氢氧化铝的表面改性及其在硅橡胶涂料中的应用

氢氧化铝的表面为极性基团 ,在水分的作用下易团聚 。
与氢氧化铝相比 ,硅橡胶涂料中的硅氧烷聚合物为非极性物 质 ,两者的表面性质差异极大 ,相容性差 ,解决这一问题的技 术方法主要是对超细填料进行表面改性 ,以改善其表面的物 理化学特性 ,增强其与有机高聚物的相容性和在有机基质中 的分散性 ,提高材料的综合性能 [2 - 3 ] 。本文通过对氢氧化铝 进行表面改性处理 ,并将其应用到硅橡胶涂料中 ,研制出了适 合电力设备外绝缘结构使用的特种材料 。
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曾凡辉 ,等 :氢氧化铝的表面改性及其在硅橡胶涂料中的应用
有利吸附进行 ,随后 ,温度对脱附的作用强于对物理吸附和化 学结合的影响 ,偶联剂与氢氧化铝材料基质表面的相互作用 随温度 升 高 而 降 低 。试 验 确 定 最 佳 的 改 性 温 度 为 110 ～ 120 ℃。
2. 4 氢氧化铝 /硅橡胶复合材料的性能表征
of com pound ma ter ia l
w (偶联 剂 ) /%
体系 相容性
耐电弧 性 /s
性能比较
体积电阻 率 / (Ω ·m )
电气强度 / (MV ·m - 1 )
0
差
156
615 ×1013
15
015
好
235
910 ×1015
29
110
好
221
718 ×1015
25
115
好
205
413 ×1015
2. 2 改性剂用量对改性效果的影响
理论偶联剂最佳用量 =填料的比表面积 ×100 /偶联剂的 表面覆盖率 。经 计 算 本 研 究 偶 联 剂 用 量 约 为 粉 体 质 量 的
215%。改性剂用量对复合材料性能的影响见表 2。
表 2 改性剂用量对复合材料的性能影响 Table 2 Influence of dosage of coupling agen t on capab ility
氢氧化铝可用在硅橡胶涂料中以提高耐电弧性能及耐漏 电起痕 。作用机理一般认为是当电弧烧灼材料表面时 ,局部 材料表面的湿度显著提高 ,氢氧化铝在加热到 220 ℃左右时 会迅速分解出结晶水并吸收大量的热量 ,从而降低材料表面 的温度 。氢氧化铝分解出的结晶水在 A l2 O3的催化作用下可 与有机材料分解时产生的游离碳发 生 反 应 , 生 成 易 挥 发 的 CO、CO2 ,阻止导电的炭化通道的形成 [1 ] 。
2 结果与讨论
2. 1 不同改性剂对改性效果的影响
氢氧化铝微粉的表面为极性基团 ,富含羟基 ,在水分的作 用下极易团聚 ,如图 1所示 [4 ] 。
硅氧烷聚合物的相容性 ,从而提高了复合材料的电气性能 。 另一方面 ,改性剂的加入改变了颗粒周围的电荷分布情况 ,增 大了颗粒之间的排斥能 ,进而有效地防止了颗粒团聚 ,改善了 氢氧化铝在硅橡胶涂料中的分散性能 。
21411 氢氧化铝 /硅橡胶复合材料的 SEM 图
图 2为改性前后氢氧化铝 /硅橡胶复合材料的截面扫描 电镜图 。
1# —改性氢氧化铝 /硅橡胶复合材料样品 ; 2# —未改性氢氧化铝 /硅橡胶复合材料样品 图 3 氢氧化铝 /硅橡胶涂料的 DMTA 图 Fig. 3 DMTA of compound material of alum inum hydroxide / silicone
Abstract:By surface modification of alum inum hydroxide w ith titanate coup ling agent, The silicone rub2 ber coating was p repared which had a fine electric insulation capability, The surface modification was investi2 gated by use of SEM and DM TA , etc. A s the dosage of coup ling agent was 015% ( by weight) and tempera2 ture was about 110 ℃～120 ℃, good compatibility existed between alum inum hydroxide and silicone rub2 ber, the Tg increased from - 5012 ℃ to - 4516 ℃, the resistance to electricarc increased from 156 s to 238 s. Key W ords: alum inum hydroxide; surface modification; silicone rubber coating; electric perfo rm ance
