基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法

技术领域

本发明属于玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升技术领域，特别涉及基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法。

背景技术

在电力系统中，由于环氧复合材料制成的绝缘器件长时间工作在不均匀电场下，其表面易发生电晕放电，使得材料的气固界面积聚大量电荷，诱发沿面闪络。因此，提升环氧复合材料的表面绝缘性能，对电力系统的安全稳定运行意义重大。相关研究表明，以玄武岩纤维为增强体制成的环氧树脂/玄武岩纤维复合材料可有效提升复合材料的电气性能，为进一步提升环氧复合材料的表面绝缘性能，本文提出了一种借助等离子体射流Atmospheric-Pressure PlasmaJet，APPJ)的氟化改性方法。氟作为电负性最强的元素，对放电有着较强的抑制能力。目前，含氟的绝缘材料在电气领域已经发挥了明显的作用。在绝缘材料中引入氟元素，可以抑制流注理论中的二次电子倍增过程，提升表面放电通道形成的难度。大气压等离子体射流(是指将工作气体以一定速率通入管状电极中，当气流放电时产生的等离子体会被吹出放电区域，从而实现放电区域与改性区域的分离的等离子体改性方法。相关研究表明，以惰性气体混合无毒的含氟气体CF4为前驱物，通过APPJ方法可成功实现高分子材料的氟化，将C-F键等含氟组分接枝到被试品表面。此外，射流处理的过程中会在玄武岩纤维织物表面引入羟基等活性基团，加强树脂基体和玄武岩纤维之间的界面结合，加快电荷消散速率，改善表面电场畸变问题，从而提高材料的表面耐电性能。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述存在的问题，本发明提供如下技术方案：基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法，包括：

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：

使用含氟偶联剂处理玄武岩纤维织物；

将处理过后得到的产物再通过等离子体氟化处理；

最终制备环氧玄武岩纤维复合材料使得材料提升耐闪络型。

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：取玄武岩纤维织物作为目标样本，分别使用无水乙醇和去离子水超声清洗10min，然后烘箱6h干燥确保将玄武岩纤维表面的杂质去除。

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：取适量含氟偶联剂1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷与玄武岩纤维织物混合，使得玄武岩纤维在含氟偶联剂中充分浸润。

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：将处理过的玄武岩纤维放置于APPJ等离子体处理平台正中心，调节升降平台使样片距射流管最底端，确保刚开始产生等离子羽流时样片不会与等离子羽流接触。

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：打开Ar和CF

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：所述相关参数包括气压阀Ar和CF

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：调节电源频率，当电流值急剧上升并且射流管中持续喷射出橘黄色的等离子羽，说明Ar/CF

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：利用射流等离子体处理玄武岩纤维，直至表面出现微黄色斑纹即可视为纤维表面已被充分氟化。

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：对射流等离子体处理后的玄武岩纤维在适当环境下充分干燥备用。

作为本发明所述的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的一种优选方案，其中：氟化处理后的玄武岩纤维充分浸润环氧树脂混合液并将其置于平板硫化机的加热板上，在对应固化温度下热压成型，随后脱模并后固化即可获得所需的复合材料。

本发明的有益效果：本发明提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法对玄武岩纤维进行等离子体氟化处理，将电负性极强的氟元素引入绝缘材料中，并且提高了玄武岩纤维的表面活性，改善了环氧基体与玄武岩纤维的界面结合，从而有效提升材料的表面绝缘性能。同时本发明提供的技术方案所需设备简单，可控性强，效率高，适合于批量化生产的绝缘件制造工业。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明一个实施例提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法的大气压等离子体射流(APPJ)氟化改性平台。

图2为本发明第二个实施例提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法中氟化玄武岩纤维及复合材料的SEM测试，图(a)、(b)、(c)为玄武岩纤维表面示意图；图(d)、(e)、(f)为环氧复合材料的断面示意图。

图3(a)是等离子体氟化后的氟元素分峰，图3(b)是等离子体氟化前的碳元素分峰，图3(c)是等离子体氟化后的碳元素分峰。

图4为本发明第二个实施例提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法中复合材料表面电荷消散测试装置结构图。

图5为本发明第二个实施例提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法中复合材料电荷消散速率测试结果。

