高通流纳米复合材料避雷器阀片的制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种高通流纳米复合材料避雷器阀片的制备方法。属化学化合物制备技术领域或功能陶瓷材料制造技术领域。
背景技术
避雷器是一种能吸收过电压能量、限制过电压幅值的保护设备。使用时将避雷器安装在被保护设备附近，与被保护设备并联。避雷器的保护特性是输配电设备绝缘配合的基础，性能优良的避雷器能将电力系统中的过电压限制到对绝缘无害的水平。改善避雷器的保护性能，不仅能提高输配电系统的运行可靠性，而且可以降低电气设备绝缘水平，从而减轻设备重量，降低设备成本。金属氧化物(主要为氧化锌)避雷器是高压、超高压电网及高压电力设备防雷击及闪络事故的关键设备，在高压输电线路、城市地铁直流供电线路以及铁路电网系统中应用广泛。
高压避雷器发生闪络事故容易导致高压电网的大面积放电，直接威胁电网的安全运行，危害极大。
为了配合国内电网向特高电压等级发展的需要，迫切需要提供参数先进、性能优良、可靠性高的超高压绝缘子避雷器产品。
复合材料阀片作为氧化锌避雷器的核心部件，其性能直接影响氧化锌避雷器的使用效果。我国生产复合材料阀片的企业甚多，但主要以低档次产品为主。
在相关文献中，中国专利88100513.4介绍了一种氧化锌电阻片的制造方法，适用于制造大中小型氧化锌避雷器阀片和过压保护、浪涌吸收性能优良的元件。它是以ZnO粉料为主体材料，将各添加料Bi2O3、Cr2O3、MnO2、Co2O3等(Sb2O3除外)以其相应的硝酸盐溶液替代。经充分混合、干燥、压力成型，再于1100℃~1300℃烧结成电阻片。日本专利JP2003119074介绍了一种高性能氧化锌阀片制造方法。该专利所述氧化锌阀片在传统原料，如氧化锌、氧化铋、氧化钴、氧化锰、氧化镍、氧化铝、氧化锑、氧化钛和氧化铬等粉体基础上，添加了摩尔百分比0.001％~1.5％的钪氧化物。制得地氧化锌阀片具有高非线性系数和优异的抗冲击性能。但是，这些阀片在通流能力方面与传统压敏级氧化锌相比尚未得到显著提高。
在阀片侧面绝缘方面，相关文献如中国专利96116258.9介绍了一种金属氧化物避雷器阀片制造方法，其特点是阀片绝缘套选用绝缘性能好且耐高温的硅橡胶材料，增加了阀片绝缘侧面的爬电距离，能耐受大电流的冲击而无炸裂闪烙现象。欧洲专利WO02065486介绍了一种电绝缘材料和装置，是一种棒或管形高压绝缘绝缘子，外表覆盖一层添加特殊填料的绝缘涂层，涂层中添加的变阻器粉末具有转换电张力控制的特征。绝缘子核芯为陶瓷质构件，可能含有控制电张力的氧化锌粉末。欧洲专利RO117052介绍了一种具有高过压能力的氧化锌压敏电阻片生产工艺，用以防止非线性阀片由于过压所造成的过热现象。该发明在氧化锌压敏电阻片内壁两侧均匀涂复两层薄涂层，阀片末端焊接有两个电极，其中一个电极起热缓冲作用，另一个电极可以成为注入热绝缘树脂的通道。欧洲专利EP0683496介绍了一种高压避雷器。它由一系列氧化锌阀片在两电极之间堆砌而成，侧面绝缘材料为有机硅橡胶。欧洲专利EP0620566介绍了一种氧化锌阀片侧面绝缘用无机晶态玻璃涂层。这层无机涂层主要成分为PbO，其它添加剂如ZnO、B2O3、SiO2、MoO3、WO3、TiO2和NiO粉末以提高无机涂层的结晶性和绝缘性能。欧洲专利EP0494507介绍了一种高能氧化锌阀片，其绝缘项圈具有高介电性能和高温热绝缘性能，在电极和绝缘项圈之间有一层金属涂层相连接。经低能电流脉冲试验，氧化锌阀片的结果令人满意。欧洲专利EP0060738介绍了一种阀片侧面无机陶瓷厚膜的生产工艺，这层无机陶瓷材料除传统的氧化锌外，还添加了摩尔百分比为40％的纯锌粉。这层陶瓷丝印层的烧结在860℃下烘烤30至120分钟，可有效防止阀体的异常收缩。此法可用于绝缘陶瓷基上制造复合线圈。法国专利FR2485345介绍了一种气密性阀片的生产工艺，它采用一种特殊绝缘涂层取代气密性避雷器，这层不透气的涂层可有效提高阀片在非氧化性绝缘气体环境中的稳定性。美国专利5294908，5447892和5547907介绍了氧化锌阀片侧面绝缘用晶态氧化物基无机玻璃涂层，与欧洲专利EP0620566一样，这层无机涂层主要成分为PbO，辅之以ZnO、B2O3、SiO2、MoO3、WO3、TiO2和NiO等粉末添加剂。
