一种复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料及制备方法与流程

本公开涉及复合绝缘子材料，尤其涉及一种复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料及制备方法。

背景技术：

1、复合绝缘子具有重量轻、机械强度高、憎水性和憎水迁移性强、耐污闪电压高等优点，在国内外输电线路中被广泛推广应用。复合绝缘子的伞裙主要由硅橡胶材料制成，而白炭黑（气相法白炭黑或沉淀法白炭黑）是硅橡胶复合材料中不可或缺的补强填料，能够显著提升硅橡胶的力学性能。

2、然而，现有技术中白炭黑在硅橡胶中的应用仍存在以下技术问题：白炭黑与硅橡胶基体的相容性差。在混炼过程中，白炭黑纳米粒子容易通过氢键作用发生团聚，形成二次聚集体，导致其在硅橡胶中分散不均匀。白炭黑的团聚不仅削弱了补强效果，还会在复合材料中形成应力集中点和电缺陷点，影响硅橡胶的力学性能和电绝缘性能。

3、目前白炭黑的表面改性主要采用硅烷偶联剂等湿法化学改性方法。该方法通常包括以下步骤：将白炭黑分散于乙醇/水混合溶剂中，加入偶联剂，加热反应数小时，然后过滤、洗涤、干燥。该传统方法存在以下不足：（1）需要使用大量有机溶剂，废液处理成本高，环境污染严重；（2）反应条件不易控制，偶联剂易发生自聚合，导致改性效果不稳定；（3）干燥过程中纳米粒子易重新团聚，影响分散效果。

4、复合绝缘子长期暴露在户外环境中，面临高温、紫外线、污秽、潮湿、电场等多重老化因素的协同作用。现有复合绝缘子硅橡胶材料在长期运行中存在以下性能短板：耐热老化性不足，高温下硅橡胶易氧化交联或断链，材料变硬变脆；耐电弧性待提高，污湿条件下局部电弧放电易侵蚀硅橡胶表面；多填料分散困难，白炭黑与氧化铁、氧化锌、氧化铝等多种粉体在同一基体中易相互团聚，导致综合性能恶化。

5、综上所述，开发一种基于等离子体改性白炭黑、并协同多种功能填料的高性能复合绝缘子硅橡胶材料，同时建立与之匹配的优化混炼工艺，具有重要的技术价值和市场前景。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本公开提供了一种复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料及制备方法，以解决现有技术中白炭黑在硅橡胶中分散性差、传统改性方法环境污染大以及复合绝缘子硅橡胶综合性能不足的技术问题。

2、第一方面，本公开提供了一种复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料，其原料按重量份数计包括：硅橡胶生胶100-120份、等离子体改性白炭黑25-30份、氢氧化铝90-110份、羟基硅油2-5份、硫化剂0.2-0.3份、偶联剂0.5-1份、氧化铁2-3份、氧化锌3-5份、氧化铝3-5份、甲基硅油0.1-3份。

3、其中，所述等离子体改性白炭黑的制备方法包括以下步骤：将白炭黑置于低温等离子体处理设备中，在本底真空度10 pa-50 pa（例如10 pa、20 pa、30 pa、40 pa、50 pa）、工作压力20 pa-100 pa（例如20 pa、40 pa、60 pa、80 pa、100 pa）、放电功率50 w-200 w（例如50 w、100 w、150 w、200 w）的条件下进行等离子改性处理10 min-40 min（例如10min、15 min、20 min、25 min、30 min、35 min、40 min）。

4、低温等离子体技术是一种干法、无溶剂的绿色表面处理技术，但将该技术处理后的白炭黑专门应用于复合绝缘子硅橡胶，并系统研究其与氧化铁、氧化锌、氧化铝等多功能填料体系在等离子体改性条件下的协同分散机制，以及对电绝缘性能、耐热老化性能和憎水性能的综合影响，目前尚未见报道。因此，本公开基于研究提出了一种复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料，其能够克服上述背景技术中所存在的至少一个不足。本公开采用rh171单体等离子体聚合改性白炭黑制得的复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料，拉伸强度达到5.8mpa，撕裂强度达到29.7 kn/m，断裂伸长率为257%，水接触角达120°，导热系数达0.92 w/(m·k)，200 ℃×72 h热老化后拉伸强度保持率大于80%。

