一种高强耐污瓷绝缘子及其制备工艺的制作方法

本发明涉及电力输变系统，具体涉及一种高强耐污瓷绝缘子及其制备工艺。

背景技术：

1、绝缘子是电力输变电系统中用于支撑、悬挂导线并实现电气绝缘的关键部件，其性能直接影响电网的安全稳定运行。根据主绝缘材料的不同，绝缘子主要分为瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子三大类。瓷绝缘子具有优异的耐候性、抗老化能力和机械强度，在高压、超高压输电线路及变电站中应用广泛。瓷体材料本身化学性质稳定，耐紫外、耐电晕、耐漏电起痕性能突出，使用寿命可达数十年。然而，传统瓷绝缘子属于高介电常数差异型结构，其瓷体介电常数较低，在强电场作用下表面电位分布不均匀，法兰附近易形成局部高场强区域，引发沿面闪络风险。为兼顾瓷绝缘子的优异耐候性与复合材料的轻质高强特性，瓷复合绝缘子应运而生。该类绝缘子通常由内部环氧玻璃纤维芯棒作为承力主体，外部套设瓷体护套或瓷质伞裙构成。环氧玻璃纤维芯棒具有极高的轴向抗拉强度和良好的绝缘性能，承担导线的全部机械载荷；外部瓷体则发挥耐电弧、耐老化和防污秽沉积的作用。

2、在瓷复合绝缘子的制造中，芯棒与瓷体之间的界面结合质量是决定整体性能的核心因素之一，目前常用的界面填充方式为直接机械套接配合粘合液涂覆，普通环氧树脂注胶体系玻璃化转变温度较低，在高温大电流工况下易软化变形，导致界面滑移或出现缝隙，产生局部放电和击穿的风险。

3、并且，瓷绝缘子长期暴露于户外环境，表面积污难以避免，更为关键的是，瓷绝缘子表面的涂层在服役过程中因温差应力或外力刮擦产生的微裂纹无法主动修复，裂纹处易滞留水珠和污秽，成为局部放电的起始点，使涂层的自清洁功能随使用时间快速衰减。

4、因此，本发明提供了一种高强耐污瓷绝缘子及其制备工艺用于解决上述现有技术存在的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高强耐污瓷绝缘子及其制备工艺。

2、一种高强耐污瓷绝缘子，其由瓷体材料、放置于瓷体材料内的环氧玻璃纤维芯棒、浇注在环氧玻璃纤维芯棒和瓷体材料之间的注胶液组成支撑柱，在支撑柱上通过高温硫化工艺将硅橡胶注射成型，形成硅橡胶伞裙，在硅橡胶伞裙外喷涂一层自清洁涂层液得到；

3、其中，瓷体材料原料包括钛酸钙、氧化铁、五氧化二铌、正长岩、氧化铝和粘土；

4、注胶液原料包括双酚a型氰酸酯、三羟甲基丙烷、二月桂酸二丁基锡、二氨基二苯砜、2-甲基咪唑、壬基酚、dmf和环氧树脂e-51；

5、自清洁涂层液原料包括香草醛、dmf、二苯基甲烷二异氰酸酯、4-氟苯基异氰酸酯、二月桂酸二丁基锡、环氧树脂e-51、4,4'-二氨基二苯基甲烷、2-甲基咪唑、二月桂酸二丁基锡和纳米填料。

6、一种高强耐污瓷绝缘子的制备工艺，包括以下步骤：

7、s1：制备注胶液

8、将双酚a型氰酸酯加入反应瓶中预聚，随后降温，将三羟甲基丙烷加入到预聚的双酚a型氰酸酯中，再加入二月桂酸二丁基锡，搅拌，反应，随后冷却至室温，得到固化助剂；

9、称量二氨基二苯砜、2-甲基咪唑和壬基酚，将上述材料加入到dmf中溶解，随后加入环氧树脂e-51并掺入固化助剂，搅拌均匀后得到注胶液；

10、s2：制备瓷体材料

11、将钛酸钙、氧化铁、五氧化二铌、正长岩、氧化铝和粘土混合，得到混合料，球磨过筛，加入粘结剂搅拌均匀得到坯料；

12、将坯料在模具中模压成型、脱气、随后烘干，升温保温，随炉冷却，得到瓷体材料；

13、s3：制备支撑柱

14、将环氧玻璃纤维芯棒表面进行打磨处理，随后同轴放置在瓷体材料中心的孔道中并固定，随后浇注步骤s1制备的注胶液，使注胶液填充瓷体内壁与环氧玻璃纤维芯棒之间的空隙，抽真空排出气泡，升温至100-110℃保持2-2.5h，再升温至140-150℃保持2-2.5h，最后升温至180-190℃保持4h，最后保持1℃/min的降温速率缓慢降温至常温，得到支撑柱；

