專利名稱：一種環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于聚合物基納米復合材料技術領域，具體涉及一種環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法。
背景技術：
環(huán)氧樹脂以其優(yōu)良的電氣、機械性能被當作一種絕緣材料應用于各類電氣產(chǎn)品上，例如作為電力互感器、變壓器、絕緣子等電器絕緣的澆注材料，斷路器中的密封絕緣、直流電機繞組的浸漬等。絕緣材料是保證電機電器正常運行的關鍵條件，電力工業(yè)的飛速發(fā)展，對絕緣材料的性能提出了更高的要求，所以發(fā)展新型的絕緣材料或者對原有的絕緣材料進行性能上的改進，一直以來都是世界各國研究的熱點。純環(huán)氧樹脂往往脆性大，抗開裂能力差，一般會加入無機填料以改善其機械性能， 并降低成本，但這會降低其電氣性能。近些年來，隨著納米技術的發(fā)展，納米材料被廣泛的應用于醫(yī)學、電子、生物、化工等眾多領域，在此大環(huán)境下，在電工材料領域也開始將納米材料應用于絕緣材料，在環(huán)氧樹脂絕緣中加入納米無機填料，不僅可以提高改善其機械性能， 而且可期望提高絕緣材料的介電性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法，本發(fā)明的復合材料具有介電性能優(yōu)良，特別是工頻擊穿場強高的優(yōu)點，本發(fā)明復合材料制備方法具有成本低廉的特點。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是一種環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料，其特征在于所述復合材料由基體樹脂、固化劑、促進劑以及添加劑組成，所述基體樹脂為環(huán)氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐，促進劑為N，N-二甲基芐胺，添加劑為納米氧化鋅，該復合材料中各組分的重量份為環(huán)氧樹脂為 100份、甲基六氫苯酐為70-120份、N, N- 二甲基芐胺為1_4份以及納米氧化鋅為0. 5-10 份。所述復合材料中各組分的重量份為環(huán)氧樹脂為100份、甲基六氫苯酐為80-110 份、N，N- 二甲基芐胺為1-3. 5份以及納米氧化鋅為1-9. 5份。所述環(huán)氧樹脂為雙酚A型環(huán)氧樹脂。一種制備權利要求1所述復合材料的方法，包括如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合高速剪切，首先將0. 5-10重量份表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理過的納米氧化鋅粒子加入到40-60重量份的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環(huán)氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以 5000-20000r/min的轉速處理分散液15_60min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發(fā)生器以功率 500-1000W、頻率 20-25kHz 處理分散液 15_60min ；
步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌2-4h以脫去丙酮；步驟4:加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 70-120重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及1-4重量份的促進劑N，N-二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09—0. IMpa，隨后加熱至30-50°C并保溫30-60min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經(jīng)脫模劑處理的模具中，在烘箱中加熱80-105°C并保溫2-4h，然后繼續(xù)加熱至120-140°C并保溫6_10小時，即可固化得到環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。步驟1所述納米氧化鋅粒子在加入到混合溶液之前進行烘干，烘干溫度為 100-130°C，烘干時間為 5-10h。步驟1所述的偶聯(lián)劑為Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑(KH550)、Y_(3，2_環(huán)氧丙氧基)甲基三甲氧基硅烷(ΚΗ560)、甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ570)、 鈦酸四丁酯中的一種或兩種以上，若為兩種以上則為任意配比。步驟1所述的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮為分析純的丙酮。步驟5所述的脫模劑為質量濃度為5%的硅脂/甲苯溶液。本發(fā)明把納米氧化鋅粒子通過高速剪切和超聲波方法均勻分散到了環(huán)氧樹脂基體中，表面處理方式保證了納米氧化鋅粒子的分散及納米粒子與環(huán)氧樹脂分子鏈的緊密交聯(lián)。由于納米粒子產(chǎn)生的特殊效應，例如界面效應等，使得僅添加少量納米氧化鋅即可制得介電性能優(yōu)于純環(huán)氧樹脂的納米復合材料。


圖1是本發(fā)明復合材料制備方法流程圖。圖2是納米粒子加入量為9. 5重量份時，本發(fā)明的環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料試樣斷面的形貌掃描電鏡圖。圖3是本發(fā)明環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的擊穿場強隨納米粒子含量變化圖。圖4是本發(fā)明環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的工頻擊穿場強的威布爾概率分布圖。圖5是本發(fā)明實施例二所制備的復合材料與純環(huán)氧樹脂以及對比例所制備的復合材料的性能比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。實施例一如圖1所示，本環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合高速剪切，首先將0. 5重量份表面經(jīng) ΚΗ560處理過的納米氧化鋅粒子在100°C的溫度下烘干他，然后加入到40重量份的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環(huán)氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以5000r/min的轉速處理分散液15min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發(fā)生器以功率 500W、頻率20kHz處理分散液15min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌池以脫去丙酮；步驟4:加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 80重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及1重量份的促進劑N，N_ 二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09Mpa,隨后加熱至40°C并保溫30min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經(jīng)脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱80°C并保溫2h，然后繼續(xù)加熱至120°C并保溫6小時，即可固化得到環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。