一种场致增强型非线性电导聚乙烯复合绝缘材料制备方法

摘要

本发明公开了一种场致增强型非线性电导聚乙烯复合绝缘材料制备方法。属于高电压绝缘技术领域，要解决的问题是：提供一种可以有效抑制绝缘结构中电场畸变，均化电场分布的方法。本发明的工作原理是：在聚乙烯绝缘中少量添加具有羟基和醚键官能团的有机助剂即烯丙基聚氧乙烯醚，可有效提高复合材料的场致增强型非线性电导及极化率，降低高场强区的电场强度。本发明所使用的有机助剂作为一种化学原材料，无毒、无刺激性，对环境友好，相对于其他非线性填料，简单易得，价格低廉，且因为同样是有机物，与聚乙烯基体有良好的相容性，具备优异的均化电场能力。

说明书

技术领域

本发明涉及高电压与绝缘技术领域，具体涉及一种场致增强型非线性电导聚乙烯复合绝缘材料制备方法。

背景技术

近年来，电力设备向更高电压等级发展，电子器件向小型化、高密度化方向发展，这就导致绝缘结构设计工作场强不断提高，而工作场强的不断提高又容易使局部电场发生畸变，造成局部电场集中，长期如此将会降低设备与器件的长期运行可靠性。无论是电子设备还是电子器件，它们绝缘电场的不均匀性会随工作电压等级的提高而提高，这大大制约了电力设备和电子器件的进一步发展。如何均化电场强度分布，降低局部区域最大电场强度，提高绝缘利用系数，这一关键问题急需解决。

目前电场应力控制方法有几何应力控制、电应力层控制、阻抗应力控制和非线性应力控制。

几何应力控制是通过改善电极结构和附加导电层来实现电场应力控制,安装应力锥也属于几何应力控制。使用罗戈夫斯基形状的电极，可以使沿电极边缘的电场保持恒定。在电应力集中区域加入导电层可以降低整体电场强度，但相邻层之间的电场会增加，所以导电层的层数要受两导电层之间可达到的最小厚度和最大允许电场强度的限制。

电应力层控制是通过将高介电常数的绝缘材料附在高场强区域如电缆附件的屏蔽层断口，降低该处的电应力。要求选用的电应力层材料的介电常数一定要远远大于绝缘和环境的介电常数，该方法的工作原理是电容值与介质材料的介电常数成正比，在电应力集中的区域附加电应力层，可以增加绝缘层表面电容，降低该区域电位，均化电场。该技术的主要限制是材料的介电常数越高，介电损耗就越大，为防止局部过热，电缆附件必须要有足够的热传递。

阻抗应力控制是通过将导电粒子如炭黑添加到绝缘基体中，改变其体积电阻来实现电场应力控制。从电压分布与压控管导电性的关系研究中可以得出压控管的阻抗无论过高还是过低都会导致应力控制不足。压控管的导电性可由导电添加剂(如炭黑颗粒)的含量控制，也与添加剂的其他参数如粒径、颗粒表面处理、颗粒均匀分散性等有关。

非线性应力控制是通过非线性材料来实现电场应力控制。在绝缘基体中添加无机颗粒会使复合材料具有场致电导特性，强电场区域的绝缘材料电导率将会增加，降低该区域的电场强度。无机颗粒需相互接近，形成导电区域，当无机颗粒之间的电场强度足够高时，电子通过肖特基发射和隧道效应越过界面，复合介质表现出非线性。因此，无机颗粒的粒径、填充等级和在基体中分布是影响它性能的重要因素，目前还不能实现无机颗粒在基体中的均匀分布。

发明内容

针对上述问题的局限性，本发明提供一种场致增强型非线性电导聚乙烯复合绝缘材料制备方法，由于同样是有机物，烯丙基聚氧乙烯醚与聚乙烯基体有良好的相容性，将它与聚乙烯共混可以使复合材料的电导呈梯度分布，要解决的技术问题是提供一种使聚乙烯绝缘材料具有场致增强型非线性电导的制备方法。

