热重分析技术评估漆包线耐热性能的应用探讨

仲伟霞， 郭蓉蓉， 诸冉冉， 李 福

(上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

漆包线广泛应用于电力、机电、电气设备、家用电器、电子、通讯和交通等领域。随着经济的发展和人民生活水平的提高，电机、电器都在朝着小型化、轻量化、高性能化方向发展，对漆包线的耐热等级要求也越来越高。而漆包线因导线外面绝缘漆膜的不同，耐热等级不同，具体表现为不同的温度指数指标。

目前，评估漆包线耐热性能的标准有ASTM D-2307、IEC 60172以及国标GB/T 4074.7(等同采用IEC 60172)，这些标准都采用烘箱长期热老化的方式评估漆包线的耐热等级，不仅测试周期长(长达一年)，评估费用高，而且过程繁琐，一旦过程控制不当，整个评估试验就有可能失败。为此，研究评估漆包线耐热等级更为快速便捷的试验方法，就显得非常必要。

热重分析技术(TGA)是通过在设定的升温程序下，记录材料随温度升高重量发生变化的一种技术，可快速评估漆包线耐热性能。国内外相关研究报道［1-5］指出，TGA技术提供了可替代烘箱老化的试验方法。通过取漆包线外面的绝缘层样品采用TGA仪器在不同的升温速率下进行升温老化试验，记录不同升温速率的热失重曲线，从TGA曲线上确定特定程度的老化分解温度。根据阿伦尼乌斯方程，确定某特定分解程度下的活化能，再利用此活化能预估材料在某给定温度或最大运行温度下的使用寿命。这一试验过程尽管需要漆膜样品至少运行三个不同升温程序的TGA实验，还需进行活化能的计算，但整个试验周期不足两个工作日。相比于烘箱老化的试验方法，单时间优势就不可小觑。

1979年上海电缆研究所李传儒等人，应用TGA技术及高温单点老化试验研究制订了JB 2804—1979［6］。

本文在前人工作的基础上，采用TGA技术对不同品种的漆包线样品进行耐热等级的快速评估，首次就热分解失重度的确定对评估结果的影响进行了分析，进一步探讨这一技术在漆包线行业的应用。

1 试验部分

(1)试验样品。选用几种漆包线产品进行TGA试验，见表1。对表1中的漆包线样品进行漆膜剥离处理，制取试验样品。

表1 几种漆包线样品

(2)仪器。TGA，TG209F1，德国耐驰公司生产。

(3)试验。分别取1#～7#漆包线样品的漆膜三份，8 mg左右，质量相近。采用TGA分别以2 K/min、4 K/min、6 K/min 的升温速率从 30℃ 升至600℃，在空气气氛下对各样品进行热重分解试验。

2 结果分析与讨论

图1 ～图7分别是几种漆包线漆膜样品的TGA失重曲线。设定某一程度的分解失重度，就可以从图中的TGA曲线上读出各自不同的分解温度T1、T2、T3。

图1 1#样品的TGA曲线

图2 2#样品的TGA曲线

图3 3#样品的TGA曲线

图4 4#样品的TGA曲线

图5 5#样品的TGA曲线

图6 6#样品的TGA曲线

图7 7#样品的TGA曲线

由阿伦尼乌斯方程得:

式中，E为活化能(kcal/mol);R为气体常数(1.987 cal/mol·K);T为某一特定分解程度对应的分解温度(K);β为升温速率(K/h);C为常数。

取－log β对(1/T)作图，拟合直线的斜率即为－0.457E/R，从而可以获得分解活化能E。图8是该过程的示意。依据这一过程，几种漆包线漆膜样品的拟合结果，以及反映拟合结果可靠性的拟合因子一并列于表2中。

图8 TGA技术研究分解活化能E

漆包线样品因绝缘材料的不同，其TGA曲线分别表现出不同的热分解温度和不同的分解失重台阶。

以2 K/min 的 TGA 曲线为例，1#、5#、6#、7#样品的第一失重台阶范围和温度区间都较宽，起始分解温度也较高。1#样品，第一失重台阶失重约50%，起始分解温度近300℃。5#、7#样品TGA分解曲线走势相近，只有一个失重台阶，起始分解温度较高，分别达到350℃和400℃。6#样品，第一失重台阶失重约40%，起始分解温度约为350℃。

2#、3#、4#样品都为聚氨酯系列样品，起始分解温度比较低，第一分解失重范围窄。2#样品210℃左右就已发生失重分解，起始失重台阶窄，起始失重台阶失重不到20%。3#、4#样品起始热分解温度略高，为240℃。

对于耐热等级的老化评估而言，由于是以击穿电压的失效为判据，漆包线老化分解初期，击穿电压大都已失效。因此，评估漆包线的耐热性，基本上以TGA曲线中起始阶段的分解失重取值为考量。

依据漆包线绝缘漆膜寿命关联式:［1］

式中，tf为某失效温度下的评估寿命时间(h);E为活化能(kcal/mol);Tf为失效温度(K);R为气体常数(1.987 cal/mol·K);p(Xf)为失效温度下漆膜的反应深度;β为升温速率(K/h)。

