一种电学性能优异的纳米纤维素和环氧树脂复合材料及制备方法

摘要

本发明公开了属于环氧树脂电绝缘材料技术领域的一种电学性能优异的纳米纤维素和环氧树脂复合材料及制备方法。所述制备过程将微米纤维素加入20％的HCl中，常温搅拌24h，对得到的溶液进行清洗，离心，直至pH到7，再对得到的粉末冻干24h后得到纳米纤维素，将纳米纤维素与环氧树脂进行共混即可得到复合材料。本发明提供了一种电学性能优异的纳米纤维素和环氧树脂复合材料，制备工艺简单、成本低、绿色环保，本发明所制备的复合材料，纳米纤维素在环氧树脂中的分散良好，复合材料具有优异的电性能。

说明书

技术领域

本发明属于环氧树脂电绝缘材料技术领域，尤其涉及一种电学性能优异的纳米纤维素和环氧树脂复合材料及制备方法。

背景技术

环氧树脂由于其耐老化特性优秀，良好的机械性能，较强的耐腐蚀性，固化时收缩率低等优点在绝缘材料中越来越被研究者重视。其中，以环氧树脂复合材料作为支撑绝缘和气室的隔离的封闭电线路，适合长距离电力传输的潜力工具。但是作为在直流电场中长期工作的环氧树脂绝缘材料，在表面容易积聚电荷而形成畸变电场，造成材料的沿面闪络甚至是击穿，从而发生严重的电气事故。

纳米纤维素是一种在高速高压剪切与冲击力作用下将植物纤维剥离、撕裂成直径为纳米级(至少1～100nm)的微细纤维，在水中分散形成稳定悬浮液的纤维素晶体。其理论弹性模量与拉伸强度分别高达150GPa和3GPa，理论力学性能基本接近碳纤维。纳米纤维素由于自身的独特结构及性能优势，使得从生物质材料中开发并利用其增强聚合物制备高强度、功能性复合材料，成为近年来纳米纤维素领域内的一个研究热点。

本发明中对微米纤维素进行改性，利用离心搅拌的方法减小纤维素的粒径，得到改性的纳米纤维素，并将其作为填料与环氧进行共混制备复合材料。经过实验论证，这种改性方法能够有效的提高纤维素在环氧树脂中的分散性，使得改性的纳米纤维素为填料制备的环氧树脂复合材料在电绝缘性能方向上有了显著提高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种电学性能优异的纳米纤维素和环氧树脂复合材料及制备方法；所述复合材料为以纳米纤维素为填料的环氧树脂复合材料。所述复合材料包括：100份环氧树脂，1-10份纳米纤维素，85份固化剂。

所述的环氧树脂为EP-51型环氧树脂。

其中纳米纤维素的制备步骤如下：

1)将微米纤维素加入盐酸中，常温搅拌24h，得到混合溶液；微米纤维素/g与盐酸溶液/mL用量比为：3:100；HCl溶液浓度20wt％；

2)对混合溶液进行清洗，直至pH到7，经离心干燥得到粉末；

3)将粉末冻干24h后得到纳米纤维素。

所述的固化剂为甲基环己烯-1，2-二羧酸酐。

一种电学性能优异的纳米纤维素和环氧树脂复合材料的制备方法为：

1)将环氧树脂加入纳米纤维素中，60℃水浴搅拌1h；

2)按照环氧树脂：固化剂：促进剂＝100：85：1的配比加入固化剂，60℃水浴搅拌2h，超声1h，抽真空1h；

3)加入促进剂并在60℃下搅拌30min，倒入模具中，然后放入烘箱，100℃固化4h，150℃固化10h后取出样品，得到纳米纤维素和环氧树脂复合材料。

本发明所述的环氧树脂复合材料的填料为纳米纤维素。由于制备纳米纤维素的过程中，同时对微米纤维素进行了改性，降低了纤维素的粒径，使它在环氧树脂中的分散性变得良好而不易沉降，将其加入环氧树脂作为填料能够有效改善环氧树脂复合材料的电性能。

本发明所述的纳米纤维素在复合材料中的质量分数为1％-7％。根据实验结果，环氧树脂复合材料随着纳米纤维素填料质量分数的提高，复合材料的电荷陷阱消散速度增加，材料的电荷消散性能有所提升，并且其击穿场强也发生了一定程度的提升。这是由于纳米纤维素环氧树脂在环氧树脂中的分散性能较为优秀，没有出现团聚的情况，因此将纳米纤维素作为环氧树脂复合材料的填料能够改善其电性能。

