一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法

1.本发明属于电介质、复合材料领域，更具体地，涉及一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着纳米技术的发展，聚合物基纳米复合材料中纳米粒子的作用可以有效改善聚合物某方面或多方面的性能。研究表明，在具有半结晶结构的聚乙烯体系中，zno、sio2等球形纳米粒子的引入可以改善聚乙烯的空间电荷、击穿等性能，层状蒙脱土的引入可以有效提高聚乙烯的耐电树枝化性能。但由于纳米粒子比表面积大、表面能高、单个纳米粒子极不稳定，为了使自身趋于稳定，纳米粒子之间易相互吸引而产生团聚，这种现象导致了纳米复合材料在目前工程实际应用中表现并不十分优异。已有的研究工作发现，将介观形态不同、性质不同的微米粒子和纳米粒子共混引入到聚合物基体中，可有效地避免单一纳米粒子的团聚现象，在充分发挥纳米粒子优越特性的同时，还具有复合协同多功能特性。利用无机微纳米粒子改善聚合物基体的介电性能逐渐成为研究的新热点，同时也为绝缘材料的改性提供了新的思路。


技术实现要素：

3.针对单一的蒙脱土颗粒在低密度聚乙烯基体中容易发生团聚现象，使蒙脱土/低密度聚乙烯复合材料抑制电树枝发展的效果并不理想，本发明的目的在于提供一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，通过两种微纳米粒子之间的复合协同作用，更好的起到耐电树的效果。
4.本发明提供了一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，是以低密度聚乙烯为基体，通过与改性微米蒙脱土、改性纳米氧化锌熔融共混制得，其中微米蒙脱土占复合材料的比重是0.5wt%、纳米氧化锌占复合材料的比重是1wt%。
5.所述耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料制备方法，包括如下步骤： 1、打开转矩流变仪，设置温度为140℃，螺杆转速为40r/min，混炼时间为20min，并开始升温；2、升温至设定温度向转矩流变仪中加入低密度聚乙烯至完全熔融，将低密度聚乙烯与改性处理过的蒙脱土在转矩流变仪熔融共混，两分钟后待其混合均匀，再加入纳米氧化锌颗粒熔融共混20min，得到耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料。
6.一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于微米蒙脱土的处理方法：利用十八烷基铵盐作为插层剂，对蒙脱土进行预插层和有机化处理。经过表面修饰可以得到有机化蒙脱土，体积较大的长链有机阳离子置换了片层间原有的无机阳离子，使得蒙脱土层间距增大同时由亲无机性转变为亲有机性。
7.一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于纳米氧化锌的表面修饰方法：利用硅烷偶联剂对纳米氧化锌颗粒进行表面修饰，硅烷偶联剂在一定条件
下可以通过化学反应作用或物理吸附作用覆盖纳米氧化锌粒子表面，从而通过改善复合材料中界面的作用来提高复合材料的宏观性能。
8.一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，所述低密度聚乙烯为颗粒状，密度约为0.917g/cm3，熔点为105~112℃。
9.一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，所述微米蒙脱土利用十八烷基铵盐作为偶联剂进行预插层以及有机化处理，为片层结构。
10.一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，所述的纳米氧化锌经过硅烷偶联剂改性化处理以及600℃煅烧处理，球状，平均粒径为30nm，纯度99.9%。
11.一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，所述硅烷偶联剂结构通式为ysi(or)3，其中：y为反应性亲有机基团，or为可水解性亲无机基团。
12.一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，所述聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：98.5wt%的低密度聚乙烯、0.5wt%的有机化处理的微米蒙脱土、1wt%的硅烷改性处理的纳米氧化锌。
13.本发明具有如下优点：1、两种不同粒径无机粒子的加入，使无机填料在聚合物基体中分散的更加均匀，不易团聚，更有利于提高聚合物基体的介电性能；2、蒙脱土的片层结构对电树枝的发展具有阻碍作用，纳米氧化锌颗粒具有异相成核作用，能够提高低密度聚乙烯结晶度，使结晶结构更紧密，二者相互协同作用，使得该复合材料具有较好的耐电树枝特性。
