一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法，该聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：93.7～99.7wt％的聚乙烯、0～5wt％的改性后纳米氧化锌、0.3～1wt％的抗氧剂。本发明专利技术还公开了该聚乙烯纳米复合材料的制备方法。本发明专利技术制备的一种聚乙烯基纳米复合材料，在纳米氧化锌添加量很少的情况下，就能改变聚乙基体的结晶状态，使结晶颗粒变小，结晶结构更紧致，并且具有更高的交流击穿场强以及更好的抗电晕腐蚀能力，拓宽了聚乙烯材料的使用范围。

Polyethylene based nano composite material and preparation method thereof

The invention discloses a polyethylene based nano composite material and its preparation method, the polyethylene based nano composite material comprises the following components and the mass fraction of 93.7 ~ 99.7wt%, 0 ~ 5wt% of polyethylene modified nano Zinc Oxide, 0.3 ~ 1wt% after antioxidant. The invention also discloses a preparation method of the polyethylene nanometer composite material. A polyethylene based nano composite material prepared by the invention, the nano Zinc Oxide only small amount of cases, can change the crystalline state of poly ethyl body, makes the crystal grain smaller, more compact crystal structure, corrosion resistance and corona has higher AC breakdown strength and better, broaden the scope of application polyethylene material.

【技术实现步骤摘要】
一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法
本专利技术属于电介质、复合材料领域，更具体地，涉及一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法。
技术介绍
聚乙烯(PE)是在各工业领域中均有广泛应用的一种热塑性树脂。聚乙烯按照密度可分为低密度聚乙烯(LDPE)和高密度聚乙烯(HDPE)。LDPE又称为高压聚乙烯，成型加工性好，但是材质较软耐高温性不好。聚乙烯具有优良的电绝缘性能以及化学稳定性，无毒无味，常温下不溶于水，不易受一般的酸碱腐蚀。因此，近些年来，电力系统中的电能传输以及电力设备的绝缘材料大多是以聚乙烯为基体聚合物的，这一点在电力电缆中更为普遍。然而，目前随着电力系统电压等级的提高以及对线路设备可以长期、稳定、安全运行的更高要求，单一的聚合物绝缘已经不能满足需求，人们需要对聚乙烯的性能进行改善，这对于生产生活和科学技术的发展均具有十分重要的现实意义。对于这一问题，研究的主要方向是在聚乙烯中加入添加剂，以达到改善其内部结构进而改善性能的目的。随着人们对微观尺度研究地深入，复合方式也从传统复合逐渐过渡到纳米级别的复合。研究发现，聚乙烯中掺入纳米级添加剂之后可以在不同方面改善其性能，这为解决电介质复合材料方面的问题提供了思路。近年来，纳米级添加剂中被广泛研究的属于金属氧化物一类。例如：尹毅等人向聚乙烯中加入纳米二氧化硅，研究纳米复合材料在强场下的电导特性。实验结果表明：纳米二氧化硅的加入改变了复合材料的电导特性，强场下，聚乙烯的电导是以空间电荷限制电流理论为主。而纳米SiOx/LDPE复合材料主要以离子跳跃电导为主。氧化锌(ZnO)同样是一种典型的金属氧化物，具有一些独特的物理和化学性能，例如：氧化锌具有增白功能，可以在涂料和化妆品中用作增白剂；它也具有反射紫外线的能力，可以用做紫外线屏蔽剂；纳米ZnO具有纳米颗粒所特有的表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、以及量子限域效应等。将其加入到聚乙烯中，会与聚合物基体之间形成非常复杂的界面结构，从而改变材料的电、热、机械等性能，这是纳米掺杂改性的理论基础。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种聚乙烯基纳米复合材料，以无机纳米材料改性聚乙烯，使基体聚乙烯的性能得到了提高；本专利技术还提供了上述复合材料的制备方法。本专利技术的技术方案如下：本专利技术提供了一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，该聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：93.7～99.7wt％的聚乙烯、0～5wt％的改性后纳米氧化锌、0.3～1wt％的抗氧剂。优选地，所述聚乙烯为低密度聚乙烯，颗粒状，密度分布为0.910～0.925mg/cm3，融化指数为2.1～2.2g/10min，熔点为105～112℃。优选地，所述的纳米氧化锌的平均粒径为30nm，纯度99.9％。优选地，所述改性剂为硅烷偶联剂，结构通式为YSi(OR)3，其中：Y为反应性有机基团，OR为可水解性基团。优选地，所述抗氧剂为抗氧剂1010(化学名称为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。优选地，所述聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：96.7wt％的低密度聚乙烯、3wt％的改性后纳米氧化锌、0.3％的抗氧剂。