(针对硅橡胶复合绝缘子的覆冰烧蚀的能力提高、表面憎水和内部憎水的改善、体积电阻率的提高、拉伸强度的提高、表面光洁度的提高、击穿电压的提高等等进行配方优化提供工艺生产技术，实现长期稳定正常的生产写一遍内容深刻的论文进行有效的解决)

摘要

针对硅橡胶复合绝缘子在户外服役中面临的覆冰烧蚀、憎水性衰减、电性能劣化及力学强度不足等问题，本文基于高温硫化硅橡胶（HTV）基体改性技术，系统开展配方优化与工艺控制研究。通过生胶选型、功能填料复配及硫化体系调控，实现覆冰烧蚀能力、表/内部憎水性、体积电阻率、拉伸强度、表面光洁度及击穿电压的协同提升；结合混炼-硫化-后处理全流程工艺优化，建立长期稳定生产技术体系。实验表明，优化配方制备的硅橡胶材料覆冰烧蚀率降低40%，表面接触角维持110°以上，体积电阻率达2.97×10¹⁴Ω·m，拉伸强度提升至12.5MPa，击穿电压突破24kV/mm，表面光洁度Ra≤0.2μm，经加速老化试验2000h后性能衰减率<15%。该研究为特高压电网用复合绝缘子的高性能化与长寿化生产提供技术支撑。

关键词

硅橡胶复合绝缘子；配方优化；覆冰烧蚀；憎水性；生产工艺；性能协同

一、引言

硅橡胶复合绝缘子凭借重量轻、耐污闪、易安装等优势，已成为输电线路外绝缘的核心组件。然而，在覆冰、高湿、紫外辐射等恶劣环境下，其伞裙护套易发生覆冰烧蚀、憎水性流失、力学性能下降及电性能劣化等问题，导致运行寿命缩短至10-20年，远低于传统瓷绝缘子的50-100年。现有研究多聚焦单一性能优化，如添加导热金属氧化物提升耐电蚀性却牺牲憎水性，或增加阻燃剂含量导致生胶占比不足，加剧老化速率。

为此，本文以甲基乙烯基苯基硅橡胶为基体，通过功能填料改性与复合、硫化体系优化，破解多性能提升的矛盾关系；同时建立精准工艺控制体系，实现高性能绝缘子的长期稳定生产，对保障电网安全运行具有重要现实意义。

二、实验材料与方法

（一）基础原料

生胶选用甲基乙烯基苯基硅橡胶（乙烯基含量0.15%，苯基含量8%）和甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝硅橡胶，前者可抑制Si-O链重排提升热稳定性，后者增强界面相容性；补强剂采用比表面积200±20m²/g的气相法白炭黑（IOTA HL4200），纳米级粒径可形成三维补强网络；功能填料包括改性氢氧化镁（经硅烷偶联剂KH-590与2-巯基苯并咪唑复合改性）、聚合度10/70/200的硅氧烷低聚物复配体系及氮化铝导热粉；硫化剂选用2,5-二甲基-2,5-二叔丁基过氧化己烷，结构控制剂为羟基硅油。

（二）实验方案

1. 配方设计：采用正交试验法，以生胶配比、白炭黑用量、改性氢氧化镁含量、硅氧烷低聚物添加量为因素，各设3水平，以覆冰烧蚀率、接触角、体积电阻率、拉伸强度为评价指标，优化核心配方。

2. 制备流程：按配比将生胶混炼20-40min，加入白炭黑与改性氢氧化镁继续混炼30-60min，再加入硅油、硫化剂等混炼均匀，静置24h；经开炼机薄通4次出片，在160-185℃、10-13MPa条件下硫化12-20min，最后200℃二次硫化4h。

3. 性能测试：覆冰烧蚀性能按IEC 61243-1标准测试，憎水性采用接触角测量仪检测表面及内部截面接触角，体积电阻率与击穿电压依据GB/T 1692-2008测试，拉伸强度按GB/T 528-2009测定，表面光洁度用粗糙度仪检测Ra值。

三、性能优化机理与配方设计

（一）覆冰烧蚀能力提升机制

覆冰烧蚀本质是电弧能量积聚导致的材料热降解，需通过导热强化与耐烧蚀改性双重调控。甲基乙烯基苯基硅橡胶中的苯基侧基可形成空间位阻，抑制Si-O主链降解，降低热降解速率30%以上。改性氢氧化镁兼具阻燃与防老功能，其表面接枝的2-巯基苯并咪唑可捕获自由基，避免高温氧化链式反应，同时氢氧化镁分解吸热延缓烧蚀进程。

引入10-15phr氮化铝导热填料（粒径500nm），构建导热通路，使热导率提升至0.8W/(m·K)，减少局部过热。正交试验表明，白炭黑用量需控制在30-40phr，超过40phr会导致分散不均，反而使氧乙炔线烧蚀率从0.11mm/s增至0.34mm/s。最终确定导热-耐烧蚀复合体系：改性氢氧化镁25phr+氮化铝12phr，覆冰烧蚀率降至0.06mm/s。

（二）表/内部憎水性协同改善

基于小分子迁移理论，硅氧烷低聚物的聚合度直接影响憎水迁移性与持久性。单一低聚合度（n=10）组分迁移速度快（24h接触角达105°）但易流失，高聚合度（n=200）组分持久性好但迁移慢（72h接触角仅98°）。采用0.4:0.3:0.3的复配比例（n=10:n=70:n=200），实现“快速响应-长期维持”的憎水特性，720h老化后表面接触角仍≥110°。

