一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及電介質(zhì)、復合材料技術領域，具體設及一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電 荷的聚乙締復合材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 直流輸電技術由于其在穩(wěn)定性與經(jīng)濟性等方面的優(yōu)點，成為目前電氣工程領域研 究的熱點。電纜聚乙締由于具有高介電強度和低介電損耗而成為直流輸電的主要絕緣材 料，然而低電導率特性使其內(nèi)部積聚的空間電荷擴散性差，從而易引發(fā)局部放電、樹枝化等 絕緣老化現(xiàn)象，大大降低了電纜的使用壽命。由于難W消除或抑制聚乙締中的空間電荷，導 致直流高壓電力電纜的發(fā)展相對滯后于交流電纜。
[0003] 大量研究表明利用納米粒子制備得到的聚合物基納米復合材料能夠有效抑制材 料內(nèi)空間電荷的累積，提高絕緣材料的使用壽命，比如，吳建東等人研究納米填充濃度對 LDPE/Si1iCa納米復合介質(zhì)中空間電荷行為的影響（低密度聚乙締納米復合介質(zhì)中電荷輸 運的實驗研究和數(shù)值模擬巧]，上海交通大學，2012,化ge22)，然而LD陽/Si〇2復合材料的正 負電極處仍舊存在同極性電荷的累積。因此，本發(fā)明擬同時添加ZnO和Si〇2納米粒子，通 過研究合適的添加比例，期望能夠獲得更有效降低內(nèi)部空間電荷累積的復合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙締復合材料，通過合理添加 ZnO和Si〇2納米粒子制備得到的聚乙締復合材料內(nèi)部空間電荷累積大大降低；本發(fā)明還提 供了上述材料的制備方法。
[0005] 本發(fā)明采取的技術方案如下：
[0006] 1、一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙締復合材料，所述復合材料為添加化0 和Si化納米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為3~5wt%，ZnO和 Si化納米粒子之間的質(zhì)量比為1:1。
[0007] 優(yōu)選的，所述ZnO和Si化納米粒子總添加量為3wt%。
[0008] 優(yōu)選的，所述ZnO和Si化納米粒子粒徑范圍為20~30皿。
[0009] 優(yōu)選的，所述低密度聚乙締密度分布為0. 910~0. 925mg/cm3,融化指數(shù)為2. 1~ 2. 2g/10min，烙點為 105 ~112°C。
[0010] 2、抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙締復合材料的制備方法，首先將ZnO和Si化 納米粒子進行真空干燥，將干燥后的ZnO和Si化納米粒子與低密度聚乙締基料均勻混合、 機械共混并切割成粒，最后壓制成薄膜后脫氣處理。
[0011] 優(yōu)選的，首先將ZnO和Si〇2納米粒子進行真空干燥，然后將干燥后的ZnO和SiO2 納米粒子與低密度聚乙締基料均勻混合，再在160°C條件下于雙螺桿擠出機中進行機械共 混并切割成粒，將原料顆粒置于溫度180°C，壓力IOMPa的平板硫化機中壓制成厚度190ym 的薄膜，最后脫氣處理。
[0012] 本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明經(jīng)過大量實驗，發(fā)現(xiàn)ZnO和Si〇2納米粒子質(zhì)量比 為1: 1，總的添加量為3wt%時，獲得的聚乙締復合材料在極化場強為50kV/mm時內(nèi)部平均 體電荷密度最低，為0. 472C/m3,大大低于現(xiàn)有技術中各項實驗的研究結果，說明質(zhì)量比為 1:1的化0和Si化納米粒子能夠有效的改善聚乙締材料內(nèi)部的空間電荷分布，削弱電場的 崎變。
【附圖說明】
[0013] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖：
[0014] 圖1低密度聚乙締內(nèi)部空間電荷分布圖；
[001引 圖2ZnO和Si化納米粒子質(zhì)量比為1:1，總質(zhì)量分數(shù)為3wt%的LD陽/狂nO+SiO2) 復合材料內(nèi)部空間電荷分布圖；
[001引 圖3ZnO和Si化納米粒子質(zhì)量比為1:1，總質(zhì)量分數(shù)為Swt%的LD陽/狂nO+SiO2) 復合材料內(nèi)部空間電荷分布圖；
[0017] 圖4ZnO和Si化納米粒子質(zhì)量比為2:1，總質(zhì)量分數(shù)為3wt%的LD陽/狂nO+Si〇2) 復合材料內(nèi)部空間電荷分布圖；
