一種SIR/P-SIR共混防雷復(fù)合材料制備及應(yīng)用性能

關(guān)鍵詞：甲基乙烯基硅橡膠；苯基硅橡膠；SIR/P-SIR共混；防雷

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ317 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0098-04

在電能運(yùn)輸線(xiàn)路中的防雷裝置成為避雷的重要途徑之一[1]。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。如以環(huán)氧樹(shù)脂為主要原料，進(jìn)行配方體系設(shè)計(jì)，研究了一種高性能復(fù)合材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究[2]。通過(guò)添加不同含量的4-正丙基苯甲酸電壓穩(wěn)定劑，對(duì)交聯(lián)聚乙烯（XLPE）高性能絕緣材料進(jìn)行改性[3]。硅橡膠復(fù)合材料的電氣性能優(yōu)異，通過(guò)加入改性的中空玻璃微珠以及氮化硼，制備了一種改性硅橡膠復(fù)合材料[4]。多腔吹弧防雷裝置是一種新型簡(jiǎn)易且高效的防雷裝置[5]。為制備用于多腔吹弧防雷裝置的材料，本試驗(yàn)以甲基乙烯基硅橡膠（SIR）和苯基硅橡膠（P-SIR）為橡膠原料，以氫氧化鋁為絕緣填料，加入到耐高溫且絕緣性良好的白炭黑中，制備了一種SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料，并研究其性能。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：苯基硅橡膠（P-SIR）（工業(yè)純，廣東長(zhǎng)博電子絕緣材料）；甲基乙烯基硅橡膠（SIR）（工業(yè)純，北京金泰鑫電子科技）；白炭黑（工業(yè)純，東莞市昕科新材料）；染色劑氧化鐵（工業(yè)純，蘇州顏之多新材料）；羥基硅油（工業(yè)純，濟(jì)南富鴻化工）；A-171型硅烷偶聯(lián)劑（分析純，武漢華翔科潔生物科技，A-171）；雙-2，5型硫化劑雙-2，5（分析純，寧波市鎮(zhèn)海威企橡塑）；氫氧化鋁（工業(yè)純，山東邁騰化工，ATH）。

主要設(shè)備：RD1020型電子天平（深圳市榮達(dá)儀器）；JRJB型攪拌器（成都源立機(jī)械）；XN-35L型橡膠密煉機(jī)（青島東諾橡膠機(jī)械）；XK-250型雙輥開(kāi)煉機(jī)（青島聚明洋機(jī)械）；XLB-D550型平板硫化機(jī)（邢臺(tái)博勤機(jī)械制造）；HUD-R901-1型萬(wàn)能制樣機(jī)（湖南海優(yōu)達(dá)智能科技）；HJ-LHY型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀（昆山市泓進(jìn)檢測(cè)儀器）；DR-106型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（東莞市巨亞檢測(cè)儀器）；LDJC-50kV型電壓擊穿試驗(yàn)儀（北京航天偉創(chuàng)設(shè)備）。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1配合比設(shè)計(jì)

為制備用于多腔吹弧防雷裝置的高性能SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料，本試驗(yàn)采用的主要材料是甲基乙烯基硅橡膠（SIR）和苯基硅橡膠（P-SIR），絕緣填料采用的是氫氧化鋁，然后將上述材料加入到耐高溫、絕緣性好的白炭黑中進(jìn)行制備。其中，染色劑氧化鐵、硅烷偶聯(lián)劑A-171、硫化劑雙-2，5以及羥基硅油的添加量，分別占橡膠總質(zhì)量的5%、2%、0.5%、5%，主要原料的配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1[6-7]。

1.2.2SIR/P-SIR硅橡膠的制備

（1）根據(jù)1.2.1中的材料配合比，用電子天平稱(chēng)取一定量的原材料。在橡膠密煉機(jī)中加入SIR，然后加入適量的白炭黑、染色劑氧化鐵、硅烷偶聯(lián)劑A-171、硫化劑雙-2，5以及羥基硅油等添加劑，充分混合；

（2）將步驟（1）中處理好的SIR取出，然后在橡膠密煉機(jī)中加入P-SIR，再加入相同的添加劑，混合均勻，取出備用；

（3）將初步處理好的SIR和P-SIR，按照表1中的配合比設(shè)計(jì)加入到開(kāi)煉機(jī)中，進(jìn)行共混處理，獲得不同比例SIR/P-SIR混煉物料；

（4）在測(cè)試完混煉物料正硫化時(shí)間后，將烘干后的混煉物料放入準(zhǔn)備好的模具中，在硫化機(jī)中進(jìn)行硫化處理，先進(jìn)行預(yù)壓處理3次，再在相同溫度和壓力下進(jìn)行處理，其中，設(shè)置硫化機(jī)工作溫度為170℃，工作壓力為8MPa；