所述的一种聚乙烯基纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)制备改性的纳米氧化锌首先称取一定量的纳米氧化锌粉末，于真空烘箱中80℃干燥处理24小时。之后将预处理后的纳米氧化锌粉末溶解在无水乙醇和水的混合液中(乙醇/水＝3/1)，用电力搅拌棒匀速搅拌20min，使之形成均匀的液体。然后向混合液中加入一定量的硅烷偶联剂，将溶液在60℃的恒温水浴中边超声振荡边搅拌。反应持续2h后，进行过滤、洗涤，利用真空烘箱干燥。之后研磨、过筛，得到改性后的纳米氧化锌粉末。(2)制备聚乙烯基纳米复合材料首先将步骤(1)中的改性后纳米氧化锌粒子放在80℃真空烘箱中干燥24小时，然后将纳米氧化锌粉末、低密度聚乙烯以及抗氧剂混合加入到开放式炼胶机中进行熔融共混20min，得到聚乙烯基纳米复合材料。步骤(1)中的硅烷偶联剂用量为5％(以氧化锌质量计)。步骤(2)中的开放式炼胶机两辊温度均为120℃，转速40r/min。本专利技术同现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本专利技术制备的一种聚乙烯基纳米复合材料，在纳米氧化锌添加量很少的情况下，就能改变聚乙基体的结晶状态，使结晶颗粒变小，结晶结构更紧致，并且具有更高的交流击穿场强以及更好的抗电晕腐蚀能力，拓宽了聚乙烯材料的使用范围。附图说明图1是用硅烷偶联剂改性纳米氧化锌示意图。图2是用北京北分瑞利公司生产的WQF-510A傅立叶红外光谱仪测得的纳米氧化锌改性前后对比图。其中，数据范围为400cm-1～4400cm-1，扫描次数32次。其中，ZnO为改性前氧化锌，C-ZnO为改性后氧化锌。图3是使用LEICA公司生产的DM2500P型偏光显微镜(PLM)观测得到的聚乙烯基微纳米复合材料结晶图。其中图3(a)为对比例的PLM结晶观测图，图3(b)～(d)为实施例的PLM结晶观测图。图4是使用LEICA公司生产的DM2500P型偏光显微镜(PLM)观测得到的聚乙烯基纳米复合材料一定时间电腐蚀后的表面腐蚀情况图，试验电压4kV，针-板电极，两极间距2mm，腐蚀时间16h。其中图4(a)为对比例的表面腐蚀情况图，图4(b)～(d)为实施例的表面腐蚀情况图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术的范围在权利要求书中提出，不受这些实施例的限制。击穿性能测试：GB1408-1989，固体绝缘材料工频电气强度的试验方法，上电极直径25mm、高25mm，下电极直径75mm、高15mm，升压速率1kV/s，试样厚度60μm。结晶观测和表面腐蚀情况观测：采用偏光显微镜(PLM)进行观测，结晶观测前需要进行腐蚀处理，具体操作为：腐蚀剂为质量分数为5％的高锰酸钾与浓硫酸的混合溶液。在室温条件下，对LDPE和ZnO/LDPE复合材料试样进行5-6小时腐蚀处理，每半个小时搅拌腐蚀液一次。在处理一段时间后，将腐蚀处理后的试样从腐蚀液中取出，再用清水冲洗，并利用超声波清洗机进行超声清洗15min，而后将试样烘干，得到结晶观测用试样，试样厚度30μm。电晕腐蚀试样厚度为200μm。在实施例及对比例的复合材料配方中，所用聚乙烯为低密度聚乙烯，颗粒状，密度分布为0.910～0.925mg/cm3，融化指数为2.1～2.2g/10min，熔点为105～112℃。所用纳米氧化锌的平均粒径为30nm，纯度99.9％。所用改性剂为硅烷偶联剂，结构通式为YSi(OR)3，其中：Y为反应性有机基团，OR为可水解性基团。所述抗氧剂为抗氧剂1010(化学名称为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。以下实施例中所用纳米氧化锌的改性步骤：首先称取一定量的纳米氧化锌粉末，于真空烘箱中80℃干燥处理24小时。之后将预处理后的纳米氧化锌粉末溶解在无水乙醇和水的混合液中(乙醇/水＝3/1)，用电力搅拌棒匀速搅拌20min，使之形成均匀的液体。然后向混合液中加入一定量的硅烷偶联剂，将溶液在60℃的恒温水浴中边超声振荡边搅拌。反应持续2h后，进行过滤、洗涤，利用真空烘箱干燥。之后研磨、过筛，得到改本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，该聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：93.7～99.7wt％的聚乙烯、0～5wt％的改性后纳米氧化锌、0.3～1wt％的抗氧剂。

【技术特征摘要】
1.一种聚乙烯基纳米复合材料及其制备方法，其特征在于，该聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：93.7～99.7wt％的聚乙烯、0～5wt％的改性后纳米氧化锌、0.3～1wt％的抗氧剂。2.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基纳米复合材料，其特征在于，所述聚乙烯为低密度聚乙烯，颗粒状，密度分布为0.910～0.925mg/cm3，融化指数为2.1～2.2g/10min，熔点为105～112℃。3.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基纳米复合材料，其特征在于，所述的纳米氧化锌的平均粒径为30nm，纯度99.9％。4.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基纳米复合材料，其特征在于，所述改性剂为硅烷偶联剂，结构通式为YSi(OR)3，其中：Y为反应性有机基团，OR为可水解性基团。5.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基纳米复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010(化学名称为四[β-(3,5-二叔丁基4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)。6.根据权利要求1所述的一种聚乙烯基纳米复合材料，其特征在于，该聚乙烯基纳米复合材料包括以下组分及质量分数：96.7wt％的低密度聚乙烯、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓虹，白立阳，张天旭，马天骁，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23