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纳米材料与技术在绝缘材料中应用及发展以人为本以质为生以客为尊以信为重报告人：唐安斌scdctab@163.com单位:四川东材科技集团股份有限公司国家绝缘材料工程技术研究中心2010.3报告要点以人为本以质为生以客为尊以信为重一、概述二、纳米材料与技术在绝缘材料中应用三、公司纳米技术相关重点项目介绍一、概述将纳米级粉料均匀地分散在聚合物树脂中在聚合物内部形成或外加纳米级晶粒或非晶粒物质形成纳米级微孔或气泡纳米技术在绝缘材料领域中应用途径研究现状巨大的比表面积，极高的表面活性，使其与树脂的相互作用力大大增强。导热性能好，纳米粒子在低温或超低温下几乎没有热阻，如纳米氮化铝(电绝缘体)的导热率即使在常温下也比普通氮化铝高4—5倍研究现状纳米级粒子的结构特征和性能强烈的吸波能力，特殊的光学性能，纳米级的Y-Fe2O3，、Al203和TiO2都是透明材料，对紫外线、红外线有极强的吸收作用，且粒径越小，其吸收能力越强，在覆铜板中应用，可以防止在线路板制作过程中曝光产生的重影等。研究现状在聚合物树脂内部形成大量纳米级气泡，它显示出特殊的介电性能，如聚酰亚胺纳米微孔材料制成覆铜板，其介电常数低于2.4，还同时具有高的强度和较低的吸水率，可以作为低介电常数绝缘材料。研究现状云母：主要成分是钠、钾、铝的硅酸盐（Na2O.SiO2K2O.SiO2Al2O3.3SiO2)蒙脱土：主要成分蒙脱石，是由两层Si—O四面体和一层Al-O八面体，组成的层状硅酸盐晶体纳米二氧化硅SiO2纳米二氧化钛TiO2在绝缘材料领域中应用的纳米材料研究现状纳米碳酸钙CaCO3纳米粘土：粘土中二氧化硅含量为43-55%，三氧化二铁为1-3.5%，三氧化二铝为20-25%，二氧化钛为0.8-1.2%。在绝缘材料领域中应用的几种纳米粒子除了上述6种外尚有纳米金属氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、微孔、大量的无机盐和聚合物(如橡胶)等，目前应用较多的是纳米无机粒子。研究现状纳米粒子对绝缘材料的改性效果是用传统技术无法达到的改善机械性能：用传统技术提高绝缘材料的拉伸强度通常会降低其伸长率，但用纳米技术既可大幅度提高绝缘材料的拉伸强度，也能大幅度提高其伸长率，至少不会便其在拉伸强度的峰值处产生伸长率降低。纳米技术在绝缘材料领域中应用特点研究现状用传统技术提高绝缘材料的韧性，通常会降低其强度、耐热性和阻燃性，但用纳米技术既可提高绝缘材料的韧性，也能同时提高其强度、耐热性和阻燃性.即在增韧的同时也增强了强度、耐热性和阻燃性。采用纳米技术可有效改善绝缘材料的热传导性能，有效降低材料的热膨胀系数、提高热稳定性，是开发高导热绝缘材料的有效途径之一。研究现状纳米颗粒能够从以下4方面改善聚合物的电气绝缘性能:(1)改善聚合物的耐压时间,提高耐电老化性能：纳米颗粒可以减缓聚合物电树枝化的起始和发展，如纯环氧树脂发生电树枝化的时间是1h。而加入适量纳米颗粒后电树枝化的时间可延长到5h。(2)改善聚合物抗局部放电能力：据报道,加入纳米颗粒后,由于局放造成的表面刻蚀面积和深度均显著降低.这归结于纳米颗粒可以减少高聚物材料中空间电荷的聚积、降低空间电荷活动性.(3)提高聚合物的击穿电压(介电强度).以往的研究表明,少量纳米氧化铝颗粒(0.5wt%)的加入可以有效提高环氧材料的击穿电压。(4)提高聚合物材料的电阻率.纳米颗粒改善聚合物电阻率的机理主要包括纳米颗粒对高分子链的阻隔效应、纳米颗粒自身较高的电阻率以及可能的库仑阻塞效应.（5）提高耐电痕化与蚀损性能：耐电痕化与蚀损性特高压绝缘材料的一个重要指标，欧美地区空气清洁,电力设备受污染小,对耐电痕化要求较低.我国空气污染严重,电力设备积污恶劣,采用纳米技术改性特高压绝缘材可能降低燃烧体系的温度;分解释放出的水和CO2气体能稀释、阻隔可燃性气体;从而提高材料的耐电痕化与蚀损性。