CN116640005A - 一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及绝缘子技术领域，具体为一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子及其制备方法，包括氧化铝基体和表面涂层；所述表面涂层的制备原料包括：纳米氧化铝、过渡金属氧化物、低熔点金属、助烧剂、石墨烯‑二硫化钼纳米复合材料、二氧化钛溶胶，本发明所制备的抗污瓷绝缘子具有优异的抗污性能和良好的防污闪性能。
Description
技术领域
本发明绝缘子技术领域，具体为一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子及其制备方法。
背景技术
高压直流输电是利用稳定的直流电具有无感抗，容抗也不起作用，无同步问题等优点而采用的大功率远距离直流输电，相比较交流输电，直流输电更高的输电电压使得绝缘子等外绝缘设备的重要性愈加突出，如果超高压直流输电线路中绝缘子发生污闪，将造成较大的经济损失和社会影响。
纳米二氧化钛涂层由于可以在紫外光照射下具有光催化性能，因而通过在瓷绝缘子表面涂敷一层纳米二氧化钛涂层，通过光照即能使附着在绝缘子表面的污秽氧化分解而不易在表面牢固附着，在外部风力、水淋冲刷或者重力等的作用下，会自动从绝缘子表面剥落，实现绝缘子抗污性能的提高，是解决绝缘子污闪事故的有效方法之一，也是目前的研究热点之一。
发明内容
发明目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子及其制备方法。
所采用的技术方案如下：
一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，包括氧化铝基体和表面涂层；所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝、过渡金属氧化物、低熔点金属、助烧剂、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料、二氧化钛溶胶。
进一步地，以重量份数计，所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝20-30份、过渡金属氧化物5-10份、低熔点金属0.5-1份、助烧剂1-3份、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料1-2份、二氧化钛溶胶60-80份。
进一步地，所述过渡金属氧化物为氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌、氧化钪中的任意一种或多种，所述过渡金属氧化物优选为氧化锰和氧化钪，所述氧化锰和氧化钪的重量比优选为1-5：1-5。
进一步地，所述低熔点金属为铟、锂、铋中的任意一种或多种，优选为铟。
进一步地，所述助烧剂为Bi-B-Si无铅玻璃粉。
进一步地，所述石墨烯-二硫化钼纳米复合材料的制备方法如下：
将钼酸铵和硫化钠加入到氧化石墨烯分散液中，超声振荡处理后，再加入水合肼，密闭升温至160-180℃水热反应24-48h，恢复室温后过滤，用乙醇和水洗涤后干燥即可。
进一步地，所述二氧化钛溶胶的制备方法如下：
钛醇盐、酸、乙醇混合均匀得到第一溶液，将稀土硝酸盐、分散剂溶于水得到第二溶液，将所述第二溶液加入到所述第一溶液中并混合均匀，并于30-40℃陈化处理30-60min，即可获得所述二氧化钛溶胶。
具体的，钛醇盐是指其分子结构中至少含有一个Ti-O-C键的一类化合物，选自钛酸异丙酯或钛酸四丁酯；
具体的，酸选自硝酸、硫酸、盐酸、醋酸；
进一步地，所述稀土硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸钐或硝酸铕中的任意一种或多种，优选为硝酸铕。
本发明还提供了一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法：
在惰性气体保护下，将纳米氧化铝、过渡金属氧化物、低熔点金属、助烧剂、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料混合球磨后加入到二氧化钛溶胶中得到混合溶胶，使用提拉、刷涂或旋涂中的任意一种方式将所述混合溶胶涂覆于氧化铝基体表面，先50-80℃真空干燥10h，再置于含氧量大于21％的环境中，10-20min内升温至250-300℃，保温1-4h后，再升温至1380-1420℃烧结1-2h，冷却至室温后再升温至480-500℃保温1-2h，最后冷却至室温即可。
进一步地，球磨采用行星式球磨机，球磨转速为100-300r/min，球磨时间大于10h。
