一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法

摘要

本发明公开了一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法，室温下将经清洗干燥后的绝缘介质材料依次浸泡在多巴胺溶液、硝酸银溶液和多巴胺溶液中，制成表面具有多巴胺‑纳米银‑多巴胺三明治结构的绝缘材料。本发明提出的方法能够显著的提高绝缘介质材料的真空沿面闪络电压，并且具有实现简单、实用性好、所需设备和处理条件简单易得和可重复性强的优点。

说明书

技术领域

本发明属于高压绝缘材料技术领域，具体涉及一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法。

背景技术

由于真空介质具有击穿场强高和质量轻的特性被广泛应用于电力设备中，使电力设备的体积和重量都大大减小，有助于电力设备向高功率密度和小型化方向发展。电力设备中的固体绝缘件也必不可少，它们起着固定、支撑和保护作用。但在真空和固体绝缘介质界面处发生的沿面闪络现象会导致电力设备失效、引发严重的安全事故、造成巨大的经济损失，成为了制约电网向着高电压、大电流和高容量发展的主要因素之一。因此研究绝缘材料沿面闪络现象及其形成机理，从而找到提高其沿面闪络电压的方法非常重要。已知的影响绝缘材料沿面闪络电压的主要因素有施加电压波形、绝缘材料几何形状、绝缘体表面处理、绝缘材料介电常数、绝缘材料纳米或微米掺杂、绝缘材料预防电处理、多层梯度绝缘技术等，其中通过对绝缘材料表面处理来提升其沿面闪络电压是一种常用的方法。

多巴胺具有很强的黏附能力，它几乎可以与任何固体材料的表面紧密结合，因此被广泛应用于生物粘合剂、分离膜、传感器、生物医学等领域。多巴胺同时还具有很强的还原能力，这使得它可以将金属离子还原成纳米尺寸的金属粒子附着在材料表面。纳米尺寸的金属粒子附着在绝缘材料表面可以作为深陷阱来捕获注入电荷，抑制电场畸变，减少电荷复合和热电子效应，从而提升沿面闪络电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法，能够显著提高绝缘介质材料的真空沿面闪络电压，并且具有实现简单、实用性好、所需设备和处理条件简单易得和可重复性强的优点。

本发明采用以下技术方案：

一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法，室温下将经清洗干燥后的绝缘介质材料依次浸泡在多巴胺溶液、硝酸银溶液和多巴胺溶液中，制成表面具有多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构的绝缘材料。

具体的，包括以下步骤：

S1、将绝缘介质材料依次使用无水乙醇及去离子水超声清洗，然后放入真空干燥箱中烘干；

S2、将绝缘介质材料浸没在多巴胺溶液中使其表面吸附一层多巴胺；

S3、将表面吸附有多巴胺的绝缘材料浸没在硝酸银溶液中，溶液中的银离子在多巴胺的作用下还原为纳米银颗粒吸附在绝缘材料表面，在其表面形成多巴胺-纳米银两层结构；

S4、将具有两层结构的绝缘材料再次浸没在多巴胺溶液中，获得表面具有多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构的绝缘材料。

进一步的，步骤S1中，烘干温度为50～60℃，时间大于24h。

进一步的，步骤S2中，多巴胺溶液的浓度为2g/L，室温下浸泡时间为6～25h。

进一步的，步骤S3中，硝酸银溶液浓度为50mmol/L，室温下浸泡0～4h。

进一步的，步骤S4中，多巴胺溶液的浓度为2g/L，室温下浸泡时间为6～25h。

进一步的，绝缘介质材料为低密度聚乙烯薄膜，通过热压的方法制得。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法，采用表面处理的方法来提升绝缘材料的真空沿面闪络强度，多巴胺同时具有很强的粘附力和还原性能，可以将金属离子还原为纳米颗粒紧密的与绝缘材料表面结合，通过表面处理在绝缘材料表面形成多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构，从而改变样品的表面电导率和表面陷阱参数，处理后绝缘材料的表面电导率显著提高，表面陷阱深度增大，在这些变化的共同作用下绝缘材料的真空沿面闪络电压得以提升。

进一步的，本发明将低密度聚乙烯在多巴胺溶液、硝酸银溶液和多巴胺溶液中依次浸泡4h，2h和24h时，表面具有多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构的样品的真空直流沿面闪络电压与未处理的低密度聚乙烯相比提高了53％。

进一步的，由于其优异的电气、机械、热力学特性，被广泛应用于电气绝缘领域，是电力电缆的主绝缘材料。虽然它极少被应用于真空环境且实际应用中很少发生沿面闪络，但它可以作为聚合物绝缘材料的代表用于研究聚合物电介质的电性能；此外，电介质的沿面闪络性能与击穿性能密切相关，对低密度聚乙烯进行表面改性来改善其沿面闪络性能，有可能改善其击穿特性，为解决电缆实际运行中的击穿问题提供新思路。

