专利名称：表面改性的电绝缘系统的制作方法
表面改性的电绝缘系统发明领域本发明涉及一种表面改性的电绝缘系统，所述电绝缘系统包含含选定填料的合成 聚合物组合物，所述电绝缘系统的表面是超疏水性的。本发明还涉及一种制备具有超疏水 性表面的表面改性电绝缘系统的方法。技术现状对于户外电绝缘子，通常需要这类电绝缘子具有沉积在表面上的尘土和污染物 可被雨水移除从而产生自洁效应的疏水表面。这样的自洁表面自例如硅橡胶或疏水的 脂环族环氧树脂组合物制成。这些材料被归为疏水类，意味着其与水的表面接触角在约 90° -140°范围内。此自洁效应的效率可通过进一步增大与水的表面接触角至高于140° 而提高。与水的表面接触角高于140°的表面常被称为超疏水表面。众所周知，可通过向绝 缘材料施加所谓的荷花效应(Lotus Effect)涂层获得这些高表面接触角。为获得超疏水 表面，最外表面层得是疏水的且所述层优选构造为微米或纳米尺度的厚度。WO 2006/044642公开了一种对外部电绝缘系统应用施加荷花效应材料作为超疏 水保护涂层的方法。所沉积的荷花效应材料作为基材材料上的附加层形成辅助涂层，由此 基材材料对所述辅助涂层材料所提供的表面性质没有影响。施加辅助涂层的一个重要缺点 在于涂布材料的耐久性常取决于涂层对基材的粘附水平。另一缺点在于涂层的性质如介电 行为和UV-稳定性将不可避免地与基材的那些不同。为克服这个问题，WO 2006/044642提 出向荷花效应材料中添加UV稳定剂和阻燃剂。发明概述现已发现，产生具有荷花效应且同时具有与电绝缘子的体材料基本相同的性质如 介电行为和UV-稳定性的电绝缘子表面是可能的。此外，单独的涂层所引起的界面问题被 消除。根据本发明，这通过处理绝缘子的表面以获得绝缘子的“结构化表面”而实现。结构 化表面指表面处于天然状态，即绝缘子的表面呈现其微米尺度和纳米尺度特征。这些特征 是自其产生本发明的荷花效应所需要的。绝缘子材料的结构化表面通过例如对基材材料的 表面喷砂获得。绝缘子材料的结构化表面用液体疏水化合物处理。这样的液体疏水化合物 可为例如液体聚硅氧烷，由此在表面上形成疏水化合物的薄层，所述表面因此变得超疏水。 液体疏水化合物还可为两亲化合物，由此绝缘子材料的结构化表面用两亲化合物处理足够 长的时间直至形成自组装单层(SAM)表面。另外，结构化表面的组合处理也是可能的，即结 构化表面用两亲化合物处理并随后用液体疏水化合物如液体聚硅氧烷处理。用液体疏水化合物如液体聚硅氧烷的处理可通过直接用疏水化合物处理结构化 表面或通过向基材中结合疏水添加剂或通过组合这两种方法实现。液体疏水材料可自绝缘 子组合物的内部向绝缘子的表面扩散而在结构化表面上形成液体疏水材料的薄层，从而赋 予所述表面以超疏水性。本发明的基本特征还在于绝缘材料含无机填料如二氧化硅或氧化铝，其至少部分 暴露于表面并经喷砂过程而处于其天然形式。自组装单层(SAM)自所谓的两亲分子即在分子的任一端上优选不同的化学环境的分子形成。典型的实例为在一端上因具有憎水端基而憎水即疏水而在另一端上因对水具 有亲和力而亲水的化合物分子。通过向表面施加自组装单层(SAM)，表面性质如表面能可被 改变，亲水表面可因此转变为疏水表面。发明详述本发明在权利要求书中限定。本发明涉及一种具有超疏水表面的表面改性电绝缘 系统，所述绝缘系统包含硬化或固化的合成聚合物组合物，所述组合物含至少一种填料和 任选的其他添加剂，所述绝缘系统的特征在于(i)所述合成聚合物选自电绝缘的热塑性和硬塑性聚合物；(ii)所述至少一种填料选自填料包括无机氧化物、无机氢氧化物和无机羟基氧化 物；(iii)绝缘系统中所述至少一种填料的量占绝缘系统总重量的约60%到80%重 量；禾口(iv)电绝缘系统的表面以具有其微米尺度和纳米尺度特征的结构化表面形式存 在，由此(whereby)所述结构化表面已被覆盖以液体疏水化合物。已用其覆盖或处理电绝缘系统的结构化表面的覆盖电绝缘系统的结构化表面的 所述液体疏水化合物优选选自液体有机聚硅氧烷，优选选自环状有机聚硅氧烷和/或低分 子量低聚有机聚硅氧烷。此外，所述覆盖了液体疏水化合物的结构化表面可被覆盖以自至 少一种两亲化合物组成的自组装单层(SAM)，其中所述自组装单层(SAM)任选可还被覆盖 以液体疏水化合物。本发明还涉及一种制备所述具有超疏水表面的表面改性电绝缘系统的方法。本发 明还涉及所述表面改性电绝缘系统作为绝缘系统在电气制品中的用途。本发明还涉及包含 所述表面改性电绝缘系统的电气制品。根据本发明的表面改性电绝缘系统包含硬化或固化的合成聚合物组合物。