直流輸電用聚合晶矽絕緣子材料及其製備方法和應用與流程
2023-10-31 21:08:47
本發明屬於絕緣子技術領域，具體涉及一種直流輸電用聚合晶矽絕緣子材料及其製備方法和應用。
背景技術：
隨著經濟的發展，我國的用電需求不斷增加，又由於我國一次資源的分布極度不均勻，電力能源主要分布在西南部和西部地區，而電力需求相對集中在經濟發展較好的東部、南部和中部地區，這導致能源的分布與需求存在不一致性，也使得遠距離大容量的輸電成為必然。直流輸電是目前世界上電力大國解決遠距離、大容量、高電壓及電網互聯的一個非常重要的手段。直流輸電發展可分為四個階段：20世紀以前的初級階段；20世紀30年代至50年代的研究階段；1954年至1970年的復興階段和1970年以後的迅速發展階段。近些年來我國直流輸電技術快速發展，直流線路的投運數量急劇增加。
直流輸電的發展對絕緣子的要求也提出了新的要求。由於直流電與交流電特性上的差異，對絕緣子的要求也逐步提高，例如直流線路的靜電吸附作用，使其汙穢能力要比同樣條件下的交流線路的高，那麼對直流線路絕緣子的抗汙穢性能也就要求更高。
傳統的瓷絕緣子存在著諸多不足：1)、在製造傳統的瓷絕緣子時，傳統窯爐既消耗大量能源又排放大量的煙塵汙染，嚴重的破壞了生態環境，且生產周期長、工序多、實現機械化、自動化生產的難度大且造價昂貴；2)、在輸電線路上，需要定期登杆用儀表對瓷絕緣子進行逐片檢測，增加了員工的勞動強度和勞動工作量，且在檢測過程中，容易發生誤判和漏檢情況，給線路帶來隱患；3)、瓷絕緣子表面為高能面，被水浸潤後形成連續水膜，易形成導電通路，致使沿面洩漏電流較大；4)、直流輸電過程中，隨著汙穢的加重，瓷絕緣子耐汙性能下降很快，當達到中等汙穢水平時，其汙閃電壓已低於正常運行電壓，長期運行後，表面變得粗糙，積垢粘附力強，極易發生汙閃。
為解決傳統瓷絕緣子不足，20世紀30年代，英國皮爾金頓公司首先試用了玻璃絕緣子，它是瓷絕緣子派生產品，能彌補瓷絕緣子的不足之處。但是玻璃絕緣子為內膠裝結構，玻璃、水泥、鋼腳熱脹係數各不相同，當絕緣子受冷熱變化時，玻璃受較大壓力和剪切應力，故絕緣件易開或被擊穿而形成零值絕緣子，且其價格除考慮出廠價外，還需要考慮零值檢測、人工清掃費用及因停電清掃而造成的停電損失，玻璃絕緣子的價格隨著運行時間的增加不斷上升。
另外，傳統的瓷和玻璃絕緣子用於直流輸電線路，還存在以下眾多存在不利因素：1)、瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，靜電集塵效應使絕緣子積汙嚴重，汙閃概率增大。隨著我國工業的發展，汙穢區逐年擴大，許多過去劃定的清潔區已不復存在。因此，瓷和玻璃絕緣子的直流汙閃問題在我國更加突出；2)、瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，材料中的離子遷移使絕緣子的機電性能下降；3)、瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，沿面的洩漏電流致使金具產生電解腐蝕，降低了絕緣子的機械強度。
複合絕緣子之於前兩種絕緣子，克服了諸多缺陷，從60年代開始發展，我國電網於20世紀80年代開始使用複合絕緣子。儘管我國起步較晚，但在吸取國外經驗的基礎上，高起步，一開始就研究高硫化矽橡膠複合絕緣子，它是由金屬附件、環氧樹脂芯棒和有機材料組合而成。複合絕緣子大都採用矽橡膠材料，其具有耐高低、溫、耐紫外線、優良的防汙性能等優點。但存在耐電痕化和耐蝕損性能以及老化性能較差，以及防護性能較差等缺陷，在直流電壓下傘套材料的耐電蝕損問題、老化問題更為突出，這些缺陷導致使其難以長期安全運行。
綜上所述，現有的幾種直流輸電絕緣子，不能兼得具有防汙、電蝕損、抗腐蝕和抗老化等性能，為此，積極開展直流合成絕緣子材料的研究，不僅具有很強的工程背景，而且對於推動我國電力工業的科技進步、趕超世界先進水平也有很大意義。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種直流輸電用聚合晶矽絕緣子材料及其製備方法和應用，解決現有技術中幾種直流輸電絕緣子不能兼得具有防汙、電蝕損、抗腐蝕和抗老化等性能直流輸電絕緣子的技術問題。
