納米材料與技術在絕緣材料中應用現(xiàn)狀報告

納米材料與技術在絕緣材料中應用及發(fā)展以人為本以質(zhì)為生以客為尊以信為重報告人：唐安斌scdctab@163.com單位:四川東材科技集團股份有限公司國家絕緣材料工程技術研究中心

2010.3報告要點以人為本以質(zhì)為生以客為尊以信為重一、概述二、納米材料與技術在絕緣材料中應用三、公司納米技術相關重點項目介紹

一、概述將納米級粉料均勻地分散在聚合物樹脂中在聚合物內(nèi)部形成或外加納米級晶?；蚍蔷ЯＮ镔|(zhì)形成納米級微孔或氣泡納米技術在絕緣材料領域中應用途徑研究現(xiàn)狀巨大的比表面積，極高的表面活性，使其與樹脂的相互作用力大大增強。導熱性能好，納米粒子在低溫或超低溫下幾乎沒有熱阻，如納米氮化鋁(電絕緣體)的導熱率即使在常溫下也比普通氮化鋁高4—5倍研究現(xiàn)狀納米級粒子的結構特征和性能強烈的吸波能力，特殊的光學性能，納米級的Y-Fe2O3，、Al203和TiO2都是透明材料，對紫外線、紅外線有極強的吸收作用，且粒徑越小，其吸收能力越強，在覆銅板中應用，可以防止在線路板制作過程中曝光產(chǎn)生的重影等。研究現(xiàn)狀在聚合物樹脂內(nèi)部形成大量納米級氣泡，它顯示出特殊的介電性能，如聚酰亞胺納米微孔材料制成覆銅板，其介電常數(shù)低于2.4，還同時具有高的強度和較低的吸水率，可以作為低介電常數(shù)絕緣材料。研究現(xiàn)狀云母：主要成分是鈉、鉀、鋁的硅酸鹽（Na2O.SiO2K2O.SiO2Al2O3.3SiO2)

蒙脫土：主要成分蒙脫石，是由兩層Si—O四面體和一層Al-O八面體，組成的層狀硅酸鹽晶體納米二氧化硅SiO2納米二氧化鈦TiO2在絕緣材料領域中應用的納米材料研究現(xiàn)狀納米碳酸鈣CaCO3納米粘土：粘土中二氧化硅含量為43-55%，三氧化二鐵為1-3.5%，三氧化二鋁為20-25%，二氧化鈦為0.8-1.2%。在絕緣材料領域中應用的幾種納米粒子除了上述6種外尚有納米金屬氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、微孔、大量的無機鹽和聚合物(如橡膠)等，目前應用較多的是納米無機粒子。研究現(xiàn)狀納米粒子對絕緣材料的改性效果是用傳統(tǒng)技術無法達到的改善機械性能：用傳統(tǒng)技術提高絕緣材料的拉伸強度通常會降低其伸長率，但用納米技術既可大幅度提高絕緣材料的拉伸強度，也能大幅度提高其伸長率，至少不會便其在拉伸強度的峰值處產(chǎn)生伸長率降低。納米技術在絕緣材料領域中應用特點研究現(xiàn)狀用傳統(tǒng)技術提高絕緣材料的韌性，通常會降低其強度、耐熱性和阻燃性，但用納米技術既可提高絕緣材料的韌性，也能同時提高其強度、耐熱性和阻燃性.即在增韌的同時也增強了強度、耐熱性和阻燃性。采用納米技術可有效改善絕緣材料的熱傳導性能，有效降低材料的熱膨脹系數(shù)、提高熱穩(wěn)定性，是開發(fā)高導熱絕緣材料的有效途徑之一。研究現(xiàn)狀納米顆粒能夠從以下4方面改善聚合物的電氣絕緣性能:改善聚合物的耐壓時間,提高耐電老化性能：納米顆?？梢詼p緩聚合物電樹枝化的起始和發(fā)展，如純環(huán)氧樹脂發(fā)生電樹枝化的時間是1h。

