一種加快環(huán)氧樹(shù)脂材料表面電荷消散的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種加快環(huán)氧樹(shù)脂材料表面電荷消散的方法，屬于電氣材料絕緣技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料具有優(yōu)異的電絕緣、機(jī)械和耐腐蝕等特性，因此被廣泛地應(yīng)用于涂料、電子電器以及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域。其中，利用環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料制作的絕緣子器件，由于具有較高的絕緣性能和力學(xué)性能，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)上。然而，目前市場(chǎng)上使用的這些設(shè)備，大多以交流輸電為主，應(yīng)用于高壓直流輸電下的還比較少。一般認(rèn)為，相比于交流電場(chǎng)下，直流電場(chǎng)下絕緣子表面電荷更容易積聚電荷，這會(huì)導(dǎo)致表面電場(chǎng)畸變，從而引發(fā)沿面閃絡(luò)，導(dǎo)致事故發(fā)生。隨著特高壓直流輸電的大力發(fā)展，發(fā)展與相應(yīng)電壓等級(jí)相配套的、安全等級(jí)高的設(shè)備，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
[0003]等離子體方面的研究已經(jīng)有一百多年的歷史，早期的等離子體發(fā)生器主要被用來(lái)產(chǎn)生臭氧，隨著研究的深入，等離子體的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展。目前，低溫等離子體已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在材料表面改性、臭氧發(fā)生、生物制藥和航空流動(dòng)控制等領(lǐng)域。在材料表面改性的領(lǐng)域內(nèi)，等離子體中含有的大量高能電子、離子和活性自由基可以引起材料表面原有化學(xué)鍵斷裂，生成新的自由基。自由基之間重新結(jié)合，在表面形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善材料表面性能。同時(shí)，等離子體處理可以在表面引入羥基、羰基等含氧極性基團(tuán)，一方面改善了表面的潤(rùn)濕性，降低表面水接觸角。水接觸角降低引起表面吸附水分含量提高，增大表面電導(dǎo)率，加快表面電荷的迀移。另一方面，羰基的產(chǎn)生可以淺化表面陷阱，使入陷的電荷更加容易脫陷。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)大多采用表面氟化、離子注入或者摻入納米顆粒的方法等來(lái)改善材料的電特性。申請(qǐng)公布號(hào)為CN 102585165A和CN104371133A的專(zhuān)利分別采用氟化處理環(huán)氧樹(shù)脂材料。通過(guò)在反應(yīng)室內(nèi)通入一定比例的匕/隊(duì)混合氣體，施加一定的溫度和壓強(qiáng)，對(duì)放置于反應(yīng)室內(nèi)的材料進(jìn)行氟化處理，在表面形成一層碳氟層。由于F2具有較強(qiáng)的電負(fù)性，能夠吸引電子，因此在試樣表面形成屏蔽層，削弱試樣表面的局部電場(chǎng)，抑制表面電荷的積聚。本發(fā)明的方法應(yīng)用于抑制環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料電絕緣件上的表面電荷積累，進(jìn)而提高環(huán)氧樹(shù)脂電絕緣件如環(huán)氧絕緣支撐和環(huán)氧絕緣子的閃絡(luò)電壓與電氣絕緣性能，及應(yīng)用于環(huán)氧樹(shù)脂材料在其它方面使用時(shí)的表面抗靜電。申請(qǐng)公布號(hào)為CN 104446650A的專(zhuān)利，申請(qǐng)了一種提高聚合物和氧化鋁陶瓷真空沿面閃絡(luò)特性的方法。該方法利用電子回旋共振離子源引出的大面積均勻束，注入至聚四氟乙烯或氧化鋁陶瓷絕緣材料表面，對(duì)絕緣材料表面進(jìn)行改性。注入能量為80keV，注入離子為N離子和C離子。結(jié)果表明，經(jīng)N離子注入的氧化鋁陶瓷，閃絡(luò)電壓最大可提高50%左右。本發(fā)明可用于真空高壓絕緣器件領(lǐng)域。申請(qǐng)公布號(hào)為CN 104327456A的專(zhuān)利采用在環(huán)氧樹(shù)脂材料內(nèi)摻入金屬納米顆粒的方法，通過(guò)將至少一種環(huán)氧樹(shù)脂材料、金屬納米顆粒、固化劑和無(wú)機(jī)納米顆?