專利名稱：用于電絕緣體的被二嵌段共聚物改性的納米粒子-聚合物納米復(fù)合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及被納米粒子填充的聚合物納米復(fù)合物，尤其涉及將納米復(fù)合物用作電絕緣體。
背景技術(shù)：
由于納米粒子獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，故此其在電子、化學(xué)、光學(xué)和機(jī)械工業(yè)中的各種不同應(yīng)用越來越受到關(guān)注。納米粒子可由各種材料制成，并典型地被限定成直徑是 1-100納米的粒子。近來，對納米粒子進(jìn)行改性以改變其物理和化學(xué)性質(zhì)已成為重要的研究領(lǐng)域。納米粒子一直被用來改進(jìn)某些工業(yè)聚合物如環(huán)氧化物，的性質(zhì)。環(huán)氧化物被用在各種各樣的應(yīng)用中。環(huán)氧是熱固性環(huán)氧聚合物，其在與固化劑或“硬化劑”和催化劑混合時固化(聚合并交聯(lián))。一些實踐者使用過填充物，包括納米級填充物，來試圖改善環(huán)氧化物的特性。這些復(fù)合物相對于純環(huán)氧(無填充物的環(huán)氧)往往有得有失，例如，使用某一特定填充物可增強(qiáng)環(huán)氧的硬度，但同時降低其延性和不透明度。傳統(tǒng)上，電動機(jī)絕緣系統(tǒng)由環(huán)氧或聚酯樹脂浸漬過的云母帶組成。這些系統(tǒng)穩(wěn)固而可靠，但帶有缺陷，諸如在云母和基體(matrix)之間的空隙中產(chǎn)生放電。這些空隙有可能由因震動、熱循環(huán)等等而致的分層所產(chǎn)生的。很多種微米級填充物被加至環(huán)氧樹脂，以形成更好的機(jī)械、熱和電性質(zhì)組合的復(fù)合物。使用如橡膠的軟顆粒填充物被用來提高環(huán)氧的機(jī)械韌性。然而，其增強(qiáng)了該環(huán)氧的韌性的同時，其也降低了硬度。已知使用剛性顆粒填充物來提高環(huán)氧的硬度。這種剛性填充物的局限是其致使延性和不透明度降低。已知用微米級填充物浸漬多孔結(jié)構(gòu)(例如云母帶或紙)會導(dǎo)致多種問題，諸如粒子沉淀、多孔結(jié)構(gòu)自身的磨損以及滲透入多孔結(jié)構(gòu)差。不管電絕緣系統(tǒng)是通過澆鑄或是浸漬工藝制造，所有這些現(xiàn)象均會導(dǎo)致對系統(tǒng)的機(jī)械性質(zhì)有不良影響
發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及電絕緣體的制備方法，包括以下步驟(a)提供多個被改性的納米粒子，(b)使該些納米粒子分散在預(yù)聚物樹脂，以提供預(yù)聚物分散體，(C)用該分散體浸漬多孔底物(substrate)以及(d)使該分散體聚合；其中該些納米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被連接至該些納米粒子，該嵌段共聚物具有鄰近該納米粒子、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的內(nèi)聚合物和遠(yuǎn)離該納米粒子、與樹脂相容的外聚合物。另一方面，本發(fā)明涉及電絕緣體的制備方法，該方法包括以下步驟(a)提供多個被改性的納米粒子，(b)使所述納米粒子分散在聚合物基質(zhì)中，以提供納米復(fù)合物，其中所述被改性的納米粒子被改性，以致嵌段共聚物被共價連接至該納米粒子，所述嵌段共聚物具有鄰近該納米粒子、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的內(nèi)聚合物和遠(yuǎn)離該納米粒子、與基質(zhì)相容的外聚合物，其中所述電絕緣體適于用于電機(jī)繞組、電纜和電套管。為了說明，該電絕緣體可被用于如電動機(jī)或發(fā)電機(jī)定子繞組的電機(jī)繞組，或者電套管。為了進(jìn)一步的說明，該電絕緣材料還能被用于電裝置，諸如干式變壓器、互感器、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電容器、開關(guān)裝置、 避雷器、斷路器、電纜附件或電纜。又另一方面，本發(fā)明涉及電絕緣材料，其包括被分散在聚合物基質(zhì)中的被改性的 (modified)納米粒子，其中該被改性的納米粒子包括納米粒子和被共價連接至該納米粒子的嵌段共聚物，該嵌段共聚物包含被連接至該納米粒子、顯示出低于室溫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的內(nèi)聚合物和被共價聯(lián)接至該內(nèi)聚合物的外聚合物，其中該外聚合物和聚合物基質(zhì)具有相容的官能度，其中該材料可被用于如電動機(jī)或發(fā)電機(jī)定子繞組的電機(jī)繞組，或者電套管。 該電絕緣材料還能被用于電裝置，諸如干式變壓器、互感器、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電容器、開關(guān)裝置、電纜附件或電纜。又另一方面，本發(fā)明涉及電絕緣材料，其包括被改性的納米粒子、多孔底物和聚合物基質(zhì)，其中該被改性的納米粒子包括納米粒子和被共價連接至該納米粒子的二嵌段共聚物，該二嵌段共聚物包括被連接至該納米粒子、分子量大于1000并且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的第一嵌段聚合物和被共價聯(lián)接至該第一嵌段聚合物的分子量大于1000的第二嵌段聚合物，其中該第二嵌段聚合物和該基質(zhì)都具有相同的化學(xué)官能度。通過以下對于本發(fā)明的各個方面的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些以及其他的目的、特征和優(yōu)點對本領(lǐng)域技術(shù)人員將變得清晰。
