高压直流电缆绝缘材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法，所述绝缘材料包括以下重量份数的各组分：聚乙烯树脂100份；多巴胺改性的纳米粒子0.1‑6份；过氧化二异丙苯2份；抗氧剂0.1‑0.5份；所述多巴胺为改性多巴胺；所述纳米粒子为无机纳米粒子。本发明专利技术采用具有长链结构的多巴胺对纳米粒子进行接枝改性，所述具有长链结构的多巴胺既可以改善纳米粒子的分散性，还可以显著抑制空间电荷的注入，大幅提高电缆绝缘材料的介电强度，适用于高压直流电缆绝缘。

【技术实现步骤摘要】
高压直流电缆绝缘材料及其制备方法
本专利技术属于电缆绝缘材料制备
，具体涉及一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法。
技术介绍
挤包绝缘塑料电力电缆具有体积小、质量轻、铺设容易、易于维护等优势，被广泛用于输配电工程中。柔性直流输电由于具有可单极运行、功率控制简单、线路损耗小、传输距离长，特别适用于不同频率的交流系统之间的联网以及长距离大功率海底输电。高压直流电缆是柔性输电的重要装备之一。然而，目前所采用的挤包绝缘塑料电缆绝大多数是交联聚乙烯绝缘电缆，主要适用于用于交流输电。在直流电场下，交联聚乙烯内会发生空间电荷注入，导致绝缘内局部电场畸变严重，使得电缆服役寿命变得很短。在交联聚乙烯绝缘中加入无机纳米粒子可以抑制空间电荷注入，然而，由于大多数无机纳米粒子与交联聚乙烯基体不相容，极易在交联聚乙烯中发生团聚，造成绝缘材料的击穿强度大幅降低、限制了交联聚乙烯绝缘材料在高压直流电缆中的应用。为了减少空间电荷的注入，通常在绝缘材料中添加纳米粒子；如IEEETrans.Dielectr.Electr.Insul.(2008，vol.15,pp.152-160)报道了纳米氧化镁可抑制低密度聚乙烯中空间电荷的注入。尽管纳米粒子能够抑制空间电荷的注入，但也有一定的缺点，如与聚乙烯的相容性差、容易造成团聚等，反而降低聚乙烯的介电强度。因此，解决纳米粒子在聚乙烯中的分散性、使交联聚乙烯绝缘材料可以用于高压直流电缆绝缘是非常重要的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高压直流电缆绝缘材料及其制备方法。采用聚乙烯为基础树脂，采用具有长链结构的多巴胺改性的无机纳米粒子为填料，多巴胺单元在纳米粒子表面聚合形成一层聚多巴胺，而聚多巴胺上接枝的长分子链不但可以与聚乙烯分子链相互缠结，还可以阻止纳米粒子之间相互接触，从而可以提高纳米粒子局域聚乙烯的界面结合力，减少材料内部缺陷。另外，纳米粒子的加入可以引入深陷阱，抑制空间电荷的注入，降低载流子迁移率，使材料具备较高的击穿强度和较低的电导率。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术提供了一种高压直流电缆绝缘材料，包括以下重量份数的各组分：所述多巴胺为改性多巴胺；所述纳米粒子为无机纳米粒子。采用未改性的多巴胺不能获得本专利技术。优选地，所述的聚乙烯树脂为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的至少一种；所述聚乙烯树脂的密度在0.86和0.93g/cm3之间，熔体流动指数在1至4.0g/10min之间。优选地，所述的抗氧剂为抗氧剂264、抗氧剂2246、抗氧剂1010、抗氧剂168中的至少一种。优选地，所述的多巴胺改性的纳米粒子是通过以下步骤制备：将改性多巴胺溶解在异丙醇中形成溶液a，将无机纳米粒子分散在三(羟甲基)氨基甲烷的盐酸缓冲液中形成溶液b，然后将溶液a滴入溶液b中，50-70℃下反应72-24小时；离心后用乙醇和水洗涤，即得所述多巴胺改性的纳米粒子。优选地，所述的改性多巴胺的用量为无机纳米粒子质量的0.5～35％。所述改性多巴胺用量在该范围内时，可在无机纳米粒子表面形成厚度适中一层致密有机层。若改性多巴胺用量过高，会导致纳米粒子表面的有机层太厚；用量过低，会导致纳米粒子表面不能被多巴胺有效覆盖。优选地，所述改性多巴胺具有长链结构，具体为2-氨基-3-(3,4-二羟基苯基)丙酸癸酯或2-氨基-3-(3,4-二羟基苯基)丙酸-1H,1H,2H,2H-全氟癸酯。采用长链结构的改性多巴胺对无机纳米粒子进行改性，可在无机纳米粒子表面聚合形成一层具有长链结构的聚多巴胺。优选地，所述改性多巴胺采用1-癸醇或1H,1H,2H,2H-全氟癸醇与L-3,4-二羟苯丙氨酸反应制备。优选地，所述的无机纳米粒子为氮化硼、氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化硅、钛酸锶、钛酸钡中的至少一种。从容易提高纳米粒子分散性的点来看，优选所述多巴胺改性的无机纳米粒子为2-氨基-3-(3,4-二羟基苯基)丙酸癸酯改性的纳米粒子。从容易抑制空间电荷注入的点来看，优选所述的无机纳米粒子为氧化镁、氧化硅或钛酸钡。