一种聚合物绝缘子材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电气高压绝缘材料领域，具体涉及一种聚合物绝缘子材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]聚合物具有优良的电气绝缘性能，在航空航天工业、电力系统绝缘、微电子等领域被广泛使用，是电气高压绝缘材料领域中重要的绝缘结构件。然而，当固体绝缘子在真空间隙中作为支撑或绝缘隔断时，会在绝缘子与真空交界面上产生远低于绝缘子本征击穿场强或真空间隙击穿场强的沿面闪络放电现象。真空闪络现象严重制约了复合绝缘系统的耐电强度，闪络放电脉冲不仅会干扰到电力设备上敏感电子器件的正常工作，更严重的放电甚至会导致电子器件和绝缘子局部被放电脉冲所烧毁，严重影响电力设备的可靠性与寿命。据相关资料报道，美国能源部的加速器以及日本的空间卫星都曾因真空部件发生沿面闪络现象引起的问题而受到损坏，造成了极大经济损失。由此可见，沿面闪络现象是制约电气设备电压等级的核心因素，也是当前发展高电压、大功率、小型化设备所面临的一个主要瓶颈。
[0003]真空沿面闪络研究通常是根据工程实际抽象得来的，经过多年的研究，目前学术界普遍认为真空沿面闪络大致可以分为以下三个阶段:①起始阶段一一产生初始电子;②发展阶段一一形成电子倍增;③闪络阶段一一形成贯穿性气体放电通道。因此，针对真空沿面闪络发展机理，有效提高绝缘子沿面闪络电压的方法就可以从以下几个方面着手:①降低阴极附近的界面电场强度，使得引发闪络的关键性因素三结合点(电极一一绝缘子表面一一真空三者交界处)附近的局部合成场强减小，导致闪络发展需要更高的电压才能触发;②抑制电子崩发展过程，减少了电荷迀移过程中的碰撞电离及二次电子发射;③减少绝缘子表面脱气率。然而，应用于不同环境下的绝缘子主要是上述哪一种或者几种机制在发挥作用，以及需要通过哪种处理方式可以最有效达到提高绝缘子真空沿面闪络性能仍是一个亟待解决的问题。
[0004]直流高电场作用下聚合物材料极易形成空间电荷，空间电荷的聚集会引起介质中局部电场畸变、热电子发射加速、增加电荷的复合与激励、加速聚合物材料的老化和局部放电击穿等。由于空间电荷对电场的这种畸变作用，空间电荷对聚合物绝缘材料的电导、老化、击穿破坏等各方面的电气性能都有明显的影响，依据法国学者Blaise和Gressus在上世纪九十年代初期提出的电子触发极化松弛(Electron Triggered Polarizat1nRelaXat1n，EPTR)假说模型可知，绝缘子的真空沿面闪络电压与介质表层中的陷阱参数有着极其密切的联系。
[0005]聚合物材料陷阱参数的差异会导致材料表层电荷注入程度不同，从而在表层形成不均匀的空间电荷与分布，影响电子崩的发展过程，继而影响其真空闪络特性。改善聚合物材料空间电荷的一种方法就是进行纳米掺杂。聚酰亚胺是聚合物中综合性能最佳的有机高分子材料之一，但纯聚酰亚胺介质体内空间电荷的存在会直接导致其内部电场分布的改变，对介质表层的局部电场起到削弱或加强的作用。现有技术中涉及到制备耐电性能良好的复合聚酰亚胺薄膜的方法已日趋成熟，其中以美国杜邦公司、日本宇部兴产公司以及钟渊公司的产品应用最广泛，然而，对于制备具有良好的耐真空沿面闪络性能聚酰亚胺结构件，出于技术保密等原因，国外近年来的研究结果几乎没有；国内相关方面的研究基本处于空白状态，近年来应用于一些特殊环境下聚酰亚胺绝缘结构件发生沿面闪络导致而设备受损事件时有发生，表明我国急需研发高性能聚酰亚胺绝缘结构件，以满足现代电气装备的需要。
