[发明专利]一种高直流击穿场强的聚丙烯/纳米复合电介质的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米复合电介质制备领域，具体涉及一种高直流击穿场强的聚丙烯/纳米复合电介质的制备方法。

背景技术

在超、特高压电力设备中，电力电容器介质的工作场强最高，例如，特高压直流滤波电容器的设计工作场强为100kV/mm以上，而直流脉冲电容器的设计工作场强在300kV/mm以上，强电场下电介质出现击穿的概率增大，容易导致电力设备发生故障。固体绝缘介质击穿的不可恢复易造成电力设备的灾难性故障。纳米技术的发展为开发适用于高电压等级和复杂工况的纳米复合电介质提供了新的思路与解决方案。杜邦公司开发的纳米型聚酰亚胺100CR以其优异的电气和机械性能被广泛应用于变压器、变频电机、航空航天等设备。日本开发出的纳米复合电介质作为高压海底直流电缆绝缘层。聚丙烯介质作为高压电力电容器最常用的固体绝缘介质，其绝缘性能直接关乎电力电容器的安全运行。

在输电系统中，电力电容器在谐波抑制和无功补偿等方面起非常重要的作用，广泛应用于特高压直流换流站滤波电容器组、特高压串补用电容器组、自激振荡式高压直流断路器LC电流转移支路等。随着大容量、远距离特高压输电电网规模的不断扩大，电力电容器设备的投运数量越来越多，但由于绝缘问题导致电力电容器损坏的事故时有发生。运行事故发现，断路器均压电容本身存在绝缘缺陷使电容器和灭弧室瓷套径向击穿。换流站的直流滤波器频繁出现单台电容器故障，导致多次出现不平衡告警，系统被迫停运，严重影响特高压输电系统的安全稳定运行。

高聚物/无机纳米复合物电介质作为第三代绝缘材料，可以提高聚合物的介电(电阻率、击穿、沿面闪络、局部放电、耐电晕及空间电荷输运)、热学(热导率、耐热性)和机械(抗张强度、柔韧度、抗冲击强度)等特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高直流击穿场强的聚丙烯/纳米复合电介质的制备方法，该方法制备的复合电介质可以提升电力电容器介质安全裕度，降低电力电容器运行故障率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高直流击穿场强的聚丙烯/纳米复合电介质的制备方法，包括以下步骤：

1)选择硅烷偶联剂对纳米粒子进行表面修饰；纳米粒子为AlN、α相Al₂O₃、MgO或SiO₂；

2)将聚丙烯基料添加在转矩流变仪腔体中，升温待颗粒熔融后加入经硅烷偶联剂修饰的纳米粒子，170-180℃保温搅拌制得纳米粒子分散均匀的聚丙烯/纳米复合电介质；纳米粒子占聚丙烯质量的0.5～5％；

3)用平板硫化机采用三明治结构热压聚丙烯/纳米复合电介质，三明治结构是指底层和顶层两层为完整的聚酰亚胺薄膜，中间层为“回字型”结构聚酰亚胺薄膜，聚丙烯/纳米复合电介质放置在中间层的“回字型”中，平板硫化机的硫化工艺为：预热300～500s，排气10～15次，预压5～10s，硫化时间200～300s；热压制得聚丙烯/纳米复合电介质薄膜。

作为本发明的进一步改进，所述的硅烷偶联剂为KH570。

作为本发明的进一步改进，步骤1)的具体步骤为：

1a)将纳米粒子烘干；

1b)将烘干的纳米粒子放入容器中，容器中加入无水乙醇，搅拌成悬浮液，采用纳米均质仪将悬浊液打散；之后将悬浊液干燥，挥发其中的无水乙醇；

1c)取处理后的纳米粒子，放入三口烧瓶中，加入甲苯，混合成悬浊液，超声分散；纳米粒子与甲苯的固液比为1g：50ml；

1d)三口烧瓶加热至110℃，打开水流，待冷凝管有回流时，通氮气保护，缓慢加入硅烷偶联剂，使得纳米粒子表面与偶联剂充分反应；纳米粒子与硅烷偶联剂的固液比为1g：8ml；

1e)反应完后，将悬浊液离心，倒去上层甲苯溶液后，用无水乙醇反复离心洗涤，除去甲苯和未反应的偶联剂；之后真空干燥；再采用三辊研磨机对干燥后的纳米粒子进行研磨，得到硅烷偶联剂表面修饰的纳米粒子。

作为本发明的进一步改进，步骤2)的具体步骤为：

2a)将聚丙烯基料颗粒干燥除去水分，按重量份称取干燥后的聚丙烯颗粒100份和经KH570修饰的纳米粒子0.5～5份；

2b)将聚丙烯基料在转矩流变仪中于170-180℃保温，待聚丙烯基料颗粒完全熔融后，转矩流变仪保持5rpm的转速，缓慢加入经硅烷偶联剂修饰的纳米粒子；

2c)将转矩流变仪温度调至170℃，设定转矩流变仪的转速分为三档，分别为50rpm、100rpm、150rpm，三档转速各连续搅拌30min；