一种复合硅橡胶材料及其处理方法及一种复合绝缘子与流程

1.本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种复合硅橡胶材料及其处理方法及一种复合绝缘子。


背景技术：

2.复合绝缘子被广泛应用于各种高低压线路中，机械、电气、环境和特定应用因素这四项关键因素影响着绝缘子的性能，必须确保绝缘子在系统的使用寿命期间内能够经受严苛的环境并提供可靠的性能。
3.相关复合绝缘子包括由硅橡胶制成的伞裙护套，起到外表面的保护和绝缘的作用。然而现有的硅橡胶的性能仍不令人满意，因此仍存在对性能更佳的硅橡胶作为绝缘子的需求。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高复合硅橡胶材料性能，尤其是其拉伸强度的处理方法，以及由此处理方法获得的复合硅橡胶材料及一种复合绝缘子。
5.为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
6.本发明实施例提供一种复合硅橡胶材料的处理方法，该处理方法包括：
7.根据所述复合硅橡胶材料的密度和所需的辐照深度，确定所需的电子加速器的能量强度，以产生辐射场；
8.以所述辐射场对所述复合硅橡胶材料照射至少30分钟，使所述复合硅橡胶材料的二维分子结构转化为三维网状结构。
9.进一步地，所述处理方法中以所述辐射场对所述复合硅橡胶材料照射30～150分钟，优选90～150分钟。
10.根据具体实施方式，辐照时间可为90至150分钟。
11.进一步地，所述根据所述复合硅橡胶材料的密度和所需的辐照深度，确定所需的电子加速器的能量强度，包括：
12.确定所需的辐照深度；
13.将所述所需的辐照深度乘以密度修正系数得到修正深度，其中，密度修正系数为复合硅橡胶材料的密度与纯水的密度的比值；
14.根据不同能量强度的辐射场的粒子在修正深度的纯水处的剂量吸收率确定所需的电子加速器的能量强度，以保证所需辐照深度内的复合硅橡胶材料受到完全辐照。
15.所需辐照深度可以等于或小于所述材料的最大厚度。可根据实际需要以及材料的形状大小来确定所需的辐照深度。通常，所需辐照深度至少为3毫米，例如为3～10毫米，3～5毫米，但不限于此。
16.进一步地，复合硅橡胶材料可通过使硅橡胶组合物经混炼和硫化获得。对硅橡胶组合物进行混炼加工及硫化的工艺方法并无特别限制，可采用本领域的常规方法进行。
17.经硫化的硅橡胶其中聚合物分子链间已发生一定程度的交联，但仅形成二维的网状结构。在进一步经过本发明的处理方法之后，可进一步形成三维的网状结构，从而显著提升其性能，尤其是拉伸强度。
18.可用于本发明的硅橡胶组合物并无特别限制，常规用作绝缘子的硅橡胶组合物均可使用。根据一种实施方式，所述硅橡胶组合物包括：100重量份硅橡胶；20至30重量份补强填充剂；100至130重量份氢氧化铝；2至6重量份的结构控制剂；以及以补强填充剂的重量计0.5至2wt％的交联剂，优选为硫化剂。
19.进一步地，所述补强填充剂可为白炭黑。优选地，所述白炭黑可事先用硅烷偶联剂进行预处理。可采用任何事宜的方法，用硅烷偶联剂对白炭黑进行表面处理。本发明对硅烷偶联剂也没有特别限制，任何常用的硅烷偶联剂均可使用，可例举的如：乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。其用量可为以白炭黑总重量计的0.2～2wt％。
20.进一步地，可用于本发明处理方法的硅橡胶组合物还包括选自颜料或脱模剂中的至少一种。
21.本发明实施例还提供一种复合硅橡胶材料，
22.所述复合硅橡胶材料包括硅橡胶100重量份，补强填充剂20至30重量份，氢氧化铝100至130重量份，结构控制剂2至6重量份，以及以补强填充剂的重量计0.5至2wt％的交联剂；且
