一种多层复合结构的灭弧粉及制备方法
阅读说明：本技术 一种多层复合结构的灭弧粉及制备方法 (Arc extinguishing powder with multilayer composite structure and preparation method thereof ) 是由 刘明龙 杨漫雪 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多层复合结构的灭弧粉及制备方法,该灭弧粉包括气相二氧化硅粉、产气材料、石英砂、粘结剂；其中石英砂或产气材料作为芯层作为起灭弧作用的功能相,对提高产品的分断能力起决定作用；气相二氧化硅粉作为壳层作为表面改性层,通过对灭弧粉进行低热导率处理,降低灭弧材料填充后对产品熔断特性的影响,进而可以作为对现有高分断能力产品中抗浪涌能力不高问题的改善。(The invention relates to arc extinguishing powder with a multilayer composite structure and a preparation method thereof, wherein the arc extinguishing powder comprises fumed silica powder, gas production materials, quartz sand and a binder; the quartz sand or gas production material is used as a core layer to serve as a functional phase with an arc extinguishing effect, and plays a decisive role in improving the breaking capacity of the product; the fumed silica powder is used as a shell layer to serve as a surface modification layer, the arc extinguishing powder is subjected to low thermal conductivity treatment, the influence on the fusing characteristic of a product after the arc extinguishing material is filled is reduced, and the problem that the surge resistance of an existing high-breaking-capacity product is not high can be further improved.)
技术领域
本发明涉及一种可用于管状高压熔断器填充的灭弧粉料，以及该种灭弧粉的制备方法。
背景技术
分断能力要达到DC/AC250V 100A及以上的表面贴装管状微型熔断器产品，其内部一般都需要填充灭弧材料，用以熄灭金属熔体在过电流熔断时所产生的电弧，并缓冲熔断瞬间产生的爆炸压力对熔断器外壳所带来的巨大冲击。但灭弧材料的填充一般又会增强产品的散热，进而影响其熔断特性，导致具有较高分断能力的产品一般抗浪涌能力均较差的窘境。
熔体分断过程产生的影响一般可分为两个部分：熔体刚刚气化起弧瞬间产生的脉冲形式压力---爆炸压力和整个燃弧期间产生的压力---燃弧压力。在熔体气化起弧的瞬间，会产生一个上升很快、持续时间很短的脉冲形式的爆炸压力；燃弧压力则存在于整个燃弧过程中，其压力的变化完全受燃弧过程中的电流变化控制，若起弧后的电流是减小的，则燃弧压力不会有大的上升，对管壳的危害作用很小。但电流若保持不变或不断上升，则燃弧压力必将上升，这时燃弧压力也对管壳危害较大。随着燃弧时间增长，管壳温度增高，强度下降，最后引起管壳破裂或爆炸。