（5）將熱壓成型后的SIR/P-SIR硅橡膠試件自然冷卻，然后脫模，通過(guò)萬(wàn)能制樣機(jī)進(jìn)行切割，最后貯存?zhèn)溆谩?/p>

1.3性能測(cè)試

1.3.1硫化特性測(cè)試

通過(guò)無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀對(duì)SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試，分析材料的硫化特性。

1.3.2力學(xué)性能測(cè)試

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)對(duì)SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分析材料的力學(xué)性能情況，其中試驗(yàn)機(jī)的拉伸速度為500mm/min。

1.3.3交聯(lián)密度測(cè)試

通過(guò)平衡溶脹法對(duì)SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料進(jìn)行交聯(lián)密度測(cè)試：在室溫環(huán)境下，將SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料浸沒(méi)在甲苯中，進(jìn)行浸泡處理72h，用電子天平稱(chēng)量浸泡處理前后的試樣質(zhì)量，分析試樣材料的交聯(lián)密度[8]。

1.3.4電壓擊穿試驗(yàn)

通過(guò)電壓擊穿試驗(yàn)儀對(duì)SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料進(jìn)行測(cè)試，分析材料的擊穿強(qiáng)度。

2結(jié)果與分析

2.1硫化特性

圖1為各試件的硫化特性測(cè)試結(jié)果。

由圖1可知，在SIR和P-SIR混合的硅橡膠復(fù)合材料P-SIR-5～P-SIR-30試件中，各硫化曲線(xiàn)基本相同，特別是焦燒時(shí)間基本一致，沒(méi)有較大變化；根據(jù)各硅橡膠復(fù)合材料的正硫化時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)試件中加入的P-SIR比例增多時(shí)，正硫化時(shí)間增加，對(duì)于未添加P-SIR的純SIR試件P-SIR-0，其正硫化時(shí)間達(dá)到4.61min，而對(duì)于未添加SIR的純P-SIR試件P-SIR-100，其正硫化時(shí)間達(dá)到6.32min。在橡膠材料方面，當(dāng)材料的硫化速度加快時(shí)，可以提高材料的生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)工藝過(guò)程中的能耗，因此，將SIR和P-SIR共混加入硅橡膠復(fù)合材料時(shí)比較適宜[9-10]。

2.2力學(xué)性能分析

材料力學(xué)性能如圖2所示。

由圖2（a）可知，隨著試件中P-SIR含量的增多，各硅橡膠復(fù)合材料試件的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)波動(dòng)變化，但波動(dòng)程度較小，均在0.6MPa及以?xún)?nèi)；對(duì)于全部添加SIR試件P-SIR-0，其拉伸強(qiáng)度為7.3MPa。而全部添加P-SIR試件P-SIR-100的拉伸強(qiáng)度為7.2MPa，二者差別很??；當(dāng)在試件中摻入30%的P-SIR時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度最大，為7.8MPa。

由圖2（b）可知，在各硅橡膠復(fù)合材料的拉伸斷裂率方面，隨著試件中P-SIR含量增多，各試件的拉伸斷裂率不斷減小。對(duì)于全部添加SIR的P-SIR-0試件，其拉伸斷裂率最高，達(dá)到205%；對(duì)于全部添加P-SIR的P-SIR-100試件，其拉伸斷裂率則最低，降至98%。而當(dāng)試件中SIR和P-SIR共混時(shí)，拉伸斷裂率在163%～198%。

因?yàn)椴牧系膹椥阅Ａ吭黾?，在一定程度上彌補(bǔ)了因?yàn)椴牧蠑嗔牙炻氏聦?lái)的影響，所以，在整體上表現(xiàn)為，材料的拉伸強(qiáng)度變化不大[11]。

2.3交聯(lián)密度分析

材料交聯(lián)密度如圖3所示。

由圖3可知，各硅橡膠復(fù)合材料的交聯(lián)密度與試件中的P-SIR含量基本上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)PP-SIR含量增多時(shí)，交聯(lián)密度也增大。當(dāng)試件中未添加P-SIR時(shí)，P-SIR-0試件的交聯(lián)密度為2.46×10^-4mol/cm³；當(dāng)試件中添加5%P-SIR時(shí)，P-SIR-5試件的交聯(lián)密度有所增大，為2.59×10^-4mol/cm³；當(dāng)試件中添加的P-SIR含量達(dá)到30%時(shí)，P-SIR-30試件的交聯(lián)密度升至2.77×10^-4mol/cm³；對(duì)于全部添加P-SIR而未添加SIR的試件，材料的交聯(lián)密度最大，為3.48×10^-4mol/cm³。

