新型船用电机绝缘漆的研究

黄允灿，程 浩



新型船用电机绝缘漆的研究

黄允灿1，程 浩2

（1. 海军驻武汉七一二所军事代表室，武汉 430064；2. 湖北长海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070）

采用环氧改性不饱和聚酯，制备了一种环氧/不饱和聚酯树脂绝缘漆，降低了不饱和聚酯的固化收缩率，并研究了该体系的固化温度及环氧与不饱和聚酯以及添加剂的比例对各项电性能的影响，该绝缘漆综合性能优良，适用于大电机的VPI浸漆处理。

环氧改性不饱和聚酯 固化收缩率 绝缘漆

0 引言

不饱和聚酯（UP）树脂是由饱和二元醇与不饱和（可有部分饱和）二元酸（或酸酐）缩聚而成的聚合物，它具有典型的酯键和不饱和双键的特性[1]。由于树脂分子链中含有不饱和双键，因此可以与含双键的单体，如苯乙烯、甲基苯乙烯等发生共聚反应生成三维立体结构，形成不溶不熔的热固性塑料[2]。它是热固性树脂中用量最大的树脂品种，在工业、农业、交通、建筑以及国防工业方面得到广泛的应用。

不饱和聚酯无溶剂漆优点在于黏度较低且贮存稳定性能较好[3]。固化物的耐候性优良，并且硬度高，表面具有光泽，也具有优异耐潮湿及油污性能，同时也具备优良的电气绝缘性能，被广泛用于工业、交通业、建筑业等方面。但是，其综合性能仍然具有提高改善的空间[4,5]，其尺寸稳定性表现一般，吸湿性和耐化学腐蚀性仍有很大的改善余地，同时再提高其在耐热方面的性能以及机械强度等，才能得到综合性能优异的绝缘漆[6]。

不饱和聚酯树脂因为其具有的优良特性，在众多的领域得到广泛的使用，但其本身仍存在一些缺陷，比如韧性较差，机械强度低，以及收缩率大等不足[7]，这些本身的缺陷使其在进一步推广应用中受到了限制。针对这一缺陷，特别是为了满足一些特殊工况下的使用要求，科研工作者需要对不饱和聚酯树脂进行改性，以此来提升不饱和聚酯树脂的综合性能和应用范围。

使用环氧树脂与不饱和聚酯树脂端基进行反应，形成UP-EP-UP低聚物，兼具不饱和聚酯树脂和环氧树脂的特性，大大改善了不饱和聚酯树脂的固化收缩率，提高了绝缘漆的粘接力和热稳定性。

本文使用环氧树脂与不饱和聚酯树脂的端基进行反应：

一方面消耗掉了部分羧基，另一方面使聚酯分子扩链，形成UP-EP-UP型嵌段共聚物。此共聚物再与活性单体混合，固化后形成环氧改性的不饱和聚酯树脂体系，大大改善了不饱和聚酯树脂的固化收缩率和耐碱性，提高了船用电机绝缘漆的综合性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

不饱和聚酯树脂：工业品，江苏富菱化工有限公司；E44环氧树脂：工业品，中石化巴陵分公司；十六烷基三甲基溴化铵：分析纯，阿拉丁试剂；对苯二酚：分析纯，国药集团；过氧化二异丙苯：分析纯，江苏全威化工有限公司；甲基六氢苯酐：工业品，濮阳惠成电子材料股份有限公司。

1.2 主要仪器设备

HT-50击穿电压测试仪，桂林电器科学研究院有限公司；DSC差示扫描量热仪，美国PE公司；电子万能材料试验机，美国Instron公司；静电高阻计，美国吉时利公司。

1.3 改性树脂体系及绝缘漆的制备

按照预定计算后，将称量的不饱和聚酯树脂与环氧E44分别投入圆底烧瓶中，加入适量催化剂（十六烷基三甲基溴化铵），加入树脂总量0.02%的阻聚剂（对苯二酚），在110℃~120℃条件下进行反应，反应时间2 h，待酸值低于7 mg KOH/g时，停止反应。

将反应合成的环氧/不饱和聚酯树脂取出，加入树脂总量50%苯乙烯作为活性稀释剂，再加入适量甲基六氢苯酐、过氧化二异丙苯、对苯二酚等得到新型船用电机绝缘漆。

1.4 测试方法

对制备的绝缘漆进行DSC测试，研究其固化反应的放热峰。

分别制备不同不饱和聚酯树脂与环氧配比、不同固化剂配比的绝缘漆，并对绝缘漆的性能分别进行了研究。

按照GB/T 15022.2/-2007和GB/T1981.2- 2009对绝缘漆进行测试。

2 结果与讨论

2.1 新型船用电机绝缘漆固化条件研究

对新型船用电机绝缘漆进行DSC测试，图1为新型船用电机绝缘漆DSC测试结果。

从图1中的放热峰可以看出，在升温过程中，低于110℃时，新型船用电机绝缘漆放热很少；从110℃开始，树脂体系开始发生固化反应，放热逐渐加快；在146℃左右放热最为剧烈。所以本文制备的新型船用电机绝缘漆固化条件为146℃。

