本發(fā)明設(shè)計(jì)絕緣材料自修復(fù)技術(shù)研究領(lǐng)域，具體為一種摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
1、聚乙烯電纜因其可靠的電氣、耐熱和機(jī)械性能被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)中，但在制造和安裝施工的過程中，電纜中難免會(huì)造成一定的微觀缺陷。電纜在生產(chǎn)制造中，由于工藝的限制其絕緣層內(nèi)難免會(huì)出現(xiàn)微裂紋、孔洞等微小缺陷，電纜在敷設(shè)及運(yùn)行過程中，長期的電熱應(yīng)力、化學(xué)腐蝕、過電壓等原因的綜合作用會(huì)使絕緣發(fā)生加速老化。電纜安裝施工時(shí)，電纜本體及其周圍受到的機(jī)械力同樣會(huì)使得微觀缺陷的數(shù)量與深度愈發(fā)嚴(yán)重。水分通過各種方式與途徑例如空氣、降水、土地環(huán)境情況等進(jìn)入聚乙烯絕緣，并且會(huì)在電場電壓的作用下，隨著電場線移動(dòng)，到達(dá)空洞缺陷,從而引發(fā)水樹枝,其中一些水樹枝衍化成電樹枝造成電場畸變，并最終使得電纜絕緣的擊穿。這些微小老化缺陷常形成于材料結(jié)構(gòu)深處，現(xiàn)有技術(shù)難以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中電纜絕緣層內(nèi)的微小老化缺陷，僅能通過停電后的局部放電方法檢測缺陷損傷，除了整體更換外，暫時(shí)沒有更有效的處理方法。
2、雖然已有以微膠囊自修復(fù)體系為代表的外援型自修復(fù)絕緣材料，方法理論也相對簡單。但微膠囊修復(fù)次數(shù)有限，且修復(fù)位置固定，工藝復(fù)雜，某些催化劑也比較昂貴，微膠囊分散的均勻性難以保證，分布不均還會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)氣孔降低材料自愈效率。因此，有必要研制一種具備電水混合樹枝本征自修復(fù)能力的聚乙烯復(fù)合絕緣材料，從根本上探究延長絕緣材料運(yùn)行壽命的方法?；谏鲜龃嬖诘膯栴}，本發(fā)明的目的在于提供一種基于摻雜接枝改性sio2的聚乙烯自修復(fù)復(fù)合材料。以期成功研制出綜合性能均優(yōu)于傳統(tǒng)ldpe電纜的新型pe復(fù)合絕緣電力電纜材料，進(jìn)一步地提高我國電纜的使用壽命與絕緣性能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法，是對絕緣材料自修復(fù)技術(shù)的延伸與發(fā)展。
2、本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
3、一種摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法，包括對硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸酯進(jìn)行脫氣處理，納米二氧化硅表面進(jìn)行硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸酯修飾，轉(zhuǎn)矩流變儀參數(shù)設(shè)置，熔融共混。再通過物料融化、交聯(lián)反應(yīng)、真空干燥得摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料。具體包括如下步驟：
4、(1)硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸酯脫氣處理：將硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸酯分別倒入兩個(gè)洗氣瓶中，分別通入高純氮?dú)庖灾脫Q出溶解在溶液中的空氣，靜置后導(dǎo)入裝有鈉屑和丙酮的回流裝置中，加熱回流蒸出后收集備用。
5、(2)納米二氧化硅表面進(jìn)行接枝修飾：先將純二氧化硅于120℃烘箱干燥整夜除水，后置于帶溫度計(jì)、回流冷凝器的三頸燒瓶，在氮?dú)饬髋c磁力攪拌下，配附加漏斗，以菜子油浴控溫。在40℃下將20g二氧化硅與200ml甲苯混合15分鐘，溫度穩(wěn)后加20g?kh550，于40℃持續(xù)攪拌4小時(shí)。經(jīng)布氏漏斗過濾，沉淀用甲苯洗4次得白色粉末sio2-kh550。再把含活性胺基的sio2-kh550置圓底燒瓶，用油浴控溫，20g?sio2-kh550于無水甲苯中強(qiáng)力攪拌10分鐘后升溫至90℃，溫穩(wěn)后按照0.15/0.5(kh550/dpgda)摩爾比加入121g?dpgda單體，強(qiáng)力攪拌反應(yīng)10小時(shí)，冷卻至室溫后真空過濾，產(chǎn)物先后用無水甲苯洗3次、無水乙醇洗1次，真空干燥得白色粉末sio2-k-d。
6、(3)轉(zhuǎn)矩流變儀參數(shù)設(shè)置：打開儀器開關(guān)和電腦，將轉(zhuǎn)矩流變儀的一、二、三區(qū)溫度均設(shè)置成110℃，轉(zhuǎn)速設(shè)置為50r/min后，啟用通訊連接。啟動(dòng)加熱待溫度穩(wěn)定在110℃±2℃后啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩流變儀。稱取大約40g的純低密度聚乙烯用于清洗轉(zhuǎn)矩流變儀，清洗過程持續(xù)2-3次，當(dāng)轉(zhuǎn)矩流變儀機(jī)頭內(nèi)沒有雜質(zhì)，螺桿內(nèi)無異物方可開始下一步實(shí)驗(yàn)。
7、(4)熔融共混：將40g低密度聚乙烯、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的接枝改性納米二氧化硅以及抗氧化劑1010放入轉(zhuǎn)矩流變儀。待低密度聚乙烯處于熔融狀態(tài)且轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)后。然后向其中加入光引發(fā)劑184繼續(xù)混煉4分鐘，停止機(jī)器。最后加入催化劑二月桂酸二丁基錫混煉2分鐘。將混煉均勻的復(fù)合材料取出并剪成小顆粒備用。
