[发明专利]一种聚乙烯纳米复合材料内纳米粒子分散性改良方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料内纳米粒子分散性改良方法，属于绝缘材料技术领域。

背景技术

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。

高压直流输电线路由于其优异的电气性能，在长距离输电中已被广泛采用，而直流电力电缆绝缘的工作电场强度高、绝缘厚度薄、电缆外径小、重量轻、载流量大、没有交流磁场等优势，因此直流高压输电电缆作为直流输电系统中不可或缺的一部分，是高压输电中的重要课题。

当前应用的聚乙烯纳米复合材料作为高压直流电缆绝缘材料尚存一些不足：首先，空间电荷的产生和积聚，当绝缘电缆采用纳米聚合材料作为绝缘时，由于纳米粒子粒径一般很小，其表面能很高，在熔体中易堆聚在一起，如果在纯剪切力场中其堆聚较难分散，因此聚合物具有大量的局部态，而由此产生的空间电荷效应对绝缘层局部电场，这种局部电场的影响体现在两个方面：一是电场畸变效应，使绝缘层内部局部场强增加数倍；二是非电场畸变效应，即空间电荷在注入介质或者以其他方式存在介质中，当发生快速的退陷阱，即空间电荷脱离原先的局域态，快速复合过程中，由于大量能量的释放，将导致介质材料发生击穿或者使介质材料产生电树枝等局部降解行为，目前认为减少和消除绝缘材料中的空间电荷是研制高压直流电缆的关键，特别是当直流电缆极性反转时，可能导致局部场强比平均场强高十几倍，使绝缘瞬时击穿，因此，绝缘材料需具有良好的击穿特性。

直流电缆绝缘材料长期处于高温、工作环境下，绝缘材料极易发生劣化现象，从而影响其绝缘性能，为延缓或抑制绝缘材料氧化过程的进行，阻止聚合物的老化并延长其使用寿命，提高聚乙烯纳米复合材料内纳米粒子分散性。

发明内容

本发明的目的是解决聚乙烯纳米复合绝缘材料内部纳米粒子分散性差，进而导致聚乙烯纳米复合绝缘材料击穿电压低、易发生老化的问题，提出一种聚乙烯纳米复合材料内纳米粒子分散性改良方法。

本发明的一种聚乙烯纳米复合材料内纳米粒子分散性改良方法，具体步骤为：

步骤a、进行聚乙烯纳米复合绝缘材料中纳米粒子在XLPE流体中的分散行为仿真；

利用Material Studio软件，建立纳米粒子以及纳米团簇模型，将纳米粒子加在XLPE流体中，通过Comsol有限元仿真软件仿真获得纳米粒子在XLPE流体中的分散行为；

步骤b、确定聚乙烯纳米复合绝缘材料的分散振动力场；

通过Comsol有限元仿真软件，利用力学模块以及流体模块，施加振动力场，根据纳米复合材料在不同频率，不同压强下的分散程度，来确定最适合的振动力场；

步骤c、搭建聚乙烯纳米复合材料产物所需振动力场；

通过仿真结果获得适合聚乙烯纳米复合材料产物中纳米粒子分散性最佳的振动频率以及震动压强数据；

步骤d、制备聚乙烯纳米复合材料；

将XLPE、EVA、纳米二氧化硅、PP、交联剂DCP、抗氧化剂300、抗氧化剂1010、抗氧化剂DLTP、氟橡胶母料同时加入到搅拌机中混合均匀；

步骤e、将步骤d的材料转入密闭的振动混炼设备中，在100～120℃温度下进行熔融共混；

步骤f、将步骤得到的材料转入平板硫化机中，在150～180℃进行交联反应，30～60min后，得到添加了纳米二氧化硅的交联聚乙烯产物；

步骤g、将步骤f中所得产物冷却后吸入干燥塔，设定温度60℃，烘干30min后取出。

进一步地、步骤d中聚乙烯纳米复合材料在45～130℃恒温、高速搅拌下，控制搅拌时间为1～4h，以控制获得所需粒径大小的分布均一的纳米颗粒。

进一步地、步骤e中的振动混炼设备采用的振动方式为超声波振动。