低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料及其制备方法

1.本发明属于绝缘材料技术领域，尤其是一种低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着电力系统的不断发展，跨区域、远距离电力传输已经成为解决能源传输的重要方式之一。大型能源和负荷中心之间的传输距离通常为1000
‑
3000公里。传统的特高压交流系统已不能满足大容量远距离输电的要求。高压直流输电(hvdc)，特别是特高压直流输电(uhvdc)凭借其低损耗、大容量、占地小、高效稳定等特点，被证明是远距离高效可靠输电的理想解决方案。
3.在直流电力系统中，绝缘的主要问题是电场分布问题。在交流情况下，绝缘材料电场取决于绝缘材料的介电常数，而介电常数对温度并不敏感；直流情况与交流大不相同，直流下电场分布取决于绝缘材料的电导特性，而电导特性高度依赖于温度，根据arrhenius方程，电导与温度呈现非线性指数分布，这使得在温度梯度的影响下，绝缘材料的电导率呈现数量级上的差异，导致实际运行工况下电气设备内部电场畸变十分严重，而且以数量级倍增的电导率会导致泄露电流过大，也会引起发热异常。特别是直流套管，在大电流下导体由于焦耳发热产生热量，绝缘介质通常为“热的不良导体”，使得套管散热问题严重，整体上呈现出由内到外的温度梯度分布。加之套管主绝缘为多层铝箔
‑
皱纹纸
‑
环氧树脂复合结构，界面处在直流作用下存在显著的空间电荷效应，更加畸变了绝缘材料中的电场分布，导致绝缘材料加速劣化，甚至寿命降低。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料及其制备方法，解决直流电气设备由温度引起的电场畸变问题。
5.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
6.一种低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料，其原料组分及其组分的质量份数为：
7.富勒烯颗粒
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.05～0.5份；
8.环氧树脂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100份；
9.固化剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
85份。
10.进一步，所述富勒烯颗粒采用直径为1nm、纯度99.5％的富勒烯颗粒；所述环氧树脂为双酚a型环氧树脂e51；所述固化剂为甲基四氢苯酐酸酐。
11.进一步，所述富勒烯颗粒为0.05份、0.1份或0.5份，所述制得的低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料分别为ep/c60
‑
0.05、ep/c60
‑
0.1或ep/c60
‑
0.5。
12.一种低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：
13.步骤1、原料混合步骤：将富勒烯颗粒加入到乙醇中，得到富勒烯乙醇混合溶液；在
富勒烯乙醇混合溶液中加入环氧树脂，经过超声处理得到均匀分散体；使用磁力搅拌器均匀搅拌以去除乙醇，获得环氧树脂与富勒烯颗粒的混合物；
14.步骤2、材料固化步骤：将环氧树脂与富勒烯颗粒的混合物与固化剂混合，使用磁力搅拌器进行搅拌，将搅拌获得的混合物进行脱气处理以去除气泡，将脱气后的混合物倒入模具中，然后进行固化。
15.进一步，所述步骤1中乙醇和富勒烯颗粒以重量比1：100混合得到富勒烯乙醇混合溶液。
16.进一步，所述步骤1中的超声处理的时间为1小时。
17.进一步，所述步骤1中的搅拌是在90℃下用磁力搅拌器均匀搅拌6小时完成的。
18.进一步，所述步骤2的搅拌是用磁力搅拌器搅拌30分钟完成的。
19.进一步，所述步骤2的脱气处理是在50℃中真空烘箱中脱气1小时实现的。
20.进一步，所述步骤2的固化过程为：首先在100℃下固化15小时，然后145℃下固化20小时。
21.本发明的优点和积极效果是：
22.本发明设计合理，其在环氧树脂材料中掺入富勒烯颗粒，降低了电导率对温度的依赖特性，削弱电气设备中的电场畸变，为电气设备均化电场及结构优化提供有效方案，有效地解决了直流电气设备由温度引起的电场畸变问题，可广泛用于在直流电力系统绝缘材料领域。
附图说明
23.图1为本发明低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料的制备过程示意图；
24.图2为本发明使用的富勒烯颗粒(c60)结构图；
25.图3为不同填料含量下ep/c60纳米复合材料断裂表面的扫描电镜图像，其中，(a)为纯环氧树脂材料，(b)为ep/c60
‑
0.05材料，(c)为ep/c60
‑
0.1材料，(d)为ep/c60
‑
0.5材料；
26.图4为室温下不同填料含量下ep/c60纳米复合材料电场强度与电导率之间的关系图；
27.图5为8kv/mm在不同填料含量下ep/c60纳米复合材料温度倒数(1/t)与电导率之间的关系图；
28.图6为室温下不同填料含量下ep/c60纳米复合材料的直流击穿场强的威布尔分布图；
29.图7为室温下纯环氧数值和ep/c60纳米复合材料直流击穿场强的威布尔参数关系图。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明做进一步详述。
31.实施例1
32.一种低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料，由以下重量份的原料制备而得：
33.富勒烯颗粒
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.05份；
34.环氧树脂基料
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100份；
35.固化剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