所述聚 合物可选自本领域中熟知的用在电绝缘子组合物中的聚合物，例如聚酯如聚(甲基丙烯酸 甲酯)或聚(烷基丙烯腈)，或硬塑性聚合物如聚氨酯或环氧树脂组合物。优选的是环氧树 脂组合物，优选脂环族环氧树脂组合物。所述环氧树脂组合物通常含环氧树脂、硬化剂、加 速固化过程的固化剂以及其他添加剂。这些化合物本身是熟知的。在本发明的范围内可使用芳环族和脂环族环氧树脂化合物。优选的是脂环族环氧 树脂化合物。这类环氧树脂化合物每分子含至少两个1，2_环氧基团。可用于本发明的环 氧树脂化合物包含未被取代的缩水甘油基团和/或被甲基所取代的缩水甘油基团。这些缩 水甘油基化合物的环氧值(当量/千克)优选至少为3，优选至少为4，尤其是约5或更高， 优选约5. 0到6. 1。优选例如式(I)的任选被取代的环氧树脂
权利要求
具有超疏水表面的表面改性电绝缘系统，所述绝缘系统包含硬化或固化的合成聚合物组合物，所述组合物含至少一种填料和任选的其他添加剂，所述绝缘系统的特征在于(i)所述合成聚合物选自电绝缘的热塑性和硬塑性聚合物；(ii)所述至少一种填料选自填料包括无机氧化物、无机氢氧化物和无机羟基氧化物；(iii)所述绝缘系统中所述至少一种填料的量占所述绝缘系统总重量的约60％到80％重量；和(iv)所述电绝缘系统的表面以具有其微米尺度和纳米尺度特征的结构化表面形式存在，由此所述结构化表面被覆盖以液体疏水化合物。
2.根据权利要求1的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于覆盖所述电绝缘系统的 结构化表面的所述液体疏水化合物选自液体有机聚硅氧烷，优选选自环状有机聚硅氧烷和 /或低分子量低聚有机聚硅氧烷。
3.根据权利要求1的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于覆盖所述电绝缘系统的 结构化表面的所述液体疏水化合物为自至少一种两亲化合物组成的自组装单层(SAM)。
4.根据权利要求1的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于覆盖所述电绝缘系统的 结构化表面的所述液体疏水化合物为自至少一种两亲化合物组成的自组装单层(SAM)，其 中所述自组装单层(SAM)还被覆盖以液体疏水化合物，所述液体疏水化合物选自液体有机 聚硅氧烷，优选选自环状有机聚硅氧烷和/或低分子量低聚有机聚硅氧烷。
5.根据权利要求1-4中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述合成 聚合物选自电绝缘子组合物中使用的聚合物，优选选自聚酯，优选聚(甲基丙烯酸甲酯)或 聚(烷基丙烯腈)，或选自硬塑性聚合物，优选选自聚氨酯或环氧树脂组合物。
6.根据权利要求5的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述合成聚合物选自环 氧树脂组合物，优选选自脂环族环氧树脂组合物。
7.根据权利要求1-6中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述无机 填料选自喷砂后具有结构化表面的填料，优选选自填料包括无机氧化物、无机氢氧化物和 无机羟基氧化物，优选二氧化硅、石英、熟知的硅酸盐、氧化铝、三水合铝和氧化钛，优选二 氧化硅、石英、氧化铝和三水合铝，优选二氧化硅、氧化铝和三水合铝，优选二氧化硅。
8.根据权利要求7的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述无机填料每次具有 约95-98%重量、优选约96-98%重量的最小SiO2-含量和最小Al2O3-含量。
9.根据权利要求1-8中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述无 机填料以占所述合成聚合物组合物的总重量的约60%重量到约80%重量范围内、优选约 60%重量到约70%重量范围内、优选约65%重量的量存在于所述合成聚合物组合物中。
10.根据权利要求1-9中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述无 机填料的平均粒径在1 μ m到3mm范围内，优选约5 μ m到300 μ m范围内，优选IOym到 100 μ m,或这样的平均粒径的选定混合。