而加入適量納米顆粒后電樹枝化的時間可延長到5h。(2)改善聚合物抗局部放電能力：據(jù)報道,加入納米顆粒后,由于局放造成的表面刻蝕面積和深度均顯著降低.這歸結于納米顆?？梢詼p少高聚物材料中空間電荷的聚積、降低空間電荷活動性.(3)提高聚合物的擊穿電壓(介電強度).以往的研究表明,少量納米氧化鋁顆粒(0.5wt%)的加入可以有效提高環(huán)氧材料的擊穿電壓。(4)提高聚合物材料的電阻率.納米顆粒改善聚合物電阻率的機理主要包括納米顆粒對高分子鏈的阻隔效應、納米顆粒自身較高的電阻率以及可能的庫侖阻塞效應.（5）提高耐電痕化與蝕損性能：耐電痕化與蝕損性特高壓絕緣材料的一個重要指標，歐美地區(qū)空氣清潔,電力設備受污染小,對耐電痕化要求較低.我國空氣污染嚴重,電力設備積污惡劣,采用納米技術改性特高壓絕緣材可能降低燃燒體系的溫度;分解釋放出的水和CO2氣體能稀釋、阻隔可燃性氣體;從而提高材料的耐電痕化與蝕損性?；谝陨咸攸c，加強納米材料在絕緣材料中的應用及新產(chǎn)品開發(fā)點對于改造傳統(tǒng)產(chǎn)品具有十分重要的意義。研究現(xiàn)狀由于納米級粉料非常細，在油漆、涂料中使用時會大幅度提高粘度，從而增加了使用工藝的難度，必須研究降低粘度的方法或其它改善措施。用各種方法制得的不同納米粒子或粉料極易團聚，便納米材料的制備、穩(wěn)定地貯存或與樹脂一起制造復合材料時均勻分散造成很大的困難，因而必須研究行之有效的防團聚的方法。研究現(xiàn)狀納米技術的應用目前還存在的一些技術問題二、納米材料與技術在絕緣材料中應用應用納米技術發(fā)展納米絕緣材料

納米技術可以應用于絕緣材料領域。我們在將納米級（范圍在1～100納米之間）粉料通過一定的技術方法均勻地分散在高分子樹脂中，做到了固化后的絕緣材料在不損失絕緣性能的前提下，在內(nèi)部結構中形成納米級粒子的結構特征，從而使納米絕緣材料（復合型材料）表現(xiàn)出一系列納米材料所獨特而又奇異的性能，拓展了絕緣材料產(chǎn)品應用的新領域。納米材料與技術還有許多尚未可知的領域等待我們?nèi)ラ_發(fā)，未來納米材料及其技術在絕緣材料產(chǎn)品的應用將是十分廣闊的，新型納米絕緣材料領域也是極具發(fā)展前景的。納米材料與技術在絕緣材料中應用高導熱絕緣材料對于絕緣材料，由于沒有電子流的運動，它們的導熱性要比金屬材料相差500～1000倍，到目前為止，還沒有一種高分子材料同時具有好的導熱性和絕緣性。納米材料與技術在絕緣材料中應用電機中，由于電流通過導體、介質(zhì)損耗和電磁感應引起的鐵磁損耗、渦流損耗等會產(chǎn)生較多的熱量。電機中，熱量的散發(fā)主要有輻射、對流和傳導三種方式提高絕緣材料的熱導率，可以有效地降低電機鐵芯的溫度，降低損耗，增加經(jīng)濟效益溫度是導致絕緣材料的電性能、機械性能和壽命降低(絕緣材料的老化)以及絕緣件松動的重要原因選擇絕緣結構時，絕緣材料的耐熱性和導熱性是必須同時考慮高壓空冷電機對絕緣材料導熱性要求更高高導熱云母帶研究情況國際水平：導熱率達到0.4～0.5W/(m·K)，比普通云母帶提高40～50%類型：高導熱多膠粉云母帶(ABB)高導熱少膠粉云母帶(Isola)存貯時間減短填料沉降填料粘輥填料分層增厚拉伸強度降低擊穿電壓下降室溫電老化時間減短膠粘劑交流電機變頻調(diào)速技術新型耐電暈絕緣材料絕緣體系短時損壞節(jié)電25％－48％電暈耐電暈性能提高耐電暈聚酰亞胺薄膜通用型聚酰亞胺薄膜耐電暈聚酰亞胺薄膜耐電暈薄膜繞包線

該產(chǎn)品是用耐電暈聚酰亞胺薄膜（KaptonCR）涂上氟樹脂（FCR），疊包在裸扁銅線上并燒結成型，這種電磁線有良好的耐電暈性、導熱性和耐熱性（C級），性能穩(wěn)定可靠耐電暈薄膜繞包玻璃絲的導線

