有机硅浸渍漆研究进展

韩庆雨，钟 颖，裴勇兵，吴连斌，陈 遒，蒋剑雄，来国桥

(杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310012)

有机硅浸渍漆研究进展

韩庆雨，钟 颖，裴勇兵，吴连斌，陈 遒，蒋剑雄，来国桥

(杭州师范大学有机硅化学及材料技术教育部重点实验室，浙江 杭州 310012)

概述了国内外有机硅浸渍漆的制备研究进展和发展现状，对有机硅浸渍漆的改性方法进行了介绍，展望了有机硅浸渍漆的发展趋势，具有高导热、耐热、耐高压、节能环保等性能的加成型无溶剂有机硅绝缘漆将是未来发展方向.

有机硅；浸渍漆；无溶剂；加成型；进展

0 前 言

绝缘浸渍漆是电气产品绕组绝缘三大主要绝缘材料之一，是电机、电气设备中必不可少的材料，通过浸渍工序绝缘漆渗透,填充到线圈、线槽或其他绝缘物的空隙和气孔中，经过固化将线圈导线粘结为绝缘整体，在其表面形成连续的绝缘层，可提高介电性能、力学性能、导热性能和防护性能[1].电绝缘材料耐热等级中的温度[2]是指电机、电器和变压器绝缘结构中最热点极限温度，按耐热等级划分，如表1所示[3].

表1 电绝缘材料级别及其使用最高温度

图1 有机硅树脂分子结构示意图Fig. 1 Diagrammatic sketch of molecular structure of organosilicon resin

有机硅浸渍漆是以有机硅树脂为漆基的一类重要绝缘材料，是一类具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷体系，以Si-O-Si为主链，硅原子上连接有机基团的具有高度交联网状结构的聚有机硅氧烷[4]，其结构式如图1所示.

1 有机硅浸渍漆的制备与固化

按照漆基组成，有机硅浸渍漆基本结构单元分为4种，即M(R3SiO0.5)、D(R2SiO)、T(RSi1.5)和Q(SiO2)单元，其中三官能链节的T单元或四官能链节的Q单元是必备结构单元，有机基团可为甲基(Me)、乙基(Et)、丙基(Pr)、乙烯基(Vi)、苯基(Ph)等[5]，必备单元和其他单元配比不同可形成各种性质的硅树脂.

有机硅浸渍漆制备过程中，有机基团与硅原子数目的比值以及苯基基团与有机基团数目的比值，以及水解温度、水解时间、缩聚时间、减压真空度等工艺参数是硅树脂性能的关键影响因素.董晓娜等[6]采用共水解、缩聚的方法合成了性能优异的无溶剂加成型有机硅耐高温树脂，通过自制的活性稀释剂乙烯基硅油调节固含量，优化了工艺条件，生产工艺温和，且体系不含溶剂，达到了国内领先水平.蒋大伟[7]系统研究了乙烯基和含氢硅树脂的制备工艺，通过调整合成过程中水解温度和水含量，发现当水解温度为10 ℃，含氯单体与水摩尔比为1∶6时，有机硅浸渍漆树脂综合性能优异，数均分子量控制在2670左右，当 Si-Vi与Si-H质量比为2.2∶1时，配制的有机硅浸渍漆具有耐热性高、挥发份低、防潮性能好、机械强度高、介质损耗低、工艺应用性好等特点，属于优良绝缘结构.

有机硅浸渍漆按交联固化方式不同，可分为缩合型和加成型.缩合型有机硅浸渍漆是将含有Si-OH、Si-OR等基团的硅树脂预聚物，在催化剂作用或加热下进一步缩合交联成固体产物.加成型有机硅浸渍漆是通过含Si-Vi键的聚硅氧烷与含Si-H键的硅氧烷，在催化剂作用下发生氢硅化加成反应而交联.与缩合型相比，加成型具有卓越的阻燃、防水、热氧化稳定性和绝缘性能，还具有不含溶剂、固化时无低分子物挥发等优点，可用于电气设备的浸渍绝缘处理[8].此外，在应用工艺上加成型有机硅浸渍漆还具有浸渍应用工艺和后处理工序简便、容易实现自动化、可节约能耗和劳动力等优势，能满足目前电机制造过程中普遍采用的真空浸渍(VPI)绝缘处理工艺的要求，并得到无气隙整体性能优良的绝缘结构[9-12]，无溶剂有机硅浸渍漆成为绝缘漆未来的发展方向[13].

催化剂是加成型有机硅浸渍漆的重要组份.催化剂的选择非常重要，金属铂的配位化合物活性高，在较低的温度下就能引发加成固化反应，广泛用作加成型硅树脂的交联剂[14].衷敬和等[15]介绍了用于无溶剂有机硅浸渍漆硅氢加成反应的铂催化剂的制备方法，讨论了带抑制效果的铂配合物催化剂的组成、催化机理及催化活性，发现催化剂活性太高会使浸渍漆贮存时间缩短，若采用络合剂制备络合型铂催化剂，由于它具有较低的催化活性，可很好地解决浸渍漆的贮存稳定性问题.