对于不同漆包线样品，如果长期老化失效的分解失重度确定，漆包线的Tf便可以获得。表2是几种漆包线漆膜样品的拟合、评估结果。

从表2中可以看出，采用TGA曲线拟合结果的拟合因子都在95%以上，表明拟合结果的可靠性。

1#样品的拟合、评估结果表明，随着样品分解失重度取值从5%到25%的逐步深入，拟合求得的分解活化能基本不变，约为36～39 kcal/mol，表明此分解失重段反应平稳。分别以分解失重度5%、10%、15%、20%、25%确定失效评估，评估结果表明随着分解失重度的增加，耐热等级增大，25%时，样品的耐热等级高达186.9℃。

2#样品，由TGA曲线知样品失重不到20%时，分解反应已经进入另外一个分解失重阶段，故2#样品的拟合、评估结果以15%为界分析。随着样品分解失重度5%→10%→15%逐步深入，拟合求得的分解活化能结果变化不大，约为38 kcal/mol，说明该段分解反应平稳。分别以分解失重度5%、10%、15%评估样品的耐热等级，耐热等级随分解失重度的增加而增大，15%时的耐热等级为132℃。

3#样品比2#样品TGA曲线中的起始失重台阶宽，约为40%，因而拟合、评估所取的分解失重度可以较宽，分别以5%→10%→15%→20%推进，拟合所得的分解活化能结果变化不大，约为44～48 kcal/mol，表明此段分解反应比较平稳。分别以分解失重度5%、10%、15%、20%确定失效评估，结果表明耐热等级也随之增大，20%时的耐热等级可达151.6℃。

4#样品起始热分解失重台阶不到30%，随着样品分解失重度5%→10%→15%→20%的深入，分解活化能的拟合结果增大明显，从60.7 kcal/mol骤增至160 kcal/mol，表明此段分解反应变化剧烈。随着分解失重度的增大，耐热等级升高明显。分解反应初期失重度10%的耐热等级就达201℃。

由分析可知，虽然2#、3#、4#样品同属聚氨酯漆包线，但由于样品的耐热等级不同，拟合、评估结果也不尽相同，耐热等级越高，起始分解活化能越大。

5#样品的TGA曲线拟合结果表明，随着分解失重度从10%到15%的深入，活化能的拟合结果变化不大，约为34～37 kcal/mol，耐热等级差别较大，分别为214℃和239℃。评估结果比样品所属的耐热等级要高。

6#样品的起始分解失重台阶较宽，从分解失重度5%→10%→15%→20%的拟合结果看，分解活化能缓慢增大，表明分解反应逐步加剧，耐热等级也逐步增大，分解失重度5%时的耐热等级就高达187℃。

表2 几种漆包线漆膜样品的拟合、评估结果

7#样品的拟合结果与6#样品相似。随着分解失重度5%→10%→15%→20%的深入，分解活化能缓慢增大，分解反应在逐步加剧，耐热等级逐步升高。

综上所述，漆包线样品的绝缘漆膜虽有所不同，但TGA曲线拟合、评估的耐热等级却表现出一定的相似性，起始阶段的分解活化能变化不大，随分解失重度的增大，耐热等级逐步升高。但聚氨酯漆包线样品的起始分解失重台阶较窄，4#180级聚氨酯漆包线样品，分解活化能随分解失重度的升高急剧增大，耐热等级也升高明显。

3 结论

通过上述研究分析，可以得到如下结论:

(1)采用TGA技术可以快速评估漆包线产品的耐热等级，通过实验的优化，拟合因子都在95%以上，从而保证了拟合结果的可靠性。

(2)漆包线样品的耐热等级评估结果，因样品不同而有所差异，但变化趋势相同，即随分解失重度的增大，耐热等级升高。故分解失重度的取值对于耐热等级评估的可靠性至关重要。

(3)聚氨酯样品的起始分解台阶较窄，分解失重度取值需慎重。180级的聚氨酯漆包线样品，拟合活化能以及耐热等级的评估受分解失重度取值的影响较大。

由于长期烘箱老化实验还在进行中，单独借助TGA曲线拟合、评估耐热等级的可靠性还有待继续跟踪。

［1］Toop D J.Theory of life testing and use of thermogravimetric analysis to predict the thermal life of wire enamels［J］.IEEE Transaction Electrical Insulation，1971，EJ-6(1):2-14.

［2］Steinhaus R.Statistical analysis of the test procedure for the evaluation of the thermal endurance of winding wires［C］//The 10th Electrical Insulation Conference.1971.153-157.

［3］Smith E L，Koerner E C.TGA-Short cut to the thermal rating of insulating materials［C］//The 6th Electrical Insulation Conference.New York:1965.3-23.

［4］Doyle C D.Kinetic analysis of thermogravimetric data［J］.Journal Applied Polymer Science，1962，6:639.

［5］李传儒，陈镜泓.热重—微分热重法快速评估漆包线热老化寿命［J］.化学学报，1977，35(1，2):12-15.

［6］JB 2804—1979漆包圆线热寿命和温度指数试验方法(快速法)［S］.