因此，不同灭弧材料的填充，对熔断器熔断过程所产生电弧的作用机理是不同的。如填充石英砂作为灭弧材料时，熔丝熔断后会在石英砂的狭沟中产生电弧，其受到石英砂的冷却作用，使电弧迅速熄灭，并利用石英砂的运动来缓冲爆炸压力冲击，其缺点是灭弧能力范围小；当填充产气材料作为灭弧材料时，其通过在熔体熔化的高温作用下使产气材料分解释放惰性气体和氢气，利用气体的高热导率和耐电强度，可以提高分断后气体间隙的击穿电压，减少电击穿的可能性，但产气材料一般耐热温度较低，易老化，长期高温环境下使用安全受到限制。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具有“芯-壳”多层复合结构的灭弧粉，采用具有在熔断、分断过程中起不同作用的功能相作为灭弧粉的芯层，以低导热系数的纳米粉料作为表面改性剂壳层，从而得到一种具有高分断能力和低导热系数等性能优良的灭弧材料。
本发明同时提供了上述灭弧粉的制备方法。
为达到上述目的，本发明灭弧粉采用如下技术方案：
一种多层复合结构的灭弧粉，包括3wt％～50wt％的气相二氧化硅粉，0wt％～50wt％的产气材料，0～80wt％的石英砂，1wt％～10wt％的粘结剂。
进一步的，其中所述产气材料与石英砂至少含有一种。
进一步的，石英砂的粒度为100目～500目；产气材料的粒度为200目～1000目。
进一步的，气相二氧化硅粉为比表面积100～300m2/g的纳米粉体。
进一步的，所述产气材料为Mg(OH)2、Al(OH)3、三聚氰胺、氰尿酸三聚氰胺、聚四氟乙烯、PA66、PMMA中的至少一种，用以在高温下产生灭弧气体或高导热气体来熄灭及冷却电弧。
粘结剂为三聚氰胺甲醛树脂溶液、高温液态硅胶、PVA、PVB、乙基纤维素中的至少一种。
有益效果：本发明提供的具有“芯-壳”多层复合结构的灭弧粉，其中石英砂或产气材料作为芯层作为起灭弧作用的功能相，对提高产品的分断能力起决定作用；气相二氧化硅粉作为壳层作为表面改性层，通过对灭弧粉进行低热导率处理，降低灭弧材料填充后对产品熔断特性的影响，进而可以作为对现有高分断能力产品中抗浪涌能力不高问题的改善，另外，壳层的加入，还可以对芯层起到隔热的作用，减少产品使用环境中的高温直接作用于芯层上，从而延长芯层有机功能相的使用寿命，保证机器和设备安全。
本发明提供上述灭弧粉的制备方法的技术方案，包括如下步骤：
(1)物料称量：按配方比例称取所需质量的各种原材料以备用；
(2)芯层制备：将可作为芯层的石英砂或各种产气材料倒入研钵中，并加入少量粘结剂进行研磨混合均匀；
(3)多层壳制备：将作为壳层的气相二氧化硅粉或产气材料、粘结剂分批加入到由步骤(2)得到的芯层材料中，并不断研磨造粒，最后得到具有多层复合结构的灭弧粉。
进一步的，步骤(3)中，把气相二氧化硅粉或产气材料分成至少两份，并将粘结剂量分出需要的份数，将每份材料加入混合均匀后再加入另一份材料。
上述制备方法的有益效果是：本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：以石英砂、产气材料等作为主功能相，形成灭弧粉的芯层，以气相二氧化硅作为表面改性相，形成灭弧粉的壳层，通过添加粘结剂及多次研磨造粒的工艺，确保芯层能够被壳层均匀包裹，从而保证了产品在灭弧粉填充后具有良好的熔断特性、抗浪涌能力及安全分断能力。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的描述。
本发明一种具有“芯-壳”多层复合结构的灭弧粉，包括3wt％～50wt％的气相二氧化硅粉，0wt％～50wt％的产气材料，0～80wt％的石英砂，1wt％～10wt％的粘结剂。
所述气相二氧化硅粉为比表面积约100～300m2/g的纳米粉体，其主要特性为导热系数与空气相当，主要作为灭弧粉的壳层表面改性材料，降低其导热系数；所述产气材料主要为Mg(OH)2、Al(OH)3、三聚氰胺、氰尿酸三聚氰胺、聚四氟乙烯、PA66、PMMA等，其主要通过在高温下产生灭弧气体或高导热气体来熄灭及冷却电弧；所述粘结剂主要为三聚氰胺甲醛树脂溶液、高温液态硅胶、PVA、PVB、乙基纤维素等，其主要是将各层功能相进行粘结，形成需要的结构。特别地，所述石英砂的粒度为100目～500目；特别地，所述产气材料的粒度为200目～1000目。
而上述具有“芯-壳”多层复合结构的灭弧粉的制备方法，包括如下步骤：
1)物料称量：按配方比例称取所需质量的各种原材料以备用；
2)芯层制备：将可作为芯层的石英砂或各种产气材料倒入研钵中，并加入少量粘结剂进行研磨混合均匀，确保芯层材料表面具有良好的粘结效果。