由表 2 知 ,随着偶联剂用量增加 ,复合材料的相容性变 好 ,电气性能却先升后降 ,偶联剂的最佳用量仅为氢氧化铝质 量的 015%。可见 ,偶联剂的实际用量与理论值差异很大 。主 要原因是在硅橡胶涂料中 ,氢氧化铝颗粒团聚成为小的粉体 团 ,偶联剂分子并不是分布在每个颗粒表面 。因此对于微细 粉体 ,单分子层理论不再适用 [5 ] ,改性剂用量需由具体试验确 定 ,当偶联剂用量过量时 ,多余的偶联剂残留在涂料中 ,造成 了复合材料的电气性能下降 。
性能
试验
体系 耐电弧 体积电阻 相容性 性 / s 率 / (Ω ·m )
电气强度 / (MV ·m - 1 )
未改性
差
156
615 ×1013
15
加硅烷 偶联剂
较好
225
718 ×1015
23
ห้องสมุดไป่ตู้
加钛酸酯 偶联剂
好
238
912 ×1015
28
由表 1可知 ,当选用某单烷氧基焦磷酸型钛酸酯偶联剂 作为改性剂时 ,复合材料具有较好的相容性和电气性能 ,主要 是因为单烷氧基可与氢氧化铝表面的羟基反应 ,同时焦磷酸 酯基还可分解产生磷酸酯基 ,结合部分羟基 ,氢氧化铝表面的 极性基团被改性剂的有机基团取代 ,大大提高了氢氧化铝与
1. 3 氢氧化铝 /硅橡胶复合材料的制备
按配方量称取硅氧烷聚合物 、气相白炭黑在捏合机内搅 拌均匀 ,然后加入经表面改性处理的氢氧化铝和剩余其他物 料 ,高速分散均匀 ,研磨至细度 ≤20 μm; 调整黏度 40 ～60 s (涂 - 4#杯 ) ,过滤出料 ,配制成硅橡胶防污闪涂料 , 按电力部 标准 DL / T627—1997检测性能 。
性能比较
体系 耐电弧 体积电阻 相容性 性 / s 率 / (Ω ·m )
电气强度 / (MV ·m - 1 )
90～100 差
185
218 ×1015
20
100～110 较好
223
615 ×1015
23
110～120 好
240
915 ×1015
28
120～130 较好
228
512 ×1015
25
由表 3可知 ,随着温度增加 ,复合材料的相容性和电气性 能有一个先升后降的过程 。这可能是由于偶联剂与富含羟基 的材料基质表面一部分发生了化学结合 ,另一部分则是以物 理吸附的方式与材料基质表面结合 [6 ] ,根据化学反应动力学 , 温度升高 ,化学反应速度加快 ,而偶联剂在氢氧化铝的表面吸 附为放热过程 ,温度升高脱附加快 。在较低温度下 ,温度升高
摘 要 :以钛酸酯偶联剂为改性剂对氢氧化铝进行表面改性处理 ,制得了电气绝缘性能优异的硅橡胶防污闪涂 料 ,通过 SEM 和 DM TA 等检测手段对改性结果进行了表征 。结果表明 :当改性剂用量为 015% ,改性温度在 110～120 ℃时 ,氢氧化铝 /硅橡胶复合材料具有良好的相容性 ,其玻璃化转变温度由 - 5012 ℃提高到 - 4516 ℃,耐电弧性能由 156 s提高到 238 s。
1 试验部分
1. 1 主要原料
微细氢氧化铝 :工业级 ,山东铝业公司 ;钛酸酯偶联剂 :化 学纯 ,扬州立达树脂公司 ; 有机硅氧烷聚合物 、交联剂 : 工业 级 ,吉化公司 ;甲基硅油 :工业级 ;气相白炭黑 :工业级 ,德固萨 公司 ;石油醚 :化学纯 。
1. 2 表面改性试验
先将氢氧化铝粉体在 120 ℃下干燥 6～8 h,然后用石油
2. 3 改性温度对改性效果的影响
不同改性温度对复合材料性能的影响如表 3所示 。
表 3 改性温度对复合材料的性能影响 Table 3 Influence of testing tem pera ture on capab ility of
com pound ma ter ia l
改性 温度 / ℃
0 引 言
电力设备外绝缘表面在运行过程中会逐渐积污 ,污层受 潮后 ,其中的电介质溶解 ,使污层中的表面电导率增大 ,漏电 电流增加 ,由此产生电弧效应 ,当电弧长度达到临界值时 ,绝 缘表面将发生闪络事故 。硅橡胶涂料是涂覆在电力设备外绝 缘表面的一种憎水防污闪材料 ,其主要功能是提高电力输变 电设备外绝缘结构的抗污闪电压 。
rubber
图 2 氢氧化铝 /硅橡胶复合材料截面 SEM 图 Fig. 2 SEM of compound material of alum inum hydroxide / silicone
rubber
由图 2可见 ,未改性处理的氢氧化铝在硅橡胶涂料中有 团聚现象 ,分散不均匀 ,粒子和硅橡胶涂料基体树脂的相界面 明显 ,粒子表面不能被基体树脂很好地湿润 。而经过表面改 性处理的氢氧化铝在硅橡胶涂料中分散比较均匀 ,虽然颗粒 仍有团聚现象 ,但和未改性前相比 ,已有了很大的改观 ,颗粒 以小团聚状态分散于硅橡胶涂料中 。这样改性后的氢氧化铝 在受热分解产生结晶水时便能够均匀地吸收材料表面热量 , 当电弧烧灼材料表面时 ,不会产生由于绝缘材料某一点局部 温度过高而导致的电击穿现象 ,较大地提高了材料的抗电弧 性能 。