基于含苯胺基硅烷-铂协效体系的耐漏电起痕硅橡胶的制备及性能研究

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硅橡胶具有优异的憎水防污性、电气绝缘性、耐高低温性和耐候性等优点,因而广泛应用于高压超高压输变电设备及户外绝缘领域。然而,不断提高的输变电电压等级以及严重的大气污染使得硅橡胶在长期使用过程中容易发生漏电起痕破坏,最终导致材料绝缘失效甚至引发火灾。硅橡胶的漏电起痕破坏主要是由于分子链的降解断裂以及导电游离碳的形成。目前往往通过添加无机填料Al(OH)3、Al2O3、BN等提高硅橡胶的耐漏电起痕性能。但由于无机填料添加量大,往往会破坏硅橡胶的加工性能和力学性能。本文通过在硅橡胶中添加卡斯特催化剂(Pt)和N-苯基-3-氨丙基三甲氧基硅烷(NTSPA),研究了Pt/NTSPA对硅橡胶耐漏电起痕性能、热稳定性能、阻燃性能以及耐等离子体辐照性能的影响。然后研究了高乙烯基含量的聚甲基乙烯基硅氧烷(HPMVS,乙烯基含量2.93mol%)和含氢硅油(PHMS)对该硅橡胶体系耐漏电起痕性能和热稳定性能的影响。通过对硅橡胶热降解行为和蚀损残余物的分析,探讨了HPMVS和PHMS对硅橡胶的耐漏电起痕作用机理。主要研究内容及结果包括:(1)系统研究了Pt/NTSPA对硅橡胶耐漏电起痕性能、热稳定性能、阻燃性能和耐等离子体辐照性能的影响。结果表明,当NTSPA用量为2.5phr,铂用量为7ppm时,硅橡胶具有最佳的综合性能。硅橡胶试样能经过4.5kV漏电起痕试验6h而不形成导电通路,但表面蚀损较严重。添加了Pt/NTSPA后,硅橡胶经过800℃高温处理后的质量残余率从添加前的46.9wt%显著提高至66.0wt%,极限氧指数(LOI)从添加前的27.5%提高至28.3%,垂直燃烧级别达到了UL-94 V-1级。ATR-FTIR分析结果表明,Pt/NTSPA能显著提高硅橡胶的耐等离子体辐照性能。(2)在含有Pt/NTSPA的硅橡胶体系中,通过改变HPMVS用量调节硅橡胶的交联密度,研究了交联密度对硅橡胶热稳定性能和耐漏电起痕性能的影响。研究发现,未添加HPMVS的硅橡胶在短时间内(85min以内)形成导电通路导致漏电起痕破坏。相比之下,当HPMVS用量为18phr时,硅橡胶的耐漏电起痕性能不仅通过了1A 4.5级,其平均电蚀损质量降低至0.68wt%。热重分析(TGA)结果表明,添加了18phr HPMVS后,硅橡胶在空气气氛下热失重10wt%的温度T10从添加前的434.3℃提高至461.2℃,900℃下的质量残余率也从添加前的44.9wt%显著提高至63.5wt%。热重红外联用(TG-FTIR)分析结果表明,HPMVS抑制了硅橡胶主链在高温下的成环降解,有利于硅橡胶在Pt/NTSPA作用下发生自由基交联反应。拉曼光谱、固体核磁共振硅谱(29Si-NMR)和扫描电镜(SEM)的研究结果表明,HPMVS促进了硅橡胶在干带电弧产生的高温作用下生成致密的SiOC陶瓷阻隔层,避免内层硅橡胶发生进一步的降解,并显著降低了蚀损残余物中导电游离碳的含量,防止形成导电通路,从而提高了硅橡胶的耐漏电起痕性能。(3)通过在含有Pt/NTSPA的硅橡胶体系中添加PHMS,系统研究了PHMS用量对硅橡胶交联密度、力学性能、热稳定性能和耐漏电起痕性能的影响。研究结果表明,随着PHMS用量的增加,硅橡胶的交联密度、拉伸强度和撕裂强度均先增大而后保持稳定,热稳定性能和耐漏电起痕性能则逐渐提高。与未添加PHMS的硅橡胶相比,当PHMS用量为3.6phr时,硅橡胶在空气气氛下热失重20wt%的温度T20从484.2℃提高至494.3℃,在800℃下的质量残余率则从46.0wt%显著提高至63.0wt%;耐漏电起痕性能通过了1A 4.5级,且平均电蚀损质量仅为0.36wt%。对硅橡胶的TG-FTIR分析和经过热处理后残余物的FT-IR分析结果表明,PHMS促进了硅橡胶在Pt/NTSPA作用下发生高温下的自由基交联反应,形成了以Si-CH2-Si为交联键的交联网络,促进凝聚相中大部分C元素参与形成了SiOC陶瓷阻隔层,避免了导电游离碳的累积,从而提高了硅橡胶的耐漏电起痕性能。
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