氫氧化鋁的表面改性及在硅橡膠涂料中的應用

1、氫氧化鋁的表面改性及在硅橡膠涂料中的應用曾凡輝1、2 姜其斌 1 陳憲宏21.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007 2.湖南大學材料科學與工程學院，湖南長沙 410082摘要：以鈦酸酯偶聯(lián)劑為改性劑對氫氧化鋁進行表面改性處理，制得了電氣絕緣性能優(yōu)異的硅橡膠防污閃涂料，通過SEM和DMTA等檢測手段對改性結果進行了表征。結果表明：當改性劑用量為0.5，改性溫度在110120時，氫氧化鋁/硅橡膠復合材料具有良好的相容性，其玻璃化轉變溫度由-50.2提高到-45.6，耐電弧性能由156S提高到238S。關鍵詞： 氫氧化鋁；表面改性；硅橡膠涂料；電氣性能中圖分類號： 文獻標識碼： 文

2、章編號：Surface Modifying and Applied Research in SiliconeRubber Coating of Aluminum HydroxideZENG Fan-hui1,2，JIANG Qi-bin1，CHEN Xian-hong2(1.Zhuzhou Times New Material Technology Co.,LTD , Zhu zhou 412007, China 2.School of Materials Science and Engineering Hunan University, Changsha 410082, China)Abst

3、ract：By surface modifying of aluminum hydroxide with titanate coupling agent，The silicone rubber coating was prepared which had a fine electric insulation capability，The result of surface modifying was investigated by means of SEM and DMTA etc. It showed that as the dosage of coupling agent was 0.5%

4、 (by weight) and temperature was about 110120,It had a good mix capability to the compound material of aluminum hydroxide/ silicone rubber , the temperature glass increased from -50.2 to -45.6, the capability to resistance tracking increased from 156S to 238S. Key words：aluminum hydroxide；surface mo

5、dification；silicone rubber coating；electric capability1、前言電力設備外絕緣表面在運行過程中會逐漸積污，污層受潮濕潤后，其中的電介質溶解，使污層中的表面電導增大，漏電電流增加，由此產(chǎn)生電弧效應，當電弧長度達到臨界值時，絕緣表面將發(fā)生閃絡事故。硅橡膠涂料是涂覆在電力設備外絕緣表面的一種憎水防污閃材料，其主要功能是提高電力輸變電設備外絕緣結構的抗污閃電壓。氫氧化鋁可用在硅橡膠涂料中以提高耐電弧性能及耐漏電起痕。作用機理一般認為是當電弧燒灼材料表面時，局部材料表面的濕度顯著提高，氫氧化鋁在加熱到220左右會迅速分解出結晶水并吸收大量的熱量，從而降

6、低了材料表面的溫度。氫氧化鋁分解出的結晶水在Al2O3的催化作用下可與有機材料分解時產(chǎn)生的游離碳發(fā)生反應，生成揮發(fā)1的CO、CO2，阻止了導電的炭化通道的形成。氫氧化鋁的表面為極性基團，在水分的作用下易團聚，和氫氧化鋁相比，硅橡膠涂料中的硅氧烷聚合物為非極性物質,二者的表面性質差異極大，相容性差，解決這一問題的技術方法主要是對超細填料進行表面改性，以改善其表面的物理化學特性，增強其與有機高聚物的相容性和在有機基質中的分散性，以提高材料的綜合性能23。本文通過對氫氧化鋁進行表面改性處理，并將其應用到硅橡膠涂料中，研制出了適合電力設備外絕緣結構使用的特種材料。 2、試驗部分 2.1主要原材料微細氫

7、氧化鋁：工業(yè)級，山東鋁業(yè)公司；鈦酸酯偶聯(lián)劑：化學純，揚州立達樹脂公司；有機硅氧烷聚合物：工業(yè)級，吉化公司；甲基硅油：工業(yè)品；交聯(lián)劑：工業(yè)級，吉化公司；氣相白炭黑：工業(yè)級，德固薩公司；石油醚：化學純。 2.2表面改性試驗先將氫氧化鋁粉體在120下干燥68h，然后用石油醚溶劑將氫氧化鋁制成料漿加入到三口瓶中，開動攪拌器，用滴管將調(diào)配好的改性劑緩慢加入，高速攪拌反應約30min后，將樣品真空抽濾，烘干并打散成粉末狀待用。2.3氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的制備按配方量稱取硅氧烷聚合物、氣相白炭黑在捏合機內(nèi)攪拌均勻，然后加入經(jīng)表面改性處理的氫氧化鋁和剩余其它物料，高速分散均勻，研磨至細度20m； 調(diào)整粘度