本發明根據共混理論和高聚物相似相容的機理，將聚乙烯、聚丙烯結構相似，溶解度參數接近，具有鏈段擴散能力或兩相界面結合良好的聚合物，輔以矽酮、紫外光吸收劑、酚醛膠乳共混，組成具有良好工藝性能和機械性能的高聚物共混體。
本發明為了解決上述技術問題，採用如下技術方案：
直流輸電用聚合晶矽絕緣子材料，該聚合金矽絕緣子材料的原料包括酚醛膠乳、矽酮、聚乙烯、聚丙烯和紫外光吸收劑。按質量分數計算，所述聚乙烯佔65％-80％、聚丙烯佔15％-30％、矽酮佔3％-8％、酚醛膠乳佔0.2％-0.8％、紫外光吸收劑佔0.3％-0.6％。
聚丙烯和聚乙烯共混，高密度聚乙烯和聚丙烯材料具有優良的介電性能，體積電阻可達1015～1020mω，具有良好機械性能，尤其聚丙烯的拉伸強度比高密度聚乙烯更高，但前者耐寒性能優異，冷脆溫度為-70℃，而聚丙烯耐低溫衝擊較差，因而採用兩種高聚物共混的改性聚合物，增強聚合晶矽絕緣子材料的耐酸、耐鹼性能，即體現了母材的良好性能又改善了彌補了母材性能的不足；加入酚醛膠乳提高了聚合晶矽絕緣子材料的結合力和耐受性；加入矽酮，提升了聚合晶矽材料的加工流動性質和脫模性能，降低了扭矩，減少了設備磨損，明顯降低摩擦係數，改善表面光澤，增進表面絲質觸感，提高阻燃性能；加入紫外光吸收劑後，提高抗老化等性能。
該聚合晶矽材料具有良好的介電性能和介損性能，介電常數為2.3—2.6，介損常數為3.8×10-4—5.0×10-4，具有良好耐的絕緣性能。瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，材料中的離子遷移使絕緣子的機電性能下降，而聚合晶矽絕緣子的平均工作場強僅為盤形懸式瓷和玻璃絕緣子材質工作場強的1/10左右，因此在高場強下離子遷移損壞問題對於聚合晶矽絕緣子可能不成為問題。
進一步改進，所述聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為10萬～20萬，矽酮的重均分子量為1000-1500。在該範圍內，製得的多相結構共混體具有更加優異的機械性能，結構穩定性、一致性更好。
進一步改進，所述紫外光吸收劑為水楊酸苯脂、uv-p或uv-531中的一種，通過加入紫外光吸收劑後，聚合晶矽絕緣子材料製成的絕緣子能夠在長期暴曬下不遭破壞，具有良好的抗老化性能。
上述直流輸電用聚合晶矽絕緣子材料的製備方法，包括如下步驟：
步驟一、將天然乳膠加水稀釋至質量比為60％後倒入熟成酚醛樹脂液中，並攪拌均勻，然後在室溫下靜置12小時，製得酚醛膠乳，其中膠乳與酚醛樹脂液的質量比為1～2:3；酚醛樹脂液為現有產品，從揚子石化購購得；
步驟二、將矽酮、紫外光吸收劑、聚乙烯和聚丙烯分別在60-80℃的溫度中乾燥24小時，將乾燥處理後的矽酮、紫外光吸收劑、聚乙烯和聚丙烯的與酚醛膠乳混合，並在60℃-110℃下攪拌，得到混合物，攪拌速度為1500-2500轉/分鐘；
步驟三、將步驟二得到的混合物在70-100℃的溫度中乾燥5-8分鐘；
步驟四、將乾燥處理後的混合物放入造粒機中進行擠出造粒，形成聚合晶矽材料，擠出溫度為165-230℃，使混合物熔化，擠出壓力為10-30mpa，擠出速度為8-12mm/s，保持擠出效率。
進一步改進，所述造粒機包括擠出機、冷卻槽和切粒機，擠出機採用雙螺杆，雙螺杆的外圍沿其長度方向設置有十段獨立控制的加熱電偶，加熱電偶的外圍設置有冷卻套，冷卻套中有冷卻水。擠出機擠出的熔融狀態的料經冷卻槽中的水冷卻後進入切粒機中造粒。造粒機工作時，十段加熱電偶均處於工作狀態，因為雙螺杆的長度較長，需要多個熱電偶沿雙螺杆長度方向布置，且同時工作才能使雙螺杆均熱加熱，保證混合料被均勻加熱，順利擠出。
上述直流輸電用聚合晶矽絕緣子材料，用於製造直流輸電絕緣子。採用該聚合晶矽絕緣子材料製成的絕緣子，既能滿足傳統絕緣子絕緣特性，機械性能要求又能滿足壽命要求，又能解決在直流電壓下傘套材料的耐電蝕損問題、老化問題具有防汙自潔功能，其性價比高、節能環保、無汙染、產品到達壽命期後可回收再利用。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
