一种环氧基非线性电导涂层及其制备工艺的制作方法

本发明属于绝缘材料制备技术领域，具体涉及一种具备绝缘子表面电荷调控功能的环氧基非线性电导涂层及其制备工艺。

背景技术：

近年来，随着特高压直流输电技术的迅速发展，gis、gil等气体绝缘设备以占地面积小，输送容量大，可靠性高，环境兼容性好等优势引起广泛关注。由于直流gis/gil设备内部绝缘子长期承受单极性直流电场作用，促使其表面积聚大量电荷，从而导致气-固分界面处局部电场畸变，大大降低了绝缘子沿面耐受能力，限制了直流gis/gil的发展与应用。因此，研究绝缘子表面电荷的抑制方法与调控策略对直流gis/gil设备的安全经济应用具有重要指导意义。

目前，绝缘子表面电荷的调控策略大致可分为三类：绝缘子结构优化、绝缘子本体掺杂改性、绝缘子表面处理。围绕这三类调控方法，国内外学者开展了大量研究工作：在绝缘子结构优化方面，日本学者fujinami、以色列e.volpov以及清华大学何金良等人均通过改变绝缘子结构来减少其表面法向电场分量，达到抑制电荷积聚的目的；在绝缘子本体掺杂改性的方面，天津大学杜伯学、清华大学何金良、中科院国家纳米中心褚鹏飞等人均通过在环氧树脂中掺杂无机半导电填料来改变绝缘子体积电阻率，进而抑制表面电荷的积聚；而在绝缘子表面处理方面，研究者们主要通过材料表面氟化、等离子体表面处理或是表面涂覆等方法提升绝缘子表面电导率来加速电荷的消散，从而达到表面电荷的调控目的。

综合已有的研究结果可知，增加绝缘子表面电导率可增加其表面电荷的消散速率，进而削弱电荷的积聚。因此，通过绝缘子表面涂覆、氟化、等离子体处理等手段改变其表面物质成分或是物理化学状态来调控绝缘子表面电导率成为抑制电荷积聚的有效实施方案，受到学术界的广泛关注。

但诸如氟化、等离子体表面处理等常用的绝缘子表面改性方式存在成本高、现场应用困难等问题；且现有材料表面涂覆或喷涂工艺大多难以实现均匀涂覆。因此，有必要提出一种低成本、制备简便、且兼具良好的绝缘子表面电荷调控功能的涂层材料制备工艺。

技术实现要素：

为填补绝缘子表面电荷调控功能涂层的研发体系的空白，本发明的主要目的在于提供一种具备绝缘子表面电荷调控功能的环氧基非线性电导涂层及其制备工艺，且涉及的制备方法简单、原料来源广，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具备绝缘子表面电荷调控功能的环氧基非线性电导涂层，它由改性环氧基涂料原液依次经浇筑涂覆、固化处理得到，其中改性环氧基涂料原液中各组分及其所占质量百分比包括：环氧树脂100份、液态酸酐固化剂80～85份、促进剂0.3～1份、环氧稀释剂8～15份、非线性电导材料1～80份、硅烷偶联剂0.05～4份。

上述方案中，所述改性环氧基涂料原液以环氧树脂、液态酸酐固化剂、促进剂、硅烷偶联剂、环氧稀释剂、非线性电导材料为主要原料经共混法制成。

上述方案中，所述非线性电导材料为碳化硅、氧化锌粉末中的一种或二者混合物；其中碳化硅粉末为粒径10～100μm的微米碳化硅或粒径10～100nm的纳米碳化硅；氧化锌粉末为粒径10～100μm的微米氧化锌或粒径10～100nm的纳米氧化锌。

上述方案中，所述环氧树脂为液态双酚a型环氧树脂；所述液态酸酐固化剂为甲基六氢苯酐或甲基四氢苯酐，以保证涂料在固化前具备一定的流动性；所述促进剂为2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚；所述环氧稀释剂为环氧丙烷基醚。

上述方案中，所述硅烷偶联剂为kh550。

上述方案中，所述共混法包括如下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数包括：环氧树脂100份、液态酸酐固化剂80～85份、促进剂0.3～1份、环氧稀释剂8～15份、非线性电导材料碳化硅或氧化锌粉末1～80份、硅烷偶联剂0.05～4份；将称取的环氧树脂、非线性电导材料分别进行烘干备用；

