本發(fā)明屬于電力絕緣材料制備，尤其涉及一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、由于我國綠色能源基地與負(fù)荷中心分布極不均勻，且伴隨著風(fēng)電并網(wǎng)以及城市集約化建設(shè)的需求，發(fā)展特高壓技術(shù)、建設(shè)高質(zhì)量的交直流輸電網(wǎng)絡(luò)具有十分重要的意義。但隨著電壓等級不斷提高，高壓設(shè)備中絕緣的短期失效現(xiàn)象愈加頻繁，采用脈沖振蕩法對干式空心電抗器進(jìn)行了匝間過電壓現(xiàn)場試驗，通過檢測試驗電壓波形振蕩頻率的變化，發(fā)現(xiàn)故障率高達(dá)7.4％。國家電網(wǎng)公司在對聊城供電局220kv變電站的紅外測溫中發(fā)現(xiàn)，35kv電容器β相電抗器出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，檢查結(jié)果表明，電抗器絕緣繞組中發(fā)生了匝間短路故障。此外，在臺山核電站1750mw主發(fā)電機(jī)定子繞組下線檢修中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加81kv直流電壓時，絕緣的薄弱區(qū)域出現(xiàn)放電現(xiàn)象。可見，絕緣介質(zhì)的擊穿損壞也成了制約高壓輸電技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題。

2、有著“黃金薄膜”之稱的聚酰亞胺(polyimide，pi)因其較高的電氣強(qiáng)度(300kv/mm)、工作溫度(350℃)和尺寸穩(wěn)定性等已被廣泛應(yīng)用于特高壓電抗器的繞組絕緣、風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組絕緣以及直流電機(jī)的匝間絕緣等領(lǐng)域。但隨著電氣設(shè)備和電力電子裝置朝著大功率、小型化、薄型化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)pi薄膜已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電氣設(shè)備的特殊需求。尤其是用于電機(jī)的槽絕緣、繞線絕緣和介電緩沖層，這些都要求聚酰亞胺具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，因此，開發(fā)具有高絕緣特性的聚酰亞胺薄柔性絕緣介質(zhì)及其工藝方法成為電力裝備制備工業(yè)重要的研究方向之一。

3、現(xiàn)有技術(shù)中采取無機(jī)相摻雜改性等方法來制備具有高溫絕緣的復(fù)合電介質(zhì)材料，但是高體積分?jǐn)?shù)無機(jī)填料的引入以及相容性差的問題使得材料內(nèi)部產(chǎn)生載流子陷阱，使材料的擊穿場強(qiáng)降低。

4、所以，目前技術(shù)當(dāng)中，從分子結(jié)構(gòu)設(shè)計角度針對聚酰亞胺高溫絕緣性能的優(yōu)化成為重要的研究熱點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有聚酰亞胺電介質(zhì)材料本征絕緣特性較差的技術(shù)問題，提供一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法以及在電氣絕緣中的應(yīng)用，尤其是在聚酰亞胺本征改性技術(shù)中的應(yīng)用，本發(fā)明所制備的聚酰亞胺薄膜，兼具良好的可溶液加工性及良好的絕緣性能等特點，得到具有優(yōu)異絕緣特性的改性聚酰亞胺柔性電介質(zhì)，進(jìn)而能夠廣泛地應(yīng)用在于微電子和通訊領(lǐng)域。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、本發(fā)明提供一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，包括以下制備步驟：

4、(1)將含砜基二胺單體加入到有機(jī)溶劑中，攪拌使其完全溶解；加入含砜基二酐單體，真空條件下經(jīng)縮聚反應(yīng)，得到改性后的聚酰胺酸膠液(paa)；

5、(2)將改性后的聚酰胺酸膠液倒入干凈的玻璃基板表面，使其涂覆于玻璃基板上，利用涂布機(jī)進(jìn)行涂膜，經(jīng)紅外燈輻照處理后再進(jìn)行熱亞胺化，自然降溫至室溫得后得到改性后的聚酰亞胺薄膜；

6、一方面，步驟(1)中，所述二胺單體為二氨基二苯醚、二氨基二苯砜中的一種，其摩爾比為1:5～40，優(yōu)選為1:10～30；所述二酐單體為二酐單體為均苯四甲酸酐、3,3'4,4'-二苯基砜四羧酸二酐，其摩爾比為1:5～50，優(yōu)選為1:10～30；所述有機(jī)溶劑選自n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺中的至少一種。

7、作為優(yōu)選地實施方式，步驟(1)中，所述二胺單體和二酐單體的摩爾比為1:1.02～1.04；

8、作為優(yōu)選地實施方式，步驟(1)中，所述縮聚反應(yīng)溫度為-10～30℃，優(yōu)選為-5～5℃；

9、作為優(yōu)選地實施方式，步驟(1)中，所述縮聚反應(yīng)的時間為2～36h。優(yōu)選為8～24h。

10、作為優(yōu)選地實施方式，步驟(2)中，所述所述紅外燈選取2000w、照射時間3～5s。

11、作為優(yōu)選地實施方式，步驟(2)中，所述熱亞胺化采用梯度升溫；在本發(fā)明的技術(shù)方案中，利用梯度升溫能夠在溶劑完全揮發(fā)的同時保證改性后的聚酰亞胺完全亞胺化，分子鏈堆砌緊密且無缺陷；