上述专利文献涉及无机侧面绝缘涂层，不仅价格昂贵，且在实际使用过程中无机侧面釉易吸湿的缺点，另外涉及的有机侧面绝缘涂层采用的多为微米级粉体填料，填料粒径较大，一般为0.2μm左右。由于阀片绝缘漆涂装大多采用高温烘烤固化工艺，有机涂层在固化过程中易在涂膜中形成孔洞或针孔，不利于涂层形成完整连续致密的绝缘薄膜，因而常规绝缘涂层难以抵抗超大电流冲击。其侧面绝缘性能无法达到国际IEC-60099-4的技术指标。
【发明内容】
本发明的目的是为了克服上述氧化锌避雷器法片存在的缺点和不足，采用纳米粉体作为氧化锌避雷器阀片的原料，经一定工艺步骤制得高通流纳米复合材料阀片。本发明的另一个目的在于不仅要提高避雷器阀片通流能力，而且要提高其侧面绝缘复合涂层的抗大电流冲击的性能。
本发明的目的是通过以下措施和技术方案来达到的。
本发明的一种高通流纳米复合材料避雷器阀片的制备方法，以传统的氧化锌(ZnO)材料为主体材料，其特征在于具有以下的制备工艺过程和步骤：
a.采用纳米氧化锌(ZnO)材料为主体材料，加入5-20％(重量百分比)的纳米粉体添加剂，即氧化锌与添加剂之比例为80-95∶5-20；纳米添加剂包括纳米氧化锑、纳米氧化铋、纳米氧化硅、纳米氧化铬、纳米氧化锰，经有机月桂酸包覆处理后，将其进行充分混和；
b.充分混合后的混合料采用双向压机压制成型，形成阀片，然后在900~1100℃温度下烧结，制得氧化锌阀片本体；
c.对该阀片本体进行喷铝及侧面涂上无机高阻层，高阻层主要为氧化铅或氧化铬；
d.然后再在侧面涂覆耐大电流的纳米复合绝缘涂料，该涂料由纳米级功能填料与环氧恶唑烷酮树脂配制而成；纳米级功能填料为经有机包覆处理的氧化铁、氧化铬、氧化锌、氧化钛、氧化锑、氧化铋、氧化硅其中之一，该纳米复合绝缘涂料中的纳米级功能填料与环氧恶唑烷酮树脂的配比为20~30∶70~80(重量百分比)，经24小时球磨，将其充分混合均匀后，待用；
e.将上述制得的纳米复合绝缘涂料均匀滚涂于氧化锌阀片的侧面，经300℃高温烘干后，制成高通流纳米复合材料避雷器阀片。
上述的纳米氧化锌粒度小于100nm，最佳为30~50nm。所述的与纳米氧化锌均匀混合的纳米添加剂氧化锑、氧化铋、氧化硅、氧化铬、氧化锰，其粒度均小于100nm，最佳为30-50nm。
上述的纳米添加剂的加入量为5-20％，其中纳米氧化锑为2.5-10％，氧化铋为0.9-5.6％，氧化硅为0.5-2.4％，氧化铬为0.7-1.0％，氧化锰为0.4-1.0％；纳米添加剂的最佳加入量为10-15％(重量百分比)
上述的纳米复合绝缘涂料中经有机包覆处理的纳米级功能填料，即氧化铁、氧化铬、氧化锌、氧化钛、氧化锑、氧化铋、氧化硅的粒径为50-200nm。
本发明方法制得的新型高通流纳米复合材料氧化锌避雷器阀片，以及新型纳米复合耐大电流侧面绝缘涂料，可提高氧化锌避雷器阀片通流能力和阀片侧面耐大电流冲击性能。本发明制备高通流纳米复合氧化锌避雷器阀片方法的优点是工艺简单，制造成本低。纳米粉体在涂层中的高效分散，不仅可以充分发挥材料纳米化后表现的电、热等方面的优异特性，还可有效填充涂层的针孔，显著减少涂层中的各种缺陷的形成，从而达到显著提高涂层抗大电流冲击性能的目的。
【具体实施方式】
现结合实施例，对本发明方法作进一步详细说明。
