氢氧化铝的表面改性及在硅橡胶涂料中的应用

1、氢氧化铝的表面改性及在硅橡胶涂料中的应用曾凡辉1、2 姜其斌 1 陈宪宏21.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007 2.湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙 410082摘要：以钛酸酯偶联剂为改性剂对氢氧化铝进行表面改性处理，制得了电气绝缘性能优异的硅橡胶防污闪涂料，通过SEM和DMTA等检测手段对改性结果进行了表征。结果表明：当改性剂用量为0.5，改性温度在110120时，氢氧化铝/硅橡胶复合材料具有良好的相容性，其玻璃化转变温度由-50.2提高到-45.6，耐电弧性能由156S提高到238S。关键词： 氢氧化铝；表面改性；硅橡胶涂料；电气性能中图分类号： 文献标识码： 文

2、章编号：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、前言电力设备外绝缘表面在运行过程中会逐渐积污，污层受潮湿润后，其中的电介质溶解，使污层中的表面电导增大，漏电电流增加，由此产生电弧效应，当电弧长度达到临界值时，绝缘表面将发生闪络事故。硅橡胶涂料是涂覆在电力设备外绝缘表面的一种憎水防污闪材料，其主要功能是提高电力输变电设备外绝缘结构的抗污闪电压。氢氧化铝可用在硅橡胶涂料中以提高耐电弧性能及耐漏电起痕。作用机理一般认为是当电弧烧灼材料表面时，局部材料表面的湿度显著提高，氢氧化铝在加热到220左右会迅速分解出结晶水并吸收大量的热量，从而降

6、低了材料表面的温度。氢氧化铝分解出的结晶水在Al2O3的催化作用下可与有机材料分解时产生的游离碳发生反应，生成挥发1的CO、CO2，阻止了导电的炭化通道的形成。氢氧化铝的表面为极性基团，在水分的作用下易团聚，和氢氧化铝相比，硅橡胶涂料中的硅氧烷聚合物为非极性物质,二者的表面性质差异极大，相容性差，解决这一问题的技术方法主要是对超细填料进行表面改性，以改善其表面的物理化学特性，增强其与有机高聚物的相容性和在有机基质中的分散性，以提高材料的综合性能23。本文通过对氢氧化铝进行表面改性处理，并将其应用到硅橡胶涂料中，研制出了适合电力设备外绝缘结构使用的特种材料。 2、试验部分 2.1主要原材料微细氢

7、氧化铝：工业级，山东铝业公司；钛酸酯偶联剂：化学纯，扬州立达树脂公司；有机硅氧烷聚合物：工业级，吉化公司；甲基硅油：工业品；交联剂：工业级，吉化公司；气相白炭黑：工业级，德固萨公司；石油醚：化学纯。 2.2表面改性试验先将氢氧化铝粉体在120下干燥68h，然后用石油醚溶剂将氢氧化铝制成料浆加入到三口瓶中，开动搅拌器，用滴管将调配好的改性剂缓慢加入，高速搅拌反应约30min后，将样品真空抽滤，烘干并打散成粉末状待用。2.3氢氧化铝/硅橡胶复合材料的制备按配方量称取硅氧烷聚合物、气相白炭黑在捏合机内搅拌均匀，然后加入经表面改性处理的氢氧化铝和剩余其它物料，高速分散均匀，研磨至细度20m； 调整粘度

8、40-60秒（涂4杯），过滤出料，配制成硅橡胶防污闪涂料， 按电力部标准DL/T627-1997检测性能。 3、结果与讨论3.1不同改性剂对改性效果的影响氢氧化铝微粉的表面为极性基团，富含羟基，在水分的作用下极易团聚，如图1所示4。HOlH偶联剂的表面覆盖率，经计算本研究偶联剂用量约为粉体质量份数的2.5。由表2知，随着偶联剂用量增加，复合材料的相容性变好，电气性能却先升后降，偶联剂的最佳用量仅为氢氧化铝质量份数的0.5。可见，偶联剂的实际用量与理论值差异很大。主要原因是在硅橡胶涂料中，氢氧化铝颗粒团聚成为小的粉体团，偶联剂分子并不是分布在每个颗粒表面。因此对于微细粉体，单分子层理论不再适用5

9、，改性剂用量需由具体试验确定，当偶联剂用量过量时，多余的偶联剂残留在涂料中，造成了复合材料的电气性能下降。表2 改性剂用量对复合材料的性能影响图1氢氧化铝的表面形态与团聚偶联剂用量/%0 0.5 1.0 1.5体系 相容性 差 好 好 好性能比较 耐电弧性/s 156 235 221 205体积电阻率/m 6.5×1013 9.0×1015157.8×10电气强度/ MV/m 15 29 25 21和氢氧化铝相比，硅氧烷聚合物为非极性物质,二者的表面性质差异极大，混合后容易造成树脂与填料的两相分离，从而大大的影响材料的综合性能。所以氢氧化铝在加入前必须对其进行表面