2)将称取的硅烷偶联剂超声分散于无水乙醇中，得分散均匀的硅烷偶联剂乙醇溶液；然后向其中加入非线性电导材料，在60～65℃水浴中超声搅拌后，将环氧树脂加入所得混合液中，继续在油浴条件下充分搅拌，使环氧基体与非线性电导材料(填充粉末)均匀混合，并充分挥发溶液中的乙醇；

3)向步骤2)所得溶液中加入固化剂、促进剂，进行二次油浴搅拌，然后加入环氧稀释剂进行三次油浴搅拌，再进行真空加热处理，得所述改性环氧基涂料原液。

上述方案中，所述油浴温度(二次油浴、三次油浴)为65～70℃。

上述方案中，所述真空加热处理温度为60～65℃，时间为30～40min；采用的真空加热条件可有效排出所得环氧树脂体系内的气泡，有效改善气隙内放电导致绝缘等级降低等问题。

上述方案中，所述浇筑涂覆工艺利用涂层模具将改性环氧基涂料原液浇筑于绝缘子表面。

优选的，所述模具包括绝缘子基座、浇注腔体和隔离螺钉，利用隔离螺钉将绝缘子固定在绝缘子基座和浇筑腔体形成的空腔中；其中绝缘子中间设置中心导杆，中心导杆的一端穿出绝缘子基座并利用第一螺帽固定在绝缘子基座上，中心导杆的另一段与隔离螺钉的一端相连，隔离螺钉的另一端穿出浇注腔体并利用第二螺帽固定在浇注腔体上，其中隔离螺钉上固定设置隔离片，且隔离片与中间螺栓的端面贴合，浇注腔体的内表面与绝缘子的表面结构相配合，并利用隔离螺钉的隔离片形成改性环氧基涂料原液的浇筑空间。

上述方案中，浇筑空间为包含浇筑口的密闭空间。

上述方案中，所述隔离螺钉的隔离片的作用是将绝缘子与浇筑腔体的内表面隔开，其半径与绝缘子中心导杆半径相等，其厚度为所需涂层厚度。

涂料原液浇注完成后，进行固化过程。

上述方案中，所述固化处理采用分步固化工艺，具体包括：首先升温至80～100℃固化3～4h；然后升温至120～130℃固化6～8h；本发明采用分步固化工艺保证整个体系固化完全。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明所提供的环氧基非线性电导涂层成本低、制备工艺简便，有利于实际工程中采用；

2.)本发明通过引入硅烷偶联剂并进一步结合超声分散和恒温油浴搅拌条件，可进一步提升填料粉末在环氧基体中的分散均匀度；

3)本发明首次提出采用浇筑法，通过设计涂层模具，在绝缘子表面构造固化空间，进而实现涂料的固化过程；以模具固化涂层的手段的优势在于：环氧原液只需注满浇注空间即可保证对绝缘子表面的完整覆盖，且附着均匀；采用基于模具的浇筑工艺可保证涂层表面的光洁度，使涂料在绝缘子表面均匀附着，比现有涂刷、喷涂、浸渍等涂覆手段具备更高的可重复性与稳定性；

4)本发明所述涂料以环氧树脂为基体，与实际gis/gil设备中以环氧树脂为主体盆式绝缘子有着良好的结合效果，涂层附着力较强；且涂料配方体系中无需引入除导电填料与固化体系外的其他改性成分。

5)本发明所得涂层具备良好非线性电导特性，其电导率大小随外施电场呈现非线性变化，能有效调控绝缘子表面电荷的积聚。

附图说明

图1为本发明所述环氧基非线性电导涂层的制备工艺流程示意图；

图2为本发明所述涂层模具的结构示意图；

图3a为涂层模具装配细节图，图3b为涂层模具截面示意图；

图4为本发明所述涂层模具中隔离螺钉的结构示意图；

图5为实施例中所述绝缘子尺寸及其涂层尺寸的示意图；

图6为实施例中在绝缘子表面涂覆环氧基非线性电导涂层的效果图，(a)俯视图；(b)侧视图；

图7为采用不同质量分数sic作为填料时，涂料的电导特性测试结果；

图8为在一平板绝缘子表面涂覆本发明实施例所述环氧基非线性电导涂料前后的电位测试结果：(a)涂覆前，(b)涂覆后；

图9利用现有喷涂与刷涂后的绝缘子表面涂覆效果实物：(a)喷涂(b)刷涂；

图10一平板绝缘子表面采用喷涂与刷涂后的电位分布实验效果图：(a)喷涂(b)刷涂；

其中，1为绝缘子基座，2为浇筑腔体，3为隔离螺钉，3-1隔离片，4为绝缘子，4-1为中心导杆，5为第一螺帽，6为第二螺帽，7为浇注口。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