本发明的有益效果：过渡金属氧化物能够阻碍晶粒生长，促进涂层的致密化和细晶结构的形成，还可以与纳米氧化铝形成玻璃相，烧结时与氧化铝基体中组成相同的玻璃相相互扩散，促进表面涂层与氧化铝基体间的牢固结合，铟在较低温度下能够熔化并渗透在陶瓷粒子之间，很好的润湿表面改善结合性能，且氧化后形成的氧化铟与过渡金属氧化物一起提高了绝缘子的防污闪性能，通过稀土对具有光催化性质的二氧化钛进行掺杂改性，再引入石墨烯-二硫化钼纳米复合材料，使得二氧化钛的光生电子更容易转移到石墨烯-二硫化钼纳米复合材料的表面，减缓了光生电子和空穴复合的速率，如果没有石墨烯-二硫化钼纳米复合材料的存在，二氧化钛的光生电子会快速与空穴复合，到底光催化活性的降低，本发明选用纳米氧化铝、过渡金属氧化物、低熔点金属、助烧剂、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料、二氧化钛溶胶作为抗污瓷绝缘子的表面涂层成分，通过优化组合，使最终制备的抗污瓷绝缘子具有优异的抗污性能和良好的防污闪性能。
具体实施方式
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。本发明未提及的技术均参照现有技术，除非特别指出，以下实施例和对比例为平行试验，采用同样的处理步骤和参数。
纳米氧化铝：郑州锦仲新材料科技有限公司；
氧化锰：清河县拓普金属材料有限公司；
氧化钪：清河县拓普金属材料有限公司；
铟粉：清河县拓普金属材料有限公司；
Bi-B-Si无铅玻璃粉：PM-600型，西安信征电子材料有限责任公司；
石墨烯-二硫化钼纳米复合材料：自制；
二氧化钛溶胶：自制。
实施例1：
一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，包括氧化铝基体和表面涂层；
以重量份数计，所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝28份、氧化锰2.5份、氧化钪5份、铟粉1份、Bi-B-Si无铅玻璃粉2份、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料1.5份、二氧化钛溶胶70份。
其中，石墨烯-二硫化钼纳米复合材料的制备方法如下：
将20g钼酸铵和20g硫化钠加入到500mL氧化石墨烯分散液(20mg/mL)中，超声振荡处理1h后，转移至水热反应釜中，再加入40mL水合肼，搅拌均匀后，密闭升温至175℃水热反应24h，恢复室温后过滤，用乙醇和水各洗涤3次后真空干燥至恒重即可。
二氧化钛溶胶的制备方法如下：
将172.8mL钛酸四丁酯、30mL硝酸、650mL乙醇混合均匀得到第一溶液，将2.23g六水硝酸铕、分散剂聚乙二醇400溶于100mL水得到第二溶液，将第二溶液滴加入到第一溶液中，滴加时间15min，滴加完毕后混合均匀，于40℃陈化处理60min，即可获得二氧化钛溶胶。
上述直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法：
在氩气保护下，将纳米氧化铝、氧化锰、氧化钪、铟粉、Bi-B-Si无铅玻璃粉、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料混合球磨，球磨采用行星式球磨机，球磨转速为150r/min，球磨介质为乙醇，球磨时间为12h，球磨结束后干燥，再加入到二氧化钛溶胶中得到混合溶胶，使用提拉法将混合溶胶涂覆于氧化铝基体表面，然后先置于真空干燥箱中60℃真空干燥10h，再置于氧气、氮气1：1的环境中加热，先在15min内升温至280℃，保温2h后，再升温至1400℃烧结2h，冷却至室温后再升温至480℃保温1h，最后再冷却至室温即可。
实施例2：
一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，包括氧化铝基体和表面涂层；
以重量份数计，所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝30份、氧化锰5份、氧化钪5份、铟粉1份、Bi-B-Si无铅玻璃粉3份、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料2份、二氧化钛溶胶80份。
其中，石墨烯-二硫化钼纳米复合材料和二氧化钛溶胶的制备方法同实施例1。
上述直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法：
在氩气保护下，将纳米氧化铝、氧化锰、氧化钪、铟粉、Bi-B-Si无铅玻璃粉、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料混合球磨，球磨采用行星式球磨机，球磨转速为150r/min，球磨介质为乙醇，球磨时间为12h，球磨结束后干燥，再加入到二氧化钛溶胶中得到混合溶胶，使用提拉法将混合溶胶涂覆于氧化铝基体表面，然后先置于真空干燥箱中80℃真空干燥10h，再置于氧气、氮气1：1的环境中加热，先在20min内升温至300℃，保温4h后，再升温至1420℃烧结2h，冷却至室温后再升温至500℃保温2h，最后再冷却至室温即可。
实施例3：
一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，包括氧化铝基体和表面涂层；
以重量份数计，所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝20份、氧化锰2.5份、氧化钪2.5份、铟粉0.5份、Bi-B-Si无铅玻璃粉1份、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料1份、二氧化钛溶胶60份。
