本發(fā)明屬于絕緣子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種直流輸電用聚合晶硅絕緣子材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的用電需求不斷增加，又由于我國一次資源的分布極度不均勻，電力能源主要分布在西南部和西部地區(qū)，而電力需求相對集中在經(jīng)濟發(fā)展較好的東部、南部和中部地區(qū)，這導(dǎo)致能源的分布與需求存在不一致性，也使得遠距離大容量的輸電成為必然。直流輸電是目前世界上電力大國解決遠距離、大容量、高電壓及電網(wǎng)互聯(lián)的一個非常重要的手段。直流輸電發(fā)展可分為四個階段：20世紀(jì)以前的初級階段；20世紀(jì)30年代至50年代的研究階段；1954年至1970年的復(fù)興階段和1970年以后的迅速發(fā)展階段。近些年來我國直流輸電技術(shù)快速發(fā)展，直流線路的投運數(shù)量急劇增加。
直流輸電的發(fā)展對絕緣子的要求也提出了新的要求。由于直流電與交流電特性上的差異，對絕緣子的要求也逐步提高，例如直流線路的靜電吸附作用，使其污穢能力要比同樣條件下的交流線路的高，那么對直流線路絕緣子的抗污穢性能也就要求更高。
傳統(tǒng)的瓷絕緣子存在著諸多不足：1)、在制造傳統(tǒng)的瓷絕緣子時，傳統(tǒng)窯爐既消耗大量能源又排放大量的煙塵污染，嚴(yán)重的破壞了生態(tài)環(huán)境，且生產(chǎn)周期長、工序多、實現(xiàn)機械化、自動化生產(chǎn)的難度大且造價昂貴；2)、在輸電線路上，需要定期登桿用儀表對瓷絕緣子進行逐片檢測，增加了員工的勞動強度和勞動工作量，且在檢測過程中，容易發(fā)生誤判和漏檢情況，給線路帶來隱患；3)、瓷絕緣子表面為高能面，被水浸潤后形成連續(xù)水膜，易形成導(dǎo)電通路，致使沿面泄漏電流較大；4)、直流輸電過程中，隨著污穢的加重，瓷絕緣子耐污性能下降很快，當(dāng)達到中等污穢水平時，其污閃電壓已低于正常運行電壓，長期運行后，表面變得粗糙，積垢粘附力強，極易發(fā)生污閃。
為解決傳統(tǒng)瓷絕緣子不足，20世紀(jì)30年代，英國皮爾金頓公司首先試用了玻璃絕緣子，它是瓷絕緣子派生產(chǎn)品，能彌補瓷絕緣子的不足之處。但是玻璃絕緣子為內(nèi)膠裝結(jié)構(gòu)，玻璃、水泥、鋼腳熱脹系數(shù)各不相同，當(dāng)絕緣子受冷熱變化時，玻璃受較大壓力和剪切應(yīng)力，故絕緣件易開或被擊穿而形成零值絕緣子，且其價格除考慮出廠價外，還需要考慮零值檢測、人工清掃費用及因停電清掃而造成的停電損失，玻璃絕緣子的價格隨著運行時間的增加不斷上升。
另外，傳統(tǒng)的瓷和玻璃絕緣子用于直流輸電線路，還存在以下眾多存在不利因素：1)、瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，靜電集塵效應(yīng)使絕緣子積污嚴(yán)重，污閃概率增大。隨著我國工業(yè)的發(fā)展，污穢區(qū)逐年擴大，許多過去劃定的清潔區(qū)已不復(fù)存在。因此，瓷和玻璃絕緣子的直流污閃問題在我國更加突出；2)、瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，材料中的離子遷移使絕緣子的機電性能下降；3)、瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，沿面的泄漏電流致使金具產(chǎn)生電解腐蝕，降低了絕緣子的機械強度。
復(fù)合絕緣子之于前兩種絕緣子，克服了諸多缺陷，從60年代開始發(fā)展，我國電網(wǎng)于20世紀(jì)80年代開始使用復(fù)合絕緣子。盡管我國起步較晚，但在吸取國外經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，高起步，一開始就研究高硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子，它是由金屬附件、環(huán)氧樹脂芯棒和有機材料組合而成。復(fù)合絕緣子大都采用硅橡膠材料，其具有耐高低、溫、耐紫外線、優(yōu)良的防污性能等優(yōu)點。但存在耐電痕化和耐蝕損性能以及老化性能較差，以及防護性能較差等缺陷，在直流電壓下傘套材料的耐電蝕損問題、老化問題更為突出，這些缺陷導(dǎo)致使其難以長期安全運行。