综上所述，本发明提出的方法能够显著的提高绝缘介质材料的真空沿面闪络电压，并且具有实现简单、实用性好、所需设备和处理条件简单易得和可重复性强的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为绝缘材料表面处理流程图；

图2为扫描电子显微镜观察到的经本发明方法处理前后的低密度聚乙烯样品的表面形貌示意图，其中，(a)为未处理的低密度聚乙烯,(b)为分别浸没在多巴胺、硝酸银和多巴胺溶液中4h、2h和24h的低密度聚乙烯。

具体实施方式

本发明提供了一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法，将成型的低密度聚乙烯样品清洗后干燥，然后室温下将经清洗干燥后的样品依次浸泡在多巴胺溶液、硝酸银溶液和多巴胺溶液中，从而在绝缘材料表面形成多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构。通过表面处理在绝缘材料表面形成多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构，改变样品的表面电导率和表面陷阱参数，在这两种参数的共同作用下，样品的沿面闪络强度得到了调节或提升，本方法具有实现简单、实用性好、所需设备和处理条件简单易得和可重复性强的优点。

请参阅图1，本发明一种提升绝缘材料真空沿面闪络强度的方法，包括以下步骤：

S1、将绝缘介质材料依次使用无水乙醇及去离子水超声清洗，然后放入真空干燥箱中烘干，温度为50～60℃，时间大于24h；

绝缘介质材料为低密度聚乙烯薄膜，通过热压的方法制得；

S2、将绝缘介质材料浸没在多巴胺溶液中使其表面吸附一层多巴胺；

多巴胺溶液的浓度为2g/L，室温下浸泡时间为6～25h；

S3、将表面吸附有多巴胺的绝缘材料浸没在硝酸银溶液中，溶液中的银离子在多巴胺的作用下还原为纳米银颗粒吸附在绝缘材料表面，在其表面形成多巴胺-纳米银两层结构；

硝酸银溶液浓度为50mmol/L，室温下浸泡0、0.5、1、2或4h；

S4、将具有两层结构的绝缘材料再次浸没在多巴胺溶液中，获得表面具有多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构的绝缘材料。

多巴胺溶液的浓度为2g/L，室温下浸泡时间为6～25h。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

表1给出了低密度聚乙烯表面处理前后的的表面电导率，随着硝酸银处理时间的增加，表面纳米银离子的浓度增加，表面电导率也增大。从表中数据可以看出表面覆盖一层多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构可以使绝缘材料的表面电导率增加约两个数量级。

表1表面电导率测量结果

对依次浸没在多巴胺、硝酸银和多巴胺溶液前后的试样进行表面电位衰减实验，通过表面电位衰减模型对其表面陷阱分布进行计算。表面没有覆盖多巴胺-硝酸银-多巴胺三明治结构的低密度聚乙烯薄膜式样的表面电位衰减比较慢，计算其浅陷阱和深陷阱中心能级分别为0.825eV和0.880eV，浸没在多巴胺溶液中0.5h的薄膜试样的陷阱中心能级分别为0.83eV和0.896eV，浸没在多巴胺溶液中2h的薄膜试样的陷阱中心能级分别为0.845eV和0.899eV；上述结果表明采用本发明的方法，与未处理的试样相比表面具有多巴胺-硝酸银-多巴胺三明治结构的低密度聚乙烯薄膜试样的表面陷阱能级变大，且试样在硝酸银溶液中浸泡时间越长，陷阱能级越大。

请参阅图2，对低密度聚乙烯表面覆盖多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构前后的试样进行直流真空沿面闪络实验。实验过程中，试样安放于指形电极装置上，指形电极由两个手指形状不锈钢电极和一块聚四氟乙烯基板组成，电极端部为半圆。试样被两个指形电极紧密压在基板上，电极间距为5mm，电极装置放置于真空腔体内，真空腔的真空度保持在3×10-5Pa。闪络测试的电压源直流电压源，最大电压100kV。对试样采用连续升压的方式进行测试，电压从0开始升压，直至试样发生闪络。每种试样用两个试样，每个试样进行十次闪络测试，两次测试间隔时间3min，记录每次的闪络电压，取其平均值作为该种试样的闪络电压。

表2为低密度聚乙烯处理前后直流真空沿面闪络电压的测量结果。

从表2中可以看到，在低密度聚乙烯表面覆盖多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构能够提高低密度聚乙烯的直流真空沿面闪络性能，随着硝酸银溶液浸泡时间的增加，闪络电压呈先增加后下降的趋势，且当样品在硝酸银溶液中的浸泡时间为2h时，表面具有多巴胺-纳米银-多巴胺三明治结构的样品具有最高的直流沿面闪络电压，与未处理的低密度聚乙烯相比提高了53％。

可以看到，本发明提出的方法可以显著的提高绝缘介质材料的直流真空沿面闪络电压。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。