高壓電機(jī)使用于高海拔地區(qū)的防電暈技術(shù)要求

耐電暈復(fù)合材料是在傳統(tǒng)的絕緣聚合物中加入一定量耐電暈性能優(yōu)異的無(wú)機(jī)納米材料 , 如 Al 2O 3 、TiO 2 、云母或?qū)訝罟杷猁}等制備而成 。納米材料由于尺寸在某個(gè)方向上減小所導(dǎo)致的高比表面積和高表面能 , 使其在粘度較大的聚合物中不易分散 , 這成為耐電暈材料所面臨的技術(shù)難題 。如何將納米材料均勻分散到聚合物中 , 并保持相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定性成為制備耐電暈材料的關(guān)鍵技術(shù) 。綜合國(guó)內(nèi)外納米復(fù)合材料的制備方法主要有 4 種 。

共混法

共混法即納米粒子直接分散法 。該方法是首先合成出各種形態(tài)的納米粒子 , 再通過(guò)各種方式將其與有機(jī)聚合物混合 。共混法的優(yōu)點(diǎn)是 , 納米粒子與材料的合成分步進(jìn)行 ,可控制納米粒子的形態(tài) 、尺寸 , 易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化 , 因而引起了國(guó)內(nèi)外的強(qiáng)烈關(guān)注 。缺點(diǎn)是納米粒子的比表面積和表面能大 , 粒子之間存在較強(qiáng)的相互作用 ,易產(chǎn)生團(tuán)聚 ,失去納米粒子的特殊性質(zhì) 。而聚合物本身粘度又較高 , 納米粒子與聚合物很難達(dá)到理想的納米尺度復(fù)合 。通常認(rèn)為 , 粒子間相互作用的總勢(shì)能等于排斥勢(shì)能與引力勢(shì)能的綜合作用 。對(duì)納米粒子進(jìn)行表面改性 , 適當(dāng)減小納米粒子的引力勢(shì)能或增大排斥勢(shì)能 , 有助于減弱它的團(tuán)聚趨勢(shì) , 有利于它在聚合物中的分散 。常利用粒子的靜電效應(yīng)和空間位阻效應(yīng) , 采用表面活性劑 、偶聯(lián)劑 、表面覆蓋 、機(jī)械化學(xué)處理和接枝等方法對(duì)納米粒子進(jìn)行處理 , 以提高納米粒子在基質(zhì)材料中的分散性 、相容性和穩(wěn)定性 。此外 , 常采用加強(qiáng)攪拌混合 , 如超聲波和高速攪拌等方式來(lái)提高納米粒子在基質(zhì)材料中的分散效果 , 上述措施也用于其它的復(fù)合方法 。據(jù)杜邦公司的最新專利介紹 , Kapton C R 薄膜就是先將氣相氧化鋁和 N ,N -二甲基乙酰胺制成穩(wěn)定的懸浮體 , 然后再與聚酰胺酸溶液混合 , 經(jīng)熱亞胺化制得 。Phelps Dodge 公司則采用高速攪拌的方法將納米粒子直接分散到聚酯等耐高溫漆包線漆中 , 得到耐電暈材料 。

溶膠 -凝膠法

溶膠 -凝膠法是最早用于制備納米材料的方法 。所謂溶膠凝膠過(guò)程是將硅氧烷或金屬鹽等前驅(qū)體 ( 水溶性或油溶性醇鹽)溶于水或有機(jī)溶劑中形成均質(zhì)溶液 , 在酸 、堿或鹽的催化作用下促使溶質(zhì)水解 ,生成納米級(jí)粒子并形成溶膠 , 溶膠經(jīng)溶劑揮發(fā)或加熱等過(guò)程而轉(zhuǎn)變?yōu)槟z , 從而得到納米復(fù)合材料 。溶膠-凝膠工 藝的 基本過(guò) 程是 液體 金屬 烷氧 化物M ( O R) 4 ( M 為 Si 、Ti 等元素 , R 為 CH 3 、C 2H 5 等烷基)與醇和水混合 , 在催化劑作用下發(fā)生如下水解 -縮合反應(yīng) 。

水解反應(yīng) :Si( OC 2H 5 ) 4 4H 2O — ※Si( OH) 4 4C 2H 5OH

縮合反應(yīng) :Si( OH) 4 Si( OH) 4 ※ ( HO ) 3Si_O_Si( OH) 3 H 2O

當(dāng)另外的 ≡Si_OH 四配位體互相鏈接 , 則發(fā)生如下縮聚反應(yīng) ,并最終形成三維的 SiO 2 凝膠網(wǎng)絡(luò) 。

