氨丙基三乙氧基硅烷修饰无机纳米材料的制备及其对硅橡胶耐漏电起痕作用的研究

作     者：廖奕铭 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾幸荣;尹文华

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：硅橡胶 耐漏电起痕性能 氨丙基三乙氧基硅烷 纳米二氧化硅 纳米层状碳化钛 

摘      要：加成型液体硅橡胶(ALSR)具有电气绝缘、耐候、疏水以及质轻等优点,在高压超高压绝缘领域得到了广泛的应用。然而,长期在潮气、紫外线辐射以及酸雨等严酷环境中运行会使得硅橡胶绝缘材料的疏水性能下降,在外界强电场的作用下硅橡胶绝缘材料容易发生漏电起痕破坏,严重时甚至引起火灾,给电力系统的运行带来了极大的安全隐患。目前,主要通过添加氢氧化铝和氢氧化镁等无机填料的方法来提高ALSR的耐漏电起痕性能,但无机填料的大量加入会严重损害ALSR的加工性能、力学性能和疏水性能。本课题采用氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)对纳米二氧化硅(SiO)和纳米层状碳化钛(MXene)进行修饰,分别制备了氨丙基三乙氧基硅烷修饰纳米二氧化硅(APTES-SiO)和氨丙基三乙氧基硅烷修饰纳米层状碳化钛(APTES-MXene),系统研究了它们对ALSR耐漏电起痕性能、力学性能、耐水性能和阻燃性能的影响,并探讨了提高ALSR耐漏电起痕性能的作用机理。主要研究内容和结果如下:(1)通过APTES的乙氧基与SiO表面羟基之间的脱水缩合反应,制备了APTES-SiO。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)对APTES-SiO进行了表征,研究了APTES-SiO和Pt催化剂对ALSR耐漏电起痕性能、力学性能以及耐水性能等的影响。研究发现,将APTES键接到SiO表面后,有效地解决了APTES在硅橡胶中易迁移损失的问题,从而大幅提高了硅橡胶的耐漏电起痕性能和耐水性能。当APTES-SiO和Pt催化剂的添加量分别为0.15 phr和15 ppm时,硅橡胶的耐漏电起痕性能达到1A4.5级,电蚀损率仅为0.09%,即使经过30天的浸水处理,其耐漏电起痕性能仍能达到1A4.5级。(2)采用氟化锂(LiF)和盐酸(HCl)刻蚀剥离钛碳化铝(TiAl C)得到MXene后,通过APTES的乙氧基与MXene表面羟基之间的脱水缩合反应,制备了APTES-MXene。采用FTIR、X射线光电子能谱分析(XPS)、扫描电镜(SEM)和TGA对APTES-MXene进行了表征。研究发现,APTES-MXene与Pt催化剂能协效提高硅橡胶的耐漏电起痕性能和阻燃性能。当APTES-MXene和Pt催化剂的添加量分别为0.175 phr和15ppm时,硅橡胶的耐漏电起痕性能达到1A4.5级,电蚀损率为0.29%。与未添加APTES-MXene的硅橡胶相比,APTES-MXene的加入使得硅橡胶的最大热释放速率(p HRR)从161 k W/m降低至92 k W/m,总热释放量(THR)从49 MJ/m下降至29 MJ/m,极限氧指数(LOI)从29.8%提高至32.8%,垂直燃烧等级达到UL-94 V-0级。(3)根据有关APTES-MXene对硅橡胶热降解行为影响及对经耐漏电起痕测试后产生电蚀损物的研究,提出了APTES-MXene提高硅橡胶耐漏电起痕性能的作用机理。APTES-MXene可以抑制Pt在高温下的聚集,进而高效催化硅橡胶在高温下发生自由基交联反应,形成致密的SiOC类陶瓷阻隔层,能够有效隔绝热量、氧气和污染液,抵御电弧对内部材料的进一步侵蚀;同时APTES-MXene具有良好的过氧自由基猝灭能力,可以抑制硅橡胶在高温下的氧化降解。因此硅橡胶的耐漏电起痕性能得到了大幅提高。