专利名称：用于电绝缘体的被二嵌段共聚物改性的纳米粒子-聚合物纳米复合物的制作方法
技术领域：
本发明大体上涉及被纳米粒子填充的聚合物纳米复合物，尤其涉及将纳米复合物用作电绝缘体。
背景技术：
由于纳米粒子独特的物理和化学性质，故此其在电子、化学、光学和机械工业中的各种不同应用越来越受到关注。纳米粒子可由各种材料制成，并典型地被限定成直径是 1-100纳米的粒子。近来，对纳米粒子进行改性以改变其物理和化学性质已成为重要的研究领域。纳米粒子一直被用来改进某些工业聚合物如环氧化物，的性质。环氧化物被用在各种各样的应用中。环氧是热固性环氧聚合物，其在与固化剂或“硬化剂”和催化剂混合时固化(聚合并交联)。一些实践者使用过填充物，包括纳米级填充物，来试图改善环氧化物的特性。这些复合物相对于纯环氧(无填充物的环氧)往往有得有失，例如，使用某一特定填充物可增强环氧的硬度，但同时降低其延性和不透明度。传统上，电动机绝缘系统由环氧或聚酯树脂浸渍过的云母带组成。这些系统稳固而可靠，但带有缺陷，诸如在云母和基体(matrix)之间的空隙中产生放电。这些空隙有可能由因震动、热循环等等而致的分层所产生的。很多种微米级填充物被加至环氧树脂，以形成更好的机械、热和电性质组合的复合物。使用如橡胶的软颗粒填充物被用来提高环氧的机械韧性。然而，其增强了该环氧的韧性的同时，其也降低了硬度。已知使用刚性颗粒填充物来提高环氧的硬度。这种刚性填充物的局限是其致使延性和不透明度降低。已知用微米级填充物浸渍多孔结构(例如云母带或纸)会导致多种问题，诸如粒子沉淀、多孔结构自身的磨损以及渗透入多孔结构差。不管电绝缘系统是通过浇铸或是浸渍工艺制造，所有这些现象均会导致对系统的机械性质有不良影响
发明内容
一方面，本发明涉及电绝缘体的制备方法，包括以下步骤(a)提供多个被改性的纳米粒子，(b)使该些纳米粒子分散在预聚物树脂，以提供预聚物分散体，(C)用该分散体浸渍多孔底物(substrate)以及(d)使该分散体聚合；其中该些纳米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被连接至该些纳米粒子，该嵌段共聚物具有邻近该纳米粒子、玻璃化转变温度低于室温的内聚合物和远离该纳米粒子、与树脂相容的外聚合物。另一方面，本发明涉及电绝缘体的制备方法，该方法包括以下步骤(a)提供多个被改性的纳米粒子，(b)使所述纳米粒子分散在聚合物基质中，以提供纳米复合物，其中所述被改性的纳米粒子被改性，以致嵌段共聚物被共价连接至该纳米粒子，所述嵌段共聚物具有邻近该纳米粒子、玻璃化转变温度低于室温的内聚合物和远离该纳米粒子、与基质相容的外聚合物，其中所述电绝缘体适于用于电机绕组、电缆和电套管。为了说明，该电绝缘体可被用于如电动机或发电机定子绕组的电机绕组，或者电套管。为了进一步的说明，该电绝缘材料还能被用于电装置，诸如干式变压器、互感器、电动机、发电机、电容器、开关装置、 避雷器、断路器、电缆附件或电缆。又另一方面，本发明涉及电绝缘材料，其包括被分散在聚合物基质中的被改性的 (modified)纳米粒子，其中该被改性的纳米粒子包括纳米粒子和被共价连接至该纳米粒子的嵌段共聚物，该嵌段共聚物包含被连接至该纳米粒子、显示出低于室温的玻璃化转变温度的内聚合物和被共价联接至该内聚合物的外聚合物，其中该外聚合物和聚合物基质具有相容的官能度，其中该材料可被用于如电动机或发电机定子绕组的电机绕组，或者电套管。 该电绝缘材料还能被用于电装置，诸如干式变压器、互感器、电动机、发电机、电容器、开关装置、电缆附件或电缆。又另一方面，本发明涉及电绝缘材料，其包括被改性的纳米粒子、多孔底物和聚合物基质，其中该被改性的纳米粒子包括纳米粒子和被共价连接至该纳米粒子的二嵌段共聚物，该二嵌段共聚物包括被连接至该纳米粒子、分子量大于1000并且玻璃化转变温度低于室温的第一嵌段聚合物和被共价联接至该第一嵌段聚合物的分子量大于1000的第二嵌段聚合物，其中该第二嵌段聚合物和该基质都具有相同的化学官能度。通过以下对于本发明的各个方面的详细描述，本发明的这些以及其他的目的、特征和优点对本领域技术人员将变得清晰。
具体实施例方式本发明提供了含被改性的纳米粒子的电绝缘材料以及这种材料的制作方法。以下描述旨在提供本发明的例子和说明本发明的各个方面如何相互关联。然而，重要的是要注意本发明的范围被完全地阐明在权利要求中，绝不应将本描述视为以任何方式限制该些权利要求。合成方法本发明一方面包括电绝缘体的制备方法，该方法包括以下步骤(a)提供多个被改性的纳米粒子，(b)使该些纳米粒子分散在预聚物树脂中，以提供预聚物分散体，(C)用该分散体浸渍多孔底物以及(d)使该分散体聚合，其中该些被改性的纳米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被连接至该些纳米粒子，该嵌段共聚物具有邻近该纳米粒子、玻璃化转变温度低于室温的内聚合物和远离该纳米粒子、与树脂相容的外聚合物。