；旌?，生產(chǎn)一種絕緣子用環(huán)氧樹(shù)脂混合物。這種混合材料可以減少特高壓直流輸電過(guò)程中造成的空間電荷積聚，同時(shí)可以提高材料的體電導(dǎo)率和擊穿強(qiáng)度。另外有一些發(fā)明方法涉及等離子體處理提高其真空沿面閃絡(luò)電壓的內(nèi)容。申請(qǐng)公布號(hào)為CN 103834052A的專(zhuān)利，申請(qǐng)了一種等離子體處理絕緣材料提高真空沿面耐壓性能的方法。該方法采用利用金屬電極在脈沖電源激勵(lì)下放電產(chǎn)生低溫等離子體，在有機(jī)玻璃表面形成憎水表面結(jié)構(gòu)。等離子體處理改變了有機(jī)玻璃絕緣材料表面的粗糙度和表面能，改性降低了表面二次電子發(fā)射系數(shù)，從而提高有機(jī)玻璃在真空條件下的沿面耐壓性能。此發(fā)明方法表明等離子體改性的有效性。
[0005]由上述總結(jié)可知，當(dāng)前用于加快表面電荷消散，抑制電荷積聚的方法主要包括表面氟化、離子注入、摻入納米顆粒等。表面氟化技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)環(huán)境要求高。氟氣為有毒氣體，成本較高，反應(yīng)中易出現(xiàn)泄漏并導(dǎo)致安全問(wèn)題，對(duì)環(huán)境有一定的污染性。離子注入法中設(shè)備造價(jià)昂貴，生產(chǎn)成本高，在離子注入過(guò)程中均勻性難于保證，因此不適合于工業(yè)化生產(chǎn)。摻入納米顆粒技術(shù)工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于摻雜過(guò)程中需要使用多種化學(xué)試劑，易導(dǎo)致環(huán)境污染。另外，多種物質(zhì)共混，混合物的均勻性較難控制。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本方法采用低溫等離子體處理材料表面用于加快表面電荷消散。由于等離子體裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以降低生產(chǎn)成本，作用時(shí)間短，縮短了生產(chǎn)周期。另外，等離子體處理無(wú)需化學(xué)溶劑、對(duì)環(huán)境污染影響小、過(guò)程可控性高，因此可以進(jìn)一步向工業(yè)化方向發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種加快環(huán)氧樹(shù)脂材料表面電荷消散的方法，在實(shí)驗(yàn)腔內(nèi)利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生低溫等離子體處理環(huán)氧樹(shù)脂材料表面，以提高環(huán)氧樹(shù)脂材料用作絕緣件的電絕緣性能。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0008]—種加快環(huán)氧樹(shù)脂材料表面電荷消散的方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1，組裝介質(zhì)阻擋放電等離子體處理裝置，所述裝置包括:
[0010]高壓電源，其輸出端通過(guò)高壓探頭測(cè)量電壓，并通過(guò)示波器記錄；
[0011 ] 放電腔，所述放電腔內(nèi)設(shè)有上電極和下電極，所述上電極連接所述高壓電源輸出端，所述下電極接地；還設(shè)有上阻擋介質(zhì)和下阻擋介質(zhì)，分別貼合放置于所述上電極和下電極上，且所述上阻擋介質(zhì)和下阻擋介質(zhì)之間留有空隙；所述放電腔還分別設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口 ；
[0012]步驟2，將所述環(huán)氧樹(shù)脂材料清洗、干燥；
[0013]步驟3，將清洗干燥后的所述環(huán)氧樹(shù)脂材料放置于所述下阻擋介質(zhì)上，調(diào)節(jié)所述上阻擋介質(zhì)和下阻擋介質(zhì)之間的距離；通過(guò)所述進(jìn)氣口通入氣體，將所述高壓電源打開(kāi)，所述高壓電源放電電壓幅值在1kV?30kV之間，頻率在500Hz?3000Hz之間，產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的放電，對(duì)所述環(huán)氧樹(shù)脂材料進(jìn)行放電等離子體處理，處理時(shí)間為1s?lOmin。