具體實施例方式本發(fā)明提供了含被改性的納米粒子的電絕緣材料以及這種材料的制作方法。以下描述旨在提供本發(fā)明的例子和說明本發(fā)明的各個方面如何相互關(guān)聯(lián)。然而，重要的是要注意本發(fā)明的范圍被完全地闡明在權(quán)利要求中，絕不應(yīng)將本描述視為以任何方式限制該些權(quán)利要求。合成方法本發(fā)明一方面包括電絕緣體的制備方法，該方法包括以下步驟(a)提供多個被改性的納米粒子，(b)使該些納米粒子分散在預(yù)聚物樹脂中，以提供預(yù)聚物分散體，(C)用該分散體浸漬多孔底物以及(d)使該分散體聚合，其中該些被改性的納米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被連接至該些納米粒子，該嵌段共聚物具有鄰近該納米粒子、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的內(nèi)聚合物和遠(yuǎn)離該納米粒子、與樹脂相容的外聚合物。具有二嵌段共聚物結(jié)構(gòu)的該些被改性的納米粒子提供了具有與先前已知的電絕緣材料相比斷裂韌性和疲勞性能被提高的電絕緣體。另一方面，本發(fā)明涉及電絕緣體的制備方法，該方法包括以下步驟(a)提供多個被改性的納米粒子，(b)使該些納米粒子分散在聚合物基質(zhì)中，以提供納米復(fù)合物，其中該些被改性的納米粒子被改性，以致嵌段共聚物被共價連接至該納米粒子，該嵌段共聚物具有鄰近該納米粒子、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的內(nèi)聚合物和遠(yuǎn)離該納米粒子、與基質(zhì)相容的外聚合物。該電絕緣體可適于用于電機(jī)繞組、電纜和電套管。為了說明，該電絕緣體可被用在如電動機(jī)或發(fā)電機(jī)定子繞組的電動機(jī)和電機(jī)繞組，或者電套管中。為了進(jìn)一步說明，該電絕緣材料還能被用于電裝置，諸如干式變壓器、互感器、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、電容器、開關(guān)裝置、避雷器、斷路器、電纜附件或電纜。具有二嵌段共聚物結(jié)構(gòu)的被改性的納米粒子提供了具有與先前已知的電絕緣材料相比斷裂韌性和疲勞性能被提高的電絕緣體。合適的納米粒子可由任何想要的材料制成，這并沒有限制。通過例子，適合用于本發(fā)明的納米粒子可由任何以下物質(zhì)制成，其包括但不限于無機(jī)粒子，例如金屬氧化物，諸如但不限于二氧化硅、氧化鋁(alumina)、氧化鋁(aluminium oxide)、氧化鈦、氧化錫或者半導(dǎo)電的材料。該些粒子也可包含有機(jī)材料，諸如半導(dǎo)體聚合物粒子、橡膠粒子或適合特定應(yīng)用的另一有機(jī)材料。術(shù)語“橡膠”和“橡膠態(tài)”指玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于23°C的聚合物。為了本公開內(nèi)容之目的，術(shù)語“納米粒子”以廣義被使用，但僅為了說明，一些適合用于本發(fā)明的納米粒子的典型屬性是粒子大小在1-100納米之間，而在粒子形狀方面，其長寬比在1和 1，000之間。例如，對這種被改性的納米粒子的描述可為
權(quán)利要求
1.電絕緣體的制備方法，該方法包含(a)提供多個被改性的納米粒子；(b)使所述納米粒子分散在聚合物基質(zhì)中，以提供納米復(fù)合物；其中所述被改性的納米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被共價連接至該納米粒子，所述嵌段共聚物具有鄰近該納米粒子、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的內(nèi)聚合物和遠(yuǎn)離該納米粒子、與基質(zhì)相容的外聚合物其中所述電絕緣體適應(yīng)用于電機(jī)繞組、電纜和電套管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該聚合物基質(zhì)是熱塑性塑料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該聚合物基質(zhì)是熱固性塑料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中該些納米粒子是無機(jī)粒子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中該些納米粒子是有機(jī)粒子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中該些納米粒子選自由以下物質(zhì)組成的群組氧化鋁、二氧化硅、氧化鈦、氧化錫、半導(dǎo)電和橡膠態(tài)聚合物粒子。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3-6中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中該外聚合物具有環(huán)氧官能度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3-7中任一項權(quán)利要求所述的方法，其中該聚合物基質(zhì)是環(huán)氧。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電絕緣體的制備方法，該方法包含(a)提供多個被改性的納米粒子；(b)使所述納米粒子分散在預(yù)聚物樹脂中，以提供預(yù)聚物分散體；(c)用所述分散體浸漬多孔底物以及(d)使所述分散體聚合；其中所述納米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被連接至該些納米粒子，所述二嵌段共聚物具有鄰近該納米粒子、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的內(nèi)聚合物和遠(yuǎn)離該納米粒子、與樹脂相容的外聚合物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中該多孔底物是纖維底物。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中該纖維底物選自由以下物質(zhì)組成的群組云母、 纖維素纖維、玻璃纖維、聚合纖維及其混合物。