本专利技术还提供了一种高压直流电缆绝缘材料的制备方法，包括以下步骤：A、将聚乙烯树脂和多巴胺改性的纳米粒子加入到密炼机中，在170-190℃下混炼5-10分钟；B、再加入过氧化二异丙苯和抗氧剂在110-130℃下混炼5-10分钟，即得。本专利技术是在聚乙烯中，添加具有长链结构的多巴胺改性的无机纳米粒子，通过熔融共混等工艺制备了一种高压直流电缆绝缘材料。本专利技术采用无机纳米粒子做填料，以聚乙烯树脂做基体，制备出性高压直流电缆绝缘材料。通过在无机纳米粒子表面包覆一层具有长链结构的改性多巴胺作为相容剂，以提高纳米粒子的分散性，以及纳米粒子和聚乙烯树脂基体之间的相容性。利用纳米粒子引入的深陷阱显著抑制空间电荷的注入，使绝缘材料具有较高的击穿强度和较低的电导率。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：选择具有长链结构的多巴胺改性无机纳米粒子，相对于现有改性技术中通常是采用硅烷偶联剂进行表面改性，所接枝的具有长链结构的多巴胺既可以改善无机纳米粒子的分散性，又可以抑制空间电荷注入，还可以起到一定的抗氧剂的作用，从而大幅提高击穿强度，大幅提高体积电阻率、增强热稳定性。本专利技术的专利技术人通过不断的研究，选取合适的聚乙烯树脂、无机纳米粒子的改性剂及各个组分的含量等，通过其协同作用，获得了良好的专利技术效果。本专利技术所制备的绝缘材料适用于高压直流电缆绝缘。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术具有长链结构的多巴胺改性的无机纳米粒子的制备过程示意图；图2为本专利技术实施例1中制备的改性纳米粒子的透射电子显微镜照片；图3为本专利技术实施例3中制备的绝缘材料的应力应变曲线；图4为本专利技术实施例4中所制备绝缘材料切片的透射电子显微镜照片；图5为本专利技术实施例2，5-6中所制备的绝缘材料的空间电荷密度。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。本专利技术所制备的改性纳米粒子的形貌通过投射电子显微镜(JEOLJEM2100型，日本电子株式会社)进行观察。本专利技术所制备的绝缘材料的切片通过投射电子显微镜(JEOLJEM2100型，日本电子株式会社)进行观察。本专利技术所制备的绝缘材料的应力-应变曲线通过万能拉力机(CMT4304型，深圳新三思)进行测试。本专利技术所制备的绝缘材料的空间电荷密度通过脉冲电声法测量，样品在40kV/mm场强下加压1800s，之后对样品短路记录短路10s时的空间电荷分布，通过积分计算空间电荷的密度。实施例1本实施例涉及一种高压直流电缆绝缘材料，所述绝缘材料由100份的低密度聚乙烯、0.1份的抗氧剂1010、2份过氧化二异丙苯和6份的2-氨基-3-(3,4-二羟基苯基)丙酸-1H,1H,2H,2H-全氟癸酯改性的钛酸钡纳米粒子混合得到。其中2-氨基-3-(3,4-二羟基苯基)丙酸-1H,1H,2H,2H-全氟癸酯改性的钛酸钡纳米粒子通过以下步骤制备：A、具有长链结构的多巴本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，包括以下重量份数的各组分：

【技术特征摘要】
1.一种高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，包括以下重量份数的各组分：所述多巴胺为改性多巴胺；所述纳米粒子为无机纳米粒子。2.根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，所述的聚乙烯树脂为低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯中的至少一种；所述聚乙烯树脂的密度在0.86和0.93g/cm3之间，熔体流动指数在1至4.0g/10min之间。3.根据权利要求2所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，所述的抗氧剂为抗氧剂264、抗氧剂2246、抗氧剂1010、抗氧剂168中的至少一种。4.根据权利要求1所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，所述的多巴胺改性的纳米粒子是通过以下步骤制备：将改性多巴胺溶解在异丙醇中形成溶液a，将无机纳米粒子分散在三(羟甲基)氨基甲烷的盐酸缓冲液中形成溶液b，然后将溶液a滴入溶液b中，50-70℃下反应72-24小时；离心后用乙醇和水洗涤，即得所述多巴胺改性的纳米粒子。5.根据权利要求4所述的高压直流电缆绝缘材料，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄兴溢，江平开，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31