一种利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法
阅读说明：本技术 一种利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法 (Preparation method of hydrophilic corn insulating oil modified by nano magnesium oxide ) 是由 刘捷丰 张镱议 邢中玉 王宇轩 许楚琦 于 2021-05-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及高压电与绝缘材料技术领域,具体公开了一种利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法,包括以下步骤：将玉米绝缘油进行真空干燥,然后将玉米绝缘油加热至50～60℃,机械搅拌,得到预处理玉米绝缘油；在预处理玉米绝缘油中加入纳米氧化镁,所述纳米氧化镁的添加量为所述预处理玉米绝缘油重量的1～4%,然后进行超声振荡,得到亲水性玉米绝缘油。本发明利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法,在玉米绝缘油中添加纳米氧化镁粒子,在保证绝缘油电气绝缘性能的前提下可以增强绝缘油的亲水性,有利于吸收绝缘纸中的水分,减少少分扩散到绝缘纸中,降低了水分对绝缘纸的破坏,使变压器运行更加稳定。(The invention relates to the technical field of high-voltage electricity and insulating materials, and particularly discloses a preparation method of hydrophilic corn insulating oil modified by nano magnesium oxide, which comprises the following steps: carrying out vacuum drying on the corn insulating oil, then heating the corn insulating oil to 50-60 ℃, and mechanically stirring to obtain pretreated corn insulating oil; adding nano magnesium oxide into the pretreated corn insulating oil, wherein the addition amount of the nano magnesium oxide is 1-4% of the weight of the pretreated corn insulating oil, and then carrying out ultrasonic oscillation to obtain the hydrophilic corn insulating oil. According to the preparation method of the hydrophilic corn insulating oil modified by the nano magnesium oxide, the nano magnesium oxide particles are added into the corn insulating oil, so that the hydrophilicity of the insulating oil can be enhanced on the premise of ensuring the electrical insulating property of the insulating oil, the moisture in the insulating paper can be absorbed, the diffusion of the small components into the insulating paper is reduced, the damage of the moisture to the insulating paper is reduced, and the operation of the transformer is more stable.)
技术领域
本发明属于高压电与绝缘材料
技术领域
，特别涉及一种利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法。背景技术
油浸式变压器是电力系统的关键设备，其故障会导致停电，造成较大经济损失。油浸式变压器的绝缘性能主要取决于由绝缘油和绝缘纸组成的内绝缘。目前常用的绝缘油为矿物绝缘油，矿物绝缘油来源于是由产品，是一种不可再生资源，同时其生物降解率低于30％，一旦发生泄漏将对土壤和水源造成污染。为解决日益重要的环保问题和满足可持续发展的要求，绿色环保的可再生绝缘液电介质体已成为新的研究课题。玉米油具有耐击穿、高燃点、低毒性、可降解、可再生等优点，被用作变压器绝缘油，解决了矿物绝缘油存在的污染问题和满足可持续发展要求。在变压器长期运行过程中，油纸绝缘系统中的水分子会扩散到绝缘纸内，破坏绝缘纸分子结构，引起绝缘纸机械性能和绝缘性能发生不可逆下降，从而缩短了绝缘纸的使用寿命。因此开发具有亲水性的玉米绝缘油，减少水分向绝缘纸中的扩散，对提高绝缘纸的使用寿命具有重要意义。