12.電絕緣材料，包含被分散在聚合物基質(zhì)中的被改性的納米粒子其中所述被改性的納米粒子包含納米粒子和被共價連接至該納米粒子的二嵌段共聚物；所述二嵌段共聚物包含被連接至該納米粒子、顯示出低于室溫的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的內(nèi)聚合物和被共價聯(lián)接至該內(nèi)聚合物的外聚合物，其中所述外聚合物和所述聚合物基質(zhì)具有相容的官能度其中所述材料適應(yīng)用于電機(jī)繞組、電纜和套管。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電絕緣材料，包含被改性的納米粒子；多孔底物；以及聚合物基質(zhì)，其中所述被改性的納米粒子包含納米粒子和被共價連接至該納米粒子的二嵌段共聚物；所述二嵌段共聚物包含被連接至該納米粒子、分子量大于1000并且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的內(nèi)嵌段聚合物和被共價聯(lián)接至該內(nèi)嵌段聚合物、分子量大于1000的外嵌段聚合物，其中所述外嵌段聚合物和所述基質(zhì)都具有相同的化學(xué)官能度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)是熱塑性塑料。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)是熱固性塑料。
16.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該些納米粒子是無機(jī)粒子。
17.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該些納米粒子是有機(jī)粒子。
18.根據(jù)權(quán)利要求12-15中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該些納米粒子選自以下物質(zhì)組成的群組氧化鋁、二氧化硅、氧化鈦、氧化錫、半導(dǎo)電和橡膠態(tài)聚合物粒子。
19.根據(jù)權(quán)利要求12-13或15-18中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該外聚合物具有環(huán)氧官能度。
20.根據(jù)權(quán)利要求12-13或15-19中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)是環(huán)氧。
21.根據(jù)權(quán)利要求12-20中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)包含0. 1-25V01%的被改性的納米粒子。
22.根據(jù)權(quán)利要求12-20中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)包含0. I-IOvol%的被改性的納米粒子。
23.根據(jù)權(quán)利要求12-20中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)包含0. 1-5V01%的被改性的納米粒子。
24.根據(jù)權(quán)利要求12-20中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)包含0. I-Ivol%的被改性的納米粒子。
25.根據(jù)權(quán)利要求12-20中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該聚合物基質(zhì)包含0. 05-2VOl%的被改性的納米粒子。
26.根據(jù)權(quán)利要求12-25中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中嵌段共聚物的鏈的接枝密度對于該些納米粒子是0. 01至1鏈/nm2。
27.根據(jù)權(quán)利要求12-26中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該嵌段共聚物的嵌段的分子量是1，000至200，000g/mole。
28.根據(jù)權(quán)利要求12-27中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，包含用納米復(fù)合物浸漬的多孔纖維底物，該納米復(fù)合物包含被分散在聚合物基質(zhì)中的被改性的納米粒子。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的電絕緣材料，其中該多孔纖維底物選自由以下物質(zhì)組成的群組云母、纖維素纖維、玻璃纖維、聚合纖維及其混合物。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀-29中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料，其中該多孔纖維底物的形態(tài)為紙、壓紙板、層板、帶、織物或薄板。
31.根據(jù)權(quán)利要求12-30中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料的使用，其使用于在電機(jī)或電動機(jī)。
32.根據(jù)權(quán)利要求12-30中任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料的使用，其使用于在套管、變壓器、避雷器、斷路器或電容器。
33.電氣裝置，包含(a)導(dǎo)電的線；以及(b)根據(jù)權(quán)利要求12-30任一項權(quán)利要求所述的電絕緣材料， 其中所述電絕緣材料徑向地環(huán)繞所述線。
全文摘要
本發(fā)明涉及電絕緣材料，包括被改性的納米粒子、多孔底物和聚合物基質(zhì)，其中該被改性的納米粒子包括納米粒子和被共價連接至該納米粒子的二嵌段共聚物，該二嵌段共聚物包括被連接至該納米粒子、分子量大于1000并且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于室溫的第一嵌段聚合物和被共價聯(lián)接至該第一嵌段聚合物、分子量大于1000的第二嵌段聚合物，其中該第二嵌段聚合物和該基質(zhì)都具有相同的化學(xué)官能度。還公開了其他電絕緣材料和這種電絕緣材料的制作方法。
文檔編號C08L63/00GK102449010SQ201080023087
公開日2012年5月9日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者亨里克·希爾伯格, 布萊恩·拜尼塞維茲, 琳達(dá)·謝德勒, 趙甦 申請人:倫斯勒理工學(xué)院