一种纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及电介质工程领域，特别是涉及一种纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术：

低密度聚乙烯具有介电性能好、损耗小、化学性能稳定及易加工成型等优点，成为绝缘材料的代表性材料。在交流输电中，随着电压等级的提高，对绝缘材料电性能的要求也越来越高；在直流输电中，直流高电场作用会使聚乙烯绝缘材料中积聚大量的空间电荷，空间电荷的存在会使绝缘材料中电场产生畸变，长期作用的结果就是导致绝缘材料中产生局部放电、电树枝甚至击穿，严重影响绝缘材料的电性能，这已成为制约高压直流输电技术发展的一大难题。

纳米复合材料的出现为这一难题提供了一种解决方案。由于纳米颗粒具有表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应等诸多特殊效应，它与聚合物基体之间可以通过各种化学作用和物理作用结合在一起，形成大量界面微域，这些界面微域具有很高的势垒，是能级很深的陷阱。这些由纳米填料引入的深陷阱不同于聚合物本身的缺陷陷阱，它与聚合物分子链结合而又独立于分子链之外，能够捕获电荷、复合电荷，限制其移动，因此热电子难以激发，从而减少了聚合物分子的裂解，提高了绝缘性能。纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料不仅提高了低密度聚乙烯的交直流击穿场强，而且对空间电荷的抑制效果也非常明显，是一种高介电性能的绝缘材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料，该复合材料具有结晶度高、电导率低、空间电荷积聚少、交直流击穿场强高等优点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料，是以低密度聚乙烯为基体，通过与改性纳米二氧化硅和抗氧剂熔融共混制得，其中纳米二氧化硅占复合材料的比重是0.5 wt%、抗氧剂占复合材料的比重是0.3 wt%。

所述纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料的制备过程包括如下步骤：

1、将低密度聚乙烯加入到混炼机中至完全熔融，温度为120 ℃~150 ℃，转速为30~50 rpm；

2、将抗氧剂和改性纳米二氧化硅加入到混炼机中与低密度聚乙烯共混，即得纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料。

本发明中，所述低密度聚乙烯的密度约为0.917 g/cm3，熔融指数为1.5。

本发明中，所述改性纳米二氧化硅是经憎水型偶联剂(六甲基二硅氮烷)进行表面处理，标称粒径为30 nm，纯度为99.9%。

本发明中，所述抗氧剂为四[β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸]季戊四醇酯。

本发明中，所述纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料制备过程中的混炼机可以选择转矩流变仪或开炼机。

附图说明

图1是纯低密度聚乙烯和所述复合材料的DSC曲线；

图2是纯低密度聚乙烯和所述复合材料电导率随场强的变化；

图3是纯低密度聚乙烯和所述复合材料加压时空间电荷分布；

图4是纯低密度聚乙烯和所述复合材料短路时空间电荷分布；

图5是纯低密度聚乙烯和所述复合材料的交流击穿场强weibull分布图；

图6是纯低密度聚乙烯和所述复合材料的直流击穿场强weibull分布图。

具体实施方式

利用熔融共混法制备本发明所述纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料（以40 g为例），其制备过程包括以下步骤：

1、将混炼机升温至120 ℃，并设置转速为40 rpm；

2、将39.68 g低密度聚乙烯加入到混炼中至完全熔融；

3、将0.12g抗氧剂和0.2 g改性纳米二氧化硅加入到混炼机中与低密度聚乙烯共混20 min，得到纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料，并用洁净的剪刀将其剪成颗粒状装袋备用；

4、利用平板硫化机120 ℃下对复合材料进行成型处理，出模得到片材，用于各种性能测试，得图1至图6测试结果。

由图1材料DSC曲线可计算的纯低密度聚乙烯结晶度为30.47%，而所述纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料结晶度为35.04%，相对于纯低密度聚乙烯提高了15%。由图 2可以看出所述纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料电导率明显低于纯低密度聚乙烯，对于纯低密度聚乙烯，当场强为10kV/mm左右时，电荷开始注入，当场强升至20kV/mm时，电导电流开始急剧增加，而纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料在整个区间内电导电流没有明显增长，50kV/mm场强下其电导率比纯低密度聚乙烯减小了94.2%。由图3和图4可以看出所述纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料在加压和短路时的空间电荷量较纯低密度聚乙烯大大减少，这说明纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料对空间电荷积聚的抑制效果很好。从图5和图6可以看出，纯低密度聚乙烯的交流击穿场强为118.5 kV/mm，直流击穿场强为333.0 kV/mm，而所述纳米二氧化硅/低密度聚乙烯复合材料的交流击穿场强为139.4 kV/mm，直流击穿场强为401.8 kV/mm，较纯低密度聚乙烯分别提高了17.64%和 20.66%。

申请人声明：凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。