一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电介质、复合材料技术领域，具体设及一种抑制绝缘材料内部空间电 荷的聚乙締复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 直流输电技术由于其在稳定性与经济性等方面的优点，成为目前电气工程领域研 究的热点。电缆聚乙締由于具有高介电强度和低介电损耗而成为直流输电的主要绝缘材 料，然而低电导率特性使其内部积聚的空间电荷扩散性差，从而易引发局部放电、树枝化等 绝缘老化现象，大大降低了电缆的使用寿命。由于难W消除或抑制聚乙締中的空间电荷，导 致直流高压电力电缆的发展相对滞后于交流电缆。
[0003] 大量研究表明利用纳米粒子制备得到的聚合物基纳米复合材料能够有效抑制材 料内空间电荷的累积，提高绝缘材料的使用寿命，比如，吴建东等人研究纳米填充浓度对 LDPE/Si1iCa纳米复合介质中空间电荷行为的影响（低密度聚乙締纳米复合介质中电荷输 运的实验研究和数值模拟巧]，上海交通大学，2012,化ge22)，然而LD阳/Si〇2复合材料的正 负电极处仍旧存在同极性电荷的累积。因此，本发明拟同时添加ZnO和Si〇2纳米粒子，通 过研究合适的添加比例，期望能够获得更有效降低内部空间电荷累积的复合材料。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙締复合材料，通过合理添加 ZnO和Si〇2纳米粒子制备得到的聚乙締复合材料内部空间电荷累积大大降低；本发明还提 供了上述材料的制备方法。
[0005] 本发明采取的技术方案如下：
[0006] 1、一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙締复合材料，所述复合材料为添加化0 和Si化纳米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为3~5wt%，ZnO和 Si化纳米粒子之间的质量比为1:1。
[0007] 优选的，所述ZnO和Si化纳米粒子总添加量为3wt%。
[0008] 优选的，所述ZnO和Si化纳米粒子粒径范围为20~30皿。
[0009] 优选的，所述低密度聚乙締密度分布为0. 910~0. 925mg/cm3,融化指数为2. 1~ 2. 2g/10min，烙点为 105 ~112°C。
[0010] 2、抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙締复合材料的制备方法，首先将ZnO和Si化 纳米粒子进行真空干燥，将干燥后的ZnO和Si化纳米粒子与低密度聚乙締基料均匀混合、 机械共混并切割成粒，最后压制成薄膜后脱气处理。
[0011] 优选的，首先将ZnO和Si〇2纳米粒子进行真空干燥，然后将干燥后的ZnO和SiO2 纳米粒子与低密度聚乙締基料均匀混合，再在160°C条件下于双螺杆挤出机中进行机械共 混并切割成粒，将原料颗粒置于溫度180°C，压力IOMPa的平板硫化机中压制成厚度190ym 的薄膜，最后脱气处理。
[0012] 本发明的有益效果在于：本发明经过大量实验，发现ZnO和Si〇2纳米粒子质量比 为1: 1，总的添加量为3wt%时，获得的聚乙締复合材料在极化场强为50kV/mm时内部平均 体电荷密度最低，为0. 472C/m3,大大低于现有技术中各项实验的研究结果，说明质量比为 1:1的化0和Si化纳米粒子能够有效的改善聚乙締材料内部的空间电荷分布，削弱电场的 崎变。
【附图说明】
[0013] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
[0014] 图1低密度聚乙締内部空间电荷分布图；
[001引 图2ZnO和Si化纳米粒子质量比为1:1，总质量分数为3wt%的LD阳/狂nO+SiO2) 复合材料内部空间电荷分布图；
[001引 图3ZnO和Si化纳米粒子质量比为1:1，总质量分数为Swt%的LD阳/狂nO+SiO2) 复合材料内部空间电荷分布图；
[0017] 图4ZnO和Si化纳米粒子质量比为2:1，总质量分数为3wt%的LD阳/狂nO+Si〇2) 复合材料内部空间电荷分布图；
[0018] 图5ZnO和Si化纳米粒子质量比1:2,总质量分数为3wt%的0)阳八化0+5102)复 合材料内部空间电荷分布图；
[001引 图6ZnO和Si化纳米粒子质量比为和1:2时，总质量分数为3wt%的LDPE/狂nO+Si02)复合材料的平均体电荷密度；
[0020] 图7极化时间为60min时复合材料内部的平均体电荷密度。
【具体实施方式】
[0021] 下面对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方 法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
[0022] 实施例1
[0023] 一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙締复合材料，所述复合材料为添加化0 和Si化纳米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为3wt%，ZnO和 Si化纳米粒子之间的质量比为1: 1，所述ZnO和SiO2纳米粒子粒径范围为20~30nm，所 述低密度聚乙締型号可W为2426H，密度分布为0. 910~0. 925mg/cm3,融化指数为2. 1~ 2. 2g/10min，烙点为 105 ~112°C。
[0024] 上述复合材料的制备方法如下：
[0025]将化0和Si〇2纳米粒子置于190°C的真空干燥箱中干燥24小时，将干燥后的纳 米粒子与低密度聚乙締基料混合均匀后倒入双螺杆挤出机中进行机械共混，控制溫度为 160°C，在循环模式下充分混合20min，随后将共混后所得的物料置于平板硫化机上压制成 薄膜状，平板硫化机溫度为180°C，压力为lOMPa，压制时间为15min，压制成的薄膜厚度约 为190ym，将所制得的样品放入80°C真空干燥箱中进行比的脱气处理即可。
[002引 实施例2
[0027] -种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙締复合材料，所述复合材料为添加化0 和Si化纳米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为5wt%，ZnO和Si化纳米粒子之间的质量比为1: 1，所述ZnO和SiO2纳米粒子粒径范围为20~30nm，所 述低密度聚乙締型号可W为2426H，密度分布为0. 910~0. 925mg/cm3,融化指数为2. 1~ 2. 2g/10min，烙点为 105 ~112°C。