例如：單玻璃絲包雙層聚酰亞胺薄膜繞包繞組線，其雙面絕緣厚度為0.4mm，其特點是彎曲后的工頻擊穿電壓在3kv以上，匝間絕緣在振動疲勞次數(shù)達到107次時，擊穿電壓才開始下降；耐熱老化性能良好，耐溫指數(shù)為F級；耐沖擊電壓性優(yōu)良，試驗表明用幅值為5KV的標準沖擊波，連續(xù)沖擊2.85×106次，繞組線匝間絕緣不擊穿電線電纜絕緣航空導線絕緣高壓電機絕緣耐電暈聚酰亞胺薄膜的應用目前國際市場上的耐電暈電磁線（漆）分類：以美國PhelpsDodge公司的TZQS為代表的三層復合結構電磁線耐電暈漆包線及漆TZQS結構為銅導線(a)、耐高溫的聚酯亞胺底漆(b)、專門的耐電暈中間涂層(c)、聚酰胺酰亞胺面漆(d)：由此組成的“sandwich”結構能夠抵抗電暈脈沖對絕緣的沖擊，防止絕緣過早損壞。中間涂層所用的專用電磁線漆含有Ti﹑Si﹑Zn﹑Mg等納米金屬氧化物，與云母絕緣一樣，具有抵抗電壓脈沖引起局部放電的能力，并能消除脈沖快速上升時間內(nèi)積聚的空間電荷abcd單涂層的特種電磁線（原德國Herberts公司）如E3599IPDR,它是一種能改善局部放電性能的耐高溫漆包線漆，可提高局部放電的起始電壓，適用于0.1～0.5mm的圓線，也適用于各種扁線，可使用模具或毛氈涂制1級或2級漆膜。據(jù)稱可以涂制單涂層的特種電磁線國內(nèi)耐電暈漆包線及漆的性能項目名稱目標實測值漆樣的性能外觀微渾均勻液體，無機械雜質(zhì)OK固體含量，%≥3536.7粘度，20℃500～1000mpa·s714.4涂制線樣的性能外觀光滑、均勻，無影響性能的缺陷合格柔韌性和附著力圓棒卷繞1Ｄ不開裂合格急拉斷漆膜不開裂合格熱沖220℃，30min２Ｄ1D軟化擊穿，320℃＞2min合格單向刮漆，N（平均／最?。?1.3/9.619.0/18.9擊穿電壓，常態(tài)，KV＞5.012.8漆膜連續(xù)性，30ｍ針孔＜5個0耐電暈壽命※,小時230※：a.線樣為三層復合耐電暈漆包線。b.在400ns、3000V、20KHz、90℃的測試條件下，線樣耐電暈壽命為230小時，PhelpsDodge的耐電暈壽命為200小時c.采用美國DEI公司的DTS－1750A測試（25ns、3500V、20KHz、130℃），線樣耐電暈壽命為40～60分鐘，PhelpsDodge的耐電暈壽命為30～40分鐘應具備的特性是：有較高的耐熱性能、密實無氣隙、有較優(yōu)良的耐電暈、耐局部放電、耐電腐蝕等方面的性能不同耐熱等級的變頻絕緣材料其基體樹脂也不同，如155級可以選用環(huán)氧樹脂、聚酯亞胺等，電力機車配套的180級、200級變頻絕緣材料選擇聚酰亞胺等為基體樹脂，再采用納米技術填充足量的TiO2、Al(OH)3、SiO2或云母粉粒，可以改善其耐電暈、耐局部放電性能。這方面我國已初獲成功，但還應繼續(xù)研究變頻調(diào)速三相異步電動機和中高壓交流變頻調(diào)速電動機絕緣結構形式和要求有所不同，對絕緣材料的選用也有差異為變頻電機配套的絕緣材料的基本要求三、納米技術相關重點項目介紹

PET納米復合材料

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)是重要的合成材料之一，價格低廉，具有優(yōu)良的耐磨性、耐熱性、耐化學藥品性、電絕緣性和力學強度高等特性，自問世以來，廣泛應用于纖維、絕緣薄膜、飲料包裝和工程塑料等領域。納米材料由于其顯著的“尺寸效應”、“表面效應”被廣泛應用于高分子材料的改性，使之具有更獨特的性能。目前國內(nèi)外許多工作者都在通過各種手段，采用納米新技術及先進的制造工藝，將納米材料應用于PET的改性中，以提高其表面性能、提高PET的結晶速率、力學性能、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。PET納米復合材料

