一种具备耐电弧烧蚀性能的聚四氟乙烯复合材料及其制备方法和应用与流程

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本发明属于高压绝缘材料领域，涉及一种具备耐电弧烧蚀性能的聚四氟乙烯复合材料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
高压断路器是电力系统中最重要的保护设备。在断路器运行过程中，绝大多数故障发生在灭弧室。电弧产生的能量被灭弧室的喷嘴吸收，从而产生烧蚀，造成电力设备的故障，甚至可能引发安全问题。因此，提高喷嘴的耐电弧烧蚀性能对延长高压断路器的使用寿命具有重要意义。目前，灭弧室喷嘴主要由绝缘材料聚四氟乙烯制成。但随着工作电压的提高，纯聚四氟乙烯已不能满足电路工作要求，急需耐电弧烧蚀性能更好的绝缘材料。
[0003]
已有研究表明，在聚四氟乙烯中引入无机填料可以有效地提高复合材料的耐电弧烧蚀性能。添加无机填料后，需要保证复合材料良好的绝缘性能，在众多无机填料中，因为氮化硼具有较高的导热系数和较低的导电率，与其他填料相比，它对复合材料的耐电弧烧蚀性能有更好的改善，并且不会降低材料的绝缘性能。
[0004]
目前，已经有实验表明，材料的耐电弧烧蚀特性，主要与材料的光谱反射率和导热性能有关，在电弧烧蚀过程中，弧柱区温度较高，甚至到达几千摄氏度，并会发出强光，高温会造成材料的热分解，而光能可能会破坏材料的化学键，同时产生热效应，进一步破坏材料。氮化硼作为一种具有高热导率的反光填料，可以有效提高聚四氟乙烯材料的光反射率和热导率。
[0005]
然而，以往的研究主要集中在填料含量和填料粒径，随着氮化硼含量的增加，材料的耐电弧烧蚀特性逐渐增大，同时较大的填料粒径可以进一步增加材料的耐电弧烧蚀特性，但是关于改变微纳米填料比例来提升聚四氟乙烯复合材料耐电弧烧蚀特性的研究还未见报道。