[002引上述复合材料的制备方法同实施例1。
[002引 实施例3
[0030] 一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙締复合材料，所述复合材料为添加化0 和Si化纳米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为3wt%，ZnO和 Si化纳米粒子之间的质量比为2:1，所述ZnO和SiO2纳米粒子粒径范围为20~30nm，所 述低密度聚乙締型号可W为2426H，密度分布为0. 910~0. 925mg/cm3,融化指数为2. 1~ 2. 2g/10min，烙点为 105 ~112°C。
[0031] 上述复合材料的制备方法同实施例1。
[00础实施例4
[0033] -种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙締复合材料，所述复合材料为添加化0 和Si化纳米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为3wt%，ZnO和 Si化纳米粒子之间的质量比为1:2,所述ZnO和SiO2纳米粒子粒径范围为20~30nm，所 述低密度聚乙締型号可W为2426H，密度分布为0. 910~0. 925mg/cm3,融化指数为2. 1~ 2. 2g/10min，烙点为 105 ~112°C。
[0034] 上述复合材料的制备方法同实施例1。
[0035] 本发明实施例1和2所述复合材料与纯LDPE材料内部空间电荷分布图分别见 图2、3和图1，相比可知，添加纳米粒子后材料内累积的电荷量大幅度减少，尤其是浓度为 3wt%的复合材料，当浓度达到5wt%时，该复合材料依然具有抑制内部空间电荷累积的能 力，然而与3wt%浓度的复合材料相比，该抑制能力有所下降。
[0036] 本发明实施例3和4所述复合材料内部空间电荷分布图见图4和5。从图4中可 W看出，该复合材料正负电极处均存在大量的异极性电荷累积，而图5中则可W看出，比例 为1:2时，复合材料正负电极处累积有大量的同极性电荷。
[0037] 图6则是ZnO和Si化纳米粒子质量比为1: 1、2:1和1:2时，总质量分数为3wt% 的0)口6八化0+51〇2)复合材料的平均体电荷密度，从图6的平均体电荷密度可W看出，比例 为1:1时，复合材料内部的空间电荷累积量最少。
[0038] 为了更直观的比较本发明复合材料和纯LD阳材料内部空间电荷累积量的大小， 本文计算了极化场强为50kV/mm，极化时间为60min时，所有样品内部的平均体电荷密度， 计算公式为：
[0040] 式中X。和X汾别为正负电极的位置（不考虑电极处的感应电荷），t为去极化时 间，町为极化场强，Qp(X，t;Ep)为材料内部的电荷密度。
[0041] 计算结果见图7,由结果可知，当极化场强为50kV/mm时，材料内部的平均体电荷 密度在纳米粒子添加量为3wt%时最低，为0. 472C/m3,远远小于现有技术相关报道。并且， 本试验中仅在正负电极处观测到了少量的同极性电荷，几乎不会导致电场的崎变，可W有 效地提高材料的绝缘性能。
[0042]最后说明的是，W上优选实施例仅用W说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可W在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料，其特征在于，所述复合材料 为添加ZnO和SiO2纳米粒子的低密度聚乙稀，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为3~ 5wt%，ZnO和SiO2纳米粒子之间的质量比为1: 1。2. 根据权利要求1所述的一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料，其特征 在于，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为3wt%。3. 根据权利要求1所述的一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料，其特征 在于，所述ZnO和SiO2纳米粒子粒径范围为20~30nm。4. 根据权利要求1所述的一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料，其特征 在于，所述低密度聚乙稀密度分布为〇. 910~0. 925mg/cm3,融化指数为2. 1~2. 2g/10min， 熔点为105~112°C。5. 权利要求1~4所述抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料的制备方法，其 特征在于，首先将ZnO和SiOjfi米粒子进行真空干燥，将干燥后的ZnO和SiO2纳米粒子与 低密度聚乙烯基料均匀混合、机械共混并切割成粒，最后压制成薄膜后脱气处理。6. 权利要求1~4所述抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料的制备方法，其 特征在于，首先将ZnO和SiOjfi米粒子进行真空干燥，然后将干燥后的ZnO和SiO2纳米粒 子与低密度聚乙烯基料均匀混合，再在160°C条件下于双螺杆挤出机中进行机械共混并切 割成粒，将原料颗粒置于温度180°C，压力IOMPa的平板硫化机中压制成厚度190ym的薄 膜，最后脱气处理。
【专利摘要】本发明公开了一种抑制绝缘材料内部空间电荷的聚乙烯复合材料及其制备方法，所述复合材料为添加ZnO和SiO2纳米粒子的低密度聚乙烯，所述ZnO和SiO2纳米粒子总添加量为3～5wt％，ZnO和SiO2纳米粒子之间的质量比为1:1。本发明研究发现ZnO和SiO2纳米粒子质量比为1:1，总的添加量为3wt％时，获得的聚乙烯复合材料在极化场强为50kV/mm时内部平均体电荷密度最低，为0.472C/m3，大大低于现有技术中各项实验的研究结果，说明质量比为1:1的ZnO和SiO2纳米粒子能够有效的改善聚乙烯材料内部的空间电荷分布，削弱电场的畸变。
【IPC分类】C08K3/36, C08L23/06, B29C35/02, C08K3/22
【公开号】CN105218932
【申请号】CN201510768328
【发明人】王有元, 陈伟根, 杜林 , 王灿, 李剑, 周湶, 王飞鹏
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年11月11日