一種SIR/P-SIR共混防雷復合材料制備及應用性能

關鍵詞：甲基乙烯基硅橡膠；苯基硅橡膠；SIR/P-SIR共混；防雷

中圖分類號：TQ317 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0098-04

在電能運輸線路中的防雷裝置成為避雷的重要途徑之一[1]。對此，許多學者進行了研究。如以環氧樹脂為主要原料，進行配方體系設計，研究了一種高性能復合材料，并對其性能進行研究[2]。通過添加不同含量的4-正丙基苯甲酸電壓穩定劑，對交聯聚乙烯（XLPE）高性能絕緣材料進行改性[3]。硅橡膠復合材料的電氣性能優異，通過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合材料[4]。多腔吹弧防雷裝置是一種新型簡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硅橡膠復合材料，并研究其性能。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：苯基硅橡膠（P-SIR）（工業純，廣東長博電子絕緣材料）；甲基乙烯基硅橡膠（SIR）（工業純，北京金泰鑫電子科技）；白炭黑（工業純，東莞市昕科新材料）；染色劑氧化鐵（工業純，蘇州顏之多新材料）；羥基硅油（工業純，濟南富鴻化工）；A-171型硅烷偶聯劑（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，寧波市鎮海威企橡塑）；氫氧化鋁（工業純，山東邁騰化工，ATH）。

主要設備：RD1020型電子天平（深圳市榮達儀器）；JRJB型攪拌器（成都源立機械）；XN-35L型橡膠密煉機（青島東諾橡膠機械）；XK-250型雙輥開煉機（青島聚明洋機械）；XLB-D550型平板硫化機（邢臺博勤機械制造）；HUD-R901-1型萬能制樣機（湖南海優達智能科技）；HJ-LHY型無轉子硫化儀（昆山市泓進檢測儀器）；DR-106型萬能試驗機（東莞市巨亞檢測儀器）；LDJC-50kV型電壓擊穿試驗儀（北京航天偉創設備）。

1.2試驗方法

1.2.1配合比設計

為制備用于多腔吹弧防雷裝置的高性能SIR/P-SIR硅橡膠復合材料，本試驗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行制備。其中，染色劑氧化鐵、硅烷偶聯劑A-171、硫化劑雙-2，5以及羥基硅油的添加量，分別占橡膠總質量的5%、2%、0.5%、5%，主要原料的配合比設計見表1[6-7]。

1.2.2SIR/P-SIR硅橡膠的制備

（1）根據1.2.1中的材料配合比，用電子天平稱取一定量的原材料。在橡膠密煉機中加入SIR，然后加入適量的白炭黑、染色劑氧化鐵、硅烷偶聯劑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中的配合比設計加入到開煉機中，進行共混處理，獲得不同比例SIR/P-SIR混煉物料；

（4）在測試完混煉物料正硫化時間后，將烘干后的混煉物料放入準備好的模具中，在硫化機中進行硫化處理，先進行預壓處理3次，再在相同溫度和壓力下進行處理，其中，設置硫化機工作溫度為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，通過萬能制樣機進行切割，最后貯存備用。

1.3性能測試

1.3.1硫化特性測試

通過無轉子硫化儀對SIR/P-SIR硅橡膠復合材料進行測試，分析材料的硫化特性。

1.3.2力學性能測試

通過試驗機對SIR/P-SIR硅橡膠復合材料進行拉伸試驗，分析材料的力學性能情況，其中試驗機的拉伸速度為500mm/min。

1.3.3交聯密度測試

通過平衡溶脹法對SIR/P-SIR硅橡膠復合材料進行交聯密度測試：在室溫環境下，將SIR/P-SIR硅橡膠復合材料浸沒在甲苯中，進行浸泡處理72h，用電子天平稱量浸泡處理前后的試樣質量，分析試樣材料的交聯密度[8]。

1.3.4電壓擊穿試驗

通過電壓擊穿試驗儀對SIR/P-SIR硅橡膠復合材料進行測試，分析材料的擊穿強度。

2結果與分析

2.1硫化特性

圖1為各試件的硫化特性測試結果。

由圖1可知，在SIR和P-SIR混合的硅橡膠復合材料P-SIR-5～P-SIR-30試件中，各硫化曲線基本相同，特別是焦燒時間基本一致，沒有較大變化；根據各硅橡膠復合材料的正硫化時間可以發現，當試件中加入的P-SIR比例增多時，正硫化時間增加，對于未添加P-SIR的純SIR試件P-SIR-0，其正硫化時間達到4.61min，而對于未添加SIR的純P-SIR試件P-SIR-100，其正硫化時間達到6.32min。在橡膠材料方面，當材料的硫化速度加快時，可以提高材料的生產效率，并降低生產工藝過程中的能耗，因此，將SIR和P-SIR共混加入硅橡膠復合材料時比較適宜[9-10]。