23.所述复合硅橡胶材料为如上所述的复合硅橡胶材料的处理方法进行处理后得到的复合硅橡胶材料。
24.如上所述，所述补强填充剂为白炭黑。优选地，所述白炭黑事先用硅烷偶联剂进行预处理。进一步地，所述硅烷偶联剂可为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷。所述交联剂可为硫化剂，优选为双二五硫化剂。所述结构控制剂可为羟基硅油。
25.进一步地，所述复合硅橡胶材料还包括选自颜料和脱模剂中的至少一种。
26.进一步地，所述复合硅橡胶材料还包括：甲基硅油和含氢硅油；优选地，所述甲基硅油的用量为3至5重量份，所述含氢硅油的用量为1重量份。进一步地，所述复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度不小于80n。
27.本发明实施例还提供一种复合绝缘子，该复合绝缘子包括：
28.芯棒；
29.伞裙护套，包覆于所述芯棒的外部；所述伞裙护套由复合硅橡胶材料制成，所述复合硅橡胶材料为如上所述的复合硅橡胶材料；
30.金具，与所述伞裙护套的端部密封连接。
31.本发明实施例提供的复合硅橡胶材料的处理方法包括以辐射场对复合硅橡胶材料照射至少30分钟，通过辐照使复合硅橡胶材料形成三维网状结构，提高了复合硅橡胶材料的分子之间的交联程度，从而提高了复合硅橡胶材料的拉伸强度。将经过该处理方法处理后的复合硅橡胶材料制成复合绝缘子的伞裙护套，获得了改进的机械性能，能更好地适应使用环境的要求。
附图说明
32.图1为本发明实施例提供的一种复合硅橡胶材料的处理方法的流程示意图；
33.图2为本发明实施例提供的另一种复合硅橡胶材料的处理方法的流程示意图；
34.图3为辐射场的粒子在纯水中的穿透深度与剂量吸收率的关系图；
35.图4为本发明实施例提供的另一种复合硅橡胶材料的处理方法的流程示意图；
36.图5为本发明实施例提供的另一种复合硅橡胶材料的处理方法的流程示意图；
37.图6为本发明实施例提供的一种复合绝缘子的结构示意图；
38.图7为本发明实施例提供的一种复合硅橡胶材料的制备方法的流程示意图；
39.图8为本发明是实力提供的一种复合硅橡胶材料的处理方法的流程示意图。
具体实施方式
40.下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。
41.如图1所示，复合硅橡胶材料的处理方法主要包括以下步骤：
42.步骤s101、根据复合硅橡胶材料的密度和所需的辐照深度，确定所需的电子加速器的能量强度，以产生辐射场。
43.具体的，产生的辐射场的能量强度与复合硅橡胶材料的密度和所需的辐照深度对应，以保证在预设深度范围内的复合硅橡胶材料的二维分子结构能够受到完全的辐照。
44.可选的，该电子加速器的性能参如表1所示。
45.表1电子加速器的性能参数表
[0046][0047][0048]
由表1可知，该电子加速器的能量范围为5mev-10mev(兆电子伏特)，其中，电子加速器的能量范围是指电子加速器产生的辐射场的能量强度的范围为5mev至10mev；该电子加速器束流强度范围为5ma-20ma(毫安)，该电子加速器线速度设定范围为3m/min至5m/min(米每分钟)，该电子加速器为微波电子直线加速器，该电子加速器能量不稳定度小于等于正负3％，该电子加速器扫描宽度为1000mm至2000mm(毫米)，该电子加速器束流不稳定度小于等于8％，该电子加速器平均束流为2.23ma(毫安)。
[0049]
步骤s102、以辐射场对复合硅橡胶材料照射至少30分钟。
[0050]