李鸿岩等[16]对有机硅无溶剂浸渍漆的固化动力学进行了研究，采用差示扫描量热法(DSC) 对无溶剂有机硅浸渍漆分别在不同升温速率下的固化过程进行动态扫描.通过T-β外推法确定了该浸渍漆的固化工艺参数，根据Kissinger-Ozawa方法求得固化反应的活化能为16. 684 kJ/mol，碰撞因子为5. 951×103，通过Crane方程求得固化反应级数为1.127，为调整和改进有机硅浸渍漆的固化工艺提供了理论指导.

2 有机硅浸渍漆的改性

有机硅浸渍漆的优点是耐热等级高，但存在室温粘度大、需高温浸渍、粘附力差、机械强度低等缺点，可采用醇酸、环氧、聚酯等进行改性[17-18]，提高有机硅浸渍漆的性能.

醇酸树脂改性有机硅树脂，可调节涂膜的电气强度、硬度和绝缘等综合性能.贺楠男等[19]先制备桐油醇酸树脂，然后对硅树脂进行改性, 制备了自交联型桐油醇酸树脂改性硅树脂绝缘漆.涂膜耐温性能优良，电气强度达到130 MV/m，水接触角大于120°，硬度达到5H，并可实现绝缘漆综合性能的调控.同时，醇酸树脂改性有机硅树脂有助于提高有机硅绝缘漆其它性能.张淑玲等[20-21]将C01-7醇酸清漆掺入W30-11有机硅烘干绝缘漆中得到改性醇酸有机硅清漆，可在室温下固化，具有良好的附着力、柔韧性及冲击强度，还具有良好的耐热、耐老化及耐介质浸渍性能.同时，以醇酸改性有机硅清漆制备了相应的铝粉漆.测试结果表明，醇酸改性有机硅清漆和铝粉漆室温下都能固化，漆膜表面平整、光亮，机械性能、耐腐蚀性能良好，耐热性能优于醇酸漆，但成本比纯有机硅漆低.

不饱和聚酯具有一定的耐候性和绝缘性，且应用工艺成熟，常用于改性硅树脂，聚酯改性有机硅树脂结合了两者的优点受到青睐，在绝缘浸渍漆中得到了广泛应用.张建华等[22]先使有机硅预聚体上的乙氧基发生水解，然后与不饱和聚酯链段上羟基发生缩合反应，制备了不饱和聚酯改性有机硅树脂，其涂膜具有良好的热稳定性，表观分解温度达到320 ℃.同时，以聚酯改性有机硅树脂为基体制备了性能优良的H级无溶剂浸渍漆，浸渍漆各性能均达到预期技术指标[23].

除醇酸树脂、不饱和聚酯改性有机硅树脂外，环氧树脂是有机硅树脂改性研究领域中较为重要的一类，它通过引入环氧基、羟基等极性基团，可提高树脂的力学性能和粘接性能，还可降低有机硅树脂的固化温度[24].孟季茹等[25]采用E-44环氧树脂对有机硅树脂进行改性，测试结果分析表明，环氧树脂改性后的有机硅树脂粘接力、耐水性比改性前均有提高.廖昔虬等[26]在有机锡催化剂作用下，采用E-20环氧树脂改性含钛的有机硅树脂制得了系列环氧树脂改性有机硅树脂，并研究了树脂的固化活性、耐热性和附着力.环氧树脂改性后的有机硅树脂，在100℃下固化时间可缩短至10 min以内，固化涂膜附着力达到1级，固化膜在500 ℃高温下烘烤3 h，涂层无裂纹和脱落现象发生.

除采用醇酸、环氧、聚酯等有机树脂对有机硅树脂改性外，引入一些无机材料到有机硅绝缘浸渍漆中，可以提高浸渍漆的性能.陈立亚等[27]以甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(KH-570)改性的纳米Al2O3为填料加入有机硅树脂中制备导热浸渍漆，研究结果表明，KH-570改性Al2O3纳米粉体的加入改善了浸渍漆的导热性能、冲击强度等性能.同时发现填料的尺寸对浸渍漆的性能有较大影响，纳米Al2O3填充的浸渍漆性能优于亚微米粉体填充的浸渍漆.付继芳等[28]等将Al2O3表面用超支化聚二羟甲基丙酸酯(HMPA)进行功能化并作为填料，以绝缘浸渍漆为基体制备了导热绝缘浸渍漆，结果发现，超支化聚酯接枝改性的Al2O3可有效提高绝缘浸渍漆的导热性、力学性能和体积电阻率，浸渍漆纳米复合材料的导热系数随着超支化接枝改性Al2O3填充量的增加呈先增加后减小的趋势.

