中可以觀察到:與含有5.0wt%納米顆粒的材料試樣表面痕跡相t匕，不含納米顆粒和納米顆粒含量為2.5wt%的試樣表面，碳痕跡的寬度更小，但是侵蝕深度更深，對材料表面破壞更加嚴(yán)重。而含有納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0wt %的材料表面，幾乎沒有侵蝕痕跡，而是主要表現(xiàn)為析出黑色的碳或白色的硅的粉末。
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如圖3所示，含有不同納米BN顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料試樣，經(jīng)過直流斜面實驗后的侵蝕痕跡深度。從數(shù)據(jù)中可以看出，添加納米BN顆粒后，試樣被侵蝕的深度得到顯著的減小。當(dāng)添加的BN顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到5.0wt%后，其幾乎沒有被侵蝕的痕跡，而是有一層碳痕跡和析出的硅的白色粉末。1.2.3納米BN顆粒含量對硅橡膠電侵蝕失重的影響如圖4所示，含有不同納米BN顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料試樣，經(jīng)過直流斜面實驗后侵蝕后的失重。測量試樣失重前，需將實驗結(jié)束后的試樣表面用軟毛刷刷洗干凈，并用超聲清洗器清洗干凈后，放在高溫箱中烘干。然后使用電子天平測量試樣的重量，與實驗前記錄的試樣重量相比較獲得其失重。從圖中可以觀察到，含有5.0wt%的混合材料試樣，失重很少，而純硅橡膠材料試樣，實驗后，有較大的失重。這說明，添加納米BN顆粒，可以抑制放電和高溫對材料的侵蝕,減少材料由于高溫而變質(zhì)。根據(jù)以上的實驗結(jié)果，假設(shè)不考慮由于試樣老化帶來的試樣表面電流的改變對熱源溫度的影響，相同時間內(nèi)放電及電流通過水帶所釋放的熱量是相同的。如圖5所示，不同熱傳導(dǎo)能力的試樣熱量傳遞方式。如果材料對熱量傳導(dǎo)能力得到提升，這些熱量將會使更大的體積材料溫度提高。雖然直接接觸熱源的部分，由于熱量來不及傳導(dǎo)就已經(jīng)發(fā)生了碳化等材料的變質(zhì)，但是由于有更大體積的材料承擔(dān)相同的熱量，從而使稍微靠近熱源的部分溫升相對減少，相對遠(yuǎn)離熱源部分的材料溫升相對增多。熱量的“分?jǐn)偂?，使大部分材料溫度上升到所能達(dá)到的溫度，但并不會對材料造成破壞。此外，在硅橡膠中添加大量的無機(jī)粒子，和硅橡膠相比，無機(jī)粒子的比熱容遠(yuǎn)大于硅橡膠。在高溫下，比同等質(zhì)量的硅橡膠吸收更多的熱量。因此提高相同溫度，將要需要更多的熱量，提高了試樣起始分解的熱量。通過觀察實驗后，試樣表面侵蝕的痕跡可以發(fā)現(xiàn)，與含有較多納米顆粒的材料試樣表面相比，不含有納米顆粒和納米顆粒含量低的試樣表面，碳痕跡的寬度更小，但是侵蝕深度更深，對材料表面破壞更加嚴(yán)重。而含有納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.0wt%的材料表面，幾乎沒有深層的侵蝕，而是主要表現(xiàn)為析出黑色的碳或白色的硅的粉末。1.2.4納米BN顆粒含量對硅橡膠表面靜態(tài)接觸角的影響研究中，按照IEC標(biāo)準(zhǔn)的方法，對制備好的硅橡膠/BN混合材料試樣表面進(jìn)行了靜態(tài)接觸角測量，測量過程中，選取試樣表面不同的位置，進(jìn)行多次測量后取平均值。經(jīng)過測量，剛剛制備的純硅橡膠表面的靜態(tài)接觸角為109.8°，而添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5wt%的納米BN顆粒后制備的混合材料試樣表面的靜態(tài)接觸角為109.6°，并且未隨著納米BN顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，而出現(xiàn)超過0.5°的變化。