[0018] 圖5ZnO和Si化納米粒子質(zhì)量比1:2,總質(zhì)量分數(shù)為3wt%的0)陽八化0+5102)復 合材料內(nèi)部空間電荷分布圖；
[001引 圖6ZnO和Si化納米粒子質(zhì)量比為和1:2時，總質(zhì)量分數(shù)為3wt%的LDPE/狂nO+Si02)復合材料的平均體電荷密度；
[0020] 圖7極化時間為60min時復合材料內(nèi)部的平均體電荷密度。
【具體實施方式】
[0021] 下面對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。實施例中未注明具體條件的實驗方 法，通常按照常規(guī)條件或按照制造廠商所建議的條件。
[0022] 實施例1
[0023] 一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙締復合材料，所述復合材料為添加化0 和Si化納米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為3wt%，ZnO和 Si化納米粒子之間的質(zhì)量比為1: 1，所述ZnO和SiO2納米粒子粒徑范圍為20~30nm，所 述低密度聚乙締型號可W為2426H，密度分布為0. 910~0. 925mg/cm3,融化指數(shù)為2. 1~ 2. 2g/10min，烙點為 105 ~112°C。
[0024] 上述復合材料的制備方法如下：
[0025]將化0和Si〇2納米粒子置于190°C的真空干燥箱中干燥24小時，將干燥后的納 米粒子與低密度聚乙締基料混合均勻后倒入雙螺桿擠出機中進行機械共混，控制溫度為 160°C，在循環(huán)模式下充分混合20min，隨后將共混后所得的物料置于平板硫化機上壓制成 薄膜狀，平板硫化機溫度為180°C，壓力為lOMPa，壓制時間為15min，壓制成的薄膜厚度約 為190ym，將所制得的樣品放入80°C真空干燥箱中進行比的脫氣處理即可。
[002引 實施例2
[0027] -種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙締復合材料，所述復合材料為添加化0 和Si化納米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為5wt%，ZnO和Si化納米粒子之間的質(zhì)量比為1: 1，所述ZnO和SiO2納米粒子粒徑范圍為20~30nm，所 述低密度聚乙締型號可W為2426H，密度分布為0. 910~0. 925mg/cm3,融化指數(shù)為2. 1~ 2. 2g/10min，烙點為 105 ~112°C。
[002引上述復合材料的制備方法同實施例1。
[002引 實施例3
[0030] 一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙締復合材料，所述復合材料為添加化0 和Si化納米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為3wt%，ZnO和 Si化納米粒子之間的質(zhì)量比為2:1，所述ZnO和SiO2納米粒子粒徑范圍為20~30nm，所 述低密度聚乙締型號可W為2426H，密度分布為0. 910~0. 925mg/cm3,融化指數(shù)為2. 1~ 2. 2g/10min，烙點為 105 ~112°C。
[0031] 上述復合材料的制備方法同實施例1。
[00礎實施例4
[0033] -種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙締復合材料，所述復合材料為添加化0 和Si化納米粒子的低密度聚乙締，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為3wt%，ZnO和 Si化納米粒子之間的質(zhì)量比為1:2,所述ZnO和SiO2納米粒子粒徑范圍為20~30nm，所 述低密度聚乙締型號可W為2426H，密度分布為0. 910~0. 925mg/cm3,融化指數(shù)為2. 1~ 2. 2g/10min，烙點為 105 ~112°C。
[0034] 上述復合材料的制備方法同實施例1。
[0035] 本發(fā)明實施例1和2所述復合材料與純LDPE材料內(nèi)部空間電荷分布圖分別見 圖2、3和圖1，相比可知，添加納米粒子后材料內(nèi)累積的電荷量大幅度減少，尤其是濃度為 3wt%的復合材料，當濃度達到5wt%時，該復合材料依然具有抑制內(nèi)部空間電荷累積的能 力，然而與3wt%濃度的復合材料相比，該抑制能力有所下降。
[0036] 本發(fā)明實施例3和4所述復合材料內(nèi)部空間電荷分布圖見圖4和5。從圖4中可 W看出，該復合材料正負電極處均存在大量的異極性電荷累積，而圖5中則可W看出，比例 為1:2時，復合材料正負電極處累積有大量的同極性電荷。
