一种3D打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油及其制备方法和应用

本发明属于植物绝缘油改性，具体涉及一种3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油及其制备方法和应用。

背景技术：

1、植物绝缘油因其绿色环保、可生物降解、闪点高等突出优点，在电力变压器中作为矿物绝缘油的替代品展现出广阔的应用前景。然而，植物绝缘油本身存在介质损耗因数较高、导热性能欠佳以及长期热老化稳定性不足等固有缺陷，制约了其在高电压、大容量变压器中的推广应用。

2、为克服上述瓶颈，现有技术普遍采用纳米粒子进行改性。例如，专利文献cn107123493a公开了一种绝缘和导热性能好的二氧化硅纳米粒子改性植物绝缘油制备方法，将六甲基二硅氮烷修饰的纳米二氧化硅按质量比1/200添加至植物绝缘油中，经机械搅拌和超声分散后获得改性油，其击穿电压和热导率均有一定提升。然而，上述纳米改性技术路径存在明显的局限性：首先，纳米粒子因比表面积大、表面能高，在油相中极易发生团聚和沉降，依赖机械搅拌、超声分散或复杂化学修饰仅能暂时维持分散状态，在长期运行、热循环或电场作用下颗粒会重新团聚，导致改性效果衰减甚至失效，团聚体还可能形成导电“小桥”反而劣化绝缘性能。其次，部分方案工艺繁琐（如多步化学反应、需惰性气体保护、高温长时间反应），成本高昂，难以工业化推广。再次，现有纳米改性技术主要依赖纳米粒子的界面效应或电荷陷阱效应，作用机制单一，对绝缘油长期热老化过程的延缓作用有限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油及其制备方法和应用，解决现有纳米改性技术中存在的团聚、沉降、界面结合弱等问题。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、本发明公开了一种3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油的制备方法，包括以下步骤：

4、（1）以氧化铝粉体、造孔剂和溶剂为主要成分配制打印墨水，通过挤压式3d打印形成交错网格结构的多孔陶瓷纤维预制体；

5、（2）将多孔陶瓷纤维预制体在保护气氛下进行高温烧结，然后将烧结后的纤维浸入硅烷偶联剂溶液中进行表面改性处理，取出后烘干，得到改性陶瓷纤维；

6、（3）将改性陶瓷纤维加入植物绝缘油中，经超声分散后加入抗氧剂，再进行真空脱气处理，得到3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油。

7、进一步，步骤（1）中，以体积百分数计，所述打印墨水的组成为：氧化铝粉体30-40vol%、造孔剂3-8vol%、溶剂50-65vol%，并加入ph调节剂调节ph至4-5。

8、进一步，所述造孔剂为淀粉微球，所述溶剂为去离子水，所述ph调节剂为柠檬酸。

9、进一步，步骤（1）中，所述挤压式3d打印的打印压力为0.2-0.5 mpa，喷嘴温度为20-30 ℃。

10、进一步，所述交错网格结构的多孔陶瓷纤维预制体的孔隙率大于50%，孔径范围为20-100 μm。

11、进一步，步骤（2）中，所述高温烧结的温度为900-1200 ℃，时间为2-4小时，保护气氛为氮气或氩气。

12、进一步，步骤（2）中，所述硅烷偶联剂为kh-550，其溶液浓度为1-5 wt%，浸渍时间为20-40分钟，烘干温度为70-90 ℃。

13、进一步，步骤（3）中，所述植物绝缘油为酸值低于0.1 mg koh/g的精制植物油；

14、所述改性陶瓷纤维的添加量为植物绝缘油质量的5-10 wt%；

15、所述超声分散的功率为150-250 w，时间为20-40分钟；

16、所述抗氧剂为bht，抗氧剂添加量为植物绝缘油质量的0.02-0.1 wt%；

17、所述真空脱气处理的温度为50-70℃，时间为0.5-2小时。

18、本发明还公开了所述的制备方法制备得到的3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油。

19、本发明还公开了所述的3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油在变压器或电力设备中的应用。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

21、本发明公开了一种3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油的制备方法，通过挤压式3d打印与淀粉微球造孔剂协同，在纤维内部及表面构筑了20-100 μm的微孔结构。烧结后微孔成为天然的电荷陷阱与电场均化单元，有效抑制局部放电通道发展。纤维的微米级宏观尺寸彻底克服了纳米颗粒因高表面能导致的团聚-沉降顽疾，从根源上实现了永久性分散稳定。

22、通过硅烷偶联剂对烧结纤维进行表面改性，偶联剂的烷氧基与陶瓷纤维表面羟基水解缩合形成si-o-al共价键，氨基端则与植物油中脂肪酸基团产生氢键或范德华力作用。这一化学桥联机制显著降低了油-固界面张力，使纤维由亲水转为亲油，不仅实现了长期超声-静置无沉降，更有效抑制了高温老化下油酸分解副产物在界面处的积聚，延缓了绝缘油的整体老化进程。

23、多孔纤维在油相中相互搭接形成三维导热/均场网络，从源头解决了现有纳米改性技术中填料易团聚沉降的根本问题：在工艺成本方面，本方法所用氧化铝、淀粉、水均为大宗原料，3d打印、管式炉、超声设备成熟，步骤简单，显著降低了成本。在绿色环保方面，淀粉为生物基造孔剂，烧结完全分解。

24、进一步，烧结温度为900-1200 ℃，该温度范围既能实现氧化铝陶瓷的充分烧结（氧化铝烧结温度通常在1400 ℃以上，但通过添加淀粉造孔剂和细小粉体可降低至900-1200 ℃），又能避免孔隙塌陷。保护气氛（氮气或氩气）防止淀粉燃烧过快导致孔隙不均匀，保障了多孔结构的可控性，实现了在较低能耗下获得结构稳定的多孔陶瓷纤维，降低了工艺成本和能耗。

25、本发明还公开了上述方法制备得到的3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油，该改性植物绝缘油具有独特的微观结构特征：分散有3d打印定制的多孔陶瓷纤维，纤维之间相互搭接形成三维网络，纤维内部及表面含有20-100 μm的微孔。这种结构使得产品区别于现有纳米颗粒改性油（以球形颗粒孤立分散于油中）和普通纤维改性油（无多孔结构、无网络搭接）。对比例4的实心纤维改性油因无多孔结构，介电强度仅提升18.3%；而实施例1-5产品均实现了介电强度提升≥35%、老化衰减率≤5%、起始分解温度≥295 ℃。

1.一种3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，以体积百分数计，所述打印墨水的组成为：氧化铝粉体30-40vol%、造孔剂3-8vol%、溶剂50-65vol%，并加入ph调节剂调节ph至4-5。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为淀粉微球，所述溶剂为去离子水，所述ph调节剂为柠檬酸。

4. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述挤压式3d打印的打印压力为0.2-0.5 mpa，喷嘴温度为20-30 ℃。

5. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交错网格结构的多孔陶瓷纤维预制体的孔隙率大于50%，孔径范围为20-100 μm。

6. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述高温烧结的温度为900-1200 ℃，时间为2-4小时，保护气氛为氮气或氩气。

7. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述硅烷偶联剂为kh-550，其溶液浓度为1-5 wt%，浸渍时间为20-40分钟，烘干温度为70-90 ℃。

8. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述植物绝缘油为酸值低于0.1 mg koh/g的精制植物油；

9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油。

10.权利要求9所述的3d打印多孔陶瓷纤维改性植物绝缘油在变压器或电力设备中的应用。