綜上所述，現(xiàn)有的幾種直流輸電絕緣子，不能兼得具有防污、電蝕損、抗腐蝕和抗老化等性能，為此，積極開展直流合成絕緣子材料的研究，不僅具有很強的工程背景，而且對于推動我國電力工業(yè)的科技進步、趕超世界先進水平也有很大意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種直流輸電用聚合晶硅絕緣子材料及其制備方法和應(yīng)用，解決現(xiàn)有技術(shù)中幾種直流輸電絕緣子不能兼得具有防污、電蝕損、抗腐蝕和抗老化等性能直流輸電絕緣子的技術(shù)問題。
本發(fā)明根據(jù)共混理論和高聚物相似相容的機理，將聚乙烯、聚丙烯結(jié)構(gòu)相似，溶解度參數(shù)接近，具有鏈段擴散能力或兩相界面結(jié)合良好的聚合物，輔以硅酮、紫外光吸收劑、酚醛膠乳共混，組成具有良好工藝性能和機械性能的高聚物共混體。
本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：
直流輸電用聚合晶硅絕緣子材料，該聚合金硅絕緣子材料的原料包括酚醛膠乳、硅酮、聚乙烯、聚丙烯和紫外光吸收劑。按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算，所述聚乙烯占65％-80％、聚丙烯占15％-30％、硅酮占3％-8％、酚醛膠乳占0.2％-0.8％、紫外光吸收劑占0.3％-0.6％。
聚丙烯和聚乙烯共混，高密度聚乙烯和聚丙烯材料具有優(yōu)良的介電性能，體積電阻可達1015～1020mω，具有良好機械性能，尤其聚丙烯的拉伸強度比高密度聚乙烯更高，但前者耐寒性能優(yōu)異，冷脆溫度為-70℃，而聚丙烯耐低溫沖擊較差，因而采用兩種高聚物共混的改性聚合物，增強聚合晶硅絕緣子材料的耐酸、耐堿性能，即體現(xiàn)了母材的良好性能又改善了彌補了母材性能的不足；加入酚醛膠乳提高了聚合晶硅絕緣子材料的結(jié)合力和耐受性；加入硅酮，提升了聚合晶硅材料的加工流動性質(zhì)和脫模性能，降低了扭矩，減少了設(shè)備磨損，明顯降低摩擦系數(shù)，改善表面光澤，增進表面絲質(zhì)觸感，提高阻燃性能；加入紫外光吸收劑后，提高抗老化等性能。
該聚合晶硅材料具有良好的介電性能和介損性能，介電常數(shù)為2.3—2.6，介損常數(shù)為3.8×10-4—5.0×10-4，具有良好耐的絕緣性能。瓷和玻璃絕緣子在直流電場作用下，材料中的離子遷移使絕緣子的機電性能下降，而聚合晶硅絕緣子的平均工作場強僅為盤形懸式瓷和玻璃絕緣子材質(zhì)工作場強的1/10左右，因此在高場強下離子遷移損壞問題對于聚合晶硅絕緣子可能不成為問題。
進一步改進，所述聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為10萬～20萬，硅酮的重均分子量為1000-1500。在該范圍內(nèi)，制得的多相結(jié)構(gòu)共混體具有更加優(yōu)異的機械性能，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、一致性更好。
進一步改進，所述紫外光吸收劑為水楊酸苯脂、uv-p或uv-531中的一種，通過加入紫外光吸收劑后，聚合晶硅絕緣子材料制成的絕緣子能夠在長期暴曬下不遭破壞，具有良好的抗老化性能。
上述直流輸電用聚合晶硅絕緣子材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟一、將天然乳膠加水稀釋至質(zhì)量比為60％后倒入熟成酚醛樹脂液中，并攪拌均勻，然后在室溫下靜置12小時，制得酚醛膠乳，其中膠乳與酚醛樹脂液的質(zhì)量比為1～2:3；酚醛樹脂液為現(xiàn)有產(chǎn)品，從揚子石化購購得；
步驟二、將硅酮、紫外光吸收劑、聚乙烯和聚丙烯分別在60-80℃的溫度中干燥24小時，將干燥處理后的硅酮、紫外光吸收劑、聚乙烯和聚丙烯的與酚醛膠乳混合，并在60℃-110℃下攪拌，得到混合物，攪拌速度為1500-2500轉(zhuǎn)/分鐘；
步驟三、將步驟二得到的混合物在70-100℃的溫度中干燥5-8分鐘；
步驟四、將干燥處理后的混合物放入造粒機中進行擠出造粒，形成聚合晶硅材料，擠出溫度為165-230℃，使混合物熔化，擠出壓力為10-30mpa，擠出速度為8-12mm/s，保持?jǐn)D出效率。
進一步改進，所述造粒機包括擠出機、冷卻槽和切粒機，擠出機采用雙螺桿，雙螺桿的外圍沿其長度方向設(shè)置有十段獨立控制的加熱電偶，加熱電偶的外圍設(shè)置有冷卻套，冷卻套中有冷卻水。擠出機擠出的熔融狀態(tài)的料經(jīng)冷卻槽中的水冷卻后進入切粒機中造粒。造粒機工作時，十段加熱電偶均處于工作狀態(tài)，因為雙螺桿的長度較長，需要多個熱電偶沿雙螺桿長度方向布置，且同時工作才能使雙螺桿均熱加熱，保證混合料被均勻加熱，順利擠出。
