环氧树脂在电力领域中的应用

2020-01-08毕治功

弹性体 2020年5期

毕治功

(神华(福州)罗源湾港电有限公司，福建福州 350000)

环氧树脂是一种性能优异的热固性树脂，其固化物具有良好的黏接性、耐热性、耐化学药品性、机械性能、电气性能，广泛应用于涂料、黏接剂、复合材料、浇注料等领域。环氧树脂的缺点是耐候性和韧性差，但可以通过合适的改性方法在一定程度上加以克服和改进[1-4]。在电力领域中，环氧树脂因其良好的综合性能和可设计性广泛应用于绝缘材料、导电材料、电子元器件等领域。

我国环氧树脂约38%消费在涂料行业，约28%消费在电子/机电领域，约24%消费在复合材料领域，约10%消费在胶黏剂及其他领域。环氧树脂在每个领域的发展速度总体呈正增长趋势，我国环氧树脂下游消费领域分布情况如图1所示[5-8]。

1 环氧树脂导电胶黏剂

在电子电器领域，制备产品时零配件之间连接导通工艺中的铅锡焊料所引起的环境污染越来越引起人们的重视。随着人们环保意识的增强，人们迫切需要寻找一种新的连接材料取代铅锡焊料，导电胶黏剂的出现使人们看到了新的希望。导电胶黏剂是一种具有导电性的胶黏剂，其固化物可以将多种导电材料连接起来，使新连接的部分形成电通路。

导电胶黏剂有许多优点，电阻率较低、耐腐蚀、密度低、价格低、加工性能优良、有一定的弹性。环氧树脂导电胶黏剂还具有很好的黏接强度，可以根据选用固化剂的不同配制成单组分或多组分、无溶剂型或有溶剂型、室温或加温固化型，环氧树脂导电胶黏剂的优异性能使其成为导电胶黏剂中应用最广的品种。

环氧树脂导电胶黏剂是由环氧树脂、固化剂、导电填料、增韧剂、固化促进剂及其他助剂配制而成，其中导电填料对导电胶黏剂的导电性起着决定作用，常用的导电填料有石墨、碳纳米管、银、铜、金、铝、镍、铁、白金、金属化玻璃纤维、防静电剂[9-10]，目前国内高性能的导电胶主要是以银粉为填料的导电胶，但此类导电胶黏剂成本较高。

1.1 环氧树脂导电胶黏剂发展现状

我国导电胶黏剂的研究始于20世纪70年代末，第一代导电胶黏剂是由上海合成树脂研究所研制，其中DAD-4型、DAD-5型、DAD-6型为环氧树脂导电胶黏剂[11]，此后又有多家单位开展了此项工作研究，品种越来越多，应用也越来越广泛。

林韦华[12]通过化学和物理方法对市售鳞片石墨进行表面改性，然后以E-51环氧树脂作为基体材料，以三乙醇胺作为固化剂，添加稀释剂环氧丙烷丁基醚等助剂，制备得到新型改性石墨/环氧树脂导电胶黏剂系列产品，产品的电阻率为0.001 553～0.343 9 Ω·cm，能够满足不同领域中低端电子产品的封装应用要求。

马振彦[13]研发出一种可常温贮存的LED封装用导电银胶，通过实用的黏度测试实验方法确定树脂基体各组分的配比，得到导电银胶基体树脂的最佳质量配比，DER354环氧树脂/K-77活性稀释剂/DICY固化剂/2E4MZCN促进剂/KH550偶联剂为80∶20∶8∶2∶0.5，导电填料银粉与基体树脂的最优质量配比为5∶25。张威[14]采用溶胶-凝胶法，以氨水为催化剂，通过控制体系的反应温度制备出粒径大小控制在400～1 500 nm的单分散SiO2粒子，然后以SiO2粒子为模板，通过调节银的前驱体浓度，合成了银壳层厚度可控的单分散导电填料Ag/SiO2，其与环氧树脂胶黏剂复合加工得到导电胶，研究了银壳层厚度和SiO2粒子粒径对导电胶体积电阻率的影响。结果表明，粒子粒径不变时，导电胶的体积电阻率随银层厚度的增加而降低，当银层厚度增加到一定数值之后，导电胶的体积电阻率降低幅度变小，趋近于某个极小值。

杜亮亮[15]以双酚A型环氧树脂作为基体、银包铜粉作为导电填料、气相SiO2作为增强填料、四乙烯五胺作为固化剂、硅烷偶联剂KH-550作为分散剂，制备了各向同性银包铜粉环氧导电胶黏剂，对导电胶黏剂固化机理进行了系统分析。韩莲[16]以铜粉为基础进行原位还原制备银包铜粉，将其作为填料，制备环氧树脂与聚氨酯银包铜粉导电胶，探讨了其综合性能。当环氧树脂与聚氨酯质量比为5∶1时可以室温完全固化，固化后涂层上气泡较少也较小，其综合力学性能最好，附着力为一级，涂层的剥离强度为15.5 MPa；电阻率为0.000 05 Ω·cm。

曾繁涤等[17]采用碳纳米管(CNTs)和环氧树脂复合制备了导电胶黏剂。研究了室温和高温固化两种CNTs/环氧树脂导电胶黏剂的导电性能和黏接性能。结果表明，CNTs的加入可以提高胶黏剂的导电性和黏接强度,室温固化体系由于分散较好,提高幅度大于高温固化体系。