實施例二如圖1所示，本環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合高速剪切，首先將9. 5重量份表面經(jīng) KH550處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干他，然后加入到60重量份的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環(huán)氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以lOOOOr/min的轉速處理分散液40min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發(fā)生器以功率 600W、頻率MkHz處理分散液30min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 90重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及2重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻， 然后抽真空至相對真空度-0. 095Mpa,隨后加熱至40°C并保溫45min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經(jīng)脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱80°C并保溫4h，然后繼續(xù)加熱至120°C并保溫6小時，即可固化得到環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。實施例三如圖1所示，本環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法，包括以下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合高速剪切，首先將6重量份表面經(jīng)KH570 和鈦酸四丁酯任意比混合處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干10h，然后加入到60重量份的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環(huán)氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以15000r/min的轉速處理分散液45min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發(fā)生器以功率 800W、頻率22kHz處理分散液45min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入100重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及3重量份的促進劑N，N-二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09Mpa,隨后加熱至50°C并保溫60min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經(jīng)脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱100°C并保溫4h，然后繼續(xù)加熱至130°C并保溫10小時，即可固化得到環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。對比例本環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的制備方法省略了圖1所示的高速剪切和超聲分散過程，采用了如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合，首先將9. 5重量份表面經(jīng)KH550處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干他，然后加入到60重量份的丙酮與100重量份的環(huán)氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，步驟2 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮。步驟3 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟2脫去丙酮的分散液中加入 90重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及2重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻， 然后抽真空至相對真空度-0. 095MPa,隨后加熱至40°C并保溫45min以脫去分散液中的氣泡；步驟4 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經(jīng)脫模劑質量濃度為5%的硅脂/ 甲苯溶液處理的模具中，然后加熱至80°C并保溫4h，最后繼續(xù)加熱至120°C并保溫6小時， 固化得到環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。如圖2所示，實例二所制備的環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料的斷面掃描電鏡圖，從圖中可看出粒子基本呈納米級分布。如圖3所示，圖中所示質量百分比為納米氧化鋅粒子質量與環(huán)氧樹脂固化體系的質量比，例如當納米粒子加入量為9. 5重量份時，所對應的環(huán)氧樹脂為100重量份，固化劑為90重量份，所以納米粒子的質量分數(shù)為9. 5/ (100+90) = 5%，從圖可以看到，低含量的納米粒子對環(huán)氧樹脂的工頻均勻場擊穿場強的影響并不大，但是當含量高時，工頻擊穿場強開始提高，當納米粒子的含量為5%時，復合材料的擊穿場強最高。如圖4所示，從圖中可以看出，不管在低概率擊穿和高概率擊穿，5%含量納米氧化鋅粒子對環(huán)氧樹脂的擊穿場強提高均較為明顯。如圖5所示，從圖中可看出對比例所制備的復合材料的介質損耗上升，而電阻率、 擊穿電壓則下降，介電性能變差，而對比例所制備的環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料與實例二所示的材料配比相同，但省略了高速剪切和超聲的分散過程。本發(fā)明的環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料介電性能優(yōu)良，當納米氧化鋅粒子用量為9. 5重量份，其介電性能達到最佳，工頻均勻場擊穿場強提高37. 3%，5%概率擊穿場強提高43.4%，樹枝化擊穿時間提高約一倍，同時工頻下?lián)p耗因數(shù)僅有輕微上升，平均值從 3. 6 X 10_3上升到4. 2 X IO"3,體積電阻率基本保持不變，在5 X IO14 2 X IO15 Ω · m范圍內(nèi)變化。本發(fā)明的環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及在其基礎上做適當添加劑的產(chǎn)品，可用做多類電氣產(chǎn)品的絕緣材料，如作為電力互感器、變壓器、絕緣子等電器絕緣的澆注材料，斷路器中的密封絕緣、直流電機繞組的浸漬等。