附图说明
14.图1是低密度聚乙烯和耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料的dsc曲线。
15.图2是加压1分钟后低密度聚乙烯试样中开始起树的图像。
16.图3是加压10分钟后低密度聚乙烯试样中电树枝图像。
17.图4是加压30分钟后低密度聚乙烯试样中电树枝图像。
18.图5加压1小时后低密度聚乙烯试样中电树枝图像。
19.图6是加压1分钟后耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料试样中开始起树的图像。
20.图7是加压10分钟后耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料试样中电树枝图像。
21.图8是加压30分钟后耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料试样中电树枝图像。
22.图9是加压1小时后耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料试样中电树枝图像。
具体实施方式
23.下面对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不能脱离本发明的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
24.本发明提供的一种耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料及其制备方法，以低密度聚乙烯为基体，通过与改性微米蒙脱土、改性纳米氧化锌熔融共混制得，具体制备过程如下：1、预先将低密度聚乙烯、微米蒙脱土和纳米氧化锌在烘箱中60℃条件下处理24h，
并按照98.5wt%的低密度聚乙烯、0.5wt%的微米蒙脱土、1wt%的纳米氧化锌，将各种材料准备好，此处以总重量为40g为例；2、打开转矩流变仪，设置温度为140℃，螺杆转速为40r/min，混炼时间为20min，并开始升温；3、升温至设定温度向转矩流变仪中加入39.4g低密度聚乙烯至完全熔融，先向转矩流变仪中加入0.2g改性微米蒙脱土颗粒与低密度聚乙烯共混，1min后待其混合均匀，再加入0.4g改性纳米氧化锌共混20min，得到耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料，并用洁净的剪刀将其剪成颗粒状装袋备用；4、利用平板硫化机140℃下对复合材料进行成型处理，冷却出模后得到片材，用于各种性能测试。
25.具体实施例一：结晶性能测试：利用差示扫描量热仪对纯低密度聚乙烯和耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料两种试样的升温熔融过程进行测量。试验在干燥的氮气保护下进行，升、降温速率均设定为10℃/min。称取两种试样各约10毫克，先将试样升温至140℃，待试样完全熔融后，再降温至25℃使样品结晶完全。经过以上过程，已经消除了热历史对试样的影响。然后将试样匀速升温至140℃的过程得到的曲线即为dsc升温过程曲线。得到两种试样的dsc升温曲线如图1所示，二者熔融峰温相差不大，约为101℃；并通过计算得到低密度聚乙烯的结晶度为38.56，耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料结晶度为39.74，提高了3%。
26.具体实施例二：耐电树性能测试：将耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料以及低密度聚乙烯，利用平板硫化机140℃下对复合材料分别进行成型处理，出模得到2mm厚的片材，进一步制作成10
×
10
×
2mm方形待测聚合物薄样；将两种待测聚合物薄样、钨针在烘箱中80℃预热30min后插针，并在试样底面涂覆导电银胶，使针尖距底面导电胶2mm，最后将试样在烘箱中80℃放置24h后自然冷却至室温，消除针尖区域的应力集中；将试样在实验舱中进行电树枝引发试验，实验舱充满满透明绝缘油，试样涂覆导电胶的一端与实验舱底部地电极贴紧，另一端通过针电极对试样施加8千伏工频电压，通过光学显微镜观察待测样品电树枝的生长情况，得到图2至图9测试结果；图2至图5为在8kv工频电压下，低密度聚乙烯分别加压1min、10min、30min、1h后的电树枝生长特性，图6至图9为相同条件下耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料电树枝生长特性。结果表明，本发明制备的耐电树枝聚烯烃基微纳米复合材料具有明显的电树枝抑制特性。
27.所述针电极为在本实验室用电化学腐蚀法制备的钨针，针尖曲率半径为3
±
0.1μm。
28.所述绝缘油为透明无色的变压器油，损耗低并且具有较好的绝缘性能。