哌嗪基硅烷及其共聚物对硅橡胶耐漏电起痕作用的研究

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硅橡胶由于其独特的Si-O-Si主链结构,具有优异的电气绝缘性、耐候性、憎水性及憎水恢复性。因此,硅橡胶在高压绝缘领域得到了广泛的应用。然而,随着环境的恶化及电压等级的不断提升,硅橡胶绝缘材料在长期使用过程中容易发生漏电起痕破坏,导致绝缘失效,从而给输变电系统的安全带来严重危害。因此,研究高性能耐漏电起痕硅橡胶具有重要的理论意义和应用价值。本文采用耐氧化作用较好的γ-哌嗪基丙基甲基二甲氧基硅烷(HD-110)作为耐漏电起痕剂,研究其添加方式及用量对硅橡胶耐漏电起痕性能及热稳定性能的影响,并探讨HD-110对硅橡胶耐漏电起痕作用的机理。其次,合成了含哌嗪基和乙烯基的聚硅氧烷(PPMVS),将其添加到硅橡胶中,制备了耐漏电起痕性能优异,力学性能、耐水性及憎水恢复性均良好的硅橡胶。主要研究内容和结果如下:(1)采用HD-110作为耐漏电起痕剂,分别在制备硅橡胶母胶时添加HD-110(SR-1)和制成硅橡胶母胶后添加HD-110(SR-2),将HD-110引入含有铂催化剂的硅橡胶中,研究HD-110添加方式对硅橡胶耐漏电起痕性能的影响。结果表明,HD-110可显著提高硅橡胶的热稳定性和耐漏电起痕性能。其中,HD-110在炼母胶时加入的硅橡胶SR-1可通过1A 4.5级斜板法耐漏电起痕试验,平均电蚀损量仅为0.35wt%,远小于HD-110在炼完母胶后加入的硅橡胶SR-2的5.34wt%。RPA和耐抽提测试表明,HD-110在炼母胶时加入更易与白炭黑表面羟基发生缩合反应,使得SR-1中的白炭黑分散更均匀,并使HD-110更稳定的存在于硅橡胶中。因此,在长时间电弧反复放电产生的热的作用下及污染液的不断冲刷下,SR-1中的HD-110不易发生损失,使HD-110与铂催化剂协效催化作用更显著。(2)研究HD-110的用量对硅橡胶热稳定性能、阻燃性能、耐漏电起痕和耐电蚀损性能的影响,并通过TG-FTIR和SEM-EDX测试方法,探讨了HD-110对硅橡胶耐漏电起痕的作用机理。结果表明,HD-110的用量对硅橡胶的耐漏电起痕性能、热稳定性和阻燃性能都有较大影响。当添加2phr HD-110时,硅橡胶的综合性能最佳。硅橡胶可通过耐漏电起痕1A 4.5级测试,且电蚀损率仅为0.35wt%;空气和氮气氛围下质量损失20%对应的温度T20分别从空白样的489℃和588℃提高到531℃和676℃,800℃下的热解残余率分别从空白样的47.5wt%和46.7wt%均提高到69.1wt%;空白样在垂直燃烧测试的第一次点燃时即完全燃烧,而添加了2phr HD-110的硅橡胶第一次点燃后发生自熄,生成了致密的陶瓷层。TG-FTIR和SEM-EDX分析表明,HD-110的加入,促进了侧甲基的断裂生成甲烷,同时引发自由基交联反应形成致密的陶瓷阻隔层,保护内层硅橡胶免受电弧侵蚀,并减少了游离碳的沉积,从而有效提高了硅橡胶的耐漏电起痕性能。(3)通过γ-哌嗪基丙基甲基二甲氧基硅烷(HD-110)、八甲基环四硅氧烷(D4)、四甲基四乙烯基环四硅氧烷(ViD4)和六甲基二硅氧烷(MM)在四甲基氢氧化铵((CH34NOH)的催化作用下共聚,合成了含哌嗪基和乙烯基的聚硅氧烷(PPMVS)。结果表明,PPMVS可显著提高硅橡胶的热稳定性和耐漏电起痕性能。当PPMVS用量为6phr时,硅橡胶在空气氛围中800℃下的热解残余率从空白样的48.0wt%提高到70.9wt%;硅橡胶可通过耐漏电起痕1A 4.5级测试,平均电蚀损率仅为0.47wt%,而且具有优异的耐水性能。在水中浸泡3天后,硅橡胶仍可通过1A 4.5级测试。此外,PPMVS的加入不会损害硅橡胶的硫化特性和力学性能。
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