12、優(yōu)選地，所述梯度升溫的升溫速率為2～4℃/min；

13、優(yōu)選地，所述梯度升溫的每段溫度梯度為40～60℃；

14、優(yōu)選地，所述梯度升溫的每段恒溫時間為60～240min。

15、在某些具體地實施方式中，步驟(2)的具體過程為：將步驟(1)得到的改性后聚酰胺酸(paa)膠液倒在干凈的玻璃基板表面，利用涂布機(jī)使其均勻地涂覆于玻璃基板上，再經(jīng)紅紅外燈輻照3～5s，經(jīng)熱亞胺化8～36小時，將改性后paa薄膜轉(zhuǎn)化為聚酰亞胺pi薄膜；

16、優(yōu)選地，所述刮涂的涂膜速度為10～25cm/min，進(jìn)一步優(yōu)選為15～20cm/min；所述刮涂的時間為10～60s，進(jìn)一步優(yōu)選為20～40s；優(yōu)選地，所述改性的聚酰亞胺薄膜的厚度為10～20μm。

17、又一方面，本發(fā)明提供上述制備方法得到改性聚酰亞胺柔性絕緣介質(zhì)。

18、本發(fā)明采用原位聚合法，通過向聚酰亞胺分子鏈上引入具有強(qiáng)電負(fù)性的砜基(-so2)，再通過三氨基嘧啶進(jìn)行交聯(lián)，制備了具有高擊穿場強(qiáng)的聚酰亞胺薄膜材料，該聚酰亞胺介質(zhì)材料在室溫下的直流擊穿場強(qiáng)為654.2mv/m，比傳統(tǒng)選用均苯四甲酸酐和二氨基二苯醚制備的同比例下的交聯(lián)聚酰亞胺介質(zhì)材料提高了119.1mv/m，在150℃下的直流擊穿場強(qiáng)也達(dá)400mv/m以上，與現(xiàn)有技術(shù)相比還具有以下有益效果：

19、(1)本發(fā)明從聚酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，向聚酰亞胺分子鏈上引入極性基團(tuán)-so2，-so2具有較強(qiáng)的電負(fù)性，在聚酰亞胺膜中加入適量的極性基團(tuán)可以提高電子束密度，同時，-so2基團(tuán)的體積較大，將其引入聚酰亞胺的分子鏈中可以破壞鏈的排列，增大自由體積，從而聚酰亞胺的擊穿電壓大幅度降低，顯著改善了聚酰亞胺材料的絕緣特性。

20、(2)本發(fā)明考慮到聚酰亞胺分子鏈的結(jié)構(gòu)，將分子鏈進(jìn)行交聯(lián)的同時，能夠抑制聚酰亞胺電介質(zhì)材料內(nèi)部弛豫損耗，降低焦耳熱的生成，進(jìn)而避免熱擊穿，提升高溫環(huán)境下的絕緣性能。且本發(fā)明制備工藝及所需設(shè)備簡單，安全可靠，成本較低，更有利于其在電氣絕緣器件上的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于聚酰胺酸膠液制備方法按以下制備步驟：

2.一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于聚酰亞胺薄膜制備方法按以下制備步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：

10.如權(quán)利要求1-9任意一項所述的方法制備的一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，其特征在于：所述改性聚酰亞胺柔性絕緣介質(zhì)薄膜用于智能電網(wǎng)、航天航空、新能源汽車等領(lǐng)域。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高溫耐電暈聚酰亞胺基復(fù)合電介質(zhì)及其制備方法，屬于高溫絕緣介質(zhì)材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明解決了現(xiàn)有薄膜電容器高溫環(huán)境下絕緣性能差和可控性低的問題。本發(fā)明采用原位聚合法在二胺和和二酐之間引入剛性基團(tuán)砜基，并且在此基礎(chǔ)上對含砜基聚酰亞胺進(jìn)行交聯(lián)，與常規(guī)聚酰亞胺交聯(lián)進(jìn)行對比，制備了七種結(jié)構(gòu)薄膜。其中，雙側(cè)含砜基團(tuán)的聚酰亞胺交聯(lián)薄膜在常溫和高溫(150℃)下?lián)舸﹫鰪?qiáng)可達(dá)654.2kV/mm和463.1kV/mm，耐電暈時間640s。進(jìn)而在高溫環(huán)境下呈現(xiàn)出優(yōu)異的絕緣性能。本發(fā)明提供的聚酰亞胺兼具高耐熱性、良好的可溶液加工性及良好的熱穩(wěn)定性能等特點，制備工藝流程簡潔，成本較低，可推廣實施。

技術(shù)研發(fā)人員：潘振玄,張昌海,郭佳,劉子陽,張佳琦,祝漢武
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10