纳米氧化铝改性无溶剂绝缘漆耐电晕性能的研究

data-full-width-responsive="true"> 纳米氧化铝改性无溶剂绝缘漆耐电晕性能的研究范勇, 刘伟, 周宏, 安军伟(哈尔滨理工大学材料科学与工程学院, 哈尔滨150040)1 前言有机高聚物/ 无机杂化材料兼有机高聚物和无机材料两者的优点,近年来越来越受到人们的重视。采用无机纳米粒子填料对聚合物材料进行改性,能赋予聚合物复合材料新的功能,使聚合物材料具有更广泛的应用[1 ～4 ]。本文采用自制的纳米氧化铝粉对一种无溶剂绝缘浸渍漆进行掺杂改性, 以改善其耐电晕性能。2 实验部分2 1 实验原料及设备纳米氧化铝粉(自制) ;聚酯亚胺无溶剂绝缘浸渍漆(哈尔滨庆缘电工材料股份有限公司新油漆分厂,厂内排号H9161) 。DJ - 100 型增力搅拌器, 江苏金坛医疗仪器设备公司; BS200S 型光电天平; 自制铺膜机; 自制耐电晕试验装置; Agilent - 4294A 型精密阻抗分析仪(40Hz～100 MHz) 和16451B 型介电谱仪, 日本AgilentTechnologies Lt d ; FEI Sirion 扫描电镜, 荷兰飞利浦公司。2 2 杂化漆的制备通过微乳液和溶胶- 凝胶法制得含纳米氧化铝的溶液,经过抽滤、烘干等一系列加工处理,得到纳米氧化铝粉,向无溶剂绝缘浸渍漆中加入制得的纳米氧化铝粉,经过高速搅拌后形成均匀稳定的溶液。静置一段时间后, 用400 目的滤网过滤, 把制得的漆液按一定的厚度通过自制的铺膜机涂覆于平整、光洁的钢板上, 放入干燥箱中通过阶梯式升温, 使其交联固化得漆膜。3 性能测试与分析3 1 介电性能测试采用阻抗分析仪和介电谱仪测试聚合物的介电性能。介质损耗tan随频率变化曲线见图1。由图1 可见, 在同一温度下, 随着氧化铝含量的增加, 所得掺杂漆膜的介质损耗逐渐升高, 在同一含量下,随着测试频率的升高,介质损耗逐渐增大,但增加的幅度较小。这可能是一方面由于纳米氧化铝粒子表面的极性基团比较少,另一方面由于无机纳米氧化铝粒子与基体树脂的相互作用, 从整体上来说, 增加了材料的极性, 随着氧化铝含量的增加, 对基体聚合物的影响越明显,因此,氧化铝含量越多,介质损耗越大。3 2 耐电晕性能测试采用自制的耐电晕测试仪器测试漆膜的耐电晕时间,上端电极是直径为6 mm 的圆棒,棒端圆面为4 mm 过度圆弧R 1 mm , 下端电极用涂覆有掺杂漆的钢板代替, 上电极与钢板上漆膜的空气间隙为0 1mm ,上下电极之间所加电压为3 000 V 。分别测试了氧化铝含量为0 %、3 %、6 %、9 %的漆膜的耐电晕时间,测试结果如表1 所示。由于漆膜的厚度不同使得加在漆膜上的场强有所不同, 给试验结果带来一定的误差, 但从总体趋势可以看出, 随着纳米氧化铝含量的提高, 漆膜的耐电晕时间有明显的提高。由于纳米氧化铝的引入使绝缘漆的粘度有一定增加,影响漆的实际应用和固化成型过程,因此掺杂的含量不宜过大。大量重复实验的结果表明, 纳米氧化铝含量为9 %时可以得到均一稳定的漆液,而且对漆的粘度影响不大。在本实验的条件下空气已被击穿(空气的击穿场强约为3 kV/ mm) , 空气被电离, 带电粒子不停的轰击材料表面, 形成电晕放电, 未掺杂纳米氧化铝的纯漆在很短的时间内即被电晕腐蚀导致击穿,而掺杂纳米氧化铝的漆膜的耐电晕时间随着纳米氧化铝含量的增加而明显增加。氧化铝的化学结构本身就具有很强的耐电晕性,因为这种化学结构能够有效地俘获带电粒子, 形成稳定的局域电场, 这种陷阱结构是由化学结构决定的稳定的结构。由于掺杂后纳米粒子与有机基体之间形成了特殊的化学陷阱结构,当材料处于外加电场中且留有一定的空气间隙时,材料中强吸电子基团能俘获电子(即电荷受陷) 形成空间电荷电场,同时这些受陷电荷使局域化能级提高,而且只要电荷位置固定, 这种局域化的能级就可能实现, 而材料中稳定的强电子亲和力结构的化学陷阱结构能够比较牢固地俘获电子, 以致电荷不易脱陷, 从而形成稳定的空间电荷电场。这种空间电荷电场在材料表面形成一个等位面, 能够有效的屏蔽外电场, 从而提高材料的耐电晕性能。我们认为材料中陷阱结构不应一概而论,而应区别对待。在传统绝缘材料的老化过程中, 因缺陷(陷阱) 的积累,不断地加深材料的破坏,这种陷阱结构我们认为是不稳定陷阱结构,代表陷阱的不利作用。另一类陷阱是稳定化学结构所形成的陷阱,可能俘获电子形成稳定的局域电场,我们称之为稳定的化学结构陷阱。从测试结果,可以推测掺杂纳米氧化铝的漆形成了稳定的化学陷阱结构。3 3 扫描电镜利用扫描电子显微镜(SEM) 对漆膜的表面形态、无机组分的分散情况、以及分散粒径的大小进行了观察分析(见图2) 。图2 纳米氧化铝掺杂的漆膜SEM 照片由图2 可见,纳米氧化铝粒子很均匀的分散于基体树脂中,纳米团簇的直径在100 nm 左右,实际上这只是二次结构。由于纳米氧化铝形成团簇结构分散于交联体系中, 破坏了基体树脂的均一性, 相当于在基体树脂中引入了杂质,形成分散相,使漆膜韧性变差,尤其是当掺杂含量过高时韧性下降更大, 因此, 纳米氧化铝含量不宜过高。4 结论通过对纳米氧化铝掺杂聚酯亚胺无溶剂绝缘浸渍漆的漆膜的介质损耗、耐电晕时间测试表明, 随着氧化铝含量的增加,所得掺杂漆膜的介质损耗逐渐升高, 而耐电晕时间较原漆的耐电晕时间有很大提高,达到了提高该无溶剂浸渍漆耐电晕性能的目的。通过表面形貌观察可以看出,纳米氧化铝均匀地分散于基体树脂中, 无机相与有机相之间复合的较好, 但纳米氧化铝对漆的粘度和漆膜的韧性有一些不利影响,需要进一步的研究改善。