85份
36.其中，富勒烯颗粒为纳米富勒烯颗粒，该纳米富勒烯颗粒由北京德科岛金科技有限公司提供，如图2所示，其直径约1nm、纯度99.5％。环氧树脂基料为双酚a型环氧树脂e51，具有低粘度，室温下为液体的特点。固化剂为甲基四氢苯酐酸酐固化剂。
37.本实施例的低温度系数环氧树脂纳米复合绝缘材料的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
38.步骤1、称重富勒烯颗粒，然后以重量比1：100将富勒烯颗粒与乙醇混合获得混合溶液；
39.步骤2、将富勒烯颗粒与乙醇的混合溶液通过超声处理1小时，得到均匀的分散的悬浮溶液；
40.步骤3、将称重的环氧树脂加入悬浮溶液中，其中填料重量比例为环氧树脂重量的0.05％；
41.步骤4、将步骤3获得的混合物进行进行超声处理一小时，获得均匀分散；然后在90℃下用磁力搅拌器搅拌6小时以除去乙醇。乙醇蒸发后获得环氧树脂和富勒烯颗粒的混合物，在这里将其定义为ep/c60
‑
0.05；
42.步骤5、按照重量比100：85将步骤4获得混合物与固化剂混合。
43.步骤6、使用磁力搅拌器搅拌30分钟；
44.步骤7、将获得的混合物在50℃的真空烘箱中脱气1小时，以去除气泡。
45.步骤8、将脱气后的混合物倒入内部尺寸为10
×
10
×
0.5mm3或10
×
10
×
0.2mm3的模具中，在100℃下固化15小时，然后在145℃下固化20小时，以获得试验样本，其中样本厚度为0.2mm用于电导率及直流击穿场强试验，厚度为0.5mm用于扫描电镜测试。
46.上述步骤1
‑
5为填料分散过程，步骤5
‑
8为材料固化过程。
47.本实施例制得的低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料定义为ep/c60
‑
0.05材料。
48.实施例2
49.一种低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料，由以下重量份的原料制备而得：
50.富勒烯颗粒
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.1份
51.环氧树脂基料
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100份
52.固化剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
85份
53.其中，富勒烯颗粒为纳米富勒烯颗粒，该纳米富勒烯颗粒由北京德科岛金科技有限公司提供，其直径约1nm、纯度99.5％。环氧树脂基料为双酚a型环氧树脂e51，具有低粘度，室温下为液体的特点。固化剂为甲基四氢苯酐酸酐固化剂。
54.本实施例制得的低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料定义为ep/c60
‑
0.1材料。
55.本实施例的掺杂量为0.1wt％，该低温度系数环氧树脂复合绝缘材料的制备方法同实施例1。
56.实施例3
57.本实例的低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料，由以下重量份的原料制备
而得：
58.富勒烯颗粒
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
0.5份
59.环氧树脂基体
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
100份
60.固化剂
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
85份
61.其中，纳米富勒烯颗粒由北京德科岛金科技有限公司提供，其直径约1nm、纯度99.5％。环氧树脂基料为双酚a型环氧树脂e51，具有低粘度，室温下为液体的特点。固化剂为甲基四氢苯酐酸酐固化剂。
62.本实施例制得的低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料定义为ep/c60
‑
0.5材料。
63.本实施例的掺杂量为0.5wt％，该低温度系数环氧树脂复合绝缘材料的制备方法同实施例1。
64.下面对本发明的低电导温度系数环氧树脂/富勒烯复合材料的性能进行分析。
65.图3给出了不同填料含量下ep/c60纳米复合材料断裂表面的sem图像，从图中可以看出，a纯环氧树脂的光滑表面，b
‑
d中c60在复合材料中分布均匀，填料浓度较低时颗粒间距离较大。为便于观察，一些填料用白色小圆圈标记。但当浓度达到0.5wt％时，c60团簇的粒径可达到30～50nm，粒间距离明显减小，并出现团聚现象。
66.图4为室温下不同填料含量下ep/c60纳米复合材料电场强度与电导率之间的关系，发现样品的电导率与电场强度呈正相关。然而，当电场低于8kv/mm时，这种差异不显著，而当电场增加到16kv/mm时，电导率明显增加。
67.图5为8kv/mm下不同填料含量下ep/c60纳米复合材料温度倒数(1/t)与电导率之间的关系。在室温下，0.05、0.1和0.5wt％的ep/c60纳米复合材料的电导率分别为9.92
×
10
‑
17
、2.11
×
10
‑
16
和7.63
×
10
‑
16
s/m。结果表明，ep/c60
‑
0.05的导电率低于纯环氧树脂。然而，ep/c60
‑
0.5的导电率比纯环氧树脂大。此外，ep/c60纳米复合材料在100℃下的电导率均低于纯环氧树脂。可以从拟合方程中看出，指数中的12160降低到7874，ep/c60纳米复合材料中也发现了电导率的降低温度系数。
68.图6为室温下不同填料含量下ep/c60纳米复合材料的直流击穿场强的weibull分布。提取的α和β参数如图7所示。ep/c60
‑
0.1和ep/c60
‑
0.5的直流击穿强度明显增强，其α值分别为211.1和197.1kv/mm。ep/c60
‑
0.05的α值也有轻微的降低，且拟合的纯环氧线与ep/c60
‑
0.1线之间存在交点。β值随c60填料含量的增加而减小。
69.需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。