8、40-60秒（涂4杯），過濾出料，配制成硅橡膠防污閃涂料， 按電力部標準DL/T627-1997檢測性能。 3、結果與討論3.1不同改性劑對改性效果的影響氫氧化鋁微粉的表面為極性基團，富含羥基，在水分的作用下極易團聚，如圖1所示4。HOlH偶聯(lián)劑的表面覆蓋率，經(jīng)計算本研究偶聯(lián)劑用量約為粉體質量份數(shù)的2.5。由表2知，隨著偶聯(lián)劑用量增加，復合材料的相容性變好，電氣性能卻先升后降，偶聯(lián)劑的最佳用量僅為氫氧化鋁質量份數(shù)的0.5?？梢?，偶聯(lián)劑的實際用量與理論值差異很大。主要原因是在硅橡膠涂料中，氫氧化鋁顆粒團聚成為小的粉體團，偶聯(lián)劑分子并不是分布在每個顆粒表面。因此對于微細粉體，單分子層理論不再適用5

9、，改性劑用量需由具體試驗確定，當偶聯(lián)劑用量過量時，多余的偶聯(lián)劑殘留在涂料中，造成了復合材料的電氣性能下降。表2 改性劑用量對復合材料的性能影響圖1氫氧化鋁的表面形態(tài)與團聚偶聯(lián)劑用量/%0 0.5 1.0 1.5體系 相容性 差 好 好 好性能比較 耐電弧性/s 156 235 221 205體積電阻率/m 6.5×1013 9.0×1015157.8×10電氣強度/ MV/m 15 29 25 21和氫氧化鋁相比，硅氧烷聚合物為非極性物質,二者的表面性質差異極大，混合后容易造成樹脂與填料的兩相分離，從而大大的影響材料的綜合性能。所以氫氧化鋁在加入前必須對其進行表面

10、改性處理，以增加其與硅氧烷聚合物的相容性。表1 不同改性劑對復合材料的性能影響性能比較試 驗體系 相容性1.未改性 2.加某硅烷偶聯(lián)劑 3.加某鈦酸酯偶聯(lián)劑差 較好 好耐電弧性/s 156 225 238體積電阻率/m 6.5×1013 7.8×1015 9.2×1015電氣強度/ MV/m 15 23 284.3×1015不同改性劑對氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的性能影響如表1所示。由表1可知，當研究選用某單烷氧基焦磷酸型鈦酸酯偶聯(lián)劑作為改性劑時，復合材料具有較好的相容性和電氣性能，主要是因為單烷氧基可與氫氧化鋁表面的羥基反應，同時焦磷酸酯基還可分解產(chǎn)生磷

11、酸酯基，結合部分羥基，氫氧化鋁表面的極性基團被改性劑的有機基團取代，這樣大大提高了氫氧化鋁與硅氧烷聚合物的相容性，從而提高了復合材料的電氣性能。另一方面，改性劑的加入改變了顆粒周圍的電荷分布情況，增大了顆粒之間的排斥能，進而有效的防止了顆粒團聚，改善了氫氧化鋁在硅橡膠涂料中的分散性能。 3.2改性劑用量對改性效果的影響理論偶聯(lián)劑最佳用量=填料的比表面積×1003.3改性溫度對改性效果的影響不同改性溫度對復合材料的性能影響如表3所示。由表3可知，隨著溫度增加，復合材料的相容性和電氣性能有一個先升后降的過程。這可能是由于偶聯(lián)劑與富含羥基的材料基質表面一部分發(fā)生了化學結合，另一部分則是以物