但是，當(dāng)材料的交聯(lián)密度過(guò)大時(shí)，會(huì)減弱硅橡膠復(fù)合材料的拉伸斷裂率，因此，即使彈性模量有所增加，但在整體上，材料的拉伸強(qiáng)度則呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此，對(duì)于全部添加P-SIR的材料，其斷裂拉伸率比較小，而彈性模量較高[12-16]。

2.4電壓擊穿試驗(yàn)分析

圖4為在電壓擊穿試驗(yàn)中，材料的威布爾分布情況簡(jiǎn)化結(jié)果，圖中的直線(xiàn)與x軸的截距、直線(xiàn)斜率均能體現(xiàn)各SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料的絕緣效果。

由圖4可知，當(dāng)材料中全部添加SIR而P-SIR的含量為0%時(shí)，材料的絕緣效果基本上最佳，特別是在較大的電場(chǎng)強(qiáng)度下，P-SIR-0試件的失效率均低于其余試件；當(dāng)材料中SIR與P-SIR共混時(shí)，隨著P-SIR含量的增多，材料的絕緣性能基本上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，并且擊穿強(qiáng)度小于全部添加P-SIR的試件；當(dāng)材料中未添加SIR而P-SIR含量達(dá)到100%時(shí)，P-SIR-100試件的直線(xiàn)斜率比較低，直線(xiàn)與x軸的截距也較小，這種現(xiàn)象表明，在電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)，P-SIR-100試件的絕緣效果就已經(jīng)失效，但是，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度提高時(shí)，P-SIR-100試件的絕緣效果失效率增加幅度較小。

而對(duì)于SIR與P-SIR共混的硅橡膠復(fù)合材料，SIR與P-SIR的相容性良好，但2種基質(zhì)間依然會(huì)存在少量的相分離情況，同時(shí)，在相分離界面處，會(huì)形成一些缺陷，導(dǎo)致SIR與P-SIR共混材料的絕緣效果降低，并且小于純SIR或純P-SIR的試件[17-20]。綜上，對(duì)于SIR和P-SIR共混的硅橡膠復(fù)合材料，當(dāng)P-SIR含量占橡膠總量的10%時(shí)，材料的絕緣性良好。

2.5應(yīng)用效果分析

本試驗(yàn)將SIR和P-SIR以90∶10的比例，以氫氧化鋁作為填料，制備SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料。然后將該SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料用于設(shè)計(jì)多腔吹弧防雷裝置中，作為復(fù)合外套材料對(duì)多腔吹弧防雷裝置內(nèi)部的空間間隙腔室進(jìn)行包覆。

在模擬工頻下對(duì)該多腔吹弧防雷裝置施加雷電沖擊電壓，對(duì)該裝置進(jìn)行工頻續(xù)流遮斷模擬試驗(yàn)。模擬結(jié)果表明，該裝置內(nèi)部由SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料包覆的多腔室間隙，在一瞬間就被擊穿，然后對(duì)沖擊電流進(jìn)行導(dǎo)流，同時(shí)裝置中的工頻電弧處開(kāi)始起弧，而多腔吹弧防雷裝置也開(kāi)始進(jìn)行噴弧動(dòng)作，將等離子體以及裝置內(nèi)部因雷電擊穿帶來(lái)的熱量快速擴(kuò)散到空氣中，使該多腔吹弧防雷裝置在10ms內(nèi)就已經(jīng)將電流遮斷，裝置內(nèi)電弧不再燃燒，也未出現(xiàn)重燃現(xiàn)象。因此，用SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料作為復(fù)合外套材料，設(shè)計(jì)的多腔吹弧防雷裝置綜合應(yīng)用效果良好。

3結(jié)語(yǔ)

（1）純SIR復(fù)合材料及純P-SIR復(fù)合材料的正硫化時(shí)間分別為4.61、6.32min。當(dāng)SIR和P-SIR共混時(shí)，材料硫化特性良好；

（2）增加材料中P-SIR的含量，可以減小材料斷裂拉伸率，提高材料交聯(lián)密度，而拉伸強(qiáng)度變化較小，SIR和P-SIR共混時(shí)，材料的力學(xué)強(qiáng)度和回彈性較好；

（3）當(dāng)P-SIR含量占橡膠總量的10%時(shí)，SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料的絕緣性良好；

（4）當(dāng)SIR/P-SIR硅橡膠復(fù)合材料在多腔吹弧防雷裝置中應(yīng)用時(shí)，該裝置能在10ms內(nèi)進(jìn)行電流遮斷，裝置內(nèi)電弧不再燃燒，也未重燃，綜合應(yīng)用效果良好。