具体的，在辐射场的照射下，复合硅橡胶材料的高分子链之间通过支链联结成一个三维空间网型大分子，形成交联结构，交联产生的链与链之间交联点抑制高分子链间的
滑动，从而提高了复合硅橡胶材料的拉伸断裂力。
[0051]
通过对复合硅橡胶材料进行辐照将复合硅橡胶材料中聚合物分子的二维结构转化为相互交联的三维网状结构，从而提高硅橡胶材料的抗拉强度。将具备高抗拉强度的复合硅橡胶材料制造复合绝缘子的橡胶的伞裙保护套，可以防止伞裙保护套发生断裂，从而防止复合绝缘子的绝缘和密封失效，进而减少因绝缘子的暴露或污染导致的电力系统出现故障的可能性。在一些实施例中，如图2所示，基于图1，图1中的步骤s101包括：
[0052]
步骤s201、确定所需的辐照深度。
[0053]
具体的，辐照深度可以等于复合硅橡胶材料的总厚度，也可以小于复合硅橡胶材料的总厚度，即，可以使整个厚度范围内的复合硅橡胶材料的二维分子结构都能够在辐照的作用下分子间发生交联形成三维网状结构，也可以仅需要使预设深度范围内的复合硅橡胶材料的分子发生交联。
[0054]
可选的，所需的辐照深度为3毫米。
[0055]
步骤s202、将所需的辐照深度乘以密度修正系数得到修正深度。
[0056]
具体的，密度修正系数为复合硅橡胶材料的密度与纯水的密度的比值。
[0057]
步骤s203、根据不同能量强度的辐射场粒子在修正深度的纯水处的剂量吸收率确定所需的电子加速器的能量强度，以保证所需辐照深度内的复合硅橡胶材料受到完全辐照。
[0058]
具体的，在所需辐照深度内的复合硅橡胶材料的辐照剂量吸收率不小于60％的状态下，确认所需辐照深度内的复合硅橡胶材料受到完全辐照。
[0059]
下面结合图3对根据复合硅橡胶材料的密度和深度确定所需的电子加速器的能量强度的具体方法进行示例性说明。
[0060]
所需的辐照深度为1厘米，复合硅橡胶材料的密度与纯水的密度的比值为2，则修正深度为2厘米。基于图3确定粒子在纯水中穿透的深度为2厘米处对应的剂量吸收率不小于60％的辐射场的能量强度，图3中粒子在纯水中穿透的深度为2厘米处对应的剂量吸收率不小于60％的辐射场的能量强度为8.5mev、9.0mev和10mev，因此可以将电子加速器的能量强度确定为8.5mev、9.0mev或10mev。
[0061]
可选的，当有多种能量强度能够保证所需辐照深度内的复合硅橡胶材料受到完全辐照时，将多种能量强度中的最小的能量强度确定为电子加速器的能量强度，例如，当能量强度确定为8.5mev、9.0mev和10mev均能保证所需辐照深度内的复合硅橡胶材料受到完全辐照时，将电子加速器的能量强度确定为8.5mev，以减小电子加速器的能耗。
[0062]
在一些实施例中，如图4所示，基于图1，在步骤s101之前还包括：
[0063]
步骤s301、对硅橡胶进行混炼，得到改性后的复合硅橡胶材料。
[0064]
具体的，硅橡胶材料的加工性能和力学性能无法满足实际使用的需求，需要对硅橡胶材料进行混炼，以改进硅橡胶材料的加工性能和力学性能。
[0065]
步骤s302、对改性后的复合硅橡胶材料进行硫化，得到目标形状的复合硅橡胶材料。
[0066]
具体的，将改性后的复合硅橡胶材料放入橡胶成型机中进行注压硫化，通过加温和加压使复合硅橡胶材料成型为目标形状。
[0067]
在一些实施例中，如图5所示，基于图4，步骤s301包括：
[0068]
步骤s3011、将硅橡胶、补强填充剂和结构控制剂、其他填充剂以及加工助剂混合，得到混炼胶。
[0069]
具体的，在硅橡胶中加入补强填充剂和结构控制剂，从而提供硅橡胶的力学性能和加工性能。可选的，补强填充剂为气相白炭黑，用于提高硅橡胶的力学性能，例如增大硅橡胶的拉伸断裂强度；结构控制剂为羟基硅油，用于对白炭黑进行改性，降低白炭黑的表面极性，从而防止硅橡胶发生结构化而导致硅橡胶硬化，以便在后续处理过程中对硅橡胶进行进一步加工，即，提高了硅橡胶的加工性能。