權利要求
1.一種環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料，其特征在于所述復合材料由基體樹脂、固化劑、促進劑以及添加劑組成，所述基體樹脂為環(huán)氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐，促進劑為N，N-二甲基芐胺，添加劑為納米氧化鋅，該復合材料中各組分的重量份為環(huán)氧樹脂為 100份、甲基六氫苯酐為70-120份、N, N- 二甲基芐胺為1_4份以及納米氧化鋅為0. 5-10 份。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合材料，其特征在于所述復合材料中各組分的重量份為 環(huán)氧樹脂為100份、甲基六氫苯酐為80-110份、N，N-二甲基芐胺為1-3. 5份以及納米氧化鋅為0. 5-10份。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的復合材料，其特征在于所述環(huán)氧樹脂為雙酚A型環(huán)氧樹脂。
4.一種制備權利要求1所述復合材料的方法，包括如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合高速剪切，首先將0. 5-10重量份表面經(jīng)偶聯(lián)劑處理過的納米氧化鋅粒子加入到40-60重量份的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環(huán)氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以 5000-20000r/min的轉速處理分散液15_60min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發(fā)生器以功率 500-1000W、頻率 20-25kHz 處理分散液 15_60min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌2-4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入 70-120重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及1-4重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 09—0. IMpa，隨后加熱至30-50°C并保溫30-60min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經(jīng)脫模劑處理的模具中，在烘箱中加熱 80-105°C并保溫2-4h，然后繼續(xù)加熱至120-140°C并保溫6_10小時，即可固化得到環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。
5.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟1所述納米氧化鋅粒子在加入到混合溶液之前進行烘干，烘干溫度為100-130°C，烘干時間為5-10h。
6.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟1所述的偶聯(lián)劑為Y-氨丙基三乙氧基硅烷偶聯(lián)劑(腿550)、^-(3，2-環(huán)氧丙氧基)甲基三甲氧基硅烷(KH560)、甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ570)、鈦酸四丁酯中的一種或兩種以上，若為兩種以上則為任意配比。
7.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟1所述的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮為分析純的丙酮。
8.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于步驟5所述的脫模劑為質量濃度為 5%的硅脂/甲苯溶液。
9.根據(jù)權利要求4所述的制備方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合高速剪切，首先將9. 5重量份表面經(jīng)ΚΗ550處理過的納米氧化鋅粒子在130°C的溫度下烘干他，然后加入到60重量份的環(huán)氧樹脂稀釋劑丙酮與100重量份的環(huán)氧樹脂的混合溶液當中，攪拌使得分散液無分層混合，然后使用高速剪力機以lOOOOr/min的轉速處理分散液40min ；步驟2 超聲分散，將步驟1高速剪切處理后的分散液使用超聲波發(fā)生器以功率600W、 頻率MkHz處理分散液30min ；步驟3 水浴脫丙酮，將超聲分散處理過的分散液放入溫度為70°C的水浴箱里電動攪拌4h以脫去丙酮；步驟4 加入固化劑和促進劑后真空脫氣，首先向步驟3脫去丙酮的分散液中加入90 重量份的固化劑甲基六氫苯酐以及2重量份的促進劑N，N- 二甲基芐胺，并攪拌均勻，然后抽真空至相對真空度-0. 095Mpa,隨后加熱至40°C并保溫45min以脫去分散液中的氣泡；步驟5 烘箱固化，首先將脫泡后的分散液倒入經(jīng)脫模劑質量濃度為5%的硅脂/甲苯溶液處理的模具中，在烘箱中加熱80°C并保溫4h，然后繼續(xù)加熱至120°C并保溫6小時，即可固化得到環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料。
全文摘要
一種環(huán)氧樹脂基納米氧化鋅復合材料及其制備方法，該復合材料由基體樹脂、固化劑、促進劑以及添加劑組成，所述基體樹脂為環(huán)氧樹脂，固化劑為甲基六氫苯酐，促進劑為N，N-二甲基芐胺，添加劑為納米氧化鋅，該復合材料中各組分的重量份為環(huán)氧樹脂為1))份、甲基六氫苯酐為70-120份、N，N-二甲基芐胺為1-4份以及納米氧化鋅為0.5-10份；其制備方法包括如下步驟納米氧化鋅、丙酮、環(huán)氧樹脂混合高速剪切、超聲分散、水浴脫丙酮、加入固化劑和促進劑后真空脫氣、烘箱固化；本發(fā)明的復合材料具有介電性能優(yōu)良，特別是工頻擊穿場強高的優(yōu)點，本發(fā)明復合材料制備方法具有成本低廉的特點。
文檔編號C08K3/22GK102391620SQ201110252309
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權日2011年8月30日
發(fā)明者徐陽, 易冉, 曹曉瓏, 楊文虎 申請人:西安交通大學