其中，石墨烯-二硫化钼纳米复合材料和二氧化钛溶胶的制备方法同实施例1。
上述直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法：
在氩气保护下，将纳米氧化铝、氧化锰、氧化钪、铟粉、Bi-B-Si无铅玻璃粉、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料混合球磨，球磨采用行星式球磨机，球磨转速为150r/min，球磨介质为乙醇，球磨时间为12h，球磨结束后干燥，再加入到二氧化钛溶胶中得到混合溶胶，使用提拉法将混合溶胶涂覆于氧化铝基体表面，然后先置于真空干燥箱中50℃真空干燥10h，再置于氧气、氮气1：1的环境中加热，先在10min内升温至250℃，保温1h后，再升温至1380℃烧结1h，冷却至室温后再升温至480℃保温1h，最后再冷却至室温即可。
实施例4：
一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，包括氧化铝基体和表面涂层；
以重量份数计，所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝30份、氧化锰2.5份、氧化钪5份、铟粉0.5份、Bi-B-Si无铅玻璃粉3份、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料1份、二氧化钛溶胶80份。
其中，石墨烯-二硫化钼纳米复合材料和二氧化钛溶胶的制备方法同实施例1。
上述直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法：
在氩气保护下，将纳米氧化铝、氧化锰、氧化钪、铟粉、Bi-B-Si无铅玻璃粉、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料混合球磨，球磨采用行星式球磨机，球磨转速为150r/min，球磨介质为乙醇，球磨时间为12h，球磨结束后干燥，再加入到二氧化钛溶胶中得到混合溶胶，使用提拉法将混合溶胶涂覆于氧化铝基体表面，然后先置于真空干燥箱中50℃真空干燥10h，再置于氧气、氮气1：1的环境中加热，先在20min内升温至250℃，保温4h后，再升温至1380℃烧结2h，冷却至室温后再升温至480℃保温2h，最后再冷却至室温即可。
实施例5：
一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，包括氧化铝基体和表面涂层；
以重量份数计，所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝20份、氧化锰5份、氧化钪2.5份、铟粉1份、Bi-B-Si无铅玻璃粉1份、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料2份、二氧化钛溶胶60份。
其中，石墨烯-二硫化钼纳米复合材料和二氧化钛溶胶的制备方法同实施例1。
上述直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法：
在氩气保护下，将纳米氧化铝、氧化锰、氧化钪、铟粉、Bi-B-Si无铅玻璃粉、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料混合球磨，球磨采用行星式球磨机，球磨转速为150r/min，球磨介质为乙醇，球磨时间为12h，球磨结束后干燥，再加入到二氧化钛溶胶中得到混合溶胶，使用提拉法将混合溶胶涂覆于氧化铝基体表面，然后先置于真空干燥箱中80℃真空干燥10h，再置于氧气、氮气1：1的环境中加热，先在10min内升温至300℃，保温1h后，再升温至1420℃烧结1h，冷却至室温后再升温至500℃保温1h，最后再冷却至室温即可。
对比例1：
与实施例1基本相同，区别在于，不加入铟粉。
对比例2：
与实施例1基本相同，区别在于，用等重量的市售氧化铟代替铟粉。
对比例3：
与实施例1基本相同，区别在于，不加氧化锰和氧化钪。
对比例4：
与实施例1基本相同，区别在于，不加石墨烯-二硫化钼纳米复合材料。
对比例5：
与实施例1基本相同，区别在于，用等重量的市售石墨烯代替石墨烯-二硫化钼纳米复合材料。
对比例6：
与实施例1基本相同，区别在于，二氧化钛溶胶制备时不加入六水硝酸铕。
性能测试：
取实施例1-5及对比例1-6中制备的抗污瓷绝缘子作为试样进行性能测试；
①将试样分别加入到100mL甲基橙溶液(40mg/L)中进行光催化降解实验，溶液表面处可见光光强为10mW/cm2。在降解过程中每隔30min取样一次，每次取样5mL，用TU-1901紫外-可见光分光光度计测定其吸光度以分析甲基橙浓度的变化，然后根据吸光度的变化值计算得到光催化降解率，2h光催化降解率见表1；