[0070]
常规地，补强填充剂可事先进行表面处理，以便于增加其与硅橡胶基体的相容性，便于在混炼中均匀分散性。例如可采用硅烷偶联剂进行表面预处理。
[0071]
可选的，还可以在混炼胶中加入着色剂，具体的，未加入着色剂的混炼胶为白色，根据实际需要在混料胶中加入着色剂，从而将白色的混炼胶转化为所需颜色的混炼胶。
[0072]
其他填充剂还包括氢氧化铝、甲基硅油和含氢硅油。其中，氢氧化铝用于提高复合硅橡胶材料的耐漏电起痕性能，耐电蚀损性能和耐电弧性能；甲基硅油用于调节复合硅橡胶材料的硬度，提高复合硅橡胶材料的韧性，还能起到脱模的作用，即，甲基硅油能够防止复合硅橡胶材料与模具发生粘粘，便于将复合硅橡胶材料从模具中取出；甲基硅油，用于提高复合硅橡胶材料的耐热能力；含氢硅油，用于在复合硅橡胶材料的表面形成一层防水膜，增强复合硅橡胶材料的防水能力；硅烷偶联剂用于降低合复合硅橡胶材料的粘度，改善补强填充剂的分散度以提高复合硅橡胶材料的加工性能，进而使复合硅橡胶材料获得良好的表面质量及机械、热和电性能；硫化剂用于促进硅橡胶材料的硫化。
[0073]
其他加工助剂，诸如颜料或脱模剂等。
[0074]
步骤s3012、将混炼胶放入烘箱中进行热处理，并对进行热处理后的混炼胶进行返炼。
[0075]
通过热处理和返炼，使补强填充剂和结构控制剂与硅橡胶充分混合，进一步提供硅橡胶的力学性能和加工性能。
[0076]
步骤s3013、将经过返炼的混炼胶与硫化剂混合，并将加入硫化剂的混炼胶进行混炼。
[0077]
通过在混炼胶中加入硫化剂，能够促进复合硅橡胶材料的硫化，同时，将加入硫化剂的混炼胶进行混炼，使硫化剂与硅橡胶进行充分混合，进一步促进复合硅橡胶材料的硫化。其中，促进复合硅橡胶硫化是指加快复合硅橡胶材料的硫化速度以及提高复合硅橡胶材料的硫化程度。
[0078]
本发明还提供一种复合硅橡胶材料，该复合硅橡胶材料通过上述处理方法处理后得到。
[0079]
可用于本发明的处理方法进行处理的复合硅橡胶材料可为任何适宜的材料。本发明并没有特别限制。根据一个具体的实施方式，复合硅橡胶材料可包括以下组分及质量份数：硅橡胶100重量份，补强填充剂20至30重量份，结构控制剂2至6重量份，氢氧化铝100至130重量份以及补充填充剂的重量计0.5至2wt％的交联剂，优选为硫化剂，且复合硅橡胶材料为经过如图1、图2、图4或图5所示的处理方法的处理后得到的复合硅橡胶材料，该复合硅橡胶材料中聚合物分子的线性结构转化为相互交联的三维网状结构，即，复合硅橡胶材料的高分子链之间通过支链联结成一个三维空间网型大分子，形成交联结构，交联产生的链
与链之间交联点抑制高分子链间的滑动，从而提高了复合硅橡胶材料的拉伸断裂力。
[0080]
其中，硅橡胶为复合硅橡胶材料的基础材料，补强填充剂用于提高复合硅橡胶材料的力学性能，补强填充剂为任何可以提高复合硅橡胶材料的力学性能的填充剂，例如，碳酸钙或白炭黑；结构控制剂用于防止复合硅橡胶材料发生结构化，从而防止复合硅橡胶材料硬化，提高复合硅橡胶材料的加工性能，可选的，结构控制剂为任何可以防止复合硅橡胶材料发生结构化的添加剂，例如羟基硅油或二苯基硅二醇；氢氧化铝用于提高复合硅橡胶材料的耐漏电起痕性能，耐电蚀损性能和耐电弧性能。
[0081]
在一些实施例中，补强填充剂为白炭黑，用于提高复合硅橡胶材料的力学性能，优选的，白炭黑事先用硅烷偶联剂进行预处理。
[0082]
在一些实施例中，结构控制剂为羟基硅油，用于对补强填充剂进行改性，减小补强填充剂的表面极性，从而防止复合硅橡胶材料发生结构，从而防止复合硅橡胶材料发生硬化，进而提高复合硅橡胶材料的加工性能。
