一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法

本发明涉及高压设备，具体涉及一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法。

背景技术：

1、芳纶纤维增强环氧复合材料(afrc)因其高比强度、优异的绝缘性能和耐腐蚀性能而被广泛应用于电气工程领域。作为气体绝缘开关设备(gis)断路器中的关键动作绝缘部件，由芳纶纤维增强环氧复合材料制成的绝缘拉杆在高电位元件和接地部分之间起着传递机械负荷的作用。因此，绝缘拉杆通常不仅需要承受较大的动态机械负载，还需要在运行过程中承受高压强场。然而，芳纶纤维的化学惰性和表面高结晶度限制了其与环氧树脂的有效结合，导致其与环氧树脂浸渍不足，容易产生界面弱结合和孔隙等缺陷，在运行过程中可能会引发放电事故。因此，通过改性手段增强芳纶纤维与环氧树脂之间的界面结合性是提升绝缘拉杆性能的关键。目前已有多种界面改性方法，包括表面氧化处理、化学刻蚀、表面接枝极性基团等，然而，大多数界面改性方法主要聚焦于如何提升芳纶纤维增强环氧复合材料的机械性能，对于如何同时提升其机械与绝缘性能的研究较少，相关方法并不适用于绝缘拉杆等电气设备的可靠性提升。针对上述问题，本发明提供了一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，构筑界面多尺度功能层，改善gis断路器用绝缘拉杆中芳纶纤维与环氧树脂基体之间的界面相容性与绝缘强度，制得界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆，解决现有改性方法不能同时提升芳纶纤维增强环氧复合材料的机械性能和绝缘性能的问题，实现绝缘拉杆的“机-电”性能协同提升。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，具体包括以下步骤：

3、s1、在芳纶纤维表面引入极性基团；

4、s2、将极性基团改性后的芳纶纤维浸泡于碱性氧化石墨烯溶液中，得到氧化石墨烯改性后的芳纶纤维；

5、s3、将氧化石墨烯改性后的芳纶纤维进行清洗及干燥处理，得到改性芳纶纤维；

6、s4、采用改性芳纶纤维绕制gis用绝缘拉杆；

7、s5、对成型后的绝缘拉杆进行环氧树脂-酸酐体系真空浸渍，并进行高温固化处理，得到基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆。

8、优选的，所述步骤s1具体包括以下步骤：

9、s1-1、清洗芳纶纤维并进行干燥处理；

10、s1-2、将清洗及干燥处理后的芳纶纤维进行等离子体放电预处理；

11、s1-3、将等离子体放电预处理后的芳纶纤维浸泡于含有极性基团的溶液中，得到极性基团改性后的芳纶纤维；

12、s1-4、将极性基团改性后的芳纶纤维进行清洗及干燥处理。

13、优选的，所述步骤s1-2中，等离子体放电预处理采用介质阻挡放电形式，气体氛围为氩气氛围，此处理过程的参数为：电压3～5kv、频率20～40khz、处理时间1～3min、流量1～3l/min。

14、优选的，所述步骤s1-3中，极性基团为氨基、羟基、羧基、环氧基中的一种，芳纶纤维在极性基团溶液中的浸泡时间为6～24h，温度为25～60℃。

15、优选的，所述步骤s1-3和s3中，清洗及干燥处理的方法均为：使用去离子水反复清洗改性后的芳纶纤维，并于60℃下真空干燥6～8h。

16、优选的，所述步骤s2中，碱性氧化石墨烯溶液的制备方法为：将氧化石墨烯纳米颗粒加入10mm的ph＝8.5的tris-hcl缓冲液中，搅拌后超声，得到氧化石墨烯含量为0.5～1.5g/l的碱性氧化石墨烯溶液。

17、优选的，所述步骤s2中，芳纶纤维在碱性氧化石墨烯溶液中的浸泡时间为8～12h，温度为25～60℃。

18、优选的，所述步骤s5中，环氧树脂-酸酐体系溶液室温粘度＜1000mpa·s；采用真空浇注设备将上述树脂混合体系浇注到产品模具内高温固化处理，固化条件为：80～100℃下保持4～12h，然后120～140℃下保持4～24h。

19、因此，本发明提供了一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，具体有益效果如下：

20、本发明先通过等离子体放电预处理提高了芳纶纤维表面活性与粗糙度，既不影响纤维本征强度又为后续改性手段提供反应位点；然后利用化学极性基团溶液在纤维表面引入了大量极性基团，增强了纤维与基体间的化学结合强度、减缓界面应力集中并减少缺陷形成；最后引入的氧化石墨烯作为纳米功能填料，利用其带来的大比表面积与机械锚点功能，增强纤维/基体界面机械互锁效应，同时利用其丰富的表面基团与量子阱效应，增加了界面处电荷捕获功能并抑制绝缘劣化，构筑了界面多尺度功能层，实现了芳纶纤维与环氧之间的界面结合强度大幅提升，实现了绝缘拉杆的“机-电”性能协同提升。

21、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，所述步骤s1具体包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，所述步骤s1-2中，等离子体放电预处理采用介质阻挡放电形式，气体氛围为氩气氛围，此处理过程的参数为：电压3～5kv、频率20～40khz、处理时间1～3min、流量1～3l/min。

4.根据权利要求2所述的一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，所述步骤s1-3中，极性基团为氨基、羟基、羧基、环氧基中的一种，芳纶纤维在极性基团溶液中的浸泡时间为6～24h，温度为25～60℃。

5.根据权利要求2所述的一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，所述步骤s1-3和s3中，清洗及干燥处理的方法均为：使用去离子水反复清洗改性后的芳纶纤维，并于60℃下真空干燥6～8h。

6.根据权利要求1所述的一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，所述步骤s2中，碱性氧化石墨烯溶液的制备方法为：将氧化石墨烯纳米颗粒加入10mm的ph＝8.5的tris-hcl缓冲液中，搅拌后超声，得到氧化石墨烯含量为0.5～1.5g/l的碱性氧化石墨烯溶液。

7.根据权利要求1所述的一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，所述步骤s2中，芳纶纤维在碱性氧化石墨烯溶液中的浸泡时间为8～12h，温度为25～60℃。

8.根据权利要求1所述的一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，其特征在于，所述步骤s5中，环氧树脂-酸酐体系溶液室温粘度＜1000mpa·s；采用真空浇注设备将上述树脂混合体系浇注到产品模具内高温固化处理，固化条件为：80～100℃下保持4～12h，然后120～140℃下保持4～24h。

技术总结本发明公开了一种基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆性能提升方法，属于高压设备技术领域。先对绝缘拉杆用芳纶纤维进行等离子体预处理，再在预处理后的芳纶纤维表面引入化学极性基团，然后引入具有大比表面积与量子陷阱效应的氧化石墨烯纳米填料进行功能化改性，进而提升纤维/基体间机械互锁效应并增加电荷陷阱密度，构筑界面多尺度功能层，最后采用改性芳纶纤维绕制GIS用绝缘拉杆，成型后真空压力浸渍并固化处理，得到基于界面功能化改性的芳纶绝缘拉杆，实现了绝缘拉杆的“机‑电”性能协同提升。技术研发人员：孔晓晓,侯程燿,杜伯学,陈允,肖萌,邢云琪,张戈,王义方,张冲,刘乾岳受保护的技术使用者：天津大学技术研发日：技术公布日：2024/8/27