一種早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的製備方法與流程
2023-06-01 12:51:11
本發明屬於電氣設備技術領域，涉及一種早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的製備方法。
背景技術：
聚乙烯電纜在輸電工程中應用日益廣泛，在使用過程中多種因素的協同作用下，其內部不可避免的會產生以電樹枝等缺陷，這些微缺陷進一步發展將導致材料絕緣老化和破壞，引起電纜絕緣失效和設備故障，使得供電可靠性降低。因此,如果能夠使高分子材料具有自修復的功能，即可在電樹枝發展的初期解決上述問題，顯著延長電纜絕緣材料的使用壽命，提高產品的可靠性和安全性。
在以往應用中，電纜絕緣中由水樹枝引發的電樹枝，可以水樹枝狀態時對其進行一定程度的修復，主要採用乾燥N2、憎水性化合物和矽氧烷三種材料作為修復介質對絕緣強度下降的電纜進行人為修復以延長電纜的使用壽命。這些傳統方法需要大量的人工幹預、資源消耗大、效果不佳，且無法修復電樹枝引發的絕緣缺陷。而在電纜絕緣中添加其他材料抑制電樹枝發展的技術也因無法根本上修復電樹枝缺陷並未得到廣泛應用。
目前，微膠囊自修復技術正在不斷地完善，並在機械、建築等領域得到一定程度的應用。並且大量採用地下電力電纜線路取代架空輸電線路的輸配電方式已經成為國內外城市輸配電網今後發展的趨勢。我們研製的這種能夠降低修復成本，延長電纜絕緣材料使用壽命的自修復電纜絕緣材料，可以在電樹枝發展的初期對其缺陷進行及時修復，從而節約經濟成本，因此其製備方法具有十分重要的意義和應用價值。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的製備方法。利用微膠囊工藝，製備含有液態修復劑的微膠囊，該修復劑在電樹枝缺陷導致膠囊破裂後能夠進入電樹枝通道並在基體中的催化劑的作用下發生聚合反應，修復電樹枝通道，從而實現自修復的目的。
為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的製備方法，將1wt％～3wt％含液態修復劑的微膠囊與低密度聚乙烯基料共混，再加入0.02wt％～0.05wt％的Grubbs催化劑，通過擠出機擠出並冷卻，乾燥後得到自修復電纜絕緣材料；所述含液態修復劑的微膠囊為脲醛樹脂包覆雙環戊二烯納米微膠囊。
進一步，所述含液態修復劑的微膠囊的製備步驟為：
步驟1)：將尿素和質量分數為36.5％～37.5％的甲醛溶液按照質量比為1:1.5～1:2.5混合，械攪拌至尿素完全溶解，用三乙醇胺調節pH到8～9，於65～75℃下反應1～1.5h，之後再加入重量為7～8份的水，形成穩定透明的脲醛預聚體。
步驟2)：將重量為0.2～0.4份的乳化劑與重量為2～3份的熔融雙環戊二烯混合，在45～55℃條件下，機械攪拌20～30min使其充分乳化，並滴加重量為7～8份的水，乳化過程中滴加適量消泡劑正辛醇使泡沫消除，得到芯材乳液。
步驟3)：在300～500r/min轉速的機械攪拌下，將步驟1)得到的溶液滴加至步驟2)得到的溶液中，並用酸調節pH至3.3～3.6，待微膠囊成型後，在60～65℃條件下固化2～3小時。之後再將產物進行抽濾、洗滌，在25～30℃乾燥箱中乾燥8～12小時，得到固體粉末狀微膠囊。
進一步，將步驟3)得到的微膠囊按1wt％～3wt％與低密度聚乙烯基料混合均勻後倒入雙螺杆擠出機中進行機械共混，在循環模式下充分混合20～25min，再加入0.02wt％～0.05wt％的Grubbs催化劑，通過雙螺杆擠出機擠出並經純淨水冷卻，乾燥後得到自修復電纜絕緣材料。
進一步，步驟2)所述乳化劑為十二烷基苯磺酸鈉、乳化劑OP-10、十二烷基硫酸鈉、十二烷基苯磺酸鈉或聚乙烯醇中的一種。
進一步，步驟3)所述酸為鹽酸或檸檬酸。
進一步，所述步驟1)為：將尿素和質量分數為37％的甲醛溶液按照質量比為1:2混合，械攪拌至尿素完全溶解，用三乙醇胺調節pH到8～9，於65～75℃下反應1～1.5h，之後再加入重量為7～8份的水，形成穩定透明的脲醛預聚體。
本發明的有益效果在於：本發明提出的一種早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料以低密度聚乙烯與含液態修復劑的微膠囊為基礎，通過修復劑與埋藏在基體內的催化劑之間的化學反應修復早期電樹枝缺陷，保證電纜材料的絕緣強度無明顯下降，其效果為：