10、改性处理，以增加其与硅氧烷聚合物的相容性。表1 不同改性剂对复合材料的性能影响性能比较试 验体系 相容性1.未改性 2.加某硅烷偶联剂 3.加某钛酸酯偶联剂差 较好 好耐电弧性/s 156 225 238体积电阻率/m 6.5×1013 7.8×1015 9.2×1015电气强度/ MV/m 15 23 284.3×1015不同改性剂对氢氧化铝/硅橡胶复合材料的性能影响如表1所示。由表1可知，当研究选用某单烷氧基焦磷酸型钛酸酯偶联剂作为改性剂时，复合材料具有较好的相容性和电气性能，主要是因为单烷氧基可与氢氧化铝表面的羟基反应，同时焦磷酸酯基还可分解产生磷

11、酸酯基，结合部分羟基，氢氧化铝表面的极性基团被改性剂的有机基团取代，这样大大提高了氢氧化铝与硅氧烷聚合物的相容性，从而提高了复合材料的电气性能。另一方面，改性剂的加入改变了颗粒周围的电荷分布情况，增大了颗粒之间的排斥能，进而有效的防止了颗粒团聚，改善了氢氧化铝在硅橡胶涂料中的分散性能。 3.2改性剂用量对改性效果的影响理论偶联剂最佳用量=填料的比表面积×1003.3改性温度对改性效果的影响不同改性温度对复合材料的性能影响如表3所示。由表3可知，随着温度增加，复合材料的相容性和电气性能有一个先升后降的过程。这可能是由于偶联剂与富含羟基的材料基质表面一部分发生了化学结合，另一部分则是以物

12、理吸附的方式与材料基质表面结合6，根据化学反应动力学，温度升高，化学反应速度加快，而偶联剂在氢氧化铝的表面吸附为放热过程，温度升高脱附加快。在较低温度下，温度升高有利吸附进行，随后，温度对脱附的作用强于对物理吸附和化学结合的影响，偶联剂与氢氧化铝材料基质表面的相互作用随温度升高而降低。试验确定最佳的改性温度为110120。 表3 改性温度对复合材料的性能影响改性温度 / 90100 100110 110120 120130体系 相容性差 较好 好 较好性能比较 耐电弧性/s 185 223 240 228体积电阻率/m 2.8×1015 6.5×1015159.5×

13、;10电气强度/ MV/m 20 23 28 255.2×10153.4 氢氧化铝/硅橡胶复合材料的性能表征 3.4.1氢氧化铝/硅橡胶复合材料的SEM图图2为改性前后氢氧化铝/硅橡胶复合材料的截面扫描电镜图。由图中可见，未改性处理的氢氧化铝在硅橡胶涂料中有团聚现象，分散不均匀，粒子和硅橡胶涂料基体树脂的相界面明显，粒子表面不能被基体树脂很好的湿润。而经过表面改性处理的氢氧化铝在硅橡胶涂料中分散比较均匀，虽然颗粒仍有团聚现象，但和未改性前相比，已有了很大的改观，颗粒以小团聚状态分散于硅橡胶涂料中。这样改性后的氢氧化铝在受热分解产生结晶水时便能够均匀的吸收材料表面热量，当电弧烧灼材料表

14、面时，不会产生由于绝缘材料某一点局部温度过高而导致的电击穿现象，较大的提高了材料的抗电弧性能。(a)未改性氢氧化铝/硅橡胶 (b)改性氢氧化铝/硅橡胶 图2 氢氧化铝/硅橡胶复合材料截面SEM图3.4.2 氢氧化铝/硅橡胶复合材料的DMTA曲线氢氧化铝/硅橡胶复合材料的DMTA（动态力学性能）曲线如图3所示。1#:改性氢氧化铝/硅橡胶复合材料样品 2#:未改性氢氧化铝/硅橡胶复合材料样品( E：储能模量；E：损耗模量；tg：损耗因子)图3 氢氧化铝/硅橡胶涂料的DMTA图由图3的DMTA曲线可见，改性氢氧化铝/硅橡胶复合材料样品（1）在-80至25的储能模量总比未改性氢氧化铝/硅橡胶复合材料样

15、品（2）的储能模量高，说明1样品在变形时储存的能量大，即回弹能力比2样品要强。另外从DMTA曲线比较两样品的阻尼因子tg，2样品在大部分温度范围内的阻尼因子tg比1样品的阻尼因子tg要高，说明2样品的内耗比1样品的内耗大，即前者吸收的冲击能量较大，回弹性也就差7。另外，以tg峰值为氢氧化铝/硅橡胶复合材料的玻璃化转变温度Tg，可知1样品的Tg（-45.6）比2样品的Tg（-50.2）要高，可能是由于改性后的氢氧化铝在硅橡胶涂料中分散得更均匀，使涂料体系的交联密度提高，硅橡胶涂料的交联密度提高，分子链的作用力加强，这样1样品的电气绝缘性能比2样品要好。4、结论选用某钛酸酯偶联剂对氢氧化铝微粉进行

16、表面改性处理时，改性剂最佳用量为0.5，最佳改性温度为110120。通过对氢氧化铝/硅橡胶复合材料的SEM和DMTA分析，氢氧化铝经改性处理后，其在硅橡胶涂料中的湿润分散性能得到了改善，复合材料的玻璃化转变温度由-50.2提高到-45.6，复合材料的相容性、电气绝缘性能得到了较大提高。参考文献1贾志东，关志成.面放电对室温硫化硅橡胶涂料的影响及对策J.电瓷避雷器，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