5、在一些实施方式中，所述等离子改性处理的处理气体为氩气、氮气和氧气中的一种或多种。优选氩气或氮气。

6、在一些实施方式中，所述白炭黑为相法白炭黑或沉淀法白炭黑，其比表面积为200m2/g-225 m2/g。

7、在另一些实施方式中，不仅仅采用等离子体预处理白炭黑，而是通过等离子体聚合改性白炭黑，具体方案为：在通入硅烷类单体气体和载气的混合气体的条件下进行所述等离子改性处理。单体在等离子体激发下于白炭黑表面发生聚合反应，形成聚合物包覆层，得到等离子体聚合改性白炭黑。

8、其中，所述硅烷类单体气体中的硅烷类单体为rh171（乙烯基三甲氧基硅烷）、rh151（乙烯基三乙氧基硅烷）和kh550（γ-氨丙基三乙氧基硅烷）中的一种或多种。所述载气为氩气或氮气。所述硅烷类单体气体和所述载气的体积比为1：（15-20）。例如1:15、1:16、1:17、1:18、1:19、1:20。

9、在一些实施方式中，所述硅橡胶生胶为甲基乙烯基硅橡胶生胶，数均分子量为4.5×105-8.5×105，乙烯基含量为0.07 wt%-0.12 wt%。

10、在一些实施方式中，所述硫化剂包括1,1-二叔丁基过氧化-3,3,5-三甲基环己烷和2,5-二甲基-2,5-二(叔丁基过氧基)己烷中的一种或两种。所述偶联剂为硅烷偶联剂，例如kh-550。所述氧化铁为三氧化二铁；和/或，所述氢氧化铝为活性氢氧化铝粉，平均粒径为1 μm-5 μm。

11、第二方面，本公开提供了第一方面所述的复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1、密炼：将所述硅橡胶生胶和所述等离子体改性白炭黑进行密炼得到第一次混炼胶，随后分批加入除所述硫化剂之外的剩余原料进行密炼，得到第二次混炼胶；

13、步骤2、捏合：将所述混炼胶于捏合机中进行捏合，于140 ℃-145 ℃的条件下抽真空30 min-40 min（例如30 min，32 min，34 min，36 min，38 min，40 min），随后放置20 h-30 h（例如20 h，22 h，24 h，26 h，28 h，30 h），得到橡胶；

14、步骤3、薄通：将所述橡胶置于开炼机上，加入硫化剂，翻动使其均匀分散，得到加硫橡胶；

15、步骤4、高温硫化：将所述加硫橡胶进行热压硫化处理，得到所述复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料。

16、在一些优选的实施方式中，所述步骤1中，先将所述硅橡胶生胶和所述等离子体改性白炭黑密炼5 min-7 min（例如5 min，6 min，7 min），再加入所述氧化铁、所述氧化锌、所述氧化铝和部分所述氢氧化铝，密炼10 min-15 min（例如10 min，11 min，12 min，13 min，14 min，15 min），再加入剩余的所述氢氧化铝、所述羟基硅油和所述甲基硅油，密炼10min-15 min（例如10 min，11 min，12 min，13 min，14 min，15 min）。

17、在一些优选的实施方式中，所述步骤3中，翻动次数不低于6次。

18、在一些实施方式中，所述步骤4中，在150 ℃-170 ℃（例如150 ℃，155 ℃，160℃，165 ℃，170 ℃）、13 mpa-20 mpa（例如13 mpa，15 mpa，18 mpa，20 mpa）的条件下热压硫化处理10 min-15 min（例如10 min，11 min，12 min，13 min，14 min，15 min）。

19、第三方面，本公开提供了一种复合绝缘子，包括第一方面所述的复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料。

20、本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

21、（1）白炭黑分散性显著改善：低温等离子体处理可在白炭黑表面引入极性基团或形成聚合物包覆层，增加表面粗糙度。配合分步密炼工艺（先塑炼生胶与白炭黑，再分批加入粉料），有效提高白炭黑在硅橡胶基体中的分散性，减少团聚现象。

22、（2）环境友好：等离子体处理为干法工艺，无需使用有机溶剂，无废液排放，符合绿色环保要求。

23、（3）工艺控制精准：通过捏合阶段精确控制温度（140-145℃）及抽真空时间（30分钟），有效脱除低分子物和气泡；通过严格的开炼机薄通翻料（不少于6次），确保硫化剂均匀分散。

24、（4）综合性能提升：与未改性白炭黑相比，本公开制得的复合绝缘子用绝缘硅橡胶复合材料在力学性能（拉伸强度、撕裂强度）、电绝缘性能（击穿电压、耐漏电起痕等级）以及耐热老化性能方面均有显著改善。

25、（5）憎水性改善：等离子体聚合改性配合偶联剂的协同作用，静态水接触角可达120°。