3)多层壳制备：将作为壳层的气相二氧化硅粉或产气材料、粘结剂分批加入到由步骤2)得到的芯层材料中，并不断研磨造粒，最后得到具有多层复合结构的灭弧粉。特别地，在步骤3)中，为保证壳层具有良好的厚度均匀性，需要把气相二氧化硅粉或产气材料分成至少两份，并将粘结剂量分出需要的份数，将每份材料加入混合均匀后再加入另一份材料。
以下通过几个实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1：称取石英砂50g(80wt％)，气相二氧化硅粉10g(16wt％)，三聚氰胺甲醛树脂溶液2.5g(作为粘结剂，4wt％))。
将石英砂倒入研钵中，并滴入1g三聚氰胺甲醛树脂后研磨均匀，再加入4g气相二氧化硅粉，继续研磨至粉料表面干燥均匀，再加入1.5g三聚氰胺甲醛树脂，研磨均匀，最后加入剩余的6g气相二氧化硅粉研磨造粒，得到表面干燥、流动性良好的球形粉料。将得到的粉料经150目和100目筛网分选，得到所需的灭弧粉。
以传统石英砂作灭弧粉和本实施例工艺改性的灭弧粉分别进行填充得到的2.0A产品的熔断特性和分断特性进行对比为例，采用同样金属熔体组装得到尺寸为10.1mm*3.0mm*3.0mm的熔断器产品，常规石英砂填充时，其2倍额定电流下的熔断时间为40.21s，填充本灭弧粉后，其2倍额定电流下的熔断时间为1.43s，说明灭弧粉的导热系数已大大降低；对产品进行分断能力测试时，前者分断条件可达到DC250V 100A，采用本工艺改性的灭弧粉填充的熔断器，其分断能力可达到DC300V 300A。
气相二氧化硅的加入对提高分断能力的作用为：气相二氧化硅由于具有高比表面积来吸附熔体的高温金属蒸汽，可以快速降低金属蒸汽产生的燃弧压力，所吸附的金属蒸汽接触到其内部芯层的石英砂后，又可以通过其高的导热系数使气体固化，从而可以快速熄灭电弧。
实施例2：
称取石英砂32g(61.54wt％)，气相二氧化硅粉15g(28.85wt％)，三聚氰胺甲醛树脂5g(作为粘结剂，9.6wt％)。
将石英砂倒入研钵中，并滴入2g三聚氰胺甲醛树脂后研磨均匀，得到流动性良好的球形颗粒，再加入6g气相二氧化硅粉，继续研磨至粉料表面干燥均匀，再加入3g三聚氰胺甲醛树脂，研磨均匀，最后加入剩余的9g气相二氧化硅粉研磨造粒，得到表面干燥、流动性良好的球形粉料。将得到的粉料经200目和150目筛网分选，得到所需的灭弧粉。
以传统石英砂作灭弧粉和本实施例工艺改性的灭弧粉分别进行填充得到的0.5A产品的熔断特性和分断特性进行对比为例，采用同样金属熔体组装得到尺寸为10.1mm*3.0mm*3.0mm的熔断器产品，常规石英砂填充时，其2倍额定电流下的熔断时间大于120s未正常熔断，填充本灭弧粉后，其2倍额定电流下的熔断时间为3.15s，说明本灭弧粉对产品的熔断性能有明显改善；对产品进行分断能力测试时，前者分断条件可达到AC250V 100A，采用本灭弧粉填充的熔断器，其分断能力可达到AC350V 100A，分断能力也大大提高。
实施例3：
称取石英砂18g(27.2wt％)，三聚氰胺24g(作为产气材料36.25wt％)，气相二氧化硅粉20g(30.2wt％)，PVB溶液4.2g(作为粘结剂6.34wt％)。
将石英砂倒入研钵中，并滴入1g三聚氰胺甲醛树脂后研磨均匀，再加入24g三聚氰胺粉，研磨得到流动性良好的球形颗粒，再加入1.2g三聚氰胺甲醛树脂后研磨均匀，加入8g气相二氧化硅粉，继续研磨至粉料表面干燥均匀，再加入2g三聚氰胺甲醛树脂，研磨均匀，最后加入剩余的12g气相二氧化硅粉研磨造粒，得到表面干燥、流动性良好的球形粉料。将得到的粉料经150目和100目筛网分选，得到所需的灭弧粉。
以传统石英砂作灭弧粉和本实施例工艺改性的灭弧粉分别进行填充得到的1.0A产品的熔断特性和分断特性进行对比为例，采用同样金属熔体组装得到尺寸为10.1mm*3.0mm*3.0mm的熔断器产品，常规石英砂填充时，其2倍额定电流下的熔断时间大于120s未正常熔断，填充本灭弧粉后，其2倍额定电流下的熔断时间为1.84s，说明本灭弧粉对产品的熔断性能有明显改善；对产品进行分断能力测试时，前者分断条件可达到DC/AC 250V100A，采用本灭弧粉填充的熔断器，其分断能力可达到DC500V 100A和AC350V 100A，分断能力大大提高。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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