图6为本发明第二个实施例提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法中复合材料沿面闪络测试装置结构图。

图7为本发明第二个实施例提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法中复合材料的沿面闪络的威布尔分布以及测试结果图。

图8为本发明第二个实施例提供的基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法中电阻率测试结果。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的一个实施例，提供了基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法，包括：

首先取玄武岩纤维织物分别用无水乙醇和去离子水超声清洗10min，然后烘箱干燥6h。再取适量含氟偶联剂1H，1H，2H，2H-全氟癸基三甲氧基硅烷与玄武岩纤维织物混合，使得玄武岩纤维在含氟偶联剂中充分浸润。随后将预处理后的玄武岩纤维放置于APPJ等离子体处理平台正中心，调节升降平台使样片距射流管最底端40mm，确保刚开始产生等离子羽流时样片不会与等离子羽流接触。打开Ar和CF

实施例2

参照图2-8，为本发明的第二个实施例，提供了基于射流氟化玄武岩纤维环氧树脂沿面耐压性能提升方法，为了验证本发明的有益效果，通过经济效益计算和仿真实验进行科学论证。

图2为氟化玄武岩纤维及复合材料的SEM测试结果。可以看出，等离子体氟化对玄武岩纤维织物的影响主要体现在两方面。一方面为等离子体处理对玄武岩纤维织物表面的刻蚀作用，等离子体处理前玄武岩纤维织物表面光滑，等离子体处理后，在带电粒子的撞击下，玄武岩纤维织物的表层被破坏、剥离。另一方面为等离子体对玄武岩纤维织物表面的接枝作用，在放电过程中，反应物的分子基团被电离成离子态，其中的一部分带电离子基团与玄武岩纤维织物表面带异性电荷的离子基团结合，在玄武岩纤维织物表面成键，形成了图中的颗粒装的凸起，且随着处理时间的增多，接枝的基团更加密集。上述两种等离子体处理的影响，即破坏和重组，都会导致玄武岩纤维织物的表面形貌发生变化，表面粗糙度增加。从复合材料的断面结构图可以看出，因为玄武岩纤维表面活性较低，在玄武岩纤维和树脂基体之间易形成结构缺陷。而等离子体处理增大了玄武岩纤维与环氧树脂的接触面积，使其更容易与树脂基体形成相互咬合的界面。此外，等离子体高能粒子撞击材料表面时，将自身能量传递给表层分子，使表层分子键断裂，产生大量活性基团，这些基团可与聚合物发生交联反应，起到类似于偶联剂处理的效果，这一特性会使得玄武岩纤维织物与环氧基体的界面结合更加紧密，减少界面处的缺陷。

图3(a)、图3(b)、图3(c)为氟化玄武岩纤维的XPS测试结果。本文通过X射线光电子能谱(XPS)显示了不同氟化时间的玄武岩纤维织物表面元素种类和含量。玄武岩纤维织物中的C元素来源于工业生产玄武岩纤维织物时用到的含碳上浆剂。图3(a)为氟化后玄武岩纤维织物表面的F元素图谱，等离子体氟化处理能够在环氧树脂表面引入大量F元素，实现对其表面化学组分的改性。图3(b)，图3(c)为氟化前后C1s的分峰图谱，可以看出，氟元素主要以CF2基团的形式接枝到了玄武岩纤维织物表面。

表为玄武岩纤维表面各元素占比，1#，2#，3#，4#试样的等离子体氟化时间分别为1min，3min，5min，10min。分析表1中的数据可知，随着氟化时间的增长，玄武岩纤维织物表面氟元素含量先增后降，在5min左右达到饱和。分析认为，在等离子体放电过程中，带电粒子不断轰击反应气体和玄武岩纤维织物，二者的部分分子基团分解为多种等离子态粒子，化学键被打断和重组。随着反应时间的增长，纤维表面温度升高，等离子体反应更加剧烈，因氟原子体积较大，所以部分接枝到玄武岩纤维织物表面的含氟基团易被再次轰击，从玄武岩纤维织物表面脱落，导致氟元素含量下降。