具有二嵌段共聚物结构的该些被改性的纳米粒子提供了具有与先前已知的电绝缘材料相比断裂韧性和疲劳性能被提高的电绝缘体。另一方面，本发明涉及电绝缘体的制备方法，该方法包括以下步骤(a)提供多个被改性的纳米粒子，(b)使该些纳米粒子分散在聚合物基质中，以提供纳米复合物，其中该些被改性的纳米粒子被改性，以致嵌段共聚物被共价连接至该纳米粒子，该嵌段共聚物具有邻近该纳米粒子、玻璃化转变温度低于室温的内聚合物和远离该纳米粒子、与基质相容的外聚合物。该电绝缘体可适于用于电机绕组、电缆和电套管。为了说明，该电绝缘体可被用在如电动机或发电机定子绕组的电动机和电机绕组，或者电套管中。为了进一步说明，该电绝缘材料还能被用于电装置，诸如干式变压器、互感器、电动机、发电机、电容器、开关装置、避雷器、断路器、电缆附件或电缆。具有二嵌段共聚物结构的被改性的纳米粒子提供了具有与先前已知的电绝缘材料相比断裂韧性和疲劳性能被提高的电绝缘体。合适的纳米粒子可由任何想要的材料制成，这并没有限制。通过例子，适合用于本发明的纳米粒子可由任何以下物质制成，其包括但不限于无机粒子，例如金属氧化物，诸如但不限于二氧化硅、氧化铝(alumina)、氧化铝(aluminium oxide)、氧化钛、氧化锡或者半导电的材料。该些粒子也可包含有机材料，诸如半导体聚合物粒子、橡胶粒子或适合特定应用的另一有机材料。术语“橡胶”和“橡胶态”指玻璃化转变温度低于23°C的聚合物。为了本公开内容之目的，术语“纳米粒子”以广义被使用，但仅为了说明，一些适合用于本发明的纳米粒子的典型属性是粒子大小在1-100纳米之间，而在粒子形状方面，其长宽比在1和 1，000之间。例如，对这种被改性的纳米粒子的描述可为
权利要求
1.电绝缘体的制备方法，该方法包含(a)提供多个被改性的纳米粒子；(b)使所述纳米粒子分散在聚合物基质中，以提供纳米复合物；其中所述被改性的纳米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被共价连接至该纳米粒子，所述嵌段共聚物具有邻近该纳米粒子、玻璃化转变温度低于室温的内聚合物和远离该纳米粒子、与基质相容的外聚合物其中所述电绝缘体适应用于电机绕组、电缆和电套管。
2.根据权利要求1所述的方法，其中该聚合物基质是热塑性塑料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中该聚合物基质是热固性塑料。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其中该些纳米粒子是无机粒子。
5.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其中该些纳米粒子是有机粒子。
6.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的方法，其中该些纳米粒子选自由以下物质组成的群组氧化铝、二氧化硅、氧化钛、氧化锡、半导电和橡胶态聚合物粒子。
7.根据权利要求1或3-6中任一项权利要求所述的方法，其中该外聚合物具有环氧官能度。
8.根据权利要求1或3-7中任一项权利要求所述的方法，其中该聚合物基质是环氧。
9.根据权利要求1所述的电绝缘体的制备方法，该方法包含(a)提供多个被改性的纳米粒子；(b)使所述纳米粒子分散在预聚物树脂中，以提供预聚物分散体；(c)用所述分散体浸渍多孔底物以及(d)使所述分散体聚合；其中所述纳米粒子被改性，以致二嵌段共聚物被连接至该些纳米粒子，所述二嵌段共聚物具有邻近该纳米粒子、玻璃化转变温度低于室温的内聚合物和远离该纳米粒子、与树脂相容的外聚合物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该多孔底物是纤维底物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中该纤维底物选自由以下物质组成的群组云母、 纤维素纤维、玻璃纤维、聚合纤维及其混合物。
12.电绝缘材料，包含被分散在聚合物基质中的被改性的纳米粒子其中所述被改性的纳米粒子包含纳米粒子和被共价连接至该纳米粒子的二嵌段共聚物；所述二嵌段共聚物包含被连接至该纳米粒子、显示出低于室温的玻璃化转变温度的内聚合物和被共价联接至该内聚合物的外聚合物，其中所述外聚合物和所述聚合物基质具有相容的官能度其中所述材料适应用于电机绕组、电缆和套管。
13.根据权利要求12所述的电绝缘材料，包含被改性的纳米粒子；多孔底物；以及聚合物基质，其中所述被改性的纳米粒子包含纳米粒子和被共价连接至该纳米粒子的二嵌段共聚物；所述二嵌段共聚物包含被连接至该纳米粒子、分子量大于1000并且玻璃化转变温度低于室温的内嵌段聚合物和被共价联接至该内嵌段聚合物、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质都具有相同的化学官能度。