2.2力學性能分析

材料力學性能如圖2所示。

由圖2（a）可知，隨著試件中P-SIR含量的增多，各硅橡膠復合材料試件的拉伸強度呈現波動變化，但波動程度較小，均在0.6MPa及以內；對于全部添加SIR試件P-SIR-0，其拉伸強度為7.3MPa。而全部添加P-SIR試件P-SIR-100的拉伸強度為7.2MPa，二者差別很小；當在試件中摻入30%的P-SIR時，材料的拉伸強度最大，為7.8MPa。

由圖2（b）可知，在各硅橡膠復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。對于全部添加SIR的P-SIR-0試件，其拉伸斷裂率最高，達到205%；對于全部添加P-SIR的P-SIR-100試件，其拉伸斷裂率則最低，降至98%。而當試件中SIR和P-SIR共混時，拉伸斷裂率在163%～198%。

因為材料的彈性模量增加，在一定程度上彌補了因為材料斷裂拉伸率下將帶來的影響，所以，在整體上表現為，材料的拉伸強度變化不大[11]。

2.3交聯密度分析

材料交聯密度如圖3所示。

由圖3可知，各硅橡膠復合材料的交聯密度與試件中的P-SIR含量基本上呈現正相關關系，當PP-SIR含量增多時，交聯密度也增大。當試件中未添加P-SIR時，P-SIR-0試件的交聯密度為2.46×10^-4mol/cm³；當試件中添加5%P-SIR時，P-SIR-5試件的交聯密度有所增大，為2.59×10^-4mol/cm³；當試件中添加的P-SIR含量達到30%時，P-SIR-30試件的交聯密度升至2.77×10^-4mol/cm³；對于全部添加P-SIR而未添加SIR的試件，材料的交聯密度最大，為3.48×10^-4mol/cm³。

但是，當材料的交聯密度過大時，會減弱硅橡膠復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，材料的拉伸強度則呈現下降的趨勢，因此，對于全部添加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電壓擊穿試驗分析

圖4為在電壓擊穿試驗中，材料的威布爾分布情況簡化結果，圖中的直線與x軸的截距、直線斜率均能體現各SIR/P-SIR硅橡膠復合材料的絕緣效果。

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

而對于SIR與P-SIR共混的硅橡膠復合材料，SIR與P-SIR的相容性良好，但2種基質間依然會存在少量的相分離情況，同時，在相分離界面處，會形成一些缺陷，導致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，對于SIR和P-SIR共混的硅橡膠復合材料，當P-SIR含量占橡膠總量的10%時，材料的絕緣性良好。

2.5應用效果分析

本試驗將SIR和P-SIR以90∶10的比例，以氫氧化鋁作為填料，制備SIR/P-SIR硅橡膠復合材料。然后將該SIR/P-SIR硅橡膠復合材料用于設計多腔吹弧防雷裝置中，作為復合外套材料對多腔吹弧防雷裝置內部的空間間隙腔室進行包覆。

在模擬工頻下對該多腔吹弧防雷裝置施加雷電沖擊電壓，對該裝置進行工頻續流遮斷模擬試驗。模擬結果表明，該裝置內部由SIR/P-SIR硅橡膠復合材料包覆的多腔室間隙，在一瞬間就被擊穿，然后對沖擊電流進行導流，同時裝置中的工頻電弧處開始起弧，而多腔吹弧防雷裝置也開始進行噴弧動作，將等離子體以及裝置內部因雷電擊穿帶來的熱量快速擴散到空氣中，使該多腔吹弧防雷裝置在10ms內就已經將電流遮斷，裝置內電弧不再燃燒，也未出現重燃現象。因此，用SIR/P-SIR硅橡膠復合材料作為復合外套材料，設計的多腔吹弧防雷裝置綜合應用效果良好。

3結語

（1）純SIR復合材料及純P-SIR復合材料的正硫化時間分別為4.61、6.32min。當SIR和P-SIR共混時，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，提高材料交聯密度，而拉伸強度變化較小，SIR和P-SIR共混時，材料的力學強度和回彈性較好；

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

（4）當SIR/P-SIR硅橡膠復合材料在多腔吹弧防雷裝置中應用時，該裝置能在10ms內進行電流遮斷，裝置內電弧不再燃燒，也未重燃，綜合應用效果良好。