8、(5)物料融化：根據(jù)試樣的形狀制作對應(yīng)的模具，并計(jì)算所需復(fù)合材料的質(zhì)量，平板硫化機(jī)的溫度設(shè)置為110℃，放入復(fù)合材料，加熱15分鐘后每隔5分鐘進(jìn)行一次升壓5mpa，及時(shí)觀察壓力表，壓力不足時(shí)及時(shí)補(bǔ)壓；
9、(6)交聯(lián)反應(yīng)：另一臺(tái)平板硫化機(jī)的溫度設(shè)置為175℃，將(7)的物料放入，升壓至15mpa，隨時(shí)補(bǔ)壓，加熱35分鐘后對試樣進(jìn)行充分冷卻；
10、(7)真空干燥：真空干燥箱的溫度設(shè)置為80℃，將復(fù)合聚乙烯材料進(jìn)行真空干燥處理，得到摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料。
11、本發(fā)明技術(shù)方案中：(1)中所述硅烷偶聯(lián)劑為kh550，丙烯酸酯為二丙二醇二丙烯酸酯(dpgda)。
12、本發(fā)明技術(shù)方案中：(2)中所述納米二氧化硅的粒徑為20nm。
13、本發(fā)明技術(shù)方案中：(3)中所述清洗的目的是消除雜質(zhì)給實(shí)驗(yàn)帶來的誤差。
14、本發(fā)明技術(shù)方案中：(4)中所述接枝改性的二氧化硅粒子添加量占低密度聚乙烯總重量的0.5％～3％。所述抗氧化劑1010用量為低密度聚乙烯總重量的0.3％。所述催化劑二月桂酸二丁基錫添加量占低密度聚乙烯總重量的0.5％和光引發(fā)劑184添加量占低密度聚乙烯總重量的0.5％。
15、本發(fā)明技術(shù)方案中：(5)中升壓的目的是使物料進(jìn)行充分地定型，以便使物料中的雜質(zhì)氣體充分排出。
16、本發(fā)明技術(shù)方案中：步驟(6)的目的是使無機(jī)粒子與低密度聚乙烯充分混合。
17、本發(fā)明技術(shù)方案中：步驟(7)的目的是為了減少試樣內(nèi)部的殘余應(yīng)力對試樣的影響。
18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
19、(1)硅烷偶聯(lián)劑的水固化特性和丙烯酸酯的光固化特性通過接枝反應(yīng)，成功接枝到sio2上使其具有電樹枝和水樹枝的自修復(fù)特性。
20、(2)在uv的作用下，光引發(fā)劑(pi)被激發(fā)，由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)(pi*)，從而產(chǎn)生活性自由基(r·)。由此產(chǎn)生的自由基(r·)與修復(fù)劑中丙烯酸酯的c＝c結(jié)合，發(fā)生連續(xù)加成反應(yīng)，使分子鏈生長，生成具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的固化材料填充電樹的孔洞，且丙烯酸酯本身為電壓穩(wěn)定劑提升了ldpe的絕緣性。
21、(3)在常溫下，通過催化劑的作用，硅烷偶聯(lián)劑與水反應(yīng)生成低聚物，消耗了絕緣體中的水分，且反應(yīng)后生成的有機(jī)聚合物可將微孔隙填充，從而消除了水樹，使水樹老化電纜的絕緣性能得以恢復(fù)。硅烷偶聯(lián)劑高溫下不易分解具有高耐壓性和絕緣性能良好的特點(diǎn)，且性能與聚乙烯相近，有效地對水樹空洞進(jìn)行了填充。
22、(4)改性sio2的摻入改善了其在基體中的分布，提升了其絕緣特性和機(jī)械特性。
1.一種摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料及其制備方法，其特征在于：以表面接枝硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸酯的納米二氧化硅為共混無機(jī)材料，形成無機(jī)粒子摻雜聚乙烯的復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過接枝單體、無機(jī)粒子調(diào)控接枝反應(yīng)得到硅烷偶聯(lián)劑和丙烯酸酯接枝sio2無機(jī)粒子，通過熔融共混得到水電混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料。通過無機(jī)粒子含量調(diào)控復(fù)合材料自修復(fù)以及介電性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述表面硅烷偶聯(lián)劑修飾的納米二氧化硅，其特征在于：納米二氧化硅表面引入硅醇和丙烯酸酯以及少量硅氧烷分子，接枝的有機(jī)官能團(tuán)能夠與聚乙烯基體良好相容，在無機(jī)sio2粒子與有機(jī)低密度聚乙烯基體之間起到歐聯(lián)、橋接的作用，形成了氫鍵，提高納米sio2粒子在基體中的分散性，并使材料具有自修復(fù)能力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料，其特征在于：所述硅烷偶聯(lián)劑為kh550，丙烯酸酯為二丙二醇二丙烯酸酯(dpgda)。
4.一種摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料，其特征在于：包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述納米無機(jī)粒子/硅烷偶聯(lián)劑/丙烯酸接枝聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述納米二氧化硅的粒徑為20nm，納米氧化鋅的粒徑為20nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：納米粒子由于其納米尺度的量子效應(yīng)、比表面積較大等特點(diǎn)，能夠吸附絕緣材料中的載流子以降低其能量，從而提高絕緣材料的絕緣性能。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述摻雜改性納米無機(jī)粒子的聚乙烯電水混合樹枝自修復(fù)復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：改性后的二氧化硅會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，能夠消耗能量并有效終止應(yīng)力紋受力發(fā)展為裂紋，增強(qiáng)了復(fù)合材料的力學(xué)性能。