CN117116576B - 原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法及装置，所述制备方法包括将环氧树脂、固化剂、促进剂、硅烷偶联剂及功能填料混合得到复合绝缘涂料；将复合绝缘涂料涂覆于绝缘基材表面，在交流电场作用下将复合绝缘涂料在绝缘基材表面进行第一次固化；撤去交流电场，将复合绝缘涂料在绝缘基材表面进行第二次固化以在绝缘基材表面形成高电导率非线性系数涂层。本发明所提出的涂层制备方法可以使低填料浓度的绝缘涂层拥有较高的非线性电导系数，在绝缘表面有效均匀电场和调控电荷聚散，提高绝缘材料沿面耐电强度。

Description

原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法及装置

技术领域

本发明涉及绝缘涂层制备技术领域，特别涉及一种原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法及装置。

背景技术

随着特高压直流输电技术的迅速发展，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)以其占地面积小、运行可靠性高等突出优点得到了广泛关注。但在长期单极性直流电场作用下，带电粒子会沿同一方向定向运动并不断积聚于气-固绝缘界面，从而畸变绝缘表面局部电场分布，极易引发沿面闪络事故，严重限制了设备绝缘等级。提高绝缘子沿面耐电强度可有助于推动高压直流电气绝缘设备的研发和应用。

绝缘材料表面涂覆被认为是一种有潜力进行工业应用的电荷与电场调控方法，尤其是以碳化硅/环氧等为代表的非线性电导功能材料涂覆近年来广受关注。非线性电导特性的体现有助于均匀绝缘子表面电场分布并加速电荷沿面消散，进而抑制表面电荷积聚，提高绝缘子沿面耐受特性。但聚合物基体中功能填料的掺杂浓度会影响非线性电导涂料的实际应用效果，以碳化硅掺杂环氧的复合材料为例：在较低掺杂浓度下，复合材料难以表现出稳定的非线性电导特性，而较高的掺杂浓度又会带来涂料制备过程中均匀分散困难，涂层与绝缘基材长期结合力下降，以及成品试样机械强度不足等问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明在复合绝缘涂料固化过程中外施原位交流电场，使功能填料沿电场方向有序排列成链直至固化完成。相同掺杂浓度下，相比填料随机分布的复合绝缘涂层，具有微粒有序排列结构的涂层沿电场方向可以表现出更好的非线性电导特性，更有效地均匀直流条件下气-固界面电场分布，抑制电荷积聚。通过调控原位电场的频率、幅值、施压时间等参数可调控固化后复合涂层的非线性电导系数，从而改善非线性电导功能涂料的电场与电荷调控效果，进一步提高其气-固绝缘直流沿面耐受性能。

为了实现上述目的，本发明提供了原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法，包括，

将复合绝缘涂料涂覆于绝缘基材表面，在交流电场作用下将复合绝缘涂料在绝缘基材表面进行第一次固化；

撤去交流电场，将复合绝缘涂料在绝缘基材表面进行第二次固化以在绝缘基材表面形成高电导率非线性系数涂层。

进一步地，所述复合绝缘涂料由环氧树脂、固化剂、促进剂、硅烷偶联剂及功能填料混合得到。

进一步地，所述复合绝缘涂料制备具体包括，

按质量比80～120：70～90：0.5～1：0.4～17：8～340，得到环氧树脂、固化剂、促进剂、硅烷偶联剂及功能填料；

将所述硅烷偶联剂分散于无水乙醇，随后加入环氧树脂和功能填料混合均匀后挥发无水乙醇得到混合液体；

将混合液体中加入固化剂和促进剂混合均匀后脱气得到复合绝缘涂料。

进一步地，所述环氧树脂为E51；所述固化剂为甲基六氢苯酐；所述促进剂为苯酚；所述硅烷偶联剂为KH550；所述功能填料为0.1～100μm的碳化硅、氧化锌、炭黑、氧化石墨烯、碳纤维、碳纳米管和石墨中的一种或多种的复合。