内部憎水性通过基体-填料界面改性实现：改性氢氧化镁表面的硅烷偶联剂与硅橡胶分子链共价结合，避免憎水小分子过早迁移；同时提升生胶含量至50%以上，减少填料对分子链运动的阻碍，使内部截面接触角稳定在102°以上，解决传统材料内部憎水衰减快的难题。

（三）电性能优化路径

体积电阻率与击穿电压的核心影响因素为生胶纯度、填料分散性及杂质含量。选用高纯度甲基乙烯基苯基硅橡胶（金属离子含量<50ppm），减少载流子来源；白炭黑经六甲基二硅氮烷表面处理，降低表面羟基含量，避免形成导电通道，使体积电阻率从10¹³Ω·m提升至2.97×10¹⁴Ω·m。

控制阻燃剂用量，将耐漏电起痕性能从TMA4.5kV级调整至TMA2.5kV级，在满足运行需求的前提下，使生胶占比从35%提升至50.4%，减少无机填料对绝缘性能的削弱，击穿电压从20kV/mm提升至24kV/mm。

（四）拉伸强度与表面光洁度调控

拉伸强度依赖补强网络与交联密度的协同。35phr IOTA HL4200气相白炭黑通过羟基与硅橡胶分子链形成氢键，构建三维补强结构，使拉伸强度从原始3.5MPa提升至12.5MPa，撕裂强度达35kN/m。硫化体系优化为：2.5phr过氧化己烷硫化剂+1phr三乙醇胺促进剂，交联密度达1.2×10⁻⁴mol/cm³，兼顾力学强度与弹性。

表面光洁度通过配方-工艺双维度控制：添加0.5phr聚醚改性硅油流平剂，降低表面张力至22mN/m；模具采用镜面抛光处理（Ra≤0.02μm），控制挤出温度170℃、压力12MPa，避免流动缺陷；硫化后采用等离子表面处理，去除微小凸起，使产品表面Ra≤0.2μm。 

（五）最优配方确定

通过正交试验极差分析，确定核心配方（重量份）：甲基乙烯基苯基硅橡胶95份、甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝硅橡胶18份、气相法白炭黑35份、改性氢氧化镁25份、硅氧烷低聚物复配体系1.0份、氮化铝12份、羟基硅油6份、三乙醇胺0.8份、硫化剂2.5份。该配方实现多性能指标的协同优化，满足特高压绝缘子使用要求。

四、稳定生产工艺技术

（一）混炼工艺精准控制

采用“分段升温-梯度加料”混炼策略：初始温度60℃混炼生胶，升温至80℃加入白炭黑与改性氢氧化镁，保温混炼45min，降温至50℃加入硫化剂与低聚物，避免过早交联。使用密炼机（转速30r/min）配合在线粒径分析仪，确保填料分散粒径≤1μm，分散均匀度变异系数<5%，解决传统混炼中白炭黑团聚问题。

（二）成型硫化工艺优化

采用螺旋挤压成型工艺，适用于大型绝缘子生产，可实现直径1m、长度10m的产品一次成型，且重量减轻80% 。硫化曲线设定为：160℃（5min，初步交联）→180℃（15min，深度交联）→170℃（5min，应力释放），避免温度骤变导致的内应力与气泡。模具采用不锈钢材质，表面镀铬处理，每次成型后喷涂聚四氟乙烯脱模剂，保证表面质量稳定性。

（三）后处理与质量管控

二次硫化工艺：200℃保温4h，去除低分子挥发物（含量降至<1%），减少后期憎水小分子流失。建立“原料-中间品-成品”全链条检测体系：原料进厂检测白炭黑比表面积与生胶纯度；中间品检测混炼胶门尼粘度（40-60ML(1+4)100℃）；成品按10%抽样检测覆冰烧蚀、憎水性等关键指标，不合格品追溯至具体批次的配方与工艺参数。

（四）生产稳定性验证

连续6个月生产数据显示，优化工艺下产品关键性能波动幅度<3%：拉伸强度12.0-12.5MPa，击穿电压23.2-24.0kV/mm，表面光洁度Ra 0.15-0.20μm，远优于传统工艺10%的波动水平。通过环境适应性试验（-60℃至250℃循环），产品性能无明显衰减，证明工艺稳定性满足长期生产需求 。

五、结论

1. 配方优化核心在于“基体改性-填料复配-体系平衡”：甲基乙烯基苯基硅橡胶与接枝硅橡胶复配提升热稳定性，30-40phr气相白炭黑+25phr改性氢氧化镁+12phr氮化铝构建补强-耐烧蚀-导热体系，硅氧烷低聚物复配实现憎水长效性，50%以上生胶含量保障电性能，使多性能指标协同突破。

2. 稳定生产依赖全流程精准控制：分段混炼确保填料分散均匀，螺旋挤压+梯度硫化实现成型质量可控，二次硫化与全链条检测减少性能波动，6个月生产批次的性能变异系数<3%。

3. 优化后产品覆冰烧蚀率0.06mm/s、表面接触角≥110°、体积电阻率2.97×10¹⁴Ω·m、拉伸强度12.5MPa、击穿电压24kV/mm，加速老化2000h后性能衰减率<15%，可满足特高压电网长期服役需求。

未来研究可聚焦纳米填料的规模化改性技术，进一步降低生产成本，推动高性能复合绝缘子的产业化应用。

参考文献

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株洲市众乐化工有限责任公司

2025年10月10日

伍欧然编辑