[0006]中国专利CN102153858 A公开了一种复合绝缘材料，尼龙为基体，纳米二氧化钛和氟金云母为掺杂相。尼龙的含量为60?90wt%，纳米二氧化钛的含量不超过30wt%，氟金云母的含量不超过10wt%。所述复合绝缘材料具有高真空闪络电压、低表面二次电子发射系数、低介电常数、良好的耐候性。该专利存在以下的缺点:该复合材料的耐电老化和局部放电击穿性能较低;复合材料的非线性电导特性差，没有涉及抗内带电性能;该复合材料只能在一般的环境下使用，无法应用于辐射、高低温转换等恶劣环境;该发明的制备方法材料成型难。
【发明内容】
[0007]本发明的目的就是为了提供一种聚合物绝缘子材料及其制备方法。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0009]—种聚合物绝缘子材料，包括基体树脂和纳米填料，所述基体树脂是聚酰亚胺(优选:热塑型聚酰亚胺)，所述纳米填料是氧化锌粉末。
[0010]该聚合物绝缘子材料在制备真空高压绝缘器件中的应用。
[0011]上述的聚合物绝缘子材料各组分的质量百分比为:基体树脂为90-99%、氧化锌填料为 1%_10%。
[00?2] 所述的基体树脂的中值粒径40-60 (优选50 )μηι，所述纳米填料的中值粒径10-30(优选 20)nmo
[0013]上述聚合物绝缘子材料的制备方法，包括以下步骤:
[0014](I)将纳米氧化锌粉末加入到含有偶联剂的混合醇水溶液中(优选混合醇水溶液中，乙醇与水的体积比例为:95:5，偶联剂用量为纳米氧化锌粉末质量的3 %-5 %，偶联剂为T -氨丙基三乙氧基硅烷)，再将上述混合溶液进行超声振荡并结合高速搅拌的方式进行分散处理(优选:30-60min)，真空干燥(优选:105-120°C，真空度1Pa条件)后研磨即可得到改性后的纳米氧化锌微粉；
[0015](2)将步骤(I)改性后的纳米氧化锌微粉分散于酒精(S卩:无水乙醇)后(优选:酒精体积用量为纳米氧化锌与聚酰亚胺模塑粉的3?5倍)，再加入聚酰亚胺(优选:聚酰亚胺在使用前:置于真空干燥箱12_24h，干燥温度120-150°C，真空度10Pa。)快速搅拌搅匀后烘干，得处理好的复合材料粉，将制备得到的聚合物绝缘子材料粉末压制成型即可得到聚合物绝缘子材料。
[0016]—种复合绝缘子的制备方法，包括以下步骤:包括上述方法的步骤(I)和步骤(2)，还包括:(3)冷压成型:成型压力为10-15MPa，持续时间为10-15s;(4)分段式高温高压成型:预塑阶段由室温开始40-60min升至270°C，高压保持1MPa;保温阶段在270°C，10MPa下保温20min，此时复合材料处于熔融态;再用5-10min升至温度300-320°C，保温30_40min，高压保持15MPa使复合材料成型，降温到200°C即可取出成型的复合绝缘子。
[0017]本发明首先采用化学试剂对纳米粒子表面进行改性处理，以降低纳米粒子表面活性，减弱粒子的表面极性，改善粒子的表面可湿润性，达到提高纳米粒子在聚合物基体树脂中的界面相容性，使纳米添加剂在PI树脂中分散良好以获得良好的纳米效应;其次，本发明通过采用高速搅拌与超声波振荡方式来分散液相混合溶液，高速搅拌机在溶液中转动时所生成的强剪切力会使团聚的纳米微粒重新分散，此外，超声波的空化作用也会对纳米粒子的分散起到良好效果。纳米团聚体在经搅拌作用不能完全分散时，超声波所产生的压力可引起液体介质分子强烈震动，作用于团聚体使之分散成单个纳米粒子;同时，包覆在纳米粒子表面的偶联剂亦可促使纳米粒子解团聚并对其表面进行改性处理;最后本发明采用分段式高温高压成型法制作复合试样，使难以加工的聚酰亚胺模塑粉可以很好的成型。
[0018]氧化锌对光的吸收能力比氧化钛强，纳米氧化锌具有紫外吸收频带宽，能力强的优点，对紫外屏蔽的波段长，纳米氧化锌在防光降解方面具有明显的优越性，可以明显地提高材料的耐老