进一步地，所述第一次固化为进行两个阶段的固化，

第一阶段在80～100℃保温1～3h；

第二阶段在100～120℃保温0.2～1h。

进一步地，所述第二次固化在100～120℃保温9～10h。

进一步地，所述交流电场的强度为50～1000V/mm，交流频率由功能填料和绝缘基材的CM因子确定。

本发明也提供了一种高电导率非线性系数涂层，采用上述的方法制备而成。

本发明还提供了实现上述的方法的装置，包括第一夹板、绝缘隔离板、绝缘基材、反应板、第二夹板、电极和固定件；

所述反应板包括注液口、排气口、涂料凹槽和电极预留槽，所述注液口和所述排气口均设置于所述反应板的一侧，所述电极预留槽设置于所述反应板的另一侧，所述涂料凹槽设置于所述反应板的上方，所述涂料凹槽与所述电极预留槽、所述注液口和所述排气口相通；

所述绝缘基材的横截面积大于所述涂料凹槽的底面积；

所述第一夹板、所述绝缘隔离板、所述反应板和所述第二夹板上设置有相通的螺纹孔，所述固定件上有与所述螺纹孔相配合的螺纹，通过螺纹配合将所述固定件将所述第一夹板、所述绝缘隔离板、所述绝缘基材、所述反应板和所述第二夹板由上至下组合，随后从注液口倒入复合绝缘涂料后转移至烘箱加热，使用电极在所述涂料凹槽提供交流电场。

进一步地，所述电极预留槽的深度小于所述涂料凹槽的深度；

所述反应板还包括内置加热器。

相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

(1)本发明利用原位交流电场驱动功能填料微粒在环氧树脂基体中沿电场方向排列成链，进而获得相同掺杂浓度下具有更高非线性电导系数的绝缘涂层。避免了高浓度填料掺杂所带来的技术难度和性能降低。此外，更低的掺杂浓度也意味着更少的原料，使得涂层制备这一方法更为经济。

(2)本发明提出的在固化过程中对液体涂料外施原位交流电场这一方法，对于掺杂微粒的要求较低，且电场的调控更为灵活，适用性广，成本较低，具有良好的应用前景。

(3)本发明中采用的固化模具需同时满足高温固化、外施交流电场、密封液体涂料的要求。因此所选绝缘材料具有较高的机械强度，不易变形且导热性良好，同时粗糙度低、易于加工，满足作为高温固化模具的需求，且其作为绝缘材料可以与电极组装，构建合适的电场。以该材料为载体所设计的夹板式模具还可同时满足液体浇注的密封性要求。

(4)本发明所提出的复合涂层形状及尺寸均由夹板式模具中的预留凹槽决定，可以通过改变凹槽形状尺寸，浇注出不同的绝缘涂层，形式灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明实施例1中原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备装置的结构示意图；

图2示出了本发明实施例2中原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法的流程图；

图3示出了碳化硅/环氧复合材料CM因子随交流频率的变化曲线；

图4示出了本发明实施例2中碳化硅微粒在原位交流电场作用下的链接表现；

图5示出了本发明实施例2制备的原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层的图片；

图6示出了本发明实施例2和对比例所得涂层的电导特性图；

图中：

1、第一夹板；2、绝缘隔离板；3、绝缘基材；4、反应板；41、涂料凹槽；42、注液口；43、排气口；44、电极预留槽；5、第二夹板；6、螺纹孔。

具体实施方式

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备装置，包括第一夹板1、绝缘隔离板2、绝缘基材3、反应板4、第二夹板5、电极和固定件；

所述反应板4包括、注液口42、排气口43、涂料凹槽41和电极预留槽44，所述注液口42和所述排气口43均设置于所述反应板4的一侧，所述电极预留槽44设置于所述反应板4的另一侧，所述涂料凹槽41设置于所述反应板4的上方，所述涂料凹槽41与所述电极预留槽44、所述注液口42和所述排气口43相通。

所述绝缘基材的横截面积大于所述涂料凹槽的底面积。

所述第一夹板1、所述绝缘隔离板2、所述反应板4和所述第二夹板5上设置有相通的螺纹孔6，所述固定件上有与所述螺纹孔6相配合的螺纹。所述固定件与螺纹孔6通过螺纹配合，从而将所述第一夹板1、所述绝缘隔离板2、所述绝缘基材3、所述反应板4和所述第二夹板5由上至下组合，组合时，所述第一夹板1、所述绝缘隔离板2、所述绝缘基材3、所述反应板4和所述第二夹板5的中心线对齐。组合后从注液口倒入复合绝缘涂料，然后转移至烘箱加热，使用电极在所述涂料凹槽提供交流电场，使得在述绝缘基材3上复合绝缘涂料在交流电场作用下进行第一次固化；随后撤去交流电场，进行第二次固化以在绝缘基材表面形成高电导率非线性系数涂层。

