本發(fā)明屬于絕緣材料制備領域，具體涉及一種耐高壓絕緣材料及其制備方法。
背景技術：
聚酰亞胺是綜合性能最佳的有機高分子材料之一，耐高溫達400℃以上，長期使用溫度范圍-200～300℃，無明顯熔點，高絕緣性能。聚酰亞胺作為一種特種工程材料，已廣泛應用在航空、航天、微電子、納米、液晶、分離膜、激光等領域。但是，傳統(tǒng)的聚酰亞胺薄膜單體反應活性低下，很難制得高分子量的聚酰亞胺樹脂，導致其薄膜產(chǎn)品的綜合性能大大下降，力學性能很低，阻礙產(chǎn)品的進一步推廣。
在電氣絕緣領域，我國聚酰亞胺商品化程度低，工業(yè)化程度與美日的杜邦等大公司相比存在著比較大的差距，聚酰亞胺基無機納米復合絕緣材料起步較晚，從2005年之后才開始受到重視。目前，我國生產(chǎn)聚酰亞胺薄膜的廠家大約有50家左右。
雖然聚酰亞胺己經(jīng)在很多領域得到了成功的應用，但是隨著絕緣材料不斷向多功能化、低成本化和多功能化方向發(fā)展，而且伴隨著其應用的環(huán)境越來越嚴苛，傳統(tǒng)聚酰亞胺在某些方面己經(jīng)很難滿足要求。電力電子器件的小型化要求在提高電極絕緣介電強度的同時增加其介電常數(shù)，儲能電容器要求同時增大絕緣的介電常數(shù)和擊穿場強以提高儲能密度。對電機絕緣來說，聚酰亞胺薄膜是目前變頻電機中最重要的絕緣材料，但由于其作為髙分子聚合物電暈性能較差，容易受電暈老化侵蝕而導致電機絕緣老化失效，嚴重威脅著其為絕緣的變頻電機壽命和絕緣的可靠性。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的是提供了一種聚酰亞胺改性的耐高壓絕緣材料及其制備方法。
本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn)：
一種耐高壓絕緣材料，所述的耐高壓絕緣材料主要是由偏苯三酸酐、5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、n-甲基吡咯烷酮、二甲苯、n,n-二甲基乙酰胺、苯酚、4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、改性納米粒子、改性納米纖維制成，其重量份數(shù)分別為15～30份的偏苯三酸酐、20～30份的5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、30～70份的n-甲基吡咯烷酮、10～20份的二甲苯、15～30份的n,n-二甲基乙酰胺、5～10份的苯酚、20～100份的4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、0.5～10份的改性納米粒子、0.5～10份的改性纖維。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料，所述的改性納米粒子是改性納米sio2和改性納米al2o3的混合物，其中改性納米sio2和改性納米al2o3的質量比為0.2:1～1:10，改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料，所述的改性纖維是改性玻璃纖維，改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料，所述的kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液為95％的乙醇溶液內加入kh902硅烷偶聯(lián)劑，其中95％的乙醇溶液與kh902硅烷偶聯(lián)劑的質量比為95：5。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料，所述的耐高壓絕緣材料包括重量份數(shù)為15份的偏苯三酸酐、20份的5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、30份的n-甲基吡咯烷酮、10份的二甲苯、15份的n,n-二甲基乙酰胺、5份的苯酚、40份的4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、1份的改性納米粒子、1份的改性纖維。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1、將稱量好的納米sio2和納米al2o3置于改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中，混合攪拌60～120min后，靜置24h，抽濾后得到的混合物，抽真空干燥后，得到改性納米粒子，待用；
步驟2、將稱量好的玻璃纖維置于改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中，混合攪拌60～120min后，靜置24h，抽濾后得到的混合物，抽真空干燥后進行表面機械研磨，得到改性纖維，待用；
步驟3、將稱量好的偏苯三酸酐、5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、n-甲基吡咯烷酮加入裝有氮氣保護、機械攪拌、冷凝管的三口燒杯內，攪拌20～80min后，加入稱量好的二甲苯、n,n-二甲基乙酰胺，繼續(xù)攪拌30～60min，待完全溶劑后得到混合溶劑a待用；
步驟4、將步驟3中的混合溶劑a中加入稱量好的4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、苯酚，攪拌60～120min后，待完全溶液后加入稱量好的步驟1制備的改性納米粒子和步驟2制備的改性纖維，繼續(xù)攪拌120～300min，得到混合物b，待用；