图1 新型船用电机绝缘漆DSC曲线

2.2 树脂基体配比对绝缘漆固化收缩率的影响

自由体积理论认为，物体的体积实际上是分子堆砌的体积，它主要有两部分，即分子本身占有的体积与分子堆砌的空隙或未占有的“自由体积”，“自由体积”包括分子尺寸的空隙和堆砌的缺陷。这种未占有的自由体积使分子有活动的余地，在外界条件改变的情况下，分子自身可以不断调整自身的构象或者产生链段的运动[8]。

不饱和聚酯树脂在固化过程中产生体积收缩主要包括三个方面。第一，固化反应使树脂本身的占有体积减少，不饱和双键打开，生成饱和单键，交联点附近由分子间的距离转变成为碳碳单键的键长，分子占有本身的体积减少；第二，在固化过程中，液态树脂由符合无规线团模型的杂乱无章的状态转变为有序程度较高的固体状体，有了交联点的约束，大分子的构象减少，使分子排列更加紧密，“自由体积”减少；第三，温度变化会使树脂产生热收缩，固化过程中体系温度升高，待固化完成后体系温度降低，分子链运动逐渐减弱，自由体积逐渐减小[9]。

通过合成不同环氧树脂/不饱和聚酯树脂用量的树脂体系，然后加入适量固化剂、促进剂配制船用电机绝缘漆，按国际标准ISO3521-2000的方法测试其体积收缩率[10]，其结果见表1。

表1 新型船用电机绝缘漆体积收缩率

从表中可以看出，作为树脂基体的环氧/不饱和聚酯树脂体系中环氧树脂占比越高，环氧/不饱和聚酯树脂的体积收缩率越来越小，从不饱和聚酯树脂本体的7.73%收缩率到环氧/不饱和聚酯树脂（质量比）为1:2时的3.46%。这是因为通过使用环氧树脂对不饱和聚酯的改性，不饱和聚酯的部分端基与环氧树脂的环氧基团发生反应，产生了部分的交联点，使改性后的树脂的分子链运动受到限制，自由体积大大减少，减小了树脂后续固化的收缩率；另外，环氧树脂本身固化收缩率相对于不饱和树脂就小很多，环氧树脂本身的加入也可以降低树脂总体的收缩率。

因此，环氧树脂的引入会减小绝缘漆的固化收缩率，环氧比例越高，环氧/不饱和聚酯树脂绝缘漆固化收缩率越小。

2.3 添加剂配比对绝缘漆固化性能的影响

为了研究添加剂对新型船用电机绝缘漆性能的影响，采用改性树脂体系中环氧：不饱和聚酯（质量比）=1:3的样品作为研究对象，配制过氧化二异丙苯：甲基六氢苯酐（质量比）不同比例的新型船用电机绝缘漆并进行各项性能测试，其结果见表2：

表2 不同添加剂用量新型船用电机绝缘漆性能

从表2中可以看出，添加剂中随着甲基六氢苯酐的用量增加各项性能逐渐升高，超过一定量后逐渐减小。这是因为实验中不饱和聚酯与稀释剂苯乙烯的固化为自由基聚合，过氧化二异丙苯是按照计算后足量添加的，可以保证不饱和聚酯树脂及活性稀释剂苯乙烯的完全固化。而环氧树脂的固化为开环聚合，通过原材料中环氧树脂的量对环氧固化剂的用量进行计算，如果环氧树脂刚好能1:1固化时，那么过氧化二异丙苯：甲基六氢苯酐（质量比）=1:1.31，而在环氧与不饱和聚酯树脂的前期预反应中，部分环氧基团与不饱和聚酯树脂的端基发生反应，消耗掉一部分环氧基团，所以固化反应中实际需要的甲基六氢苯酐少于计算的1:1.31。通过表2中的实验数据，说明在甲基六氢苯酐用量较少时，环氧树脂固化不完全，绝缘漆的介质损耗因数以及击穿电压较低；随着甲基六氢苯酐的增加，环氧固化率越来越高，性能也逐渐提高；当作为环氧固化剂的甲基六氢苯酐过量时，其粘接力与击穿电压略有下降，但是介质损耗因数增大很明显，这是因为多余的甲基六氢苯酐作为小分子游离在绝缘漆中，严重影响了绝缘漆整体的介质损耗。

2.4 新型船用电机绝缘漆的常规性能

表3为环氧改性后的新型船用电机绝缘漆主要性能指标，该绝缘漆的各项测试性能均达到了指标要求，而且固化收缩率更小、耐热性更高、粘接强度也更高。

3 结论

本研究制备的新型船用电机绝缘漆改善了传统不饱和聚酯树脂类绝缘漆固化收缩率过高的问题，该绝缘漆贮存稳定性好、电气性能优良，达到了船用电机对绝缘浸渍漆的使用要求，可广泛用船用电机的绝缘结构。

表3 环氧/不饱和聚酯树脂绝缘漆主要性能指标与实测值

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Research on Insulating Varnish for New Type of Marine Motor

Huang Yuncan1, Cheng Hao2

(1.Naval Representatives Office in 712 Research Institute, Wuhan 430064, China; 2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Ezhou 436070, Hubei, China)

TM215.4

A

1003-4862（2018）12-0036-04

2018-07-13

黄允灿(1989-)，男，工程师。研究方向：动力电池。E-mail: 503287842@qq.com