优选地，固定件为螺杆；

优选地，第一夹板1和第二夹板5的材质相同且都为不锈钢。

优选地，绝缘隔离板2和反应板4的材质相同且都为硬质绝缘材料。

优选地，绝缘基材3由绝缘的热固性材料浇注于的金属凹槽模具中固化脱模得到。固化条件为：先在90℃保温2h，随后在110℃保温10h。所得绝缘基材3的长宽高分别为30mm×30mm×3mm。

优选地，涂料凹槽41的长宽高分别为20mm×20mm×0.2mm；电极的厚度为0.1mm，两个电极间的距离为20mm；因此，制得的高电导率非线性系数涂层的厚度为0.3mm。

优选地，所述反应板还包括内置加热器，内置加热器可以为涂料凹槽中的复合绝缘涂料提供固化温度，从而无需将装置转移至烘箱进行加热。

实施例2

如图2所示，一种原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法，使用实施例1中的装置，包括以下的步骤：

步骤1、涂料与绝缘基材3制备

1.1、制备环氧基碳化硅聚合物绝缘涂料

(1)称取环氧树脂20g、甲基六氢苯酐16g、苯酚0.1g、5μm的碳化硅4.03g及硅烷偶联剂0.2g，将环氧树脂和碳化硅置于75℃烘箱烘干备用；

(2)将硅烷偶联剂溶于100g无水乙醇中，在60-65℃水浴中超声分散后加入碳化硅微粒，继续超声30min，同时进行400r/min的机械搅拌，然后加入环氧树脂，并在65℃油浴下搅拌充分混合，使环氧树脂和碳化硅微粒混合均匀并充分挥发混合液体中的乙醇得到混合液体a；

(3)向(2)所得混合液体a中加入甲基六氢苯酐、苯酚，继续在65℃油浴下搅拌，分散均匀后得到混合液体b；

(4)将(3)所得混合液体b转移至65℃真空烘箱脱气，同时进行机械搅拌，充分除去混合液体b中的气体，得到环氧基碳化硅聚合物绝缘涂料，此条件下碳化硅的质量占比为4.03/40.3＝10％，因此，本实施例中以碳化硅质量占比为10％计。

1.2、制备绝缘基材3

(1)按质量比100：80：0.5称取环氧树脂、固化剂、促进剂并混合，在65℃油浴下搅拌混合均匀，然后真空脱气得到环氧基液体材料；

(2)将(1)所得环氧基液体材料倒入金属凹槽模具中，金属凹槽模具的长宽高为30mm×30mm×3mm；随后在90℃保温2h，随后在110℃保温10h进行固化；

(3)脱模得到绝缘基材3。

步骤2、装配原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备装置

(1)将绝缘基材3擦拭干净后烘干，在反应板4上的电极预留槽44中粘贴两条导电胶带作为电极，电极的厚度为0.1mm，间距为20mm；

(2)将第一夹板1、绝缘隔离板2、绝缘基材3、反应板4和第二夹板5中心线对齐后使用螺杆进行固定，同时，电极从电极预留槽44伸出且连接交流电源。

步骤3、交流电场固化；

将环氧基碳化硅聚合物绝缘涂料从注液端注入至涂料凹槽41，使用电压幅值20kV的交流电压，电源频率的选取参见图3，考虑材料的介质损耗，选择1kHz作为电源频率，在交流电场的作用下将模具置于烘箱中，升至90℃保温2h，随后升温至110℃保温0.5h。

步骤4、高温固化

关闭交流电源，如图所示4所示，此时环氧基碳化硅聚合物绝缘涂料中的碳化硅微粒已完成对齐和链接，且撤压后微粒链不再溃散，继续温度110℃下保温9.5h完成固化。

步骤5、脱模

拆除螺杆，将绝缘基材3与反应板4分离，拆除电极，如图5所示，得到带有原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层的绝缘基材3。可以看出涂层表面光滑、涂覆均匀。