四川東材科技集團股份有限公司近年來對納米材料改性PET進行了深入的研究，通過內(nèi)添加及外添加等不同的方法使納米材料與PET有機結合，大幅度提高的PET自身的耐熱性、阻隔性、阻燃性、光學性能及機械性能，并使相關產(chǎn)品實現(xiàn)了工業(yè)化。PET納米復合材料隨著人們安全意識的提高，PET以阻燃性能越來越受到重視目前市場上大多使用的阻燃PET為含鹵素阻燃劑的阻燃PET但由于含鹵阻燃劑在燃燒時發(fā)煙量大，且放出有毒致癌物質(zhì)，因此此種阻燃技術已開始逐步淘汰無鹵阻燃正成為新的發(fā)展趨勢。PET納米復合材料無鹵阻燃PET納米復合材料采用新型高效無鹵共聚型活性阻燃劑與特殊的納米材料復配，通過共縮聚得到目標產(chǎn)物。突破了阻燃成分含量低的瓶頸，使極限氧指數(shù)大幅度提高至56%，由于納米材料的加入使PET燃燒時耐熱性能和成碳性能提高，很好的解決了PET燃燒融滴現(xiàn)象，提高了PET的阻燃等級。PET納米復合材料已將無鹵阻燃PET納米復合材料應用于薄膜和紡織纖維阻燃薄膜均通過UL測試，達到94ULVTM-0級(0.036mm～0.20mm)及94ULV-0級(0.25mm～0.35mm)填補了國內(nèi)空白，達到國際領先水平紡織纖維具有優(yōu)異的阻燃性能，制備的阻燃地毯臨界熱輻射通量高達7.4kw/m2，遠高于Cfl級標準（≥4.5kw/m2），而且經(jīng)納米材料復合后其結晶度和結晶速率均有很大提高，顯示出更高的強度和模量準備推廣應用于軍服、軍用帳篷及工業(yè)高強絲等領域。09年相關產(chǎn)品實現(xiàn)銷量2000余噸，銷售收入6000多萬元。近期新上年產(chǎn)5萬噸特種聚酯切片項目PET納米復合材料由于PET對水蒸氣、二氧化碳、氧氣、紫外光等介質(zhì)的阻隔作用不強，使其在食品藥品包裝及太陽能背板封裝中的使用還受到一定的限制。納米材料加入到PET基體中后能夠降低氣體在聚合物中的透過率。若將復合材料拉伸取向，使剝離納米材料片層在聚合物基體中按一定方向取向，復合材料對氣體的阻隔性還會進一步提高。PET納米復合材料高阻隔PET納米復合材料東材科技將改性合成的PET納米復合材料經(jīng)雙向拉伸制膜，所得薄膜對水蒸氣的阻隔性大幅度提高（水蒸氣透過率≤1.5g/m2.24h；0.25mm；85%濕度；85℃。普通PET膜水蒸氣透過率為2.5g/m2.24h；0.25mm），達到國際水平，填補了國內(nèi)空白制作的太陽能背板組件的壽命可以達到25年生產(chǎn)的PET納米復合瓶片，在降低氧氣與二氧化碳透過率的同時，還提高瓶片的耐熱溫度。PET納米復合材料試制產(chǎn)品通過了國內(nèi)主要太陽能電池背板膜組件生產(chǎn)商中國樂凱、蘇州中來、常熟冠日等公司嚴格檢驗和測試，同時也得到了日本凸版、美國霍尼韋爾、意大利等國外太陽能電池背板膜廠商的認可。2009年僅7～12月就試制光伏電池背板薄膜1000余噸。銷售收入3000多萬元近期新上年產(chǎn)1.5萬噸光伏電池背板薄膜生產(chǎn)線項目PET納米復合材料以人為本以質(zhì)為生以客為尊以信為重

本項目旨在滿足ITO柔性透明導電薄膜、印刷、光學等行業(yè)替代進口產(chǎn)品（日本東麗、韓國SKC的產(chǎn)品）的需要。目前高透明聚酯薄膜在我國研發(fā)剛剛起步，其發(fā)展前景廣闊。國內(nèi)產(chǎn)品存在平整度不好、表面有劃傷、薄膜的霧度偏大等問題，影響使用PET納米復合材料高透明聚酯薄膜關鍵技術研發(fā)PET納米復合材料本項目采用含有特殊納米添加劑的PET母料與聚酯切片按照一定比例熔融擠出并經(jīng)雙軸拉伸的加工方法制造高透明聚酯薄膜。重點解決納米添加劑在PET母料合成中的凝聚而造成的分散性不均問題；解決薄膜的收卷平整性及表面質(zhì)量（如麻點、劃傷等）的問題。高透明聚酯薄膜關鍵技術指標PET納米復合材料以人為本以質(zhì)為生以客為尊以信為重

采用漿料法有效地將納米級鐵氧粉體混合到樹脂中，再經(jīng)浸漬玻璃布后熱壓成型，制得了相對磁導率達15.4的多相復合導磁特種層壓板材，應用于齒槽電機定子槽口，有效地降低了電動機鐵耗40～60%，空載電流5～10％，降低溫