12、理吸附的方式與材料基質表面結合6，根據(jù)化學反應動力學，溫度升高，化學反應速度加快，而偶聯(lián)劑在氫氧化鋁的表面吸附為放熱過程，溫度升高脫附加快。在較低溫度下，溫度升高有利吸附進行，隨后，溫度對脫附的作用強于對物理吸附和化學結合的影響，偶聯(lián)劑與氫氧化鋁材料基質表面的相互作用隨溫度升高而降低。試驗確定最佳的改性溫度為110120。 表3 改性溫度對復合材料的性能影響改性溫度 / 90100 100110 110120 120130體系 相容性差 較好 好 較好性能比較 耐電弧性/s 185 223 240 228體積電阻率/m 2.8×1015 6.5×1015159.5×

13、;10電氣強度/ MV/m 20 23 28 255.2×10153.4 氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的性能表征 3.4.1氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的SEM圖圖2為改性前后氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的截面掃描電鏡圖。由圖中可見，未改性處理的氫氧化鋁在硅橡膠涂料中有團聚現(xiàn)象，分散不均勻，粒子和硅橡膠涂料基體樹脂的相界面明顯，粒子表面不能被基體樹脂很好的濕潤。而經(jīng)過表面改性處理的氫氧化鋁在硅橡膠涂料中分散比較均勻，雖然顆粒仍有團聚現(xiàn)象，但和未改性前相比，已有了很大的改觀，顆粒以小團聚狀態(tài)分散于硅橡膠涂料中。這樣改性后的氫氧化鋁在受熱分解產(chǎn)生結晶水時便能夠均勻的吸收材料表面熱量，當電弧燒灼材料表

14、面時，不會產(chǎn)生由于絕緣材料某一點局部溫度過高而導致的電擊穿現(xiàn)象，較大的提高了材料的抗電弧性能。(a)未改性氫氧化鋁/硅橡膠 (b)改性氫氧化鋁/硅橡膠 圖2 氫氧化鋁/硅橡膠復合材料截面SEM圖3.4.2 氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的DMTA曲線氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的DMTA（動態(tài)力學性能）曲線如圖3所示。1#:改性氫氧化鋁/硅橡膠復合材料樣品 2#:未改性氫氧化鋁/硅橡膠復合材料樣品( E：儲能模量；E：損耗模量；tg：損耗因子)圖3 氫氧化鋁/硅橡膠涂料的DMTA圖由圖3的DMTA曲線可見，改性氫氧化鋁/硅橡膠復合材料樣品（1）在-80至25的儲能模量總比未改性氫氧化鋁/硅橡膠復合材料樣

15、品（2）的儲能模量高，說明1樣品在變形時儲存的能量大，即回彈能力比2樣品要強。另外從DMTA曲線比較兩樣品的阻尼因子tg，2樣品在大部分溫度范圍內(nèi)的阻尼因子tg比1樣品的阻尼因子tg要高，說明2樣品的內(nèi)耗比1樣品的內(nèi)耗大，即前者吸收的沖擊能量較大，回彈性也就差7。另外，以tg峰值為氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的玻璃化轉變溫度Tg，可知1樣品的Tg（-45.6）比2樣品的Tg（-50.2）要高，可能是由于改性后的氫氧化鋁在硅橡膠涂料中分散得更均勻，使涂料體系的交聯(lián)密度提高，硅橡膠涂料的交聯(lián)密度提高，分子鏈的作用力加強，這樣1樣品的電氣絕緣性能比2樣品要好。4、結論選用某鈦酸酯偶聯(lián)劑對氫氧化鋁微粉進行

16、表面改性處理時，改性劑最佳用量為0.5，最佳改性溫度為110120。通過對氫氧化鋁/硅橡膠復合材料的SEM和DMTA分析，氫氧化鋁經(jīng)改性處理后，其在硅橡膠涂料中的濕潤分散性能得到了改善，復合材料的玻璃化轉變溫度由-50.2提高到-45.6，復合材料的相容性、電氣絕緣性能得到了較大提高。參考文獻1賈志東，關志成.面放電對室溫硫化硅橡膠涂料的影響及對策J.電瓷避雷器，1999，（2）：8-12.2Pradhan JK，Bhattacharya IN，DasSC，et a1.Characterisation of fine polycrystals of metastable alumina obtained through a wet chemical precursor synthesiJMaterials Science and Engineering B.2000，77(2)：1851923Ibrahim D M，Khalil TMostafa A ADensificationof aluminaproduced by urea formaldehyde sol gel polymeri