技术实现要素：

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为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具备耐电弧烧蚀性能的聚四氟乙烯复合材料及其制备方法，该方法通过调整微米和纳米氮化硼掺杂比例来对聚四氟乙烯进行改性，可操作性强、可靠性高、应用广泛。
[0007]
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
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本发明公开了一种具备耐电弧烧蚀性能的聚四氟乙烯复合材料，该复合材料以微米氮化硼和纳米氮化硼作为掺杂粉末对聚四氟乙烯进行掺杂；
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该复合材料，以质量百分比计，掺杂粉末占7％，聚四氟乙烯占93％；
[0010]
所用微米氮化硼的粒径为6～7μm；所用纳米氮化硼的粒径为70～150nm。
[0011]
优选地，掺杂粉末中，纳米氮化硼为0.5％～1％，微米氮化硼为6％～6.5％。
[0012]
本发明还公开了上述的具备耐电弧烧蚀性能的聚四氟乙烯复合材料的制备方法，
包括以下步骤：
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1)将纳米氮化硼粉末和微米氮化硼粉末分别过筛后，充分干燥，然后混合，获得氮化硼掺杂混合粉末；
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2)将氮化硼掺杂混合粉末与聚四氟乙烯颗粒充分混合均匀，得到混合颗粒；
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3)将混合颗粒压制成型、烧结，得到具备耐电弧烧蚀性能的聚四氟乙烯复合材料。
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优选地，步骤1)中，氮化硼粉末均用100目筛网过筛。
[0017]
优选地，步骤1)中，充分干燥是将纳米氮化硼粉末和微米氮化硼粉末于60～80℃下干燥至少12h。
[0018]
优选地，步骤2)中，将氮化硼掺杂混合粉末与聚四氟乙烯颗粒充分混合均匀是采用高速混料机进行混合，高速混料机的转速为1500～2500转/分。
[0019]
优选地，步骤3)中，烧结制度如下：2小时内，由室温升温至180～200℃，保温0.5小时，然后再升温至330～350℃，保温0.5小时，最后升温至360-380℃，保温3小时，然后冷却至室温。
[0020]
本发明还公开了上述的具备耐电弧烧蚀性能的聚四氟乙烯复合材料在制备高电压设备中的应用。
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与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
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本发明通过在聚四氟乙烯中掺杂粒径为6～7μm的微米氮化硼和粒径为70～150nm的纳米氮化硼，并通过改变微米和纳米氮化硼的比例来对聚四氟乙烯进行改性，制备出的聚四氟乙烯复合材料具有较高的热导率，在红外和可见光范围内具有较高的光反射率，这些变化有助于提高复合材料的耐电弧烧蚀性能。本发明提出的方法可以显著的提高绝缘介质材料的耐电弧烧蚀特性，且工艺难度低、可操作性强、可靠性高，能够广泛运用于高压绝缘材料领域。
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优选地，在纳米氮化硼质量分数为0.5％～1％，微米氮化硼质量分数为6％～6.5％时，复合材料的耐电弧烧蚀特性达到最大，将该比例条件下的烧蚀结果同纯聚四氟乙烯相比较，结果显示：相同条件下，纯聚四氟乙烯烧蚀量为87.04mg，改性的复合材料烧蚀量为60.62mg，相比于纯聚四氟乙烯，性能提高了30.4％。
具体实施方式
[0024]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0025]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
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下面对本发明做进一步详细描述：
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一种提高耐电弧烧蚀特性的绝缘介质材料制备方法，包括下述步骤；
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1)表1显示了5个实施例中不同试样的复合材料配方比例信息，分别使用称量相应质量比例的聚四氟乙烯原材料、纳米氮化硼粉末和微米氮化硼粉末(聚四氟乙烯原材料和氮化硼粉末质量分数总和为100％，微米和纳米氮化硼质量分数总和为7％)，所述掺杂粉末中，所用微米氮化硼的粒径为6～7μm，所用纳米氮化硼的粒径为70～150nm。将氮化硼粉末过筛，分成五组不同比例试样，分别对应纳米氮化硼质量分数从0.1％到1.5％，纯聚四氟乙烯作为参考试样。
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表1不同型号试样的微纳米氮化硼质量分数
[0030][0031]
2)制备聚四氟乙烯复合试样，各型号试样的制备流程基本相同。
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首先，将配比好的氮化硼粉末和聚四氟乙烯原料进行混合，并将混合好的试样放入高速混料机中进行混料，转速为1500～2500转每分钟。充分混合后将试样放入固定模具中，采用模压方式压制成型。然后将压制好的试样放入烧结室进行高温烧结。由室温升温至180～200℃，用时2小时，保温0.5小时，然后再升温至330～350℃，保温0.5小时，再升温至360-380℃，保温3小时，然后冷却至室温。最后将试样进行机械加工，制备成规定尺寸的试样。
[0033]
表2给出纯聚四氟乙烯和不同型号试样的光反射率实验结果，表3给出了纯聚四氟乙烯试样，及不同微纳米氮化硼比例的聚四氟乙烯复合试样的热导率测试结果。
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表2不同型号试样的光反射率测试结果
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试样型号紫外光反射率(％)可见光反射率(％)红外光反射率(％)纯聚四氟乙烯60～8060～7050～70a60～8070～80≥80b60～8070～80≥80c60～8070～80≥80d60～8070～80≥80e60～8070～80≥80
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从表2可以看出加入氮化硼后，明显提高了聚四氟乙烯在可见光和红外光区域的光反射率。
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表3不同型号试样的热导率测试结果
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试样型号热导率(w/(m
·
k))纯聚四氟乙烯0.301a0.419b0.4336c0.471d0.4546e0.3974
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表3可以看出，加入氮化硼后，聚四氟乙烯的热导率得到了提升，当纳米氮化硼质量分数为0.5％～1％，微米氮化硼质量分数为6.5％～6％时，热导率得到最大提升，比纯聚四氟乙烯提高了56.5％。
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对纯聚四氟乙烯和不同型号聚四氟乙烯复合试样进行耐电弧烧蚀试验。实验过程中，试样的厚度为3mm，首先测量每种试样烧蚀前的质量，然后将试样放在两个钨电极下方，电极之间距离为6.35
±
0.1mm，测试时间为300s，实验方案如表4所示，烧蚀结束后用酒精擦拭试样，并测量试样质量，将试样质量的变化作为材料耐电弧烧蚀特性的评判标准，烧蚀质量越小，则代表试样耐电弧烧蚀特性越好。表5给出了纯聚四氟乙烯和不同型号试样300s烧蚀测试结果。
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表4耐电弧烧蚀测试装置实验方案
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阶段时间周期(s)电弧电流(ma)总时间(s)11/8s接通，7/8s关闭106021/4s接通，3/4s关闭1012031/4s接通，1/4s关闭101804持续接通102405持续接通20300
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表5不同型号试样的烧蚀结果
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试样型号300s烧蚀量(mg)纯聚四氟乙烯87.04a67.09b65.48c60.62d62.79e67.22
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从表5可以得到，加入氮化硼粉末后，聚四氟乙烯复合试样的烧蚀量明显较少，与纯聚四氟乙烯相比，耐电弧烧蚀特性得到了显著提升。其中当纳米氮化硼质量分数为0.5％～1％，微米氮化硼质量分数为6.5％～6％时，试样的烧蚀量最小，耐电弧烧蚀性能最好，比纯聚四氟乙烯提高了30.4％。
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可以看到，本发明提出的制备方法可以显著的提高聚四氟乙烯复合材料的耐电弧烧蚀特性。
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以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。