实施例一：将80％(重量百分比)的纳米氧化锌，与20％纳米粉体添加剂相配合；20％的纳米粉体添加剂中包括有纳米氧化锑10％、纳米氧化铋5.6％、纳米氧化硅2.4％、纳米氧化铬1％、纳米氧化锰1％混合粉；进行有机月桂酸包覆处理后，进行充分混料，随后采用双向压机进行阀片成型，经1000℃烧结后，制得高通流纳米氧化锌阀片本体。通过对阀片本体进行喷铝及侧面涂上无机高阻层氧化铅；然后再对阀片侧面涂覆耐大电流纳米绝缘复合涂料。耐大电流纳米复合绝缘涂料由纳米级功能涂料与环氧恶唑烷酮树脂配制而成；两者的配比为20∶80(重量百分比)；经有机包覆处理的纳米级功能填料采用纳米氧化硅，称取20％(重量百分比)经月桂酸处理的氧化硅和80％(重量百分比)环氧恶唑烷酮树脂。将上述配合料经24小时的球磨，使充分混合均匀，然后将该纳米复合绝缘涂料均匀滚涂于阀片侧面。侧面滚涂纳米有机涂层的阀片再经300℃高温烘干后，即得高通流纳米复合材料避雷器阀片。
实施例二：将95％(重量百分比)纳米氧化锌，与5％纳米粉体添加剂相配合；5％的纳米粉体添加剂中包括有纳米氧化锑2.5％、纳米氧化铋0.9％、纳米氧化硅0.5％、纳米氧化铬0.7％、纳米氧化锰0.4％混合粉；进行有机月桂酸包覆处理后，进行充分混料，随后采用双向压机进行阀片成型，经1100℃烧结后，制得高通流纳米氧化锌阀片本体。通过对阀片本体进行喷铝及侧面涂上无机高阻层氧化铬；然后再对阀片侧面涂覆耐大电流纳米绝缘复合涂料。耐大电流纳米复合绝缘涂料由纳米级功能涂料与环氧恶唑烷酮树脂配制而成；两者的配比为30∶70(重量百分比)；经有机包覆处理的纳米级功能填料采用纳米氧化铬，称取30％(重量百分比)经月桂酸处理的氧化铬和70％(重量百分比)环氧恶唑烷酮树脂。将上述配合料经24小时的球磨，使充分混合均匀，然后将该纳米复合绝缘涂料均匀滚涂于阀片侧面。侧面滚涂纳米有机涂层的阀片再经300℃高温烘干后，即得高通流纳米复合材料避雷器阀片。
实施例三：将85％(重量百分比)纳米氧化锌，与15％纳米粉体添加剂相配合；15％的纳米粉体添加剂中包括有纳米氧化锑8.6％、纳米氧化铋3.4％、纳米氧化硅1.6％、纳米氧化铬0.8％、纳米氧化锰0.6％混合粉；进行有机月桂酸包覆处理后，进行充分混料，随后采用双向压机进行阀片成型，经1100℃烧结后，制得高通流纳米氧化锌阀片本体。通过对阀片本体进行喷铝及侧面涂上无机高阻层氧化铬；然后再对阀片侧面涂覆耐大电流纳米绝缘复合涂料。耐大电流纳米复合绝缘涂料由纳米级功能涂料与环氧恶唑烷酮树脂配制而成；两者的配比为25∶75(重量百分比)；经有机包覆处理的纳米级功能填料采用纳米氧化钛，称取25％(重量百分比)经月桂酸处理的氧化钛和75％(重量百分比)环氧恶唑烷酮树脂。将上述配合料经24小时的球磨，使充分混合均匀，然后将该纳米复合绝缘涂料均匀滚涂于阀片侧面。侧面滚涂纳米有机涂层的阀片再经300℃高温烘干后，即得高通流纳米复合材料避雷器阀片。
上述实施例中所用的纳米氧化锌粉体，其粒径为30-50nm；所述的与纳米氧化锌均匀混合的纳米添加剂氧化锑、氧化铋、氧化硅、氧化铬、氧化锰，其粒度为30-50nm。所用的纳米复合绝缘涂料中的纳米级功能填料，即氧化铬、氧化钛、氧化硅的粒径为100nm
由上述实施例制备的纳米复合材料避雷器阀片进行方波通流能力测试，以及对阀片侧面纳米有机复合涂料按照IEC-60099-4国际标准进行涂层4/10μs耐大电流冲击性能检测，并与普通氧化锌阀片以及普通钛白粉填料所制备的避雷器阀片侧面有机涂层耐大电流冲击性能进行对比。
各避雷器阀片通流能力及侧面纳米有机复合涂料4/10μs耐大电流冲击性能评价对比数据如下表所示：
避雷器阀片通流能力及侧面有机涂层4/10μs耐大电流冲击性能评价
由上表可知，纳米复合材料阀片通流能力显著高于普通氧化锌避雷器阀片，各涂层试样的4/10μs耐大电流冲击性能均高于普通钛白粉填料所制备涂层，其中实施例三的耐大电流冲击性能最高，比国际标准约高30％。