步驟5、將步驟4得到的混合物b靜置2h后，將混合液倒入成膜容器中，將成膜容器置于真空干燥箱內，首先抽真空后，通入氮氣、氟氣混合氣體，升溫進行固化反應，停止加熱后將混合氣體抽入氣體保存裝置，真空干燥箱持續(xù)真空狀態(tài)，真空室內溫度自然冷卻到室溫后，得到所述的耐高壓絕緣材料。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟1中的納米sio2和納米al2o3粒徑分別為5～20nm。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟2中玻璃纖維的單根直徑為5～20μm，改性纖維的粒徑為50～200nm。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟5中真空干燥箱升溫步驟為：程序升溫至180℃，保溫2h，繼續(xù)升高溫度到240℃，保溫1h，繼續(xù)升高溫度到300℃，保溫4h。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟5中氮氣與氟氣的體積比為9:1。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，改性納米sio2能夠保持材料的化學穩(wěn)定性和機械強度，納米al2o3能夠提高材料的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和機械強度，通過改性纖維和納米sio2，納米al2o3結合，不同納米結構間空間均勻連接分布，與封端的混合物a樹脂混合后，制備成復合材料再進行氟化反應，制得所述的耐高壓絕緣材料。氟化反應能夠改變聚合物表面的化學組成，降低材料的表面自由能，提高聚合物絕緣的整體性能。
本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，在不影響耐高壓性能的前提下耐電暈能力和抗燒蝕能力提高。
具體實施方式
具體實施方式一：
一種耐高壓絕緣材料，所述的耐高壓絕緣材料主要是由偏苯三酸酐、5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、n-甲基吡咯烷酮、二甲苯、n,n-二甲基乙酰胺、苯酚、4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、改性納米粒子、改性納米纖維制成，包括重量份數(shù)為15份的偏苯三酸酐、20份的5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、30份的n-甲基吡咯烷酮、10份的二甲苯、15份的n,n-二甲基乙酰胺、5份的苯酚、40份的4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、1份的改性納米粒子、1份的改性纖維。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料，所述的改性納米粒子是改性納米sio2和改性納米al2o3的混合物，其中改性納米sio2和改性納米al2o3的質量比為0.2:1，改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料，所述的改性纖維是改性玻璃纖維，改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料，所述的kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液為95％的乙醇溶液內加入kh902硅烷偶聯(lián)劑，其中95％的乙醇溶液與kh902硅烷偶聯(lián)劑的質量比為95：5。
利用本實施方式制備的耐高壓絕緣材料與純聚酰亞胺薄膜相比，進行電壓擊穿穿孔測試，記錄兩種材料的孔徑。本實施方式制備的耐高壓絕緣材料的電壓擊穿孔徑為均勻圓形，孔徑外周材料碳化率60％，純聚酰亞胺薄膜電壓擊穿孔徑為不規(guī)則鋸齒狀結構，孔面積為耐高壓絕緣材料的孔面積的2.93倍，孔徑外周材料碳化率95％。因為電壓擊穿瞬間產(chǎn)生高溫燒蝕和碳化反應，由于本實施方式所述的耐高壓絕緣材料改性粒子的添加，使得聚酰亞胺擊穿后的燒蝕區(qū)域明顯減小，碳化程度明顯降低，而且穿孔形狀是規(guī)則的圓形，燒蝕區(qū)域碳化程度并不嚴重，材料變形率低，這是因為燒蝕擊穿發(fā)生后，聚合物受到納米粒子的保護，只有燒蝕穿孔處的聚合物由于高溫反應而分解揮發(fā)，納米粒子能夠有效的隔絕熱的傳遞，保護納米粒子周圍的絕緣材料，組織了熱的繼續(xù)傳遞。所以本實施方式制備的耐高壓絕緣材料的耐電暈能力和抗燒蝕能力相比于純的聚酰亞胺材料顯著提高。
利用zjc-50kv電壓擊穿試驗儀對本實施方式制備的耐高壓絕緣材料和純聚酰亞胺進行擊穿電壓測試，測試的樣品采用面積為5×5cm2、厚度為50μm的正方形薄膜，樣品均勻潔凈并事先干燥，測試對電極采用不銹鋼圓柱電極，電極分為上、下電極，上電極高25mm、直徑20mm，下電極高15mm、直徑50mm，下電極接地。測試時升壓速度為1kv/s。測試結果如表1所示：從表1中能夠看出本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料相比于純的聚酰亞胺材料，摻雜后的直流擊穿電壓和交流擊穿電壓，均符合絕緣材料的使用標準。
表1本發(fā)明耐高壓絕緣材料和純聚酰亞胺材料的擊穿強度
具體實施方式二：
根據(jù)具體實施方式一所述的耐高壓絕緣材料，包括如下步驟：
步驟1、將稱量好的納米sio2和納米al2o3置于改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中，混合攪拌120min后，靜置24h，抽濾后得到的混合物，抽真空干燥后，得到改性納米粒子，待用；
步驟2、將稱量好的玻璃纖維置于改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中，混合攪拌120min后，靜置24h，抽濾后得到的混合物，抽真空干燥后進行表面機械研磨，得到改性纖維，待用；
步驟3、將稱量好的偏苯三酸酐、5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、n-甲基吡咯烷酮加入裝有氮氣保護、機械攪拌、冷凝管的三口燒杯內，攪拌80min后，加入稱量好的二甲苯、n,n-二甲基乙酰胺，繼續(xù)攪拌30～60min，待完全溶劑后得到混合溶劑a待用；