上述直流輸電用聚合晶硅絕緣子材料，用于制造直流輸電絕緣子。采用該聚合晶硅絕緣子材料制成的絕緣子，既能滿足傳統(tǒng)絕緣子絕緣特性，機械性能要求又能滿足壽命要求，又能解決在直流電壓下傘套材料的耐電蝕損問題、老化問題具有防污自潔功能，其性價比高、節(jié)能環(huán)保、無污染、產(chǎn)品到達壽命期后可回收再利用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
聚丙烯和聚乙烯共混，可以增強聚合晶硅絕緣子材料的耐酸、耐堿性能，又能增加其內(nèi)應(yīng)力；而加入硅酮，提升了聚合晶硅材料的加工流動性質(zhì)和脫模性能，降低了扭矩，減少了設(shè)備磨損，明顯降低摩擦系數(shù)，改善表面光澤，增進表面絲質(zhì)觸感，提高阻燃性能；加入紫外光吸收劑后，提高了抗老化等性能。因此采用該聚合晶硅絕緣子材料制成的絕緣子，既能滿足傳統(tǒng)絕緣子電氣特性、機械性能要求又能滿足壽命要求，又能解決在直流電壓下傘套材料的耐電蝕損問題、老化問題具有防污自潔功能，其性價比高、節(jié)能環(huán)保、無污染、產(chǎn)品到達壽命期后可回收再利用。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的和技術(shù)方案更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。
實施例1：
將1kg天然乳膠用水稀釋至質(zhì)量比為60％，然后倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，并攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，制得酚醛膠乳；取經(jīng)過60℃、24小時干燥處理的3kg硅酮、0.3kg紫外光吸收劑水楊酸苯脂、65kg聚乙烯和15kg聚丙烯與0.2kg酚醛膠乳共混并進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為1500轉(zhuǎn)/分鐘，溫度60℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為10萬～13萬，硅酮的重均分子量為1000-1200。將混合物原料放入潔凈的干燥桶中烘干，干燥溫度為70℃進入烘干機中干燥5分鐘。將干燥處理后的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為165℃，擠出壓力為10mpa，擠出速度為8mm/s；將擠出的料進行冷卻、風(fēng)干，然后造粒，形成聚合晶硅材料a。
實施例2：
將1.5kg天然乳膠用水稀釋至質(zhì)量比為60％，然后倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，并攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，制得酚醛膠乳；取經(jīng)過70℃、24小時干燥處理的5.5kg硅酮、0.45kg紫外光吸收劑uv-531、72.5kg聚乙烯和22.5kg聚丙烯與0.5kg酚醛膠乳共混并進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為2000轉(zhuǎn)/分鐘，溫度85℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為14萬～18萬，硅酮的重均分子量為1100-1400。將混合物原料放入潔凈的干燥桶中烘干，干燥溫度為85℃進入烘干機中干燥6.5分鐘。將干燥處理后的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為180℃，擠出壓力為20mpa，擠出速度為10mm/s；將擠出的料進行冷卻、風(fēng)干，然后造粒，形成聚合晶硅材料b。
實施例3：
將1.7kg天然乳膠用水稀釋至質(zhì)量比為60％，然后倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，并攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，制得酚醛膠乳；取經(jīng)過80℃、24小時干燥處理的6.5kg硅酮、0.5kg紫外光吸收劑uv-531、78kg聚乙烯和20kg聚丙烯與0.7kg酚醛膠乳共混并進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為2500轉(zhuǎn)/分鐘，溫度100℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為12萬～15萬，硅酮的重均分子量為1100-1400。將混合物原料放入潔凈的干燥桶中烘干，干燥溫度為80℃進入烘干機中干燥8分鐘。將干燥處理后的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為200℃，擠出壓力為20mpa，擠出速度為10mm/s；將擠出的料進行冷卻、風(fēng)干，然后造粒，形成聚合晶硅材料c。
