[发明专利]高直流击穿场强的纳米复合交联聚乙烯绝缘材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高直流击穿场强的纳米复合交联聚乙烯绝缘材料及其制备方法，所述绝缘材料是按质量计的下述成分制备的：低密度聚乙烯100份、纳米氮化硼粒子0.1‑3份、交联剂1‑2.5份和抗氧化剂0.1‑0.5份。本发明制得的绝缘材料能够用于直流电缆的绝缘材料，相比未添加纳米氮化硼粒子的交联聚乙烯其直流击穿场强有明显的增加，在20℃、70℃和90℃下的直流击穿场强分别提升27.5％、14.2％和26.5％，具有较高的直流击穿场强。

技术领域

本发明涉及一种直流电缆用绝缘材料，具体涉及一种高直流击穿场强纳米氮化硼掺杂交联聚乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来直流输电发展迅速，已经采用常规直流输电技术建设了多条±800kV特高压、±660kV和±500kV超高压架空输电线路，常规高压直流输电技术多采用架空线或有纸绝缘电缆、充油电缆等作为输电线路，投资巨大且对环境影响大。柔性直流输电技术一般采用交联聚乙烯绝缘电缆，其电气性能优良，运行温度高，无漏油风险。然而交联聚乙烯电缆在直流场下存在空间电荷聚集问题是制约其应用于高压直流的关键技术问题。空间电荷的存在会导致局部场强畸变，致使绝缘材料的老化现象加剧，最终可能导致绝缘本体击穿。所以在研究和设计直流电缆用绝缘材料时，一方面应当考虑材料的空间电荷特性，另一方面应提高材料的直流击穿场强。此外，交联聚乙烯绝缘层在电缆运行中存在温度梯度。电缆有载荷时，线芯的焦耳热使得温度升高，从而交联聚乙烯内层为高温，外侧温度相对较低。因此提高材料直流击穿场强的研究必须在电缆工作温度范围内进行研究。

近年来，纳米复合电介质的研究和发展为高击穿性能绝缘材料发展指明了方向。采用具有绝缘、导电或导热特性的纳米尺度粒子改性聚合物基体，制备纳米复合电介质材料，可以改变介质的微观形态结构，调控介质材料的介电响应特性，实现击穿场强的提高。纳米复合电介质的优异性能来源于纳米粒子与聚合物基体间的界面区，而通过纳米粒子的表面化学修饰可以调控界面区的物理化学特性，改变聚合物的微观电荷输运过程，改善聚合物的击穿特性。

氮化硼目前仅报道可用于提高材料的导热能力，且普遍应用的是微米级粒子。目前，尚未见到利用纳米氮化硼提高直流电缆交联聚乙烯绝缘材料直流击穿场强的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高直流击穿场强的纳米复合交联聚乙烯绝缘材料及其制备方法，能有效的提高直流电缆绝缘材料在20℃到90℃温度范围内的直流击穿场强。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种高直流击穿场强的纳米复合交联聚乙烯绝缘材料，该绝缘材料是由纳米复合聚乙烯材料交联而成；所述纳米复合聚乙烯材料按质量份数计包括100份低密度聚乙烯、0.1-0.5份抗氧化剂以及0.1-3份纳米粒子，所述纳米粒子选自表面改性处理或表面未改性处理的纳米氮化硼。

优选的，所述纳米粒子的平均粒径为20-80nm(进一步优选为50nm±10nm)。

优选的，所述表面改性处理采用偶联剂。例如硅烷偶联剂，可以提高纳米氮化硼与低密度聚乙烯的相容性。

优选的，所述低密度聚乙烯的密度为0.90-0.95g/cm³。

优选的，所述抗氧化剂选自4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)、硫代二乙撑双[3-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸醋]或四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。

上述高直流击穿场强的纳米复合交联聚乙烯绝缘材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、按照质量称取100份低密度聚乙烯、1-2.5份交联剂、0.1-0.5份抗氧化剂以及0.1-3份纳米粒子；

步骤2、将步骤1称取的低密度聚乙烯、抗氧化剂和纳米粒子于115-180℃下混炼均匀，得母料；