[0083]
可选的，硅橡胶组合物还包括自增塑剂、分散剂、颜料、脱模剂、防水剂、抗氧化剂、防紫外剂和防老化剂中的至少一种。
[0084]
可选的，自增塑剂为甲基硅油，用于调节复合硅橡胶材料的硬度，提高复合硅橡胶材料的韧性，还能起到脱模的作用，即，甲基硅油能够防止复合硅橡胶材料与模具发生粘粘，便于将复合硅橡胶材料从模具中取出，优选的，甲基硅油的用量为3至5重量份。
[0085]
可选的，防水剂为含氢硅油，用于在复合硅橡胶材料的表面形成一层防水膜，增强复合硅橡胶材料的防水能力，优选的，含氢硅油的用量为1重量份。
[0086]
在一些实施例中，复合硅橡胶材料中的硅烷偶联剂为γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，即，在国内的牌号为kh560的硅烷偶联剂。复合硅橡胶材料中的硫化剂为双二五硫化剂。
[0087]
在一些实施例中，该复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度不小于80n。
[0088]
本发明实施例还提供一种复合绝缘子，如图6所示，该复合绝缘子包括芯棒10、伞裙护套20和金具30。芯棒10是复合绝缘子机械负荷的承载部件，同时又是内绝缘的主要部分，芯棒10为树脂增强单向玻璃纤维引拔棒，具有很高的机械强度、良好的绝缘性能和长期稳定性。
[0089]
伞裙护套20包覆于芯棒10的外部，伞裙护套20由如上所述的复合硅橡胶材料制成，该复合硅橡胶材料的预设深度内的高分子链之间通过支链联结成一个三维空间网型大分子，形成交联结构，交联产生的链与链之间交联点抑制高分子链间的滑动，从而提高了复合硅橡胶材料的拉伸断裂力，从而提高了复合硅橡胶材料的抗拉伸断裂的能力，进而提高了复合绝缘子的绝缘和密封的可靠性，减少因绝缘子的暴露或污染导致的电力系统出现故障的可能性。金具30用于与其他电气部件连接，与伞裙护套20的端部密封连接，减少因绝缘子的暴露或污染导致的电力系统出现故障的可能性。实施例
[0090]
复合硅橡胶材料的制备：
[0091]
如图7所示，复合硅橡胶材料的制备的步骤包括：
[0092]
步骤s401、将100重量份硅橡胶，30重量份白炭黑(用1wt％的硅烷偶联剂(咸阳橡胶工业制品研究所，kh560/a172)进行了表面处理)，6重量份羟基硅油，110重量份氢氧化铝，4重量份甲基硅油，1重量份含氢硅油混合得到混炼胶。
[0093]
步骤s402、将混炼胶放入烘箱中50至70摄氏度进行热处理，并对进行热处理后的混炼胶进行返炼。
[0094]
通过热处理和返炼，使补强填充剂和结构控制剂与硅橡胶充分混合，进一步提供硅橡胶的力学性能和加工性能。将硫化剂(2重量份双二五硫化剂)加入混炼胶中，并对加入硫化剂的混炼胶进行返炼，并对加入硫化剂的混炼胶进行返炼，返炼后的混炼胶停放至少24小时从而使硫化剂与混炼胶充分混合。
[0095]
步骤s403、将经过返炼的混炼胶进行硫化。
[0096]
具体的，将经过返炼的混炼胶放入橡胶注射成型机(衡阳华意，hyz-500b)中，对该混炼胶进行注压硫化，该橡胶注射成型机的注射量为10000毫升，柱塞直径为132毫米，注射压力为126兆帕，注射速率为200毫升/秒，从而得到复合硅橡胶材料，该复合硅橡胶材料聚合物的分子相互交联形成二维的网状结构。
[0097]
对复合硅橡胶材料进行辐照处理(如图8所示)，包括：
[0098]
步骤s501、根据复合硅橡胶材料的密度和所需的辐照深度，确定所需的电子加速器的能量强度，以产生辐射场。
[0099]
具体的，采用微波电子直线加速器(无锡爱邦高能技术有限公司，ab10)，该电子加速器能量不稳定度小于等于正负3％，该电子加速器扫描宽度为1000mm至2000mm(毫米)，该电子加速器束流不稳定度小于等于8％，该电子加速器平均束流为2.23ma(毫安)。