随着纳米科技的发展，研究人员发现纳米改性为提高传统材料综合性能提供可能。纳米粒子具有很高的小尺寸效应、体积效应和量子尺寸和隧道效应等而表现出不同于普通材料的性质，利用纳米粒子来改性绝缘油的各项性能也成为了近年来的研究热点。针对在变压器长期运行过程中，油纸绝缘系统中的水分子会扩散到绝缘纸内，破坏绝缘纸分子结构，引起绝缘纸机械性能和绝缘性能发生不可逆下降等问题，本发明提供一种纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法，将纳米氧化镁粒子加入到玉米绝缘油中，有利于吸收绝缘纸中的水分，减少水分子对绝缘纸分子结构的破坏，对变压器的稳定运行具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法，提高了玉米绝缘油的亲水性，减少了水分对绝缘纸的破坏，使变压器运行更加安全、可靠、稳定。
为实现上述目的，本发明提供了利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将玉米绝缘油进行真空干燥，然后将玉米绝缘油加热至50～60℃，机械搅拌，得到预处理玉米绝缘油；
(2)在步骤(1)得到的预处理玉米绝缘油中加入纳米氧化镁粒子，所述纳米氧化镁粒子的添加量为所述预处理玉米绝缘油重量的1～4％，然后进行超声振荡，得到亲水性玉米绝缘油。
优选的，上述制备方法中，所述玉米绝缘油酸值0.01～0.03mgKOH/g，闭口闪点260～270℃，击穿电压70～80kV，40℃运动粘度25～35mm2/s。
优选的，上述制备方法中，所述步骤(1)中，机械搅拌工艺参数为：搅拌转速为50～100r/min，搅拌时间为30～60min；所述步骤(2)中，超声振荡工艺参数为：超声振荡功率为900～1200W，时间30～60min。
优选的，上述制备方法中，所述纳米氧化镁的制备方法包括以下步骤：
①在硝酸镁溶液中加入硝酸镁重量的0.8～2％晶型控制剂，所述晶型控制剂由聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸钠组成，混合均匀，然后在搅拌状态下滴加碳酸钠溶液，搅拌反应2～3min，陈化4～6h，过滤得沉淀，将沉淀洗涤、干燥，得到前驱体沉淀物；
②将前驱体沉淀物进行焙烧，然后研磨得到纳米粉末，所述焙烧工艺参数为：升温速率为8～10℃/min，温度为550～700℃，时间为2～3h；
③将硅烷偶联剂、去离子水和无水乙醇搅拌混合均匀得到混合溶液；将步骤②得到的纳米粉末加入混合溶液中，超声振荡，然后过滤、洗涤、干燥，得到改性纳米氧化镁。
优选的，上述制备方法中，所述晶型控制剂中聚乙二醇与聚苯乙烯磺酸钠的质量比为1:1～2。
优选的，上述制备方法中，所述硝酸镁溶液的浓度为0.1～0.3mol/L，所述碳酸钠溶液的浓度为0.1～0.3mol/L。
优选的，上述制备方法中，所述步骤③中，混合溶液中硅烷偶联剂、去离子水与无水乙醇的重量比为1:10～12:8～10，纳米粉末与混合溶液的重量比为1:20～45。
优选的，上述制备方法中，将所述纳米氧化镁加入去离子水中配制固含量为10～20％悬浊液，在悬浊液中加入甲基丙烯酸搅拌混合均匀，升温至80～90℃，滴加过硫酸铵溶液，保温搅拌反应3～4h，冷却至室温，过滤、洗涤、烘干得到改性纳米氧化镁。在纳米氧化镁表面进行接枝聚合改性，改性后的纳米氧化镁接枝有聚甲基丙烯酸，带有多个亲水基团-羧基，进一步提高亲水性，能够吸附更多水分。
优选的，上述制备方法中，所述甲基丙烯酸的加入量为所述纳米氧化镁质量的8～15％，所述过硫酸铵溶液浓度为1.5～2mol/L，过硫酸铵的加入量为甲基丙烯酸质量的0.3～0.5％。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法，在玉米绝缘油中添加纳米氧化镁粒子，在保证绝缘油电气绝缘性能的前提下可以增强绝缘油的亲水性，有利于吸收绝缘纸中的水分，减少水分扩散到绝缘纸中，降低了水分对绝缘纸的破坏，使变压器运行更加稳定。
2.本发明方法在纳米氧化镁的制备中加入聚乙二醇和聚苯乙烯磺酸钠组成的晶型控制剂，使得制备的氧化镁粒径可控，粒子大小较为均匀，粒径分布窄，减少氧化镁颗粒团聚；然后采用硅烷偶联剂进行表面改性，能够提高纳米氧化镁在绝缘油中的分散性和稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例中的油纸绝缘系统热老化后绝缘纸的水分含量曲线图。
图2是本发明实施例中的油纸绝缘系统热老化后绝缘油热老化后的体积电阻率曲线图。
图3是本发明实施例中的油纸绝缘系统热老化后绝缘油的击穿电压曲线图。
图4是本发明实施例1制备的改性玉米绝缘油和对比例1制备的绝缘油以及普通玉米绝缘油静置30天前后对比效果图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
一种利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玉米绝缘油在真空100℃干燥24h，然后将玉米绝缘油加热至60℃，机械搅拌，搅拌转速为50r/min，搅拌时间30min，得到预处理玉米绝缘油；
(2)在步骤(1)得到的预处理玉米绝缘油中加入纳米氧化镁，纳米氧化镁的添加量为预处理玉米绝缘油重量的1％，然后进行超声振荡，超声振荡功率为1000W，时间为30min，得到亲水性玉米绝缘油。
其中，纳米氧化镁的制备方法包括以下步骤：