聚丙烯和聚乙烯共混，可以增強聚合晶矽絕緣子材料的耐酸、耐鹼性能，又能增加其內應力；而加入矽酮，提升了聚合晶矽材料的加工流動性質和脫模性能，降低了扭矩，減少了設備磨損，明顯降低摩擦係數，改善表面光澤，增進表面絲質觸感，提高阻燃性能；加入紫外光吸收劑後，提高了抗老化等性能。因此採用該聚合晶矽絕緣子材料製成的絕緣子，既能滿足傳統絕緣子電氣特性、機械性能要求又能滿足壽命要求，又能解決在直流電壓下傘套材料的耐電蝕損問題、老化問題具有防汙自潔功能，其性價比高、節能環保、無汙染、產品到達壽命期後可回收再利用。
具體實施方式
為使本發明的目的和技術方案更加清楚，下面將結合本發明實施例對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述。
實施例1：
將1kg天然乳膠用水稀釋至質量比為60％，然後倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，並攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，製得酚醛膠乳；取經過60℃、24小時乾燥處理的3kg矽酮、0.3kg紫外光吸收劑水楊酸苯脂、65kg聚乙烯和15kg聚丙烯與0.2kg酚醛膠乳共混並進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為1500轉/分鐘，溫度60℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為10萬～13萬，矽酮的重均分子量為1000-1200。將混合物原料放入潔淨的乾燥桶中烘乾，乾燥溫度為70℃進入烘乾機中乾燥5分鐘。將乾燥處理後的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為165℃，擠出壓力為10mpa，擠出速度為8mm/s；將擠出的料進行冷卻、風乾，然後造粒，形成聚合晶矽材料a。
實施例2：
將1.5kg天然乳膠用水稀釋至質量比為60％，然後倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，並攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，製得酚醛膠乳；取經過70℃、24小時乾燥處理的5.5kg矽酮、0.45kg紫外光吸收劑uv-531、72.5kg聚乙烯和22.5kg聚丙烯與0.5kg酚醛膠乳共混並進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為2000轉/分鐘，溫度85℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為14萬～18萬，矽酮的重均分子量為1100-1400。將混合物原料放入潔淨的乾燥桶中烘乾，乾燥溫度為85℃進入烘乾機中乾燥6.5分鐘。將乾燥處理後的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為180℃，擠出壓力為20mpa，擠出速度為10mm/s；將擠出的料進行冷卻、風乾，然後造粒，形成聚合晶矽材料b。
實施例3：
將1.7kg天然乳膠用水稀釋至質量比為60％，然後倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，並攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，製得酚醛膠乳；取經過80℃、24小時乾燥處理的6.5kg矽酮、0.5kg紫外光吸收劑uv-531、78kg聚乙烯和20kg聚丙烯與0.7kg酚醛膠乳共混並進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為2500轉/分鐘，溫度100℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為12萬～15萬，矽酮的重均分子量為1100-1400。將混合物原料放入潔淨的乾燥桶中烘乾，乾燥溫度為80℃進入烘乾機中乾燥8分鐘。將乾燥處理後的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為200℃，擠出壓力為20mpa，擠出速度為10mm/s；將擠出的料進行冷卻、風乾，然後造粒，形成聚合晶矽材料c。