1.2 影响胶黏剂导电性的主要因素

(1)使用前充分混合：由于导电填料的密度远大于环氧树脂，在储存过程中填料会下沉，如果使用前不充分搅拌会影响导电性能。

(2)固化温度：一般来说室温固化最好，既方便又经济，但加温固化的导电性和黏结性能都比室温固化好，而且在一定温度范围内，固化温度越高固化越完全，导电性就越好。

(3)固化压力：加压固化有利于导电颗粒的接触，提高导电性能，尤其在填料用量较小的时候。

(4)溶剂的影响：为了胶黏剂的应用方便，使用前常用溶剂稀释，这样对胶黏剂的导电性会产生不良影响，因此使用时越少添加越好。

2 环氧树脂电气绝缘涂料

绝缘涂料是电机电器制备过程中不可缺少的材料，其质量优劣决定电气设备的运行寿命，电气绝缘涂料是绝缘材料中的重要组成部分。绝缘材料按照溶剂类型可以分为低溶剂绝缘涂料、溶剂绝缘涂料和水性绝缘涂料，虽然溶剂绝缘漆性能优异，但因其不符合环保要求，正被逐渐淘汰。电气绝缘漆需要有良好的性能，包括力学性能、耐化学药品性能、绝缘性能等。

2.1 低溶剂绝缘涂料

王亚飞等[18]采用双官能团环氧小分子单体对不饱和树脂进行封端改性，将环氧键引入不饱和树脂中，以邻苯二甲酸二烯丙酯/甲基丙烯酸缩水甘油酯作为活性稀释剂、甲基六氢苯酐作为环氧固化剂制备了无气味低挥发环保绝缘涂料。并与通用不饱和聚酯制备的绝缘涂料、苯乙烯体系绝缘涂料进行对比研究。结果表明，气味低挥发环保绝缘涂料保留了传统苯乙烯体系绝缘涂料的优良性能，具有良好的贮存稳定性与尺寸稳定性，显著降低了固化挥发分和高温介质损耗因数。

刘彦坤等[19]采用聚酯改性环氧树脂和无挥发活性稀释剂制备了单组分环氧低挥发高压绝缘涂料，对其理化性能、毒性和电性能进行测试，并将其制作的模拟线棒进行电性能分析。结果表明，该单组分环氧无挥发高压绝缘漆性能优良，气味小，挥发分质量分数小于3%，基本无毒性；单边厚度为1.8 mm的10 kV模拟线棒的介质损耗因数、介损增量均满足使用要求，耐电压达到70 kV。

罗小锋等[20]采用环氧大豆油(ESO)对环氧无溶剂绝缘漆进行共混改性，研究了ESO用量对环氧树脂的稀释性及相容性，确定了ESO的最佳用量和改性环氧无溶剂绝缘漆的固化工艺。胥宝贤等[21]通过在环氧树脂中引入双键合成不饱和环氧树脂，加入稀释剂苯乙烯制备无溶剂型绝缘漆。黄新东[22]采用聚酯对环氧树脂进行改性,制备了一种无溶剂浸渍漆。

2.2 水性绝缘涂料

唐勇军等[23]研究了多元酸酐的种类及用量、环氧树脂的相对分子质量、反应温度和时间、固化剂用量以及固化条件对水性环氧树脂及其绝缘浸渍漆性能的影响。结果表明，同时采用偏苯三甲酸酐和桐油酸酐为改性剂时，可制备得到乳化性能、贮存稳定性和柔韧性均较好的水性环氧树脂及其乳液。优化后的水性环氧绝缘浸渍涂料综合性能优异，满足中小型低压电机部件对电气绝缘性能的指标要求。

刘树华等[24]采用自制的丙烯酸改性水性环氧乳液配制了水性环氧绝缘涂料，利用红外光谱、激光粒度分析仪和透射电镜对丙烯酸改性水性环氧乳液进行表征，并对水性绝缘涂料固化后的漆膜硬度、附着力和热性能等进行测试。结果表明，水性环氧乳液的粒径小、分布均匀。绝缘涂料的耐热性好、综合性能优良，可以满足实际应用要求,有较好的应用前景。

3 电气装备用环氧树脂浇注料

随着发电站向着大电流、高电压方向发展，对输变电设备的绝缘要求会越来越高，从而使环氧树脂的干式、整体绝缘结构和全封闭工艺在电力互感器、变压器、绝缘珠等产品上得到普遍推广。

环氧树脂真空浇注最典型的应用是制备AF6断路器的拉杆和绝缘筒，除要具有腐蚀性外，还要承受冲击负荷，在十几吨拉力下浇注件不分层、不开裂。王宇等[25]研究了脂环族环氧树脂S-186、氧化铝及其与硅微粉或云母粉的组合以及偶联剂KH-570的用量对环氧树脂CY5622/酸酐固化剂HY5522浇注材料性能的影响。结果表明，氧化铝,云母、S-186树脂及KH-570的质量分数分别为290%、15%、10%、5%时，体系的综合性能优异，电导率和电阻率分别为6.6×1014S/m和4.8×1015Ω·cm。

环氧树脂干式浇注变压器由于具有难燃、不爆、不污染环境、体积小、质量轻、运行噪音小等优点而得到广泛应用。绝缘型干式变压器的绝缘结构采用玻璃纤维方格布或玻璃纤维毛毡作填料，经高真空除湿脱气，在模具中用环氧树脂真空浇注成型。唐金权[26]对环氧树脂浇注干式变压器时间常数及负载特性进行了研究；刘建华等[27]对环氧树脂浇注干式变压器局部放电原因进行了分析，并根据干式变压器的结构和绝缘特点，从设计、工艺、制造等方面对改善干式变压器局部放电的措施进行了探讨和总结；伦汉彬[28]研究了硅微粉的选择方式对干式变压器环氧浇注料性能的影响；谭其[29]研究了风机与外壳对环氧树脂浇注干式变压器温升的影响；薛娟等[30]研究了环氧树脂浇注干式变压器噪声的产生及降低方法。