本发明的技术要点之一是，所选用的有机助剂是具有羟基和醚键官能团的有机助剂即烯丙基聚氧乙烯醚，分子量为1000。

本发明的技术要点之二是，烯丙基聚氧乙烯醚被引入聚乙烯基体后，材料被赋予了场致增强型非线性电导特性，且随浓度增加，电导率和非线性系数也随之增加；根据电磁场的边界条件，直流电场下，电场强度与电导率呈反比例分布，随着电导率的提高，电场强度得到降低。

本发明的技术要点之三是，烯丙基聚氧乙烯醚作为极性有机聚合物，一方面促进聚乙烯内部杂质的电离，另一方面自身作为一种弱电解质，易在高温高场下解离，从而提高了载流子的数量，进而提高复合材料的电导率。

本发明的技术要点之四是，烯丙基聚氧乙烯醚具有润滑作用，所以烯丙基聚氧乙烯醚与在聚乙烯共混时，应少量多次添加。

本发明的技术要点之五是，烯丙基聚氧乙烯醚在聚合物绝缘中的填充浓度应限制在2％以下，以防止聚乙烯绝缘结构整体电导太高而发热影响介电强度。

本发明的优点在于：1)同样是有机物，烯丙基聚氧乙烯醚与聚合物基体有良好的相容性，聚合物包括聚烯烃塑料绝缘体系、橡胶绝缘体系和环氧树脂绝缘体系。；2)烯丙基聚氧乙烯醚作为一种化学原材料，无毒、无刺激性，对环境友好，相对于其他非线性填料，简单易得，价格低廉，容易实现工业化生产，具有极高的工程实用价值。

附图说明

图1是不同烯丙基聚氧乙烯醚添加量的非线性电导率聚乙烯复合绝缘材料的电导率测量结果。

具体实施方式

为了让本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过具体实施方式对本发明作进一步阐释。但应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

实施例

1.本发明中选用的有机助剂为极性聚合物，是具有羟基和醚键官能团的烯丙基聚氧乙烯醚，其分子式为(C2H4O)nC3H6O，分子量为1000。

2.将烯丙基聚氧乙烯醚分别以质量分数0.1％、0.3％、0.5％、1％、2％的比例与低密度聚乙烯(LDPE)在密式混炼机中共混，混炼温度为120℃，得到未成型试样，取出冷却后，再按模具大小称取适量试样，将其放置在平板硫化机中，升温至120℃，在此温度下按照0MPa、5MPa、10MPa、15MPa逐级升压，每次加压停留5min，最后将试样置于平板水冷机中加压冷却至室温，得到实验所需的无交联片状聚乙烯绝缘试样。

3.对步骤2中的片状试样进行真空镀膜，将试样放入镀膜室内，抽真空，通过蒸发电源给铝粒加热使铝粒蒸发，转化为铝蒸汽，然后在一定的真空环境下，铝蒸汽向上扩散，最后附着在试样表面形成铝电极。

4.将制备好的试样放入三电极测试系统中，在室温下测量复合材料的直流电导率。实验中使用的电极均由不锈钢制成。测试电压从1kV开始，逐次加压，每次加压1kV，直至加到10kV，每次加完电压后，等候20分钟开始读数。为了减少偶然误差，每种样品制备4个试样且同时进行测试，最终结果取4个试样的平均值。在LDPE中添加不同质量分数的烯丙基聚氧乙烯醚制成的复合材料的电导率随电场强度的变化如图1所示。

纯聚乙烯试样的电导率随场强的变化，在双对数坐标下近似为一条斜线，没有表现出非线性特征，添加了不同质量分数的烯丙基聚氧乙烯醚的复合材料均表现出了非线性特征，当电场达到某个阈值时，电导率相比之前急剧增大。随着烯丙基聚氧乙烯醚添加量的增加，试样的非线性系数增加，阈值场强降低。

以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。