[0100]
确定所需的电子加速器的能量强度的步骤具体包括：
[0101]
将所需的辐照深度乘以密度修正系数得到修正深度。具体的，密度修正系数为复合硅橡胶材料的密度与纯水的密度的比值。
[0102]
根据不同能量强度的辐射场粒子在修正深度的纯水处的剂量吸收率确定所需的电子加速器的能量强度，以保证所需辐照深度内的复合硅橡胶材料受到完全辐照。具体的，在所需辐照深度内的复合硅橡胶材料的辐照剂量吸收率不小于60％的状态下，确认所需辐照深度内的复合硅橡胶材料受到完全辐照。
[0103]
本实施例的复合硅橡胶材料的密度为1.52克每立方厘米，预定辐照深度为3mm。
[0104]
根据图3，电子加速器的辐照条件设定为：能量强度为5mev，线速度为4m/min(米每分钟)。
[0105]
步骤s502、以电子加速器产生的辐射场照射30、90和150分钟不等的时间。
[0106]
经过30至150分钟的辐照后，复合硅橡胶材料聚合物的分子进一步交联形成三维网状结构，从而提高了硅橡胶材料的抗拉强度(参见下表2)。
[0107]
经处理后复合硅橡胶材料的性能测试：
[0108]
根据拉伸断裂测试标准gb/t 528-2009/iso 37:2005对经过不同辐照时长的辐照处理后的复合硅橡胶材料进行拉伸断裂测试，不同辐照时长与复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度关系如表2所示。
[0109]
表2辐照时长与复合硅橡胶材料的拉伸断裂力关系表
[0110][0111][0112]
由表2可知，经过30至150分钟的辐照处理后的复合硅橡胶材料的拉伸断裂力大于未经过辐照处理的复合硅橡胶材料，且均大于80n。需要说明的是，测量得到的拉伸断裂力表示复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度，即，复合硅橡胶材料所能承受的最大的拉应力，测量得到的拉伸断裂力越大，该复合硅橡胶材料所能承受的拉应力越大。
[0113]
根据表2可知，经过30分钟的辐照处理后，复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度答复增加，而随着辐照时间的延长，复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度的增大并不明显，通过对硅橡胶材料进行短时间的辐照，不仅可以提高复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度，还可以提高复合硅橡胶材料的处理效率。
[0114]
需要说明的是，根据图2提供的10组复合硅橡胶材料在不同的辐照时长的辐照处理后测量得到的拉伸断裂力，可以计算出在不同的辐照时长的作用下，该10组复合硅橡胶材料的拉伸断裂力的方差，具体的，在辐照时长为30分钟的状态下，该10组的拉伸断裂力的方差为14.46；在辐照时长为90分钟的状态下，该10组的拉伸断裂力的方差为11.52；在辐照时长为150分钟的状态下，该10组的拉伸断裂力的方差为8.13，即，随着辐照时间的延长，该10组复合硅橡胶材料的拉伸断裂力的方差不断减小，即，在对复合硅橡胶材料进行批量处理时，延长辐照的时长还可以减小对多个复合硅橡胶材料进行处理后，该多个复合硅橡胶材料的拉伸断裂强度之间的差值，保证批量处理后得到的复合硅橡胶材料的性能的一致性。
[0115]
以上，仅为本发明的实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。