实施例3～实施例5

与实施例2基本相同，唯一区别之处在于：在步骤3的交流电场固化中使用电压幅值分别为1kV、5kV和10kV的交流电压；

结果表明这些涂层表面光滑、涂覆均匀，与实施例2所制备的涂层相比，在外观上无明显的区别。

对比例

与实施例2基本相同，唯一区别之处在于：交流电源一直处于关闭状态。

测试了实施例2和对比例得到的涂层的电导特性，结果如图6所示，可以看出施加原位电场诱导后所得的涂料在电场变化下展现出明显的非线性电导特性。

综上所述，本发明在复合绝缘涂料进行高温固化的过程中，外施交流电场，促使填料微粒沿电场方向排列成链。所得复合涂层在较低掺杂浓度时即表现出良好的非线性电导特性，可在有效调控绝缘材料表面电荷聚散特性、均匀电场分布的同时，避免高掺杂浓度所带来的填料均匀分散困难，涂层与基材长期结合力降低以及成品试样机械强度不足等问题。本发明所采取的方法，以交流电场作为填料微粒的控制场，更易调控，且适用性广，成本较低，具有良好的应用前景。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.原位电场诱导的高电导率非线性系数涂层制备方法，其特征在于，包括，

将复合绝缘涂料涂覆于绝缘基材表面，在交流电场作用下将复合绝缘涂料在绝缘基材表面进行第一次固化；

撤去交流电场，将复合绝缘涂料在绝缘基材表面进行第二次固化以在绝缘基材表面形成高电导率非线性系数涂层；

所述复合绝缘涂料由环氧树脂、固化剂、促进剂、硅烷偶联剂及功能填料混合得到；

所述复合绝缘涂料制备具体包括，

按质量比80~120：70~90：0.5~1：0.4~17：8~340，得到环氧树脂、固化剂、促进剂、硅烷偶联剂及功能填料；

将所述硅烷偶联剂分散于无水乙醇，随后加入环氧树脂和功能填料混合均匀后挥发无水乙醇得到混合液体；

将混合液体中加入固化剂和促进剂混合均匀后脱气得到复合绝缘涂料；

所述第一次固化为进行两个阶段的固化，

第一阶段在80~100℃保温1~3h；

第二阶段在100~120℃保温0.2~1h；

所述第二次固化在100~120℃保温9~10h；

所述交流电场的强度为50~1000V/mm，交流频率由功能填料和绝缘基材的CM因子确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环氧树脂为E51；所述固化剂为甲基六氢苯酐；所述促进剂为苯酚；所述硅烷偶联剂为KH550；所述功能填料为0.1~100μm的碳化硅、氧化锌、炭黑、氧化石墨烯、碳纤维、碳纳米管和石墨中的一种或多种的复合。

3.一种高电导率非线性系数涂层，其特征在于，采用权利要求1或2所述的方法制备而成。

4.一种实现权利要求1或2所述的方法的装置，其特征在于，包括第一夹板、绝缘隔离板、绝缘基材、反应板、第二夹板、电极和固定件；

所述反应板包括注液口、排气口、涂料凹槽和电极预留槽，所述注液口和所述排气口均设置于所述反应板的一侧，所述电极预留槽设置于所述反应板的另一侧，所述涂料凹槽设置于所述反应板的上方，所述涂料凹槽与所述电极预留槽、所述注液口和所述排气口相通；

所述绝缘基材的横截面积大于所述涂料凹槽的底面积；

所述第一夹板、所述绝缘隔离板、所述反应板和所述第二夹板上设置有相通的螺纹孔，所述固定件上有与所述螺纹孔相配合的螺纹，通过螺纹配合将所述固定件将所述第一夹板、所述绝缘隔离板、所述绝缘基材、所述反应板和所述第二夹板由上至下组合，随后从注液口倒入复合绝缘涂料后转移至烘箱加热，使用电极在所述涂料凹槽提供交流电场。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电极预留槽的深度小于所述涂料凹槽的深度；

所述反应板还包括内置加热器。