图4为复合材料表面电荷消散测试装置结构图。主要由负极性高压直流电源、充电针、有源电容探头(Trek3455ET)、静电电位计(TrekP0865，10kV)、数据采集卡(阿尔泰USB3202)、配套计算机等组成。测试方法为：将复合材料样片超声清洗1min并干燥后放置于样品台上，调节针电极使其位于样品上方5mm处，调节高压直流源的输出电压为7kV，对样片进行电晕充电1min。充电完成后，利用二维移动平台迅速将样片置于有源电容探头下方2mm处，移动探头对准针电极充电位置，随即打开采集卡并启动表面电位测试程序，设置采样频率为0.01kHz，开始数据的单点连续采集，采集充电结束后0～30min的电位数据。以电位数据结合对应时间作图，可得到样片的指数型表面电位衰减函数曲线。

图5为复合材料电荷消散速率测试结果。复合材料表面的电荷消散速率对材料的闪络电压影响很大。研究发现，快速沿材料表面消散的电荷会为沿面闪络提供种子电荷，甚至直接在材料表面形成放电通道，导致表面绝缘性能下降。由于电晕充电后表面初始电位存在差异，对消散点处数据进行均一化处理以便于分析。由图可知，由氟化玄武岩纤维织物制成的复合材料消散速率整体都低于未改性的试样，且随着玄武岩纤维织物氟化时间的增长，复合材料的电荷消散速率呈现先降后升的趋势。分析认为，当氟化时间较短时，氟元素的含量随氟化时间的增长而增多，由于氟元素具有极强的电负性，极易吸引电子，使得电晕充电后复合材料表面的电子被氟化玄武岩纤维织物引入的含氟基团吸附，被束缚在玄武岩纤维织物和环氧基体的界面结合处的电荷滞存空间，导致了电荷的沿表面消散速率降低。随着氟化时间的继续增长，玄武岩纤维织物表面的氟元素接枝率饱和，甚至有所下降，使得复合材料表面对电荷的束缚能力有所下降，电荷消散速率提升。

图6为复合材料沿面闪络测试装置结构图。沿面闪络电压测试平台主要由实验腔体、负极性高压直流电源、电流测量线圈、高压测量探头、示波器等器件组成。闪络平台的电极为针-针电极，可以模拟复合绝缘子等绝缘器件所处的极不均匀的电场。两个针之间的距离保持为7mm。测试方法为：将复合材料样片超声清洗1min并干燥后放置于腔体的样品台上，调节样品台的位置使得两个电极位于样片的中央且与样片表面接触良好。以0.1kV/s的速率从零电位开始升压，直至发生沿面闪络，闪络的瞬间伴随蓝色的电弧和尖锐的放电声，以高压衰减探头和示波器读取闪络电压。每次闪络发生后立即断开电源，间隔10min后再从零电位开始加压，进行下次测试。为减小误差，对每个样品进行15次试验，再对测试数据进行威布尔分布处理，取置信概率为63.2％所对应电压值作为样品的闪络电压。

图7环氧复合材料的沿面闪络的威布尔分布以及测试结果。本文对样片表面闪络电压测试数据进行威布尔分布处理，取置信概率为63.2％所对应电压值作为样品的闪络电压。图5为由不同氟化时间玄武岩纤维织物制成的环氧复合材料沿面闪络电压情况。由图可知，由氟化玄武岩纤维织物制成的复合材料闪络电压都高于未改性的环氧复合材料，且随着玄武岩纤维织物氟化时间的增长，复合材料的闪络电压呈现先增后减的趋势，与电荷消散的变化情况对应，说明电荷沿界面的快速迁移是导致闪络发生的重要因素。当玄武岩纤维织物氟化时间为5min时闪络电压提升效果最优，相较于未改性的复合材料提升了20.65％。

图8为电阻率测试结果。如图所示，随着玄武岩纤维氟化时间的增加，复合材料的表面电阻率先增加后降低，体积电阻率先降低后增加，处理时间为5min时，表面电阻率最大，体电阻率最小。而未处理的材料表面电阻率最小，体电阻率最大。这一趋势复合材料的表面电荷测试结果，在材料中引入氟元素对电荷迁移有抑制作用，导致其表面电阻上升，体电阻率的下降则是因为氟化玄武岩纤维对材料基体结构的部分改善。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。