本发明的有益效果：

1.本发明涉及一种电学性能优异的纳米纤维素和环氧树脂复合材料，旨在改善纤维素在环氧树脂中的分散性，减少以环氧树脂为材料的盆式绝缘子的表面电荷积聚现象，增加其耐受性能，复合材料具有优异的电性能。

2.本发明所使用的环氧树脂为EP-51，使用的固化剂是酸酐类固化剂，填料是经过改性的纳米纤维素，总的原材料成本低。

3.本发明的制备方法工艺简单、绿色环保。本发明提供了一种工艺简单、成本低、绿色环保、不需要复杂昂贵的设备的对纤维素进行改性的方法，并且改善了以经过改性之后的纳米纤维素为填料的环氧树脂复合材料的电性能。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

纳米纤维素的制备方法：

(1)将6g微米纤维素加入200mL浓度20％的HCl中，常温搅拌24h。

(2)对得到的溶液进行清洗，离心，直至pH到7。

(3)对得到的粉末冻干24h后得到纳米纤维素。

复合材料的制备方法：

(1)称取一定量的环氧树脂，加入不同质量分数的纳米纤维素，在60℃水浴搅拌1h左右，使其充分搅拌混合。

(2)按照环氧树脂：固化剂：促进剂＝100：85：1的配比再加入一定量的固化剂，在60℃温度下进行水浴搅拌2h使其充分混合，超声1h将沉在底部的多余气泡震荡出来，抽真空1h将震荡出的气泡挥发到空气中。

(3)按(2)中的配比加入促进剂并在60℃下搅拌30min，倒入45x45x0.5mm的模具中，然后放入烘箱100℃固化4h，最后在150℃继续固化10h后取出样品，得到了所述复合材料，即以纳米纤维素为填料的环氧树脂复合材料。

实施例1

(1)称取6g微米纤维素进行改性得到纳米纤维素；(2)取0.75g纳米纤维素与40g环氧树脂混合，60℃水浴搅拌1h；(3)加入34g固化剂，在60℃下水浴搅拌2h，超声1h，抽真空1h；(4)加入0.4g促进剂，倒入45x45x0.5mm的模具中，然后放入烘箱100℃固化4h，最后在150℃继续固化10h后取出样品，得到了以纳米纤维素为填料且填料质量分数为1％的环氧树脂复合材料。按相关标准进行测试，复合材料的性能见表1。

实施例2

(1)称取6g微米纤维素进行改性得到纳米纤维素；(2)取2.29g纳米纤维素与40g环氧树脂混合，60℃水浴搅拌1h；(3)加入34g固化剂，在60℃下水浴搅拌2h，超声1h，抽真空1h；(4)加入0.4g促进剂，倒入45x45x0.5mm的模具中，然后放入烘箱100℃固化4h，最后在150℃继续固化10h后取出样品，得到了以纳米纤维素为填料且填料质量分数为3％的环氧树脂复合材料。按相关标准进行测试，复合材料的性能见表1。

实施例3

(1)称取6g微米纤维素进行改性得到纳米纤维素；(2)取3.90g纳米纤维素与40g环氧树脂混合，60℃水浴搅拌1h；(3)加入34g固化剂，在60℃下水浴搅拌2h，超声1h，抽真空1h；(4)加入0.4g促进剂，倒入45x45x0.5mm的模具中，然后放入烘箱100℃固化4h，最后在150℃继续固化10h后取出样品，得到了以纳米纤维素为填料且填料质量分数为5％的环氧树脂复合材料。按相关标准进行测试，复合材料的性能见表1。

实施例4

(1)称取6g微米纤维素进行改性得到纳米纤维素；(2)取5.57g纳米纤维素与40g环氧树脂混合，60℃水浴搅拌1h；(3)加入34g固化剂，在60℃下水浴搅拌2h，超声1h，抽真空1h；(4)加入0.4g促进剂，倒入45x45x0.5mm的模具中，然后放入烘箱100℃固化4h，最后在150℃继续固化10h后取出样品，得到了以纳米纤维素为填料且填料质量分数为7％的环氧树脂复合材料。按相关标准进行测试，复合材料的性能见表1。

对比例1

(1)加入40g环氧树脂，60℃水浴搅拌1h；(2)加入34g固化剂，在60℃下水浴搅拌2h，超声1h，抽真空1h；(3)加入0.4g促进剂，倒入45x45x0.5mm的模具中，然后放入烘箱100℃固化4h，最后在150℃继续固化10h后取出样品，得到了纯的环氧树脂材料。按相关标准进行测试，复合材料的性能见表1。

表1本发明实施例和对比例中制备的复合材料的性能测试结果