添加前后試樣表面接觸角值一致，說明添加納米BN顆粒不會對試樣表面的憎水性造成影響，在改變其導(dǎo)熱性的同時，沒有改變其憎水性強的優(yōu)勢。1.2.5納米BN顆粒含量對硅橡膠表面閃絡(luò)電壓的影響對含有不同納米BN顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料試樣進(jìn)行靜態(tài)液滴實驗，測量其表面閃絡(luò)電壓與納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系。實驗中，對同一質(zhì)量分?jǐn)?shù)試樣表面的不同位置進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果顯示，添加納米BN顆粒對試樣表面閃絡(luò)電壓影響不大。未添加BN顆粒的試樣表面閃絡(luò)電壓約為20kV左 右，而添加納米顆粒的試樣表面閃絡(luò)電壓也是以20kV為中心變化。因此，由于BN電阻率高，添加納米BN顆粒并未影響硅橡膠表面的閃絡(luò)電壓。1.2.6納米BN顆粒含量對硅橡膠表面電阻率的影響如圖6所示，含有不同納米BN顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料試樣的表面電阻率。使用表面電阻計，對含有不同的納米BN顆粒的混合材料的表面電阻率進(jìn)行測量，結(jié)果顯示，表面電阻率變化很小，并略有增加，但是其增加量相對其原有的電阻率相比，十分微小。但是證明了添加BN顆粒對試樣表面的電阻率影響不大。出現(xiàn)以上所述的結(jié)果，可以證明添加氮化硼顆粒所制成的混合材料，其表面的性質(zhì)仍滿足電力系統(tǒng)對硅橡膠材料的要求。此外，出現(xiàn)以上結(jié)果，一方面是因為氮化硼本身電阻率高、介電常數(shù)小的特性以外，另一方面是由于納米顆粒自身的尺寸決定其在基體中存在形式，主要是被硅橡膠的分子包裹。試樣表面主要仍然是硅橡膠為主，而氮化硼顆粒則主要在材料內(nèi)部，納米顆粒對其表面的性質(zhì)影響較小，而仍能表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明專利涉及一種高導(dǎo)熱硅橡膠納米復(fù)合絕緣材料的制備方法，它包括本發(fā)明通過直流斜面實驗，研究了添加高導(dǎo)熱納米BN顆粒對硅橡膠耐侵蝕能力的影響。表面放電對硅橡膠的侵蝕作用，主要是其釋放大量的熱的作用，因此，提高硅橡膠的導(dǎo)熱性能，能提高其耐侵蝕能力，并且添加高導(dǎo)熱納米BN顆粒對硅橡膠表面的憎水性、表面電阻和閃絡(luò)電壓影 響很小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高導(dǎo)熱硅橡膠納米復(fù)合絕緣材料的制備方法，它通過直流斜面實驗，研究了添加高導(dǎo)熱納米BN顆粒對硅橡膠耐侵蝕能力的影響。表面放電對硅橡膠的侵蝕作用，主要是其釋放大量的熱的作用，因此，提高硅橡膠的導(dǎo)熱性能，能提高其耐侵蝕能力，并且添加高導(dǎo)熱納米BN顆粒對硅橡膠表面的憎水性、表面電阻和閃絡(luò)電壓影響很小。導(dǎo)熱橡膠是一類具有導(dǎo)熱性能的功能橡膠材料，良好的導(dǎo)熱性能使其具有較好的散熱及熱傳導(dǎo)能力。研制適合制作絕緣子的高導(dǎo)熱硅橡膠，對提高電網(wǎng)穩(wěn)定將有促進(jìn)作用。
文檔編號C08K3/38GK103160126SQ20121053503
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者杜伯學(xué) 申請人:天津?qū)W子電力設(shè)備科技有限公司