[0037] 圖6則是ZnO和Si化納米粒子質(zhì)量比為1: 1、2:1和1:2時，總質(zhì)量分數(shù)為3wt% 的0)口6八化0+51〇2)復合材料的平均體電荷密度，從圖6的平均體電荷密度可W看出，比例 為1:1時，復合材料內(nèi)部的空間電荷累積量最少。
[0038] 為了更直觀的比較本發(fā)明復合材料和純LD陽材料內(nèi)部空間電荷累積量的大小， 本文計算了極化場強為50kV/mm，極化時間為60min時，所有樣品內(nèi)部的平均體電荷密度， 計算公式為：
[0040] 式中X。和X汾別為正負電極的位置（不考慮電極處的感應電荷），t為去極化時 間，町為極化場強，Qp(X，t;Ep)為材料內(nèi)部的電荷密度。
[0041] 計算結果見圖7,由結果可知，當極化場強為50kV/mm時，材料內(nèi)部的平均體電荷 密度在納米粒子添加量為3wt%時最低，為0. 472C/m3,遠遠小于現(xiàn)有技術相關報道。并且， 本試驗中僅在正負電極處觀測到了少量的同極性電荷，幾乎不會導致電場的崎變，可W有 效地提高材料的絕緣性能。
[0042]最后說明的是，W上優(yōu)選實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管通 過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可W在 形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權利要求書所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料，其特征在于，所述復合材料 為添加ZnO和SiO2納米粒子的低密度聚乙稀，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為3~ 5wt%，ZnO和SiO2納米粒子之間的質(zhì)量比為1: 1。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料，其特征 在于，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為3wt%。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料，其特征 在于，所述ZnO和SiO2納米粒子粒徑范圍為20~30nm。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料，其特征 在于，所述低密度聚乙稀密度分布為〇. 910~0. 925mg/cm3,融化指數(shù)為2. 1~2. 2g/10min， 熔點為105~112°C。5. 權利要求1~4所述抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料的制備方法，其 特征在于，首先將ZnO和SiOjfi米粒子進行真空干燥，將干燥后的ZnO和SiO2納米粒子與 低密度聚乙烯基料均勻混合、機械共混并切割成粒，最后壓制成薄膜后脫氣處理。6. 權利要求1~4所述抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料的制備方法，其 特征在于，首先將ZnO和SiOjfi米粒子進行真空干燥，然后將干燥后的ZnO和SiO2納米粒 子與低密度聚乙烯基料均勻混合，再在160°C條件下于雙螺桿擠出機中進行機械共混并切 割成粒，將原料顆粒置于溫度180°C，壓力IOMPa的平板硫化機中壓制成厚度190ym的薄 膜，最后脫氣處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種抑制絕緣材料內(nèi)部空間電荷的聚乙烯復合材料及其制備方法，所述復合材料為添加ZnO和SiO2納米粒子的低密度聚乙烯，所述ZnO和SiO2納米粒子總添加量為3～5wt％，ZnO和SiO2納米粒子之間的質(zhì)量比為1:1。本發(fā)明研究發(fā)現(xiàn)ZnO和SiO2納米粒子質(zhì)量比為1:1，總的添加量為3wt％時，獲得的聚乙烯復合材料在極化場強為50kV/mm時內(nèi)部平均體電荷密度最低，為0.472C/m3，大大低于現(xiàn)有技術中各項實驗的研究結果，說明質(zhì)量比為1:1的ZnO和SiO2納米粒子能夠有效的改善聚乙烯材料內(nèi)部的空間電荷分布，削弱電場的畸變。
【IPC分類】C08K3/36, C08L23/06, B29C35/02, C08K3/22
【公開號】CN105218932
【申請?zhí)枴緾N201510768328
【發(fā)明人】王有元, 陳偉根, 杜林 , 王燦, 李劍, 周湶, 王飛鵬
【申請人】重慶大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年11月11日