15、s4：制备自清洁涂层液

16、在反应瓶中加入香草醛和无水dmf，升温，搅拌至完全溶解；将二苯基甲烷二异氰酸酯和4-氟苯基异氰酸酯混合后在氮气保护下滴加入反应瓶，随后加入二月桂酸二丁基锡，升温反应，得到预聚体溶液；将环氧树脂e-51溶于混合溶剂中，搅拌，再加入4,4’-二氨基二苯甲烷，随后加入2-甲基咪唑和二月桂酸二丁基锡，搅拌得到预反应液，室温保存；将上述预聚体溶液滴加到上述预反应液中，再加入纳米填料，超声分散，随后真空旋转蒸发，得到自清洁涂层液；

17、s5：制备高强耐污瓷绝缘子

18、将支撑柱放入硅橡胶注射模具中，通过高温硫化工艺，将硅橡胶材料注射、压制成型，在支撑柱上形成硅橡胶伞裙，在硅橡胶伞裙外喷涂一层自清洁涂层液，喷涂压力为0.2-0.3mpa，喷涂的涂层厚度控制在50-80μm，先在室温22-24℃下表干1-2h，随后升温至70-80℃固化2-3h，再升温至130-140℃固化2-3h，自然冷却至室温22-24℃，得到高强耐污瓷绝缘子。

19、进一步地，步骤s1制备注胶液，包括以下步骤：

20、将双酚a型氰酸酯加入反应瓶中，于160-180℃油浴条件下预聚1-2h，随后降温至80-90℃，将三羟甲基丙烷加入到预聚的双酚a型氰酸酯中，三羟甲基丙烷和双酚a型氰酸酯的摩尔比为1：3，再加入体系总质量0.1-0.3%的二月桂酸二丁基锡，100-200r/min搅拌，在搅拌过程中通入氮气，保持5-10min，随后置于100-110℃下30-40min，然后将温度提高到110-120℃，继续反应1-1.5h，随后冷却至室温，得到固化助剂；

21、称量4-8质量份的二氨基二苯砜，0.5-2质量份的2-甲基咪唑和0.5-0.8质量份的壬基酚，将上述材料加入到30-50质量份dmf中溶解，随后加入100-110质量份环氧树脂e-51并掺入环氧树脂质量12-18%的固化助剂，搅拌均匀后得到注胶液。

22、进一步地，步骤s2制备瓷体材料，包括以下步骤：

23、将5-6质量份钛酸钙、3-5质量份氧化铁、1-3质量份五氧化二铌、5-10质量份正长岩、20-25质量份氧化铝和15-20质量份粘土混合，得到混合料，向混合料中加入水和球磨珠，在球磨罐中球磨2-3h，随后过60目筛，加入5-10%的粘结剂搅拌均匀得到坯料；

24、将坯料在模具中模压成型、脱气、随后加热至150-160℃烘干，再以5℃/min的升温速率升至1000-1150℃，保温2-4h，再以3℃/min的升温速率升至1250-1350℃，保温2-4h，随炉冷却，得到瓷体材料。

25、进一步地，步骤s4制备自清洁涂层液，包括以下步骤：

26、在反应瓶中加入20-35质量份香草醛和40-50质量份无水dmf，通氮气保护，升温至50-60℃，搅拌至完全溶解；将15-20质量份二苯基甲烷二异氰酸酯和5-10质量份4-氟苯基异氰酸酯混合后在氮气保护下滴加入反应瓶，滴加时间30-40min，随后加入0.1-0.3质量份二月桂酸二丁基锡，升温至70-80℃，反应2-3h，降温至室温，得到预聚体溶液；

27、将90-100质量份环氧树脂e-51溶于100-110质量份混合溶剂中，搅拌20-30min至完全溶解，再加入15-25质量份4,4’-二氨基二苯甲烷，随后加入0.5-1质量份2-甲基咪唑和0.2-0.4质量份二月桂酸二丁基锡，搅拌15-20min，得到预反应液，室温保存；