14.根据权利要求12或13所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质是热塑性塑料。
15.根据权利要求12或13所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质是热固性塑料。
16.根据权利要求12-15中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该些纳米粒子是无机粒子。
17.根据权利要求12-15中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该些纳米粒子是有机粒子。
18.根据权利要求12-15中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该些纳米粒子选自以下物质组成的群组氧化铝、二氧化硅、氧化钛、氧化锡、半导电和橡胶态聚合物粒子。
19.根据权利要求12-13或15-18中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该外聚合物具有环氧官能度。
20.根据权利要求12-13或15-19中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质是环氧。
21.根据权利要求12-20中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质包含0. 1-25V01%的被改性的纳米粒子。
22.根据权利要求12-20中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质包含0. I-IOvol%的被改性的纳米粒子。
23.根据权利要求12-20中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质包含0. 1-5V01%的被改性的纳米粒子。
24.根据权利要求12-20中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质包含0. I-Ivol%的被改性的纳米粒子。
25.根据权利要求12-20中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该聚合物基质包含0. 05-2VOl%的被改性的纳米粒子。
26.根据权利要求12-25中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中嵌段共聚物的链的接枝密度对于该些纳米粒子是0. 01至1链/nm2。
27.根据权利要求12-26中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该嵌段共聚物的嵌段的分子量是1，000至200，000g/mole。
28.根据权利要求12-27中任一项权利要求所述的电绝缘材料，包含用纳米复合物浸渍的多孔纤维底物，该纳米复合物包含被分散在聚合物基质中的被改性的纳米粒子。
29.根据权利要求观所述的电绝缘材料，其中该多孔纤维底物选自由以下物质组成的群组云母、纤维素纤维、玻璃纤维、聚合纤维及其混合物。
30.根据权利要求观-29中任一项权利要求所述的电绝缘材料，其中该多孔纤维底物的形态为纸、压纸板、层板、带、织物或薄板。
31.根据权利要求12-30中任一项权利要求所述的电绝缘材料的使用，其使用于在电机或电动机。
32.根据权利要求12-30中任一项权利要求所述的电绝缘材料的使用，其使用于在套管、变压器、避雷器、断路器或电容器。
33.电气装置，包含(a)导电的线；以及(b)根据权利要求12-30任一项权利要求所述的电绝缘材料， 其中所述电绝缘材料径向地环绕所述线。
全文摘要
本发明涉及电绝缘材料，包括被改性的纳米粒子、多孔底物和聚合物基质，其中该被改性的纳米粒子包括纳米粒子和被共价连接至该纳米粒子的二嵌段共聚物，该二嵌段共聚物包括被连接至该纳米粒子、分子量大于1000并且玻璃化转变温度低于室温的第一嵌段聚合物和被共价联接至该第一嵌段聚合物、分子量大于1000的第二嵌段聚合物，其中该第二嵌段聚合物和该基质都具有相同的化学官能度。还公开了其他电绝缘材料和这种电绝缘材料的制作方法。
文档编号C08L63/00GK102449010SQ201080023087
公开日2012年5月9日 申请日期2010年4月9日 优先权日2009年4月10日
发明者亨里克·希尔伯格, 布莱恩·拜尼塞维兹, 琳达·谢德勒, 赵甦 申请人:伦斯勒理工学院