多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的方法

摘要

多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的方法，它涉及一种复合材料的改性方法。本发明为了解决现有聚合物绝缘电介质材料体积电阻率小的技术问题。本方法如下：一、制备纳米铁酸铋颗粒；二、改性纳米铁酸铋颗粒；三、将改性后的纳米铁酸铋颗粒与聚乙烯加入混炼机共混1小时，造粒，即得多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料。本发明方法得到的多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的体积电阻率为1.18×10

说明书

技术领域

本发明涉及一种改性聚乙烯复合材料。

背景技术

在我国的电力系统中，聚合物绝缘电介质材料被广泛应用。但随着高压和超高压电缆 的不断发展，电缆绝缘材料的工作强度不断增大，在运行过程中又受到电压、热、机械、 磁的共同叠加作用，对绝缘材料的时效老化产生了促进作用，这将成为电缆可靠运行的隐 患，同时也是危及电网运行安全的重要源头。

聚乙烯属于非极性聚合物，具有良好的介电特性，现在学者们着力开展以聚乙烯为基 体添加纳米粒子以改善绝缘材料性能的研究，研发第三代高性能的绝缘材料，使绝缘复合 体系具有特殊的电气性能，主要特征是高击穿场强、耐老化、高介电常数、低损耗、耐树 枝化。这对电力设备的节能、高效、小型化、可靠性起到重要的战略意义。

具有多铁性质的铁酸铋材料，是少数在室温条件下同时具有G型反铁磁性与铁电性 质的单相多铁材料之一，它的反铁磁尼尔温度T_N＝380℃和铁电居里温度T_C＝830℃。这种 多铁材料最大的特点是能产生与外加电场E成正比的磁化强度M或与外加磁场H成正比 的电极化强度P的磁电效应。即当外加磁场或电场时，这类材料的自发磁极化或自发电 极化的方向会发生相应的调整变化。通过其特殊的多铁性质将其与聚乙烯复合应用到绝缘 电介质材料中，达到一定的改善效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有聚合物绝缘电介质电阻率小的技术问题，提供了一种多 铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的方法。

多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的方法如下：

一、纳米铁酸铋颗粒表面改性：

将10-12重量份的无水乙醇、0.5重量份的水、0.5重量份的偶联剂和0.1重量份的醋 酸混合在40℃的条件下超声振荡4h，再将2重量份的纳米铁酸铋颗粒加入，然后在行星 式球磨机中球磨5-6h，再将球磨后的悬浊液陈化24小时，除去上层清液，在90℃烘干 24h，得到改性后的纳米铁酸铋颗粒；

二、将改性后的纳米铁酸铋颗粒与无水乙醇或丙酮按重量比为1∶6的比例置于行星式 球磨机中，以4500转/分钟的转数球磨6小时；

三、聚乙烯复合材料的制备：将低密度聚乙烯在80℃干燥12小时，干燥后的低密度 聚乙烯置于160℃的哈普转矩流变仪中，混炼10分钟，然后按照低密度聚乙烯与经过步 骤二处理的改性后的纳米铁酸铋颗粒重量比为100∶2的比例将改性后的纳米铁酸铋颗粒 加入混炼1小时，造粒，即得多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料。

本发明方法得到的多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的体积电阻率为 1.18×10¹⁶Ω·m。铁酸铋改性聚乙烯后具有较高的击穿场强、较高的体积电阻率、延长了电 树枝老化击穿时间。交流击穿场强比聚乙烯基体提高了14％，聚乙烯击穿场强可达 99.11kV/mm，未改性复合材料击穿场强为104.1kV/mm，改性后复合材料击穿场强为 112.7kV/mm；直流电树枝老化击穿时间比聚乙烯基体提高了10倍以上，聚乙烯电树枝老 化击穿时间可达8760秒，未改性复合材料电树枝老化击穿时间为45000秒，改性后复合 材料电树枝老化击穿时间为90180秒。

附图说明

图1是试验一步骤二所得纳米铁酸铋颗粒原子力照片的形貌图；

图2是试验一步骤二所得纳米铁酸铋颗粒原子力照片的相位图；

图3是试验一步骤二所得纳米铁酸铋颗粒原子力照片的三维表面图；

图4是试验二步骤二所得改性后的纳米铁酸铋颗粒原子力照片的形貌图；

图5是试验二步骤二所得改性后的纳米铁酸铋颗粒原子力照片的相位图；

图6是试验二步骤二所得改性后的纳米铁酸铋颗粒原子力照片的三维表面图；

图7是试验一所得未经偶联剂改性的多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的 扫描电镜照片；

图8是试验二所得经偶联剂改性的多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的扫 描电镜照片；

图9是试验二中改性前纳米铁酸铋颗粒红外光谱图；

图10是试验二中改性后的纳米铁酸铋颗粒红外光谱图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意 组合。

具体实施方式一：本实施方式多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的方法如 下：

一、纳米铁酸铋颗粒表面改性：

将10-12重量份的无水乙醇、0.5重量份的水、0.5重量份的偶联剂和0.1重量份的醋 酸混合在40℃的条件下超声振荡4h，再将2重量份的纳米铁酸铋颗粒加入，然后在行星 式球磨机中球磨5-6h，再将球磨后的悬浊液陈化24小时，除去上层清液，在90℃烘干 24h，得到改性后的纳米铁酸铋颗粒；

二、将改性后的纳米铁酸铋颗粒与无水乙醇或丙酮按重量比为1∶6的比例置于行星式 球磨机中，以4500转/分钟的转数球磨6小时；

三、聚乙烯复合材料的制备：将低密度聚乙烯在80℃干燥12小时，干燥后的低密度 聚乙烯置于160℃的哈普转矩流变仪中，混炼10分钟，然后按照低密度聚乙烯与经过步 骤三处理的改性后的纳米铁酸铋颗粒重量比为100∶2的比例将改性后的纳米铁酸铋颗粒 加入混炼1小时，造粒，即得多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料。