[0014]進(jìn)一步的，所述高壓電源為微秒脈沖電源、高頻高壓交流電源或納秒脈沖電源。
[0015]進(jìn)一步的，所述放電腔由不銹鋼制作，所述放電腔內(nèi)氣壓范圍為20帕到200千帕之間，所述放電腔內(nèi)的氣壓優(yōu)選大氣壓或低氣壓。
[0016]進(jìn)一步的，所述放電腔內(nèi)的壓力通過(guò)壓力表測(cè)量。
[0017]進(jìn)一步的，所述通入的氣體為空氣或惰性氣體和氧氣的混合氣體。
[0018]進(jìn)一步的，所述通入的氣體為惰性氣體和氧氣的混合氣體時(shí)，所述出氣口連接真空栗。
[0019]進(jìn)一步的，所述上電極和下電極為圓板電極，所述上電極和下電極直徑為10?100mm，材質(zhì)為招、銅或不銹鋼。
[0020]進(jìn)一步的，所述上阻擋介質(zhì)和下阻擋介質(zhì)為K9玻璃，聚四氟或有機(jī)玻璃。
[0021]進(jìn)一步的，所述上阻擋介質(zhì)和下阻擋介質(zhì)的形狀為圓形或方形，其橫截面積大于所述上電極或下電極的橫截面積，厚度為I?4mm。
[0022]進(jìn)一步的，所述環(huán)氧樹(shù)脂材料大小為5 X 5cm，厚度為I?5_。
[0023]進(jìn)一步的，步驟2包括:
[0024]步驟2.1，將所述環(huán)氧樹(shù)脂材料依次使用去離子水和丙酮清洗；
[0025]步驟2.2，將所述環(huán)氧樹(shù)脂材料放置于超聲波清洗儀中進(jìn)行超聲清洗，以去除所述環(huán)氧樹(shù)脂材料表面的油污和雜質(zhì)；
[0026]步驟2.3，將所述所述環(huán)氧樹(shù)脂材料放入真空干燥箱中低溫干燥。
[0027]進(jìn)一步的，所述上阻擋介質(zhì)和下阻擋介質(zhì)之間的距離通過(guò)墊片調(diào)節(jié)。
[0028]本發(fā)明提供的使用等離子體處理環(huán)氧樹(shù)脂材料，以加快環(huán)氧樹(shù)脂材料表面電荷消散的方法的優(yōu)勢(shì)在于:
[0029]I)放電結(jié)構(gòu)為板-板結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)放電參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的穩(wěn)定性，對(duì)材料表面進(jìn)行大面積處理；
[0030]2)相比于表面氟化等技術(shù)，處理時(shí)間較短，一般只需要幾十秒到幾分鐘之間即可達(dá)到明顯的效果；
[0031]3)等離子體裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)可控性高，生產(chǎn)成本較低；
[0032]4)等離子體處理過(guò)程無(wú)需使用化學(xué)試劑，對(duì)環(huán)境污染小，符合環(huán)保發(fā)展要求。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明所述介質(zhì)阻擋放電等離子體處理裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2為本發(fā)明所述表面電位測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3A為未經(jīng)處理的環(huán)氧樹(shù)脂材料加壓Imin時(shí)表面電位測(cè)量結(jié)果圖；
[0036]圖3B為未經(jīng)處理的環(huán)氧樹(shù)脂材料撤壓初始時(shí)表面電位測(cè)量結(jié)果圖；
[0037]圖3C為未經(jīng)處理的環(huán)氧樹(shù)脂材料撤壓20min時(shí)表面電位測(cè)量結(jié)果圖；
[0038]圖4A為經(jīng)本發(fā)明所述方法處理的環(huán)氧樹(shù)脂材料加壓Imin時(shí)表面電位測(cè)量結(jié)果圖；
[0039]圖4B為經(jīng)本發(fā)明所述方法處理的環(huán)氧樹(shù)脂材料撤壓初始時(shí)表面電位測(cè)量結(jié)果圖；
[0040]圖4C為經(jīng)本發(fā)明所述方法處理的環(huán)氧樹(shù)脂材料撤壓20min時(shí)表面電位測(cè)量結(jié)果圖。
[0041 ] 其中，1-高壓電源，2-放電腔，3-高壓探頭，4-示波器，5-氣體，6_上電極，7_下電極，8-上阻擋介質(zhì)，9-下阻擋介質(zhì)，10-進(jìn)氣口，11-出氣口，12-真空栗，13-壓力表，14-步進(jìn)電機(jī)，15-靜電電壓表，16-平面電極，17-靜電探頭，18-直流電源，19-電腦。
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