28、将上述预聚体溶液滴加到上述预反应液中，滴加时间为20-30min，随后500-600r/min搅拌10-15min，再加入体系总质量10-15%的纳米填料，超声分散20-30min，随后真空旋转蒸发20-30min，得到自清洁涂层液。

29、进一步地，纳米填料为将纳米sio2和纳米tio2以1：1的质量比混合并完全浸泡在htms硅烷偶联剂4-5h改性，随后洗涤烘干得到。

30、进一步地，混合料、球磨珠和水的质量比为（1-1.5）：2：1。

31、进一步地，粘结剂为浓度为10wt%的聚乙烯醇水溶液。

32、进一步地，模具中间预留有放置环氧玻璃纤维芯棒的孔道，两端有封胶槽。

33、进一步地，混合溶剂为dmf与乙酸乙酯以2：1的质量比复配得到。

34、本发明具有以下优点：

35、1、本发明中，双酚a型氰酸酯通过三聚反应与二氨基二苯砜和环氧树脂e-51生成高交联密度的三嗪环结构，三嗪环是一个高度对称的六元环，这种对称性使分子内部的偶极矩相互抵消，构成的交联网络十分紧密，能有效限制分子链段的活动，进一步抑制极性基团在外电场下的运动，从而降低介电损耗，并赋予材料抗电击穿性能；同时，三嗪环作为一种高度致密、刚性的三维交联体系，该结构极大限制了高分子链在受热时的自由运动，从而赋予材料极低的热膨胀系数，并且，在降低注胶液的膨胀系数的同时，环氧树脂e51与双酚a型氰酸酯反应还会生成含五元噁唑烷酮环的柔性化学结构，这种结构相比三嗪环结构具备更高的柔性，能够被固定在刚性的三嗪环网络中，其柔性链段在温度变化时能通过自身构象的调整来吸收和缓冲残余的热应力，防止环氧树脂芯棒和瓷体材料长时间暴露外界环境，避免经过长时热胀冷缩效应而导致的应力集中和界面开裂情况。

36、2、本发明的瓷体材料配方中掺入钛酸钙、氧化铁和五氧化二铌，通过在传统粘土-长石-氧化铝电瓷体系中引入钛酸钙、氧化铁及五氧化二铌功能组分实现性能强化。正长岩中的碱金属氧化物形成液相促进离子迁移，钛酸钙中的四价钛嵌入氧化铝晶格形成固溶体并促进板状莫来石原位生成，同时与氧化铝反应生成低膨胀钛酸铝，氧化铁在此基础上进一步参与固溶与晶粒控制，五氧化二铌则与体系中的粘土和正长岩含有的氧化钙反应生成铌酸钙钉扎于晶界，从而构建出致密细晶的微结构，这种微结构能够赋予瓷体材料高机械强度和稳定抗压性能。同时，钛酸钙、五氧化二铌和正长岩中未完全反应的部分还能生成canb2o6第二相，这一晶相具有更宽的带隙，从而提升其作为瓷体材料的电阻率，可见，配方中将钛酸钙、氧化铁和五氧化二铌掺入粘土-长石-氧化铝电瓷体系，同时达到了物理强度高和电阻率高的双重好处。用于瓷绝缘子可有效抑制泄漏电流、降低沿面闪络风险，满足高压输变电设备对绝缘部件综合性能的工程要求。

37、3、本发明将香草醛、4-氟苯基异氰酸酯和4,4’-二氨基二苯甲烷参与制备自清洁涂层液，三者通过异氰酸酯的桥连作用形成交联网络。香草醛与4-氟苯基异氰酸酯的含氟链段接入环氧树脂的主链，含氟链段降低表面能，赋予疏水性能，香草醛的醛基与氨基生成动态化学键，生成的动态化学键在加热至150℃时即可发生可逆反应，实现自修复，而在引入4,4’-二氨基二苯甲烷后，香草醛与能够与特定的胺即4,4’-二氨基二苯甲烷反应形成动态亚胺键，动态亚胺键可以在更低的温度下发生交换反应，同时4-氟苯基异氰酸酯的氟原子结构进一步降低交换反应的活化能，将香草醛自修复需要的高温降低至60℃左右。电力系统的瓷绝缘子长期暴露在户外环境中，表面微裂纹容易积污，从而发生污闪事故，若自清洁涂层表面产生微裂纹，则容易使水珠挂壁，从而大幅度降低自清洁的性能。因此，通过本发明的自清洁涂层视线微裂纹自修复，能够显著提升瓷绝缘子的自清洁能力，延长瓷绝缘子使用寿命。