①在浓度为0.2mol/L硝酸镁溶液中加入硝酸镁重量的1.5％晶型控制剂，晶型控制剂由重量比为1:2的聚乙二醇和聚苯乙烯磺酸钠组成，混合均匀，然后在搅拌状态下滴加浓度为0.2mol/L碳酸钠溶液，搅拌反应3min，室温陈化5h，过滤得沉淀，将沉淀用去离子水洗涤3次，真空100℃下干燥3h，得到碳酸镁前驱体沉淀物；
②将前驱体沉淀物进行焙烧，焙烧工艺参数为：升温速率为10℃/min，温度为550℃，时间为3h；然后研磨得到纳米粉末；
③将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按照重量比1:10:10混合，室温下搅拌60min，得到混合溶液；将步骤②得到的纳米粉末加入混合溶液中，纳米粉末与混合溶液的质量比为1:40，超声振荡，超声振荡功率为1000W，时间为60min，然后过滤、用去离子水洗涤3次、真空100℃干燥3h，得到纳米氧化镁。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处在于：步骤(2)中纳米氧化镁的添加量为预处理玉米绝缘油重量的2％，其他步骤和工艺参数与实施例1相同。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处在于：步骤(2)中纳米氧化镁的添加量为预处理玉米绝缘油重量的3％，其他步骤和工艺参数与实施例1相同。
实施例4
本实施例与实施例1不同之处在于：步骤(2)中纳米氧化镁的添加量为预处理玉米绝缘油重量的4％，其他步骤和工艺参数与实施例1相同。
实施例5
一种利用纳米氧化镁改性的亲水性玉米绝缘油的制备方法，包括以下步骤：
(1)将玉米绝缘油进行真空干燥，然后将玉米绝缘油加热至60℃，机械搅拌，搅拌转速为50r/min，搅拌时间30min，得到预处理玉米绝缘油；
(2)在步骤(1)得到的预处理玉米绝缘油中加入改性纳米氧化镁，改性纳米氧化镁的添加量为预处理玉米绝缘油重量的1％，然后进行超声振荡，超声振荡功率为1000W，时间为30min，得到亲水性玉米绝缘油。
其中，改性纳米氧化镁的制备方法包括以下步骤：
①在浓度为0.2mol/L硝酸镁溶液中加入硝酸镁重量的1.5％晶型控制剂，晶型控制剂由重量比为1:2的聚乙二醇和聚苯乙烯磺酸钠组成，混合均匀，然后在搅拌状态下滴加浓度为0.2mol/L碳酸钠溶液，搅拌反应3min，室温陈化5h，过滤得沉淀，将沉淀用去离子水洗涤3次，真空100℃下干燥3h，得到碳酸镁前驱体沉淀物；
②将前驱体沉淀物进行焙烧，焙烧工艺参数为：升温速率为10℃/min，温度为550℃，时间为3h；然后研磨得到纳米粉末；
③将γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、去离子水和无水乙醇按照重量比1:10:10混合，室温下搅拌60min，得到混合溶液；将步骤②得到的纳米粉末加入混合溶液中，纳米粉末与混合溶液的质量比为1:40，超声振荡，超声振荡功率为1000W，时间为60min，然后过滤、用去离子水洗涤3次、真空100℃干燥3h，得到纳米氧化镁；
④将步骤纳米氧化镁加入去离子水中配制固含量为15％悬浊液，加入纳米氧化镁重量的10％甲基丙烯酸搅拌混合均匀，升温至85℃，滴加浓度为2mol/L过硫酸铵溶液，其中过硫酸铵的加入量为甲基丙烯酸质量的0.3％，保温搅拌反应4h，冷却至室温，过滤得沉淀，将沉淀用去离子水洗涤3次，110℃下烘干2h得到改性纳米氧化镁。
对比例1
与实施例1不同之处在于：纳米氧化镁的制备方法不包括步骤③，其他步骤和工艺参数与实施例1相同。
对比例2
与实施例1不同之处在于：纳米氧化镁的制备方法的步骤①中晶型控制剂为聚乙二醇，其他步骤和工艺参数与实施例1相同。
对比例3
与实施例1不同之处在于：纳米氧化镁的制备方法的步骤①中晶型控制剂为聚苯乙烯磺酸钠，其他步骤和工艺参数与实施例1相同。
对比例4
与实施例1不同之处在于：纳米氧化镁的制备方法的步骤①不添加晶型控制剂，其他步骤和工艺参数与实施例1相同。
对实施例1、实施例5和对比例1～4制备的纳米氧化镁采用激光粒度分析方法检测粒径大小(D50和D90)，测试结果如表1所示，从表中可以看出，采用本发明制备的纳米氧化镁粒子大小较为均匀，粒径分布窄。
将实施例1～5和对比例1～2制备出的纳米MgO改性玉米绝缘油组成的油纸绝缘系统与传统玉米绝缘油组成的油纸绝缘系统进行热老化试验，在老化5天、10天、15天、20天和25天时测试绝缘系统中绝缘纸的含水量、绝缘油的体积电阻率和击穿电压，测试结果见图1～3，从图中可以看出采用本发明的改性玉米绝缘油组成的绝缘油纸系统的绝缘纸的水分含量低于传统玉米绝缘油纸绝缘系统，并且体积电阻率和击穿电压均优于传统玉米绝缘油，说明改性玉米绝缘油具有较好的亲水性和绝缘性能。
将普通的玉米绝缘油、实施例1制备的改性玉米绝缘油以及对比例1制备的玉米绝缘油静置30天，静置前后对比图如图4所示，从图中可以看出未经表面处理的纳米氧化镁改性的玉米绝缘油(对比例1)静置30天后颜色浑浊，普通绝缘油和经过表面处理后的纳米氧化镁改性的玉米绝缘油颜色清澈，说明采用硅烷偶联剂进行表面改性，能够提高纳米氧化镁在绝缘油中的分散性和稳定性。
表1纳米氧化镁的粒径分布
D50(nm)
D90(nm)
实施例1
17
25
实施例5
16
23
对比例1
21
34
对比例2
65
117
对比例3
74
125
对比例4
158
261
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
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