②用球磨法将氯化钠、粒径2000目的硅藻土按质量比为1：5混合均匀，并在积污前放入120℃烘箱中烘干30min，以除去其从空气中吸收的水分得到污秽物，称量试样质量，将试样放置于人工积污箱中，启动高压电源，使试样处于场强为0.7kV/cm的电场中，启动空压机形成负压，将污秽物吸至人工积污箱，呈雾状吹出，自然沉降，每次积污时，污秽物质量为12g，每种试样均积污5次，关闭高压电源后取出试样，将试样边缘及背面污秽擦掉，称量试样质量，试样积污前后质量差即为积污量；
③用球磨法将氯化钠、粒径2000目的硅藻土、水按质量比为1：5：15混合均匀，采用定量涂刷方式，分别对试样进行均匀涂污，然后在实验室搭建的人工超声雾试验箱对试样进行润湿，试验所用的水为去离子水，电导率为12.68μS/cm，试验电源为600kV/0.5A可控硅双反馈倍压整流直流试验电源，在泄漏电流为0.5A时，其动态压降小于5％，闪络时电压的纹波系数小于3％，满足IEC标准和国家标准和对直流污秽试验的电源要求，电极采用圆柱电极，试验步骤为：将涂污后的试样水平放置于人工超声雾试验箱，开启超声雾发生器，以15.86mL/(m3·min)的雾化量持续供雾，打开高压电源，在两个圆电极间施加200kV直流电压，即在直流电场下润湿，持续10min，以5kV/s的速度匀速升压，直至试样表面发生闪络，记录闪络电压，即加压过程中出现的最高电压值，每种试样重复3次试验后取平均值，结果见表1；
表1：
由上表1可知，本发明所制备的抗污瓷绝缘子具有优异的抗污性能和良好的防污闪性能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，包括氧化铝基体和表面涂层；
所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝、过渡金属氧化物、低熔点金属、助烧剂、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料、二氧化钛溶胶。
2.如权利要求1所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，以重量份数计，所述表面涂层的制备原料包括：
纳米氧化铝20-30份、过渡金属氧化物5-10份、低熔点金属0.5-1份、助烧剂1-3份、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料1-2份、二氧化钛溶胶60-80份。
3.如权利要求1所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，所述过渡金属氧化物为氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌、氧化钪中的任意一种或多种，所述过渡金属氧化物优选为氧化锰和氧化钪，所述氧化锰和氧化钪的重量比优选为1-5：1-5。
4.如权利要求1所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，所述低熔点金属为铟、锂、铋中的任意一种或多种，优选为铟。
5.如权利要求1所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，所述助烧剂为Bi-B-Si无铅玻璃粉。
6.如权利要求1所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，所述石墨烯-二硫化钼纳米复合材料的制备方法如下：
将钼酸铵和硫化钠加入到氧化石墨烯分散液中，超声振荡处理后，再加入水合肼，密闭升温至160-180℃水热反应24-48h，恢复室温后过滤，用乙醇和水洗涤后干燥即可。
7.如权利要求1所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，所述二氧化钛溶胶的制备方法如下：
钛醇盐、酸、乙醇混合均匀得到第一溶液，将稀土硝酸盐、分散剂溶于水得到第二溶液，将所述第二溶液加入到所述第一溶液中并混合均匀，并于30-40℃陈化处理30-60min，即可获得所述二氧化钛溶胶。
8.如权利要求7所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子，其特征在于，所述稀土硝酸盐为硝酸镧、硝酸铈、硝酸钐或硝酸铕中的任意一种或多种，优选为硝酸铕。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，在惰性气体保护下，将纳米氧化铝、过渡金属氧化物、低熔点金属、助烧剂、石墨烯-二硫化钼纳米复合材料混合球磨后加入到二氧化钛溶胶中得到混合溶胶，使用提拉、刷涂或旋涂中的任意一种方式将所述混合溶胶涂覆于氧化铝基体表面，先50-80℃真空干燥10h，再置于含氧量大于21％的环境中，10-20min内升温至250-300℃，保温1-4h后，再升温至1380-1420℃烧结1-2h，冷却至室温后再升温至480-500℃保温1-2h，最后冷却至室温即可。
10.如权利要求9所述的直流超高压输电线路用抗污瓷绝缘子的制备方法，其特征在于，球磨采用行星式球磨机，球磨转速为100-300r/min，球磨时间大于10h。
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