测定硅橡胶复合绝缘子中PDMS、SiO2、ATH含量的热分析法

摘要

一种测定硅橡胶复合绝缘子中PDMS、SiO2、ATH含量的热分析法：S1用热失重-差热分析联用的综合热分析仪分别测量三次PDMS、ATH、SiO2的热失重(TG)曲线，取平均；S2对硅橡胶绝缘子随机切取三个部位，大小为1cm×1cm，质量在5～50mg内，经预处理后，测得三次硅橡胶绝缘子热失重(TG)曲线，取平均；S3根据热失重曲线计算出20～360℃和360～700℃范围内PDMS、ATH、SiO2、硅橡胶绝缘子的热失重率；S4根据所得数值代入公式△M＝(mATH×△mATH+mPDMS×△mPDMS+mSiO2×△mSiO2)/(mATH+mPDMS+mSiO2)；S5求解步骤S4的方程式，算出ATH、SiO2相对于PDMS的相对含量。本发明利用三种组分在各自特定热分解温度区间内的热失重率，算出硅橡胶复合绝缘子三种组分的含量，并给出了具体的计算方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测定硅橡胶复合绝缘子中聚二甲基硅氧烷、白炭黑粉末、氢氧化铝粉末(PDMS、SiO₂、ATH)含量的热分析方法。 

背景技术

在高压输电线路中，复合绝缘子串的使用寿命决定着整条输电线路的运行寿命，因此，如何筛选出质量优异、性能良好的复合绝缘子并投入应用显得至关重要。 

然而，对于电力行业相关部门来说，目前在对复合绝缘子中各组分含量的检测，特别是对白炭黑、铝粉含量的检测上存在着一定的技术难题。对于白炭黑、铝粉含量稍有偏多的复合绝缘子，其价格相对于其他种类的绝缘子占有很大的优势，并且在各方面的性能检测中都能达标通过，这样的复合绝缘子短期来看没有任何问题，但在长期的挂网运行中，就有可能出现使用寿命提前终结的情况，若发现不及时，那么将会给国家造成不可挽回的经济损失。因此，在众多的竞标公司中选出价格低廉、质量又能达标的复合绝缘子生产厂商，无疑需要设立一套行业检测标准来评判各厂商产品质量的好坏。 

目前，电力行业对硅橡胶绝缘子组分含量的检测还缺乏系统有效的表征手段。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种测定硅橡胶复合绝缘子中PDMS、SiO₂、ATH含量的热分析法， 

解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 

一种测定硅橡胶复合绝缘子中PDMS、SiO₂、ATH含量的热分析法，其特征是包括以下步骤： 

S1用热失重-差热分析联用的综合热分析仪分别测量三次PDMS、ATH、SiO₂的热失重(TG)曲线，对三次测量的数据取平均值； 

S2对硅橡胶绝缘子随机切取三个部位，每个部位大小为1cm×1cm，质量在5～50mg内，经预处理后，测得三次硅橡胶绝缘子热失重(TG)曲线，对三次测量的数据取平均值； 

S3根据热失重(TG)曲线用分析软件计算出20～360℃和360～700℃范围内PDMS、ATH、SiO₂、硅橡胶绝缘子的热失重率； 

S4根据步骤S3所得数值代入硅橡胶绝缘子的热失重率△M公式(1)： 

△M＝(m_ATH×△m_ATH+m_PDMS×△m_PDMS+m_SiO2×△m_SiO2)/(m_ATH+m_PDMS+m_SiO2)--------------(1)； 

其中：△M为硅橡胶绝缘子的热失重率，为已知值； 

△m_ATH，△m_PDMS，△m_SiO2分别为ATH、PDMS和SiO₂在相应温度范围的热失重率，也为已知值； 

m_ATH，m_PDMS，m_SiO2分别为硅橡胶绝缘子内ATH、PDMS和SiO₂的质量，为未知数； 

S5求解步骤S4的方程式，算出ATH、SiO₂相对于PDMS的相对含量。 

所述的步骤S1的综合热分析仪的升温速率为10k/min，工作气氛为空气，工作温度在20～700℃。 

所述的步骤S2中的预处理指：取样3份清洗干净后，置于电热干燥箱中，50～100℃下烘干10～14小时，取出后转移到干燥柜中放置；试验时将样品取出，将其剪切至粒度小于2mm 

有益效果：本发明根据物质在加热或冷却时会发生物理变化和化学变化的原理，采用热重法与差热分析法联用技术，测定了各种已知组分硅橡胶绝缘子的组分含量，并给出了具体的操作过程与计算方法。 

热重法(TG)是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度关系的一种技术；差热分析法(DTA)是在程序控制温度下，测量物质和参比物的温度差随时间或温度变化的一种技术。热重法与差热分析法联用可以准确的测定硅橡胶绝缘子内各组分的热失重率随温度的变化关系，根据不同物质热失重行为不同，推导出硅橡胶绝缘子内PDMS、SiO₂、ATH的含量。 