( OH) 3 Si_O_Si( OH) 3 6Si( OH) 4 — ※ ( ( HO ) 3Si_O ) 3

Si_O_Si( O_Si( OH) 3) 3 6H 2O

Sol_gel 法的特點(diǎn)是在溫和的條件下進(jìn)行 , 兩相分散均勻 , 通過(guò)控制前驅(qū)物的水解 -縮合來(lái)調(diào)節(jié)溶膠凝膠化過(guò)程 , 從而在反應(yīng)早期就可以控制材料的表面與界面 , 有利于實(shí)現(xiàn)納米甚至分子尺度上的復(fù)合 。雷清泉等采用該法對(duì)納米 SiO 2 /聚酰亞胺體系的耐電暈性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究 。杜邦公司也有關(guān)于向塞克改性聚酯亞胺漆中加入硅 、鈦復(fù)合氧化物的專利報(bào)道。該法目前存在的最大問(wèn)題在于凝膠干燥過(guò)程中 , 由于溶劑 、小分子 、水的揮發(fā)可能導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力 , 影響材料的力學(xué)和機(jī)械性能 。其次是溶膠 -凝膠制備過(guò)程中 , 因?yàn)樾枰尤胍欢康乃痛呋瘎?,所以對(duì)聚合物的性能有顯著影響 。此外 , 該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)機(jī)顆粒晶型的控制 。 盡管如此 ,Sol_g el 法仍是目前應(yīng)用最多 , 也是較完善的方法之一 。

插層法

插層復(fù)合是制備高性能復(fù)合材料的有效手段之一 , 它是將聚合物或單體插層于層狀結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)物填料中, 使片層間距擴(kuò)大 , 在隨后的聚合加工過(guò)程中可剝離成納米片層均勻地分散于聚合物基體中而得到納米復(fù)合材料 。目前研究較多并具有實(shí)際應(yīng)用前景的層狀硅酸鹽的基本結(jié)構(gòu)單元是由兩片硅氧四面體夾一片鋁氧八面體 , 它們之間靠共用氧原子而形成的層狀結(jié)構(gòu) 。

插層復(fù)合利用了層狀無(wú)機(jī)材料層間含有可置換陽(yáng)離子的特點(diǎn) , 首先通過(guò)有機(jī)化處理將有機(jī)陽(yáng)離子引入到層間 , 使粘土由親水性變?yōu)橛H油性 , 然后利用有機(jī)粘土與聚合物或有機(jī)單體的相互作用 , 使聚合物或單體插入到無(wú)機(jī)材料的層間 , 實(shí)現(xiàn)有機(jī)分子與無(wú)機(jī)物的納米復(fù)合 。日本早稻田大學(xué) Kozako M采用該法制備了聚酰胺與層狀硅酸鹽的復(fù)合材料 , 大幅度提高了聚合物基體的耐電暈性能 , 并提出了耐電暈的機(jī)理模型 。對(duì)云母等具有高耐電暈性能的層狀無(wú)機(jī)材料 ,如果實(shí)現(xiàn)對(duì)其插層 , 將進(jìn)一步提高聚合物的耐電暈性能 , 但國(guó)內(nèi)外在這方面的報(bào)道很少 。

原位聚合法

原位聚合法又稱為在位分散聚合法 , 該方法是將納米粒子在單體或溶劑中均勻分散 , 然后在一定條件下使高分子單體就地聚合 , 形成復(fù)合材料 。由于聚合物單體分子較小 , 粘度低 , 表面有效改性后無(wú)機(jī)納米粒子容易均勻分散 , 用這一方法制備的復(fù)合材料的填充粒子分散均勻 , 粒子的納米特性完好無(wú)損 , 同時(shí)在位填充過(guò)程中之經(jīng)過(guò)一次聚合成形 , 不需要熱加工 ,避免了由此產(chǎn)生的降解 , 從而保持了基體各種性能的穩(wěn)定 。由于漆包線涂層所用的高分子一般為有機(jī)溶劑漆 , 納米粒子在粘度較小的溶劑中易于分散均勻 , 聚合物在溶液中形成以后 , 就會(huì)包覆于納米粒子周圍 ,形成空間位阻效應(yīng) , 從而保持了納米粒子在聚合物溶液中的穩(wěn)定性 。