實施例4：
將2kg天然乳膠用水稀釋至質量比為60％，然後倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，並攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，製得酚醛膠乳；取經過80℃、24小時乾燥處理的8kg矽酮、0.6kg紫外光吸收劑uv-p、80kg聚乙烯和30kg聚丙烯與0.8kg酚醛膠乳共混並進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為2500轉/分鐘，溫度110℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為16萬～20萬，矽酮的重均分子量為1200-1500。將混合物原料放入潔淨的乾燥桶中烘乾，乾燥溫度為100℃進入烘乾機中乾燥8分鐘。將乾燥處理後的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為230℃，擠出壓力為30mpa，擠出速度為12mm/s；將擠出的料進行冷卻、風乾，然後造粒，形成聚合晶矽材料d。
性能測試：
1、對上述絕緣子材料a、b、c進行機械性能、耐漏電起痕電蝕損性能測試，其中，拉伸強度和扯斷伸長率的測試方法參考gb/t1040.2/1a-2006，耐漏電起痕評級tma的測試方法參考gb/t6553-2014，擊穿電壓的測試方法參考gb/t1408.1-2006，邵氏硬度的測試方法參考gb/t2411-1980，加速天候老化外觀的測試方法參考gb/t16422.2-1999，摩擦係數的測試方法參考gb/t3960-1983(1989)測試結果見表1：
表1：
從測試結果可以得出：上述聚合晶矽絕緣子材料都具有較高的拉伸強度和扯斷伸長率，機型性能良好；經0.1％nacl的去離子水浸泡42小時後硬度變化率小，具有良好的抗老化性能；經過強酸、強鹼試浸泡，外觀無變化，具有良好耐酸性能和耐鹼性能；通過擊穿電壓、介電常數的測試值能夠體現出，聚合晶矽絕緣子材料具有抗電擊穿性能強。即設定的工藝條件範圍內生產的聚合晶矽絕緣子材料的機械性能、抗腐蝕以及絕緣性能均在設計控制範圍內，且生產工藝可靠性強，能滿足批量生產需求。
2.向上述聚合晶矽絕緣子材料a、b、c、d中分別加入佔其總量0.2％的表面活性劑硬脂酸、0.2％的增稠劑甲基纖維素和0.4％的增塑劑鄰苯二甲酸酯，並在混料機中混合，然後控制注塑機溫度為210℃、壓力為105mpa，然後將聚合晶矽材料分別加入注塑機的儲料桶中進行加熱，待聚合晶矽材料熔融後向絕緣子模具中注塑，注塑速度20mm/s，注塑時間為15s，保持模具中的壓強為100pa，進行冷卻，保壓冷卻時間時間為50s，最後開模，形成聚合晶矽絕緣子產品，產品成型後表面光滑，無水紋，密度大，無縮水，去掉產品咬口、毛邊，製得直流輸電聚合晶矽絕緣子，分別記為絕緣子產品a、b、c，然後對絕緣子產品按gb/t775.2-2003的方法進行性能測試，其性能檢測數據與國標(gb/t19519-2014)同等級矽橡膠複合絕緣子進行比較，測試結果表2：
表2:
從測試結果表2可以看出，採用本發明所述的聚合晶矽絕緣子材料製得的絕緣子，工頻溼耐受電壓、雷電衝擊耐受電以及抗破壞性能強高於同等級的國標矽橡膠複合絕緣子、瓷和玻璃絕緣子；通過加入矽酮，提升了聚合晶矽材料的加工流動性質和脫模性能，降低了扭矩，減少了設備磨損，明顯降了低聚合晶矽絕緣子的摩擦係數，改善表面光澤，使其表面不易產生汙穢，防汙性能強，不易發生汙閃。
因此，通過上述試驗結果表明該聚合晶矽絕緣子可以在直流電壓下使用。
本發明中未做特別說明的均為現有技術或者通過現有技術即可實現，而且本發明中所述具體實施案例僅為本發明的較佳實施案例而已，並非用來限定本發明的實施範圍。即凡依本發明申請專利範圍的內容所作的等效變化與修飾，都應作為本發明的技術範疇。