11.根据权利要求1-10中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述结 构化表面通过对所述绝缘表面喷砂直至已形成基本所有微米和纳米尺度特征制得。
12.根据权利要求1-11中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述液 体疏水化合物为由化学式_ [Si (R) (R) 0]-的单元组成的环状有机聚硅氧烷，所述单元形成 优选4-12个这类单元、优选4-8个这类单元的环，其中取代基R彼此独立地指直链、支链或环状烷基或苯基、优选具有1-8个碳原子并任选被氯和/或氟所取代的烷基残基；优选苯 基、任选被氟所取代的(C1-C4)-烷基；优选苯基、3，3，3_三氟丙基、单氟甲基、二氟甲基、三 氟甲基或未被取代的(C1-C4)-烷基；优选甲基。
13.根据权利要求1-11中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述液 体疏水化合物为由化学式-[Si (R) (R)O]-的单元组成的低分子低聚有机聚硅氧烷，所述单 元由式-OSi (R)3-的端基封端，其中R具有如权利要求12中所给出的含义。
14.根据权利要求1-13中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述液 体疏水化合物被结合到所述电绝缘子系统的本体中，量优选占所述绝缘子组合物的总重量 的0. 到5%重量范围内，优选0.5%到5%，尤其是约重量。
15.根据权利要求1-14中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述液 体疏水化合物被结合到所述电绝缘子系统的本体中且所述绝缘子的结构化表面已用液体 疏水化合物处理。
16.根据权利要求1-14中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述液 体疏水化合物被结合到所述电绝缘子系统的本体中且所述绝缘子的结构化表面被覆盖以 自至少一种两亲化合物组成的自组装单层。
17.根据权利要求1-16中的任一项的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述自 组装单层自溶液或自气相生长。
18.根据权利要求17的电绝缘系统，所述电绝缘系统的特征在于所述自组装单层为如 自烷基三氯硅烷获得的基于硅烷的自组装单层，优选自(C4-C22)-烷基三氯硅烷获得，优选 自(C12-C22)-烷基三氯硅烷获得，优选自十八烷基三氯硅烷获得。
19.制备根据权利要求1-18中的任一项的表面改性电绝缘系统的方法，所述方法包括 如下步骤⑴提供如权利要求1所定义的含至少一种填料和任选的其他添加剂的硬化或 固化的合成聚合物组合物；(ii)处理所述电绝缘系统的表面以便形成具有其微米尺度和 纳米尺度特征的结构化表面；和(iii)对所述结构化表面覆盖以液体疏水化合物；或覆盖 以自至少一种两亲化合物组成的自组装单层(SAM)，或组合地覆盖以自至少一种两亲化合 物组成的自组装单层(SAM)和液体疏水化合物。
20.如权利要求1-18中的任一项所定义的表面改性电绝缘系统在输电和配电应用中 的用途，例如电绝缘，尤其是渍制电线圈领域中和电部件如变压器、埋入式电杆、套管、用于 户内和户外用途的高压绝缘子的制造中，尤其是用于伴随高压电线的户外绝缘子，用作棒 形、复合和帽型绝缘子，传感器，变换器和电缆端封以及用于中压部分中的支座绝缘子，用 于伴随户外电源开关的绝缘子、测量传感器、引线和过压保护器的制造中，用于开关设备的 构造中。
21.电气制品，所述电气制品包含如权利要求1-18中的任一项所定义的表面改性电绝 缘系统。
全文摘要
本发明提供了具有超疏水表面的表面改性电绝缘系统，所述绝缘系统包含硬化或固化的合成聚合物组合物，所述组合物含至少一种填料和任选的其他添加剂，所述绝缘系统的特征在于所述至少一种填料选自填料包括无机氧化物、无机氢氧化物和无机羟基氧化物且所述电绝缘系统的表面以具有其微米尺度和纳米尺度特征的结构化表面形式存在，由此所述表面被覆盖以液体疏水化合物；本发明还提供了制备所述电绝缘系统的方法。
文档编号H01B3/40GK101999151SQ200880128703
公开日2011年3月30日 申请日期2008年2月12日 优先权日2008年2月12日
发明者B·辛格, L·E·施密特, S·克利福特, S·沙尔 申请人:Abb研究有限公司