1)本發明的適用於電纜絕緣材料的電樹枝發展初期的修復，從微膠囊中流出的修復劑在樹枝通道中斷裂面上的催化劑接觸後發生聚合反應，大大增加了修復材料的修復能力，有助於獲得較高的修復效率。
2)本發明中的自修復電纜絕緣材料的製備工藝簡單，修復液在微膠囊中阻止了微放電對修復液體的破壞，保證了膠囊在破裂後，修復液即在催化劑作用下發生反應完成自修復。
3)本發明的自修復電纜絕緣材料中微膠囊基體材料之間相容良好，能夠保證微膠囊的引入不會向基體中引入新的結構缺陷。
4)本發明的自修復電纜絕緣材料中的修復劑的電導率低於聚乙烯的電導率，因此在微膠囊附近發生電樹枝缺陷後，微膠囊將具有靶向引導作用吸引電樹枝向膠囊處發展，最終破壞膠囊壁釋放修復劑實現電樹枝放電通道的修復。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：
圖1為早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的製備工藝流程。
圖2為早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的掃描電鏡圖。
圖3為修復過程示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
實施例1
如圖1所示為早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的製備工藝流程，具體為：
1)稱取重量為5g的尿素，質量分數為37％的甲醛溶液10g在容器中混合，並以400r/min的轉速機械攪拌至尿素完全溶解，用三乙醇胺調節pH到8，於70℃下反應1h，之後再加入重量為40g的蒸餾水，形成穩定透明的脲醛預聚體待用。
2)稱取重量為1g的乳化劑十二烷基苯磺酸鈉與重量為10g的熔融雙環戊二烯混合，在50℃條件下，機械攪拌20min使其充分乳化，並滴加重量為40g的蒸餾水，乳化過程中滴加適量消泡劑正辛醇使泡沫消除，得到芯材乳液。
3)在400r/min的轉速機械攪拌將步驟1)得到的溶液滴加至步驟2)得到的溶液中，並用鹽酸調節pH至3.5左右，待微膠囊成型後，在65℃條件下固化兩小時。之後再將產物進行抽濾、洗滌，在30℃乾燥箱中乾燥12小時，得到固體粉末狀微膠囊。
4)將步驟3)得到微膠囊取1g與100g低密度聚乙烯基料混合均勻後倒入雙螺杆擠出機中進行機械共混，在循環模式下充分混合20min，再將1g的催化劑加入複合介質，通過雙螺杆擠出機擠出並經純淨水冷卻，乾燥後得到自修復電纜絕緣材料。
實施例2
1)稱取重量為5g的尿素，質量分數為37％的甲醛溶液10g在容器中混合，並以400r/min的轉速機械攪拌至尿素完全溶解，用三乙醇胺調節pH到9，於70℃下反應1h，之後再加入重量為45g的蒸餾水，形成穩定透明的脲醛預聚體待用。
2)稱取重量為1g的乳化劑十二烷基苯磺酸鈉與重量為10g的熔融雙環戊二烯混合，在50℃條件下，機械攪拌20min使其充分乳化，並滴加重量為34g的蒸餾水，乳化過程中滴加適量消泡劑正辛醇使泡沫消除，得到芯材乳液。
3)在450r/min的轉速機械攪拌將步驟1)得到的溶液滴加至步驟2)得到的溶液中，並用鹽酸調節pH至3.5左右，待微膠囊成型後，在65℃條件下固化兩小時。之後再將產物進行抽濾、洗滌，在30℃乾燥箱中乾燥12小時，得到固體粉末狀微膠囊。
4)將步驟3)得到微膠囊取1g與100g低密度聚乙烯基料混合均勻後倒入雙螺杆擠出機中進行機械共混，在循環模式下充分混合20min，再將1g的催化劑加入複合介質，通過雙螺杆擠出機擠出並經純淨水冷卻，乾燥後得到自修復電纜絕緣材料。
圖2為早期電樹枝缺陷自修復的電纜絕緣材料的掃描電鏡圖，從圖中可以看出，微膠囊表面均勻光滑，基本沒有殘留雜質，脲醛樹脂與基體之間的相容性良好，沒有進一步引入物理放電缺陷，本樣品的微觀結構基本滿足要求。
圖3為修復過程示意圖，從圖中可以看出，電樹枝發展初期運動的載流子對基體進行衝擊破壞，使得電樹枝不斷向基體內部發展，隨著電樹枝進一步發展致，埋藏在基體中的微膠囊的壁材也受到破壞導致修復劑流入樹枝通道，在鄰近的催化劑作用下發生開環移位聚合反應生成固體的網狀的聚雙環戊二烯，填充部分樹枝通道，抑制電樹枝的進一步發展，從而實現早期電樹枝缺陷的自修復功能。
最後說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的範圍。