步驟4、將步驟3中的混合溶劑a中加入稱量好的4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、苯酚，攪拌120min后，待完全溶液后加入稱量好的步驟1制備的改性納米粒子和步驟2制備的改性纖維，繼續(xù)攪拌120～300min，得到混合物b，待用；
步驟5、將步驟4得到的混合物b靜置2h后，將混合液倒入成膜容器中，將成膜容器置于真空干燥箱內，首先抽真空后，通入氮氣、氟氣混合氣體，升溫進行固化反應，停止加熱后將混合氣體抽入氣體保存裝置，真空干燥箱持續(xù)真空狀態(tài)，真空室內溫度自然冷卻到室溫后，得到所述的耐高壓絕緣材料。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟1中的納米sio2和納米al2o3粒徑分別為5～20nm。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟2中玻璃纖維的單根直徑為20μm，改性纖維的粒徑為50nm。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟5中真空干燥箱升溫步驟為：程序升溫至180℃，保溫2h，繼續(xù)升高溫度到240℃，保溫1h，繼續(xù)升高溫度到300℃，保溫4h。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟5中氮氣與氟氣的體積比為9:1。
具體實施方式三：
一種耐高壓絕緣材料，所述的耐高壓絕緣材料主要是由偏苯三酸酐、5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、n-甲基吡咯烷酮、二甲苯、n,n-二甲基乙酰胺、苯酚、4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、改性納米粒子、改性納米纖維制成，包括重量份數(shù)為30份的偏苯三酸酐、30份的5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、70份的n-甲基吡咯烷酮、20份的二甲苯、30份的n,n-二甲基乙酰胺、10份的苯酚、100份的4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、5份的改性納米粒子、1份的改性纖維。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料，所述的改性納米粒子是改性納米sio2和改性納米al2o3的混合物，其中改性納米sio2和改性納米al2o3的質量比為1:10，改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料，所述的改性纖維是改性玻璃纖維，改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料，所述的kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液為95％的乙醇溶液內加入kh902硅烷偶聯(lián)劑，其中95％的乙醇溶液與kh902硅烷偶聯(lián)劑的質量比為95：5。
利用zjc-50kv電壓擊穿試驗儀對本實施方式制備的耐高壓絕緣材料和純聚酰亞胺進行擊穿電壓測試，測試的樣品采用面積為5×5cm2、厚度為50μm的正方形薄膜，樣品均勻潔凈并事先干燥，測試對電極采用不銹鋼圓柱電極，電極分為上、下電極，上電極高25mm、直徑20mm，下電極高15mm、直徑50mm，下電極接地。測試時升壓速度為1kv/s。測試結果如表2所示：從表2中能夠看出本發(fā)明所述的耐高壓絕緣材料相比于純的聚酰亞胺材料，摻雜后的直流擊穿電壓和交流擊穿電壓，均符合絕緣材料的使用標準。
表2本發(fā)明耐高壓絕緣材料和純聚酰亞胺材料的擊穿強度
具體實施方式四：
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，包括如下步驟：
步驟1、將稱量好的納米sio2和納米al2o3置于改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中，混合攪拌60min后，靜置24h，抽濾后得到的混合物，抽真空干燥后，得到改性納米粒子，待用；
步驟2、將稱量好的玻璃纖維置于改性液為kh902硅烷偶聯(lián)劑醇溶液中，混合攪拌60min后，靜置24h，抽濾后得到的混合物，抽真空干燥后進行表面機械研磨，得到改性纖維，待用；
步驟3、將稱量好的偏苯三酸酐、5-降冰片稀-2,3-二羧酸單甲酯、n-甲基吡咯烷酮加入裝有氮氣保護、機械攪拌、冷凝管的三口燒杯內，攪拌40min后，加入稱量好的二甲苯、n,n-二甲基乙酰胺，繼續(xù)攪拌30～60min，待完全溶劑后得到混合溶劑a待用；
步驟4、將步驟3中的混合溶劑a中加入稱量好的4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯、苯酚，攪拌60min后，待完全溶液后加入稱量好的步驟1制備的改性納米粒子和步驟2制備的改性纖維，繼續(xù)攪拌180min，得到混合物b，待用；
步驟5、將步驟4得到的混合物b靜置2h后，將混合液倒入成膜容器中，將成膜容器置于真空干燥箱內，首先抽真空后，通入氮氣、氟氣混合氣體，升溫進行固化反應，停止加熱后將混合氣體抽入氣體保存裝置，真空干燥箱持續(xù)真空狀態(tài)，真空室內溫度自然冷卻到室溫后，得到所述的耐高壓絕緣材料。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟1中的納米sio2和納米al2o3粒徑分別為10nm。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟2中玻璃纖維的單根直徑為20μm，改性纖維的粒徑為100nm。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟5中真空干燥箱升溫步驟為：程序升溫至180℃，保溫2h，繼續(xù)升高溫度到240℃，保溫1h，繼續(xù)升高溫度到300℃，保溫4h。
本實施方式所述的耐高壓絕緣材料的制備方法，步驟5中氮氣與氟氣的體積比為9:1。