基于以上特点，加强纳米材料在绝缘材料中的应用及新产品开发点对于改造传统产品具有十分重要的意义。研究现状由于纳米级粉料非常细，在油漆、涂料中使用时会大幅度提高粘度，从而增加了使用工艺的难度，必须研究降低粘度的方法或其它改善措施。用各种方法制得的不同纳米粒子或粉料极易团聚，便纳米材料的制备、稳定地贮存或与树脂一起制造复合材料时均匀分散造成很大的困难，因而必须研究行之有效的防团聚的方法。研究现状纳米技术的应用目前还存在的一些技术问题二、纳米材料与技术在绝缘材料中应用应用纳米技术发展纳米绝缘材料纳米技术可以应用于绝缘材料领域。我们在将纳米级（范围在1～100纳米之间）粉料通过一定的技术方法均匀地分散在高分子树脂中，做到了固化后的绝缘材料在不损失绝缘性能的前提下，在内部结构中形成纳米级粒子的结构特征，从而使纳米绝缘材料（复合型材料）表现出一系列纳米材料所独特而又奇异的性能，拓展了绝缘材料产品应用的新领域。纳米材料与技术还有许多尚未可知的领域等待我们去开发，未来纳米材料及其技术在绝缘材料产品的应用将是十分广阔的，新型纳米绝缘材料领域也是极具发展前景的。纳米材料与技术在绝缘材料中应用高导热绝缘材料对于绝缘材料，由于没有电子流的运动，它们的导热性要比金属材料相差500～1000倍，到目前为止，还没有一种高分子材料同时具有好的导热性和绝缘性。纳米材料与技术在绝缘材料中应用电机中，由于电流通过导体、介质损耗和电磁感应引起的铁磁损耗、涡流损耗等会产生较多的热量。电机中，热量的散发主要有辐射、对流和传导三种方式提高绝缘材料的热导率，可以有效地降低电机铁芯的温度，降低损耗，增加经济效益温度是导致绝缘材料的电性能、机械性能和寿命降低(绝缘材料的老化)以及绝缘件松动的重要原因选择绝缘结构时，绝缘材料的耐热性和导热性是必须同时考虑高压空冷电机对绝缘材料导热性要求更高高导热云母带研究情况国际水平：导热率达到0.4～0.5W/(m·K)，比普通云母带提高40～50%类型：高导热多胶粉云母带(ABB)高导热少胶粉云母带(Isola)存贮时间减短填料沉降填料粘辊填料分层增厚拉伸强度降低击穿电压下降室温电老化时间减短胶粘剂交流电机变频调速技术新型耐电晕绝缘材料绝缘体系短时损坏节电25％－48％电晕耐电晕性能提高耐电晕聚酰亚胺薄膜通用型聚酰亚胺薄膜耐电晕聚酰亚胺薄膜耐电晕薄膜绕包线该产品是用耐电晕聚酰亚胺薄膜（KaptonCR）涂上氟树脂（FCR），叠包在裸扁铜线上并烧结成型，这种电磁线有良好的耐电晕性、导热性和耐热性（C级），性能稳定可靠耐电晕薄膜绕包玻璃丝的导线例如：单玻璃丝包双层聚酰亚胺薄膜绕包绕组线，其双面绝缘厚度为0.4mm，其特点是弯曲后的工频击穿电压在3kv以上，匝间绝缘在振动疲劳次数达到107次时，击穿电压才开始下降；耐热老化性能良好，耐温指数为F级；耐冲击电压性优良，试验表明用幅值为5KV的标准冲击波，连续冲击2.85×106次，绕组线匝间绝缘不击穿电线电缆绝缘航空导线绝缘高压电机绝缘耐电晕聚酰亚胺薄膜的应用目前国际市场上的耐电晕电磁线（漆）分类：以美国PhelpsDodge公司的TZQS为代表的三层复合结构电磁线耐电晕漆包线及漆TZQS结构为铜导线(a)、耐高温的聚酯亚胺底漆(b)、专门的耐电晕中间涂层(c)、聚酰胺酰亚胺面漆(d)：由此组成的“sandwich”结构能够抵抗电晕脉冲对绝缘的冲击，防止绝缘过早损坏。中间涂层所用的专用电磁线漆含有Ti﹑Si﹑Zn﹑Mg等纳米金属氧化物，与云母绝缘一样，具有抵抗电压脉冲引起局部放电的能力，并能消除脉冲快速上升时间内积聚的空间电荷abcd单涂层的特种电磁线（原德国Herberts公司）如E3599IPDR,它是一种能改善局部放电性能的耐高温漆包线漆，可提高局部放电的起始电压，适用于0.1～0.5mm的圆线，也适用于各种扁线，可使用模具或毛毡涂制1级或2级漆膜。