实验数据表明，同一样品，三次测量TG曲线，同一温度下的热失重率误差不超过2％，可重现性好，计算结果准确可靠。 

对比实施例的ATH、SiO₂、PDMS的TG曲线，其中，SiO₂在测试温度范围内没有热分解，无明显质量损失，ATH和PDMS发生热分解失重的温度区间互不重叠，因此，三种组分的含量在求解过程中相互干扰性少，计算出的结果误差小。 

附图说明

图1为氢氧化铝粉末(ATH)的三次测量重现性TG曲线； 

图2为白炭黑粉末(SiO2)的三次测量重现性TG曲线； 

图3为聚二甲基硅氧烷(PDMS)的三次测量重现性TG曲线； 

图4为SiO₂含量为20份的硅橡胶绝缘子三次测量重现性TG曲线； 

图5为ATH含量为160份的硅橡胶绝缘子三次测量重现性TG曲线； 

图6为不同ATH含量的硅橡胶绝缘子的TG曲线； 

图7为不同SiO₂含量的硅橡胶绝缘子的TG曲线； 

图8为合在一起的ATH、SiO₂、PDMS的TG曲线图。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。 

本发明的测定硅橡胶复合绝缘子中PDMS、SiO₂、ATH含量的热分析法，包括以下步骤： 

S1用热失重-差热分析联用的德国耐驰STA449综合热分析仪分别测量三次PDMS、ATH、SiO₂的热失重(TG)曲线，对三次测量的数据取平均值；测量时综合热分析仪的升温速率为10k/min，工作气氛为空气，工作温度在20～700℃。 

S2具体包括以下子步骤 

S2-1从绝缘子的伞裙或护套部位任取样3份(切取中间干净的部分)，规格为1cm×1cm，质量在5～50mg内，清洗干净后，置于电热干燥箱中，50～100℃下烘干10～14小时，取出后转移到干燥柜中放置。试验时将样品取出，将其剪切成至粒度小于2mm； 

S2-2打开电脑，打开综合热分析仪，依次打开各个测试部分的开关； 

打开德国耐驰STA449测量软件，置炉体上的出气口为Open； 

打开氮气钢瓶，调压强为5～50kpa，观察流量计，是Protective为5～30mL/min； 

将Purge2(炉体左侧)调至5～30mL/min； 

在“文件”栏点击“打开”，选中一个相应的升温速率下的基线，点击“继续”，在“测量模式”中选择“样品+修正”，填写样品编号、材料种类及名称； 

在接受栏，选择“温度校正”、“灵敏度校正”，保持界面； 

S2-3升起右边高温炉体，放入空坩埚，降下高温炉体，使盖子复原，稳定后，置零； 

升起高温炉体，取出坩埚，放样品，将坩埚放在支架上，降炉体，显示样品质量，待显示数字小数点后第三位稳定后，记下样品质量，在上面打开的界面中输入该数据； 

S2-4点“继续”，填入吹扫气、保护气信息，在“继续”，点击“温度程序”，确认或修改需要测量的终止温度，选择吹扫气2、保护气，点“继续”，填入文件，保存； 

依次点击确定、初始化工作条件、清零、开始，测量运行； 

S3根据热失重(TG)曲线用综合热分析仪自带的分析软件，测出20～360℃和360～700℃范围内PDMS、ATH、SiO₂、硅橡胶绝缘子的热失重率； 

S4根据步骤S3所得数值代入硅橡胶绝缘子的热失重率△M公式(1)中进行计算； 

△M＝(m_ATH×△m_ATH+m_PDMS×△m_PDMS+m_SiO2×△m_SiO2)/(m_ATH+m_PDMS+m_SiO2)--------------(1)； 

式中，△M为硅橡胶绝缘子的失重率， 

△m_ATH，△m_PDMS，△m_SiO2分别为ATH、PDMS和SiO₂在相应温度范围的热失重率， 

m_ATH，m_PDMS，m_SiO2分别为硅橡胶绝缘子内ATH、PDMS和SiO₂的质量； 

S5选取两组不同的△M、△m_ATH、△m_PDMS、△m_SiO2，即可算出ATH、SiO₂相对于PDMS的质量。 

以下的实施例参见图1至图7. 

实施例1某种组分(PDMS为120份，ATH为80份，白炭黑为25份)的硅橡胶绝缘子，其组分含量的计算方法，包括以下步骤： 

(1)、用分析软件测出在20～360℃内硅橡胶热失重率为12.63％，在360～700℃内硅橡胶热失重率为43.65％。 

(2)、用分析软件测出在20～360℃PDMS、ATH、SiO₂的热失重率分别为2.85％、30.49％、1.81％，可以得到方程①：12.63％＝(m_ATH×30.49％+100×2.85％+m_SiO2×1.81％)/(m_ATH+100+m_SiO2)。 

(3)、用分析软件测出在360～700℃PDMS、ATH、SiO₂的热失重率分别为77.22％、5.17％、0.67％，可以得到方程②：43.65％＝(m_ATH×5.17％+100×77.22％+m_SiO2×0.67％)/(m_ATH+100+m_SiO2)。 