3 有机硅浸渍漆发展现状

国外自20世纪60年代起陆续报导了以有机硅树脂为基体的H级耐热性无溶剂浸渍漆，产品牌号主要包括美国碳化物公司的V-2263和XR-65，Dow Corning公司的DCR-7501和DCR-7521等，以及前苏联的K-67和K-674等.随着浸渍漆的发展，国外对F、H、C级有机硅浸渍漆的要求量迅速增长，目前，F、H级以上浸渍漆需求量已占浸渍漆总量的50%以上.这些产品主要包括美国Dow Corning公司的994、996、997、通用公司的SR17M、德国Wacker公司的H62A/B、H62C、瑞士Vonroll-Isola公司的3551树脂和俄罗斯的KO-08树脂等.最近几年来，随着人们环境意识的不断增强和环保法规的不断完善，水溶性浸渍漆的研究得到了人们的重视，水溶性浸渍漆开发取得了实质性进展，市场上已开始出现水溶性浸渍漆，牌号主要包括AQUANEL-600、700、ISOPOXY800和DVB2713、2715等[3]，这类水溶性浸渍漆逐渐成为未来的一个发展方向.

国内有机硅浸渍漆的研究起步较晚，自国外有机硅浸渍漆在绝缘行业的应用技术传入国内后，一些研究机构才开始进行这方面的研究，产品主要以低档的溶剂型浸渍漆为主，包括国产的W31-4、晨光化工研究院的1053和金陵涂料的WBA.除研究有机硅浸渍漆产品之外，研究人员对浸渍技术也进行了研究.其中，VPI浸渍技术作为先进的处理技术在国外得到了广泛的应用，但我国VPI技术进展非常缓慢.研究人员推出了一些产品[29-30]，但有机硅浸渍漆产品质量和档次比较低，仅适用于中小型电机，不能满足高压大电机使用要求，满足高压大电机需求的耐高温有机硅浸渍漆将是未来重点研究的一个方向[31].水溶性浸渍漆方面，目前国内研究特别是批量生产方面还没有，仅有青岛AMERSON等厂家开展了此类浸渍漆的研究和生产[3].

有机硅浸渍漆应用方面，H级浸渍漆具有优异的耐热性、电气绝缘性能和力学性能，进行H级和C级浸渍漆的研究开发和工艺应用，是绝缘浸渍漆研究的重点[32].目前国内H级以上绝缘浸渍剂品种有限，仅有少量机构对F、H级以上的绝缘浸渍漆进行了探索和研究.衷敬和等[33]在铂催化剂作用下，将乙烯基和硅氢基团的聚甲基苯基硅氧烷发生加成反应，制备了C级无溶剂的有机硅浸渍漆.周光红等[34]以甲基苯基硅烷单体和特种硅烷单体制备的有机硅氧烷预聚物合成了一种C级有机硅浸渍树脂(TJ1173)，测试结果表明，国产浸渍漆TJ1173性能基本达到德国瓦克公司H62C漆的同等水平.

4 有机硅浸渍漆发展趋势

随着有机硅浸渍漆应用领域的扩展，对浸渍漆的粘接强度、耐热性能、电气绝缘和其它性能提出了要求，绝缘浸渍漆将朝以下方向发展[31,35]：

(1)高导热型.发展高导热型有机硅浸渍漆，有助于提高发电机的容量和工作效率.

(2)耐热、耐高压型.发展耐热性和耐高压性的浸渍漆，有利于解决大容量、高电压电机电器发热增大产生的问题.

(3)节能环保型.随着人们对节能减排和环保意识的增强，发展固化挥发份低、固化时间短、能常温固化的无溶剂浸渍漆也是发展的一个趋势.

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ResearchProgressofOrganosiliconImpregnatingResin

HAN Qingyu, ZHONG Ying, PEI Yongbing, WU Lianbin, CHEN Qiu,JIANG Jianxiong, LAI Guoqiao

(Key Laboratory of Organosilicon Chemistry and Material Technology, Ministry of Education, Hangzhou Normal University,Hangzhou 310012, China)

This paper summarized the research progress of the preparation and development status of organosilicon impregnating resin presented the modification methods of organosilicon impregnating resin and prospected the development trend of organosilicon impregnating resin. The additional solvent-free organosilicon insulating varnish with the properties of high thermal conductivity, heat resistance, high pressure as well as energy saving and environment protection will be the future development trend..

organosilicon; impregnating resin; solvent-free; additional; progress

2013-04-30

浙江省科技创新团队项目(2009R50016-GD).

吴连斌(1976—)，男，副研究员，博士，主要从事有机硅树脂的理论与应用研究，E-mail:wulianbin@hznu.edu.cn

10.3969/j.issn.1674-232X.2013.05.004

TQ326.9

A

1674-232X(2013)05-0404-05