据称可以涂制单涂层的特种电磁线国内耐电晕漆包线及漆的性能项目名称目标实测值漆样的性能外观微浑均匀液体，无机械杂质OK固体含量，%≥3536.7粘度，20℃500～1000mpa·s714.4涂制线样的性能外观光滑、均匀，无影响性能的缺陷合格柔韧性和附着力圆棒卷绕1Ｄ不开裂合格急拉断漆膜不开裂合格热冲220℃，30min２Ｄ1D软化击穿，320℃＞2min合格单向刮漆，N（平均／最小）11.3/9.619.0/18.9击穿电压，常态，KV＞5.012.8漆膜连续性，30ｍ针孔＜5个0耐电晕寿命※,小时230※：a.线样为三层复合耐电晕漆包线。b.在400ns、3000V、20KHz、90℃的测试条件下，线样耐电晕寿命为230小时，PhelpsDodge的耐电晕寿命为200小时c.采用美国DEI公司的DTS－1750A测试（25ns、3500V、20KHz、130℃），线样耐电晕寿命为40～60分钟，PhelpsDodge的耐电晕寿命为30～40分钟应具备的特性是：有较高的耐热性能、密实无气隙、有较优良的耐电晕、耐局部放电、耐电腐蚀等方面的性能不同耐热等级的变频绝缘材料其基体树脂也不同，如155级可以选用环氧树脂、聚酯亚胺等，电力机车配套的180级、200级变频绝缘材料选择聚酰亚胺等为基体树脂，再采用纳米技术填充足量的TiO2、Al(OH)3、SiO2或云母粉粒，可以改善其耐电晕、耐局部放电性能。这方面我国已初获成功，但还应继续研究变频调速三相异步电动机和中高压交流变频调速电动机绝缘结构形式和要求有所不同，对绝缘材料的选用也有差异为变频电机配套的绝缘材料的基本要求三、纳米技术相关重点项目介绍PET纳米复合材料聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是重要的合成材料之一，价格低廉，具有优良的耐磨性、耐热性、耐化学药品性、电绝缘性和力学强度高等特性，自问世以来，广泛应用于纤维、绝缘薄膜、饮料包装和工程塑料等领域。纳米材料由于其显著的“尺寸效应”、“表面效应”被广泛应用于高分子材料的改性，使之具有更独特的性能。目前国内外许多工作者都在通过各种手段，采用纳米新技术及先进的制造工艺，将纳米材料应用于PET的改性中，以提高其表面性能、提高PET的结晶速率、力学性能、耐热性和尺寸稳定性。PET纳米复合材料四川东材科技集团股份有限公司近年来对纳米材料改性PET进行了深入的研究，通过内添加及外添加等不同的方法使纳米材料与PET有机结合，大幅度提高的PET自身的耐热性、阻隔性、阻燃性、光学性能及机械性能，并使相关产品实现了工业化。PET纳米复合材料随着人们安全意识的提高，PET以阻燃性能越来越受到重视目前市场上大多使用的阻燃PET为含卤素阻燃剂的阻燃PET但由于含卤阻燃剂在燃烧时发烟量大，且放出有毒致癌物质，因此此种阻燃技术已开始逐步淘汰无卤阻燃正成为新的发展趋势。PET纳米复合材料无卤阻燃PET纳米复合材料采用新型高效无卤共聚型活性阻燃剂与特殊的纳米材料复配，通过共缩聚得到目标产物。突破了阻燃成分含量低的瓶颈，使极限氧指数大幅度提高至56%，由于纳米材料的加入使PET燃烧时耐热性能和成碳性能提高，很好的解决了PET燃烧融滴现象，提高了PET的阻燃等级。PET纳米复合材料已将无卤阻燃PET纳米复合材料应用于薄膜和纺织纤维阻燃薄膜均通过UL测试，达到94ULVTM-0级(0.036mm～0.20mm)及94ULV-0级(0.25mm～0.35mm)填补了国内空白，达到国际领先水平纺织纤维具有优异的阻燃性能，制备的阻燃地毯临界热辐射通量高达7.4kw/m2，远高于Cfl级标准（≥4.5kw/m2），而且经纳米材料复合后其结晶度和结晶速率均有很大提高，显示出更高的强度和模量准备推广应用于军服、军用帐篷及工业高强丝等领域。09年相关产品实现销量2000余吨，销售收入6000多万元。近期新上年产5万吨特种聚酯切片项目PET纳米复合材料由于PET对水蒸气、二氧化碳、氧气、紫外光等介质的阻隔作用不强，使其在食品药品包装及太阳能背板封装中的使用还受到一定的限制。纳米材料加入到PET基体中后能够降低气体在聚合物中的透过率。