實施例4：
將2kg天然乳膠用水稀釋至質(zhì)量比為60％，然后倒入3kg熟成酚醛樹脂液中，并攪拌，使其混合均勻，在室溫下停放12小時，制得酚醛膠乳；取經(jīng)過80℃、24小時干燥處理的8kg硅酮、0.6kg紫外光吸收劑uv-p、80kg聚乙烯和30kg聚丙烯與0.8kg酚醛膠乳共混并進行高速、高溫攪拌，進行生成混合物原料，拌速度為2500轉(zhuǎn)/分鐘，溫度110℃，聚丙烯、聚乙烯的重均分子量均為16萬～20萬，硅酮的重均分子量為1200-1500。將混合物原料放入潔凈的干燥桶中烘干，干燥溫度為100℃進入烘干機中干燥8分鐘。將干燥處理后的混合物放入造粒機中擠出造粒，擠出溫度為230℃，擠出壓力為30mpa，擠出速度為12mm/s；將擠出的料進行冷卻、風(fēng)干，然后造粒，形成聚合晶硅材料d。
性能測試：
1、對上述絕緣子材料a、b、c進行機械性能、耐漏電起痕電蝕損性能測試，其中，拉伸強度和扯斷伸長率的測試方法參考gb/t1040.2/1a-2006，耐漏電起痕評級tma的測試方法參考gb/t6553-2014，擊穿電壓的測試方法參考gb/t1408.1-2006，邵氏硬度的測試方法參考gb/t2411-1980，加速天候老化外觀的測試方法參考gb/t16422.2-1999，摩擦系數(shù)的測試方法參考gb/t3960-1983(1989)測試結(jié)果見表1：
表1：
從測試結(jié)果可以得出：上述聚合晶硅絕緣子材料都具有較高的拉伸強度和扯斷伸長率，機型性能良好；經(jīng)0.1％nacl的去離子水浸泡42小時后硬度變化率小，具有良好的抗老化性能；經(jīng)過強酸、強堿試浸泡，外觀無變化，具有良好耐酸性能和耐堿性能；通過擊穿電壓、介電常數(shù)的測試值能夠體現(xiàn)出，聚合晶硅絕緣子材料具有抗電擊穿性能強。即設(shè)定的工藝條件范圍內(nèi)生產(chǎn)的聚合晶硅絕緣子材料的機械性能、抗腐蝕以及絕緣性能均在設(shè)計控制范圍內(nèi)，且生產(chǎn)工藝可靠性強，能滿足批量生產(chǎn)需求。
2.向上述聚合晶硅絕緣子材料a、b、c、d中分別加入占其總量0.2％的表面活性劑硬脂酸、0.2％的增稠劑甲基纖維素和0.4％的增塑劑鄰苯二甲酸酯，并在混料機中混合，然后控制注塑機溫度為210℃、壓力為105mpa，然后將聚合晶硅材料分別加入注塑機的儲料桶中進行加熱，待聚合晶硅材料熔融后向絕緣子模具中注塑，注塑速度20mm/s，注塑時間為15s，保持模具中的壓強為100pa，進行冷卻，保壓冷卻時間時間為50s，最后開模，形成聚合晶硅絕緣子產(chǎn)品，產(chǎn)品成型后表面光滑，無水紋，密度大，無縮水，去掉產(chǎn)品咬口、毛邊，制得直流輸電聚合晶硅絕緣子，分別記為絕緣子產(chǎn)品a、b、c，然后對絕緣子產(chǎn)品按gb/t775.2-2003的方法進行性能測試，其性能檢測數(shù)據(jù)與國標(biāo)(gb/t19519-2014)同等級硅橡膠復(fù)合絕緣子進行比較，測試結(jié)果表2：
表2:
從測試結(jié)果表2可以看出，采用本發(fā)明所述的聚合晶硅絕緣子材料制得的絕緣子，工頻濕耐受電壓、雷電沖擊耐受電以及抗破壞性能強高于同等級的國標(biāo)硅橡膠復(fù)合絕緣子、瓷和玻璃絕緣子；通過加入硅酮，提升了聚合晶硅材料的加工流動性質(zhì)和脫模性能，降低了扭矩，減少了設(shè)備磨損，明顯降了低聚合晶硅絕緣子的摩擦系數(shù)，改善表面光澤，使其表面不易產(chǎn)生污穢，防污性能強，不易發(fā)生污閃。
因此，通過上述試驗結(jié)果表明該聚合晶硅絕緣子可以在直流電壓下使用。
本發(fā)明中未做特別說明的均為現(xiàn)有技術(shù)或者通過現(xiàn)有技術(shù)即可實現(xiàn)，而且本發(fā)明中所述具體實施案例僅為本發(fā)明的較佳實施案例而已，并非用來限定本發(fā)明的實施范圍。即凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)作為本發(fā)明的技術(shù)范疇。