本实施方式中纳米铁酸铋颗粒的制备：将3重量份九水硝酸铁和4重量份的五水硝酸 铋溶解在80重量份的蒸馏水中，不断搅拌，使盐混合均匀(溶液呈现透明的棕红色)，加 入1重量份的一水柠檬酸，搅拌至完全溶解，再加入12重量份摩尔浓度为0.8mol/l的稀 硝酸，用氨水调节pH值为7-8，过滤，得到前驱液，将前驱液在80℃的水浴中加热，直 至溶液蒸干，再置于80℃的鼓风烘箱中干燥24小时，放入管式高温电阻炉内在煅烧温度 为600℃的条件下煅烧2小时，得到纳米BiFeO₃颗粒；

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中所述的偶联剂为 3-氨丙基三乙氧基硅烷，分子式为C₉H₂₃NO₃Si。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中在行星式球磨机中 球磨5h。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中在行星式球磨机中 球磨6h。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将10重量份的无 水乙醇、0.5重量份的水、0.5重量份的偶联剂和0.1重量份的醋酸混合在40℃的条件下超 声振荡4h，再将2重量份的纳米铁酸铋颗粒加入。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是步骤一中将12重量份的无 水乙醇、0.5重量份的水、0.5重量份的偶联剂和0.1重量份的醋酸混合在40℃的条件下超 声振荡4h，再将2重量份的纳米铁酸铋颗粒加入。其它与具体实施方式一相同。

采用下述试验验证本发明效果：

试验一：多铁性纳米铁酸铋颗粒聚乙烯复合材料的制备方法：

一、纳米铁酸铋颗粒的制备：将3重量份九水硝酸铁和4重量份的五水硝酸铋溶解在 80重量份的蒸馏水中，不断搅拌，使盐混合均匀(溶液呈现透明的棕红色)，加入1重量 份的一水柠檬酸，搅拌至完全溶解，再加入12重量份摩尔浓度为0.8mol/l的稀硝酸，用 氨水调节pH值为7，过滤，得到前驱液，将前驱液在80℃的水浴中加热，直至溶液蒸干， 再置于80℃的鼓风烘箱中干燥24小时，放入管式高温电阻炉内在煅烧温度为600℃的条 件下煅烧2小时，得到纳米BiFeO₃颗粒；

二、将纳米铁酸铋颗粒与无水乙醇或丙酮按重量比为1∶6的比例置于行星式球磨机 中，以4500转/分钟的转数球磨6小时；

三、聚乙烯复合材料的制备：将低密度聚乙烯在80℃干燥12小时，干燥后的低密度 聚乙烯置于160℃的哈普转矩流变仪中，混炼10分钟，然后按照低密度聚乙烯与经过步 骤三处理的纳米铁酸铋颗粒重量比为100∶2的比例将纳米铁酸铋颗粒加入混炼1小时，造 粒，即得多铁性纳米铁酸铋颗粒聚乙烯复合材料。

用平板硫化机在140℃下将多铁性纳米铁酸铋颗粒聚乙烯复合材料压成厚度为120微 米左右的薄片，双面镀上直径为25mm的铝电极，测试体积电阻率为2.52×10¹⁵Ω·m。纯 聚乙烯的体积电阻率测试结果为1.02×10¹⁵Ω·m。

试验二：

多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料的方法如下：

一、纳米铁酸铋颗粒的制备：将3重量份九水硝酸铁和4重量份的五水硝酸铋溶解在 80重量份的蒸馏水中，不断搅拌，使盐混合均匀(溶液呈现透明的棕红色)，加入1重量 份的一水柠檬酸，搅拌至完全溶解，再加入12重量份摩尔浓度为0.8mol/l的稀硝酸，用 氨水调节pH值为8，过滤，得到前驱液，将前驱液在80℃的水浴中加热，直至溶液蒸干， 再置于80℃的鼓风烘箱中干燥24小时，放入管式高温电阻炉内在煅烧温度为600℃的条 件下煅烧2小时，得到纳米BiFeO₃颗粒；

二、纳米铁酸铋颗粒表面改性：

将12重量份的无水乙醇、0.5重量份的水、0.5重量份的偶联剂和0.1重量份的醋酸 混合在40℃的条件下超声(超声频率为40KHz)振荡4h，再将2重量份的纳米铁酸铋颗 粒加入，然后在行星式球磨机中球磨5-6h，再将球磨后的悬浊液陈化24小时，除去上层 清液，在90℃烘干24h，得到改性后的纳米铁酸铋颗粒；

三、将改性后的纳米铁酸铋颗粒与无水乙醇或丙酮按重量比为1∶6的比例置于行星式 球磨机中，以4500转/分钟的转数球磨6小时；

四、聚乙烯复合材料的制备：将低密度聚乙烯在80℃干燥12小时，干燥后的低密度 聚乙烯置于160℃的哈普转矩流变仪中，混炼10分钟，然后按照低密度聚乙烯与经过步 骤三处理的改性后的纳米铁酸铋颗粒重量比为100∶2的比例将改性后的纳米铁酸铋颗粒 加入混炼1小时，造粒，即得多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料。

用平板硫化机在140℃下将多铁性纳米铁酸铋颗粒改性聚乙烯复合材料压成厚度为 120微米左右的薄片，双面镀上直径为25mm的铝电极，测试体积电阻率为1.18×10¹⁶Ω·m。