以下实施例中，采用的环氧树脂为e-51；液态酸酐固化剂为甲基六氢苯酐；促进剂为dmp-30；环氧稀释剂为环氧丙烷基醚660a；采用的碳化硅粉末与氧化锌粉末的平均粒径均为20μm；硅烷偶联剂为kh550。

实施例1

一种具备绝缘子表面电荷调控功能的环氧基非线性电导涂层，其制备流程示意图见图1，具体制备步骤如下：

1)按配比称取各原料，各原料及其所占重量份数为：环氧树脂100份、液态酸酐固化剂80份、促进剂0.5份、环氧稀释剂10份、碳化硅9.5份、硅烷偶联剂0.475份；并将称取的环氧树脂置于100℃恒温烘箱中加热2h以除去其中水分；将碳化硅粉末置于100℃恒温烘箱中干燥12h；

2)将称取的硅烷偶联剂kh550置于一定量的无水乙醇中，在35℃的水浴中超声分散20min，获得分散均匀的kh550乙醇溶液；

3)将碳化硅粉末加入到kh55乙醇溶液中，在65℃水浴条件下超声搅拌30min后，将环氧树脂加入混合液中，然后于65℃油浴中充分搅拌3h，使环氧基体与填充粉末均匀混合，并充分挥发溶液中的乙醇；

4)向步骤3)所得溶液中加入固化剂、促进剂，并再于65℃油浴中搅拌1h；然后加入称取的环氧稀释剂，继续在65℃油浴中搅拌15min，然后置于真空烘箱中65℃恒温抽真空处理30min，改性环氧基涂料原液；

5)按照涂层厚度0.3mm设计涂层模具，其结构示意图见图2，它包括绝缘子基座1、浇注腔体2和隔离螺钉3，利用隔离螺钉3将绝缘子4固定在绝缘子基座1和浇筑腔体2形成的空腔中；其中绝缘子4中间设置中心导杆4-1，中心导杆4-1的一端穿出绝缘子基座1并利用第一螺帽5固定在绝缘子基座1上，中心导杆4-1的另一段与隔离螺钉3的一端相连，隔离螺钉3的另一端穿出浇注腔体2并利用第二螺帽6固定在浇注腔体2上，其中隔离螺钉3上固定设置隔离片3-1，隔离片3-1与中心导杆4-1的端面贴合，且浇注腔体2的内表面与绝缘子4的表面结构相配合，并利用隔离螺钉3的隔离片3-1形成改性环氧基涂料原液的浇筑空间，且浇筑空间为包含浇筑口7的密闭空间；选择绝缘子尺寸及其涂层尺寸如图5所示，待绝缘子安装至模具中后，将环氧原液从浇注口缓慢倒入模具中，并将模具整体移至烘箱中固化，

第一段：100℃，3小时；

第二段：120℃，8小时；

固化后将绝缘子从模具中取出，其表面附着材料即为本发明所述环氧基非线性电导涂料固化后的涂层。

图6为本实施例绝缘子表面所得环氧基非线性电导涂层的固化效果图，可见涂层表面光滑，涂覆均匀，且与绝缘子基材有着良好的结合效果。

利用上述制备工艺，采用不同质量分数sic作为填料，制备环氧基涂料，并测量其电导特性，结果如图7所示；可见所得涂料随电场变化展现出明显的非线性电导特性。

图8为在一平板绝缘子表面涂覆本实施例所述环氧基非线性电导涂层前后的电位测试结果，可以看出在相同加压条件下，涂覆后的绝缘子表面电位幅值及其分布面积远小于未涂覆的试样，这意味着表面电荷的积聚总量得到了有效的抑制。

实测表明，当电荷积聚量过大时，所得涂层材料会进入非线性电导区，从而加速电荷沿面消散，达到调控电荷积聚的作用。

对比例1

一种利用喷涂和刷涂工艺制备的电导涂层，其采用与实施例1相同配方的改性环氧基涂料原液，不同之处仅在于采用常规的喷涂和刷涂工艺涂覆涂料。

图9为在涂覆过程中采用现有的喷涂与刷涂手段的效果图，与图6所示本发明的涂覆效果相比，图9中形成的涂层存在覆盖不均匀，表面不光滑的问题。另外，同样针对这两种现有涂覆手段对一平板绝缘子进行了表面电位分布的测量，结果如图10所示，结果表明：检测所得表面电位分布的分散性较大，且规律性不明显，不利于表面电荷分布特性的研究。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。此外，申请人需要指出的是，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

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