(4)、求解方程组①②得：m_ATH＝66.18，m_SiO2＝18.87。 

(5)、计算得各组分质量分数： 

m_ATH(％)＝66.18÷(66.18+100+18.87)＝35.8％，m_SiO2(％)＝18.87÷(66.18+100+18.87)＝10.2％，m_PDMS＝100÷(66.18+100+18.87)＝54.0％； 

(6)、各组分理论质量分数：m_ATH(％)＝80÷(80+120+25)＝35.6％，m_SiO2(％)＝25÷(80+120+25)＝11.1％，m_PDMS(％)＝120÷(80+120+25)＝53.3％。 

实施例2某种组分(PDMS为120份，ATH为110份，白炭黑为25份)的硅橡胶绝缘子，其组分含量的计算方法，包括以下步骤： 

(1)、用分析软件测出在20～360℃内硅橡胶热失重率为15％，在360～700℃内硅橡胶热失重率为38.68％。 

(2)、用分析软件测出在20～360℃PDMS、ATH、SiO₂的热失重率分别为2.85％、30.49％、1.81％，可以得到方程①：12.63％＝(m_ATH×30.49％+100×2.85％+m_SiO2×1.81％)/(m_ATH+100+m_SiO2)。 

(3)、用分析软件测出在360～700℃PDMS、ATH、SiO₂的热失重率分别为77.22％、5.17％、0.67％，可以得到方程②：43.65％＝(m_ATH×5.17％+100×77.22％+m_SiO2×0.67％)/(m_ATH+100+m_SiO2)。 

(4)、求解方程组①②得：m_ATH＝94.11，m_SiO2＝18.43。 

(5)、计算得各组分质量分数：m_ATH(％)＝94.11÷(94.11+100+18.43)＝44.3％，m_SiO2(％)＝18.43÷(94.11+100+18.43)＝8.7％，m_PDMS＝100÷(94.11+100+18.43)＝47.0％。 

(6)、各组分理论质量分数：m_ATH(％)＝110÷(110+120+25)＝43.2％，m_SiO2(％)＝25÷(110+120+25)＝9.7％，m_PDMS(％)＝120÷(110+120+25)＝47.1％。 

实施例3某种组分(PDMS为120份，ATH为160份，白炭黑为25份)的硅橡胶绝缘子，其组分的计算方法，包括以下步骤： 

(1)、用分析软件测出在20～360℃内硅橡胶热失重率为17.35％，在360～700℃内硅橡胶 热失重率为32.81％。 

(2)、用分析软件测出在20～360℃PDMS、ATH、SiO₂的热失重率分别为2.85％、30.49％、1.81％，可以得到方程①：17.35％＝(m_ATH×30.49％+100×2.85％+m_SiO2×1.81％)/(m_ATH+100+m_SiO2)。 

(3)、用分析软件测出在360～700℃PDMS、ATH、SiO₂的热失重率分别为77.22％、5.17％、0.67％，可以得到方程②：32.81％＝(m_ATH×5.17％+100×77.22％+m_SiO2×0.67％)/(m_ATH+100+m_SiO2)。 

(4)、求解方程组①②得：m_ATH＝135.71，m_SiO2＝21.47。 

(5)、计算得各组分质量分数：m_ATH(％)＝135.71÷(135.71+100+21.47)＝52.7％，m_SiO2(％)＝18.87÷(135.71+100+21.47)＝8.4％，m_PDMS＝100÷(135.71+100+21.47)＝38.9％。 

(6)、各组分理论质量分数：m_ATH(％)＝160÷(160+120+25)＝52.4％，m_SiO2(％)＝25÷(160+120+25)＝8.3％，m_PDMS(％)＝120÷(160+120+25)＝39.3％。 

表1 不同组分硅橡胶绝缘子组分含量计算值。 

实施例中，在20～360℃，△m_ATH取值为30.49％±0.33％、△m_PDMS取值为2.85％±0.2％、△m_SiO2取值为1.81％±0.31％；在360～700℃，△m_ATH取值为5.17％±0.48％、△m_PDMS取值为77.22％±1.07％、△m_SiO2取值为0.67±0.48％；计算所得ATH、SiO₂、PDMS质量分数有效误差为±1％。 

本发明提供了一种利用热重法与差热分析法联用(TG-DTA)来测定硅橡胶复合绝缘子中主要组份含量的方法。高压输电线路用硅橡胶复合绝缘子组分包括：甲基乙烯基硅橡胶(PDMS)、白炭黑(SiO₂)、氢氧化铝(ATH)，三者质量随温度线性升高而变化的曲线(TG曲线)在不同温度范围有显著的差别，参见图8，白炭黑在20～700℃内几乎不失重，ATH的热分解失重发生在220～320℃，而PDMS的热分解失重发生在350～600℃。本发明利用三种组分在各自特定热分解温度区间内的热失重率，算出硅橡胶复合绝缘子三种组分的含量，并给出了具体的计算方法。 

同时，本发明有如下几个缺陷有待解决：1、热分析仪内置电子天平精度高、载重低，单次测量放入试样的质量少，局域性明显；2、热分析法灵敏度高，要求对同一样品的三次测量值误差不超过2％，否则，计算所得结果不具代表性。