浸润剂对无碱玻璃纤维带性能的影响

2020-12-30胡道雄段斌嘉李豪磊张艳华

绝缘材料 2020年12期

胡道雄，段斌嘉，徐冰，李豪磊，张艳华

（1.浙江博菲电气股份有限公司，浙江海宁 314400；2.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

0 引言

无碱玻璃纤维带作为一种重要的绝缘材料大量应用于电机的线圈制作和绕组端部绑定，其品质以及绑扎工艺的合理性对线圈结构的可靠性和电晕防护能力起着重要作用。邵永斌[1]对大型发电机定子绕组的常见故障进行了分析，认为手包绝缘及端部绑扎不良是主要诱因之一。杨增杰等[2]在分析澜沧江流域某电厂水轮发电机绕组端部的电晕起因时，发现线棒间斜边垫块外侧绑扎带存在褶皱、尖角、毛刺。总结电机端部的失效原因和绑扎方式的改进措施[3-5]，得出电机制造工艺对无碱玻璃纤维带的3个基本要求：①绑扎牢固，以避免线圈在受到电磁力和机械振动后出现松动；②毛刺少，以达到较好的防电晕效果；③绝缘树脂浸透性好。

玻璃纤维浸润剂作为决定玻璃纤维性能的关键因素，其功能包括使玻璃纤维集束、提高玻璃纤维的耐磨性和柔软性、改善玻璃纤维的纺织加工工艺性能和与树脂复合的界面性能[6]。目前常见的玻璃纤维浸润剂是由有机物和无机物组成的混合物，其组成成分主要包括成膜剂、润滑剂、偶联剂和抗静电剂。其中成膜剂是浸润剂的关键组分之一，决定着浸润剂的性能[7]。纺织用玻璃纤维细纱使用的浸润剂可分为3大类：石蜡型、淀粉型和增强纺织型。石蜡型浸润剂的成膜性好，但集束性差，石蜡干后易破裂造成表面毛丝，而且织物的热清洗温度高，会损失玻璃纤维的强度。淀粉型浸润剂比石蜡型浸润剂热清洗温度低，改性淀粉兼具成膜性和集束性，但这类浸润剂在玻纤中易发生迁移，造成纤维强度下降[8]。增强纺织型浸润剂在玻璃纤维制造业通常称为硅烷型浸润剂，其与绝缘树脂的结合力强，无需进行热清洗[9]，但由于成膜剂树脂的粘接力强，原丝在退解时容易造成纤维撕裂，很少用于高支数的玻璃纤维细纱。

无碱玻璃纤维带需要根据其应用工艺的特点有针对性地选择玻璃纤维原料，本研究通过实验分析使用不同类型浸润剂制造的无碱玻璃纤维及以不同类型无碱玻璃纤维为原料制得的无碱玻璃纤维带的绝缘树脂浸润性、表面状态、强度等特性，为无碱玻璃纤维带的设计和选择提供参考。

1 实验

1.1 主要原材料

石蜡型、淀粉型、硅烷型无碱玻璃纤维细纱，线密度均为80支2股，捻度为110捻/米，其中硅烷型无碱玻璃纤维使用的硅烷偶联剂类型为环氧硅烷，3种玻璃纤维均由九江联丰玻璃纤维有限公司生产。YD319G3型环氧体系绝缘树脂由浙江博菲电气股份有限公司生产，黏度为130 s（23℃，涂4号杯）。

1.2 主要设备与仪器

单层高速无梭织带机，BZD-P00084型，东莞广野精机有限公司；单丝强力机，Y9021型，常州第二纺织仪器厂有限公司；万能材料试验机，WD-50型，上海卓技仪器设备有限公司；AIGO数码显微镜，GE-5型，北京华旗资讯数码科技有限公司。

1.3 无碱玻璃纤维带的制备

将3种无碱玻璃纤维按照相同的织带参数加工成尺寸为0.1 mm×15 mm的无碱玻璃纤维带，织带参数为经线42根，纬线密度为15根/厘米，织带环境温度为20℃，湿度为55%。

1.4 性能测试

1.4.1 绝缘树脂浸透速率

（1）绝缘树脂对纤维的润湿距离

将需要对比的两根玻璃纤维（a、b）平行放置在玻璃台上，间距为20 mm；用第3根玻璃纤维（c）压在a、b上且与a、b垂直。在玻璃纤维c与a、b交叉点间的中点处滴下一滴绝缘树脂，待绝缘树脂渗透到交叉点后，观察绝缘树脂从交叉点沿a、b方向的扩散过程，在a、b纤维上分别测量从交叉点到绝缘树脂最远点的距离。由于硅烷型玻璃纤维的浸润性好，本研究中c纤维均选取硅烷型玻璃纤维。测试环境温度为20℃，湿度为55%，具体测试图如图1所示。

图1 绝缘树脂在玻璃纤维上的扩散Fig.1 Spreading of insulating varnish on glass fiber

（2）无碱玻璃纤维带的绝缘树脂浸透速率

在无碱玻璃纤维带上裁取5段长度为100 mm的样品平叠在一起，并对两端进行固定，在中间部位滴入2 mL绝缘树脂，记录绝缘树脂渗透到第5层无碱玻璃纤维带背面时所用的时间。测试环境温度为20℃，湿度为55%。

1.4.2 力学性能测试

按照GB/T 3916—2013，用单丝强力机测试单根玻璃纤维的拉断力；按照GB/T 3923.1—2013，用万能材料试验机测试无碱玻璃纤维带的拉断力；按照GB/T 1449—2005，用万能材料试验机测试复合材料的弯曲强度。

1.4.3 纤维和纤维带的毛刺状态

利用显微镜观察单根纤维和纤维带的表面毛刺状态，并拍照记录。

2 结果与讨论

2.1 无碱玻璃纤维的形貌

图2为3种玻璃纤维放大40倍后的显微形貌。从图2可以看出，石蜡型玻璃纤维束的集中度最低，通道较多，有利于绝缘树脂的浸润，纤维的形态完整、平行度好；硅烷型玻璃纤维束的集中度最高，但是平行度差；淀粉型玻璃纤维束的集中度介于两者之间，表面纤维的形态完整。从图2还可以看出，石蜡型玻璃纤维由于成膜剂的抗剪切力小，原丝在退解时阻力最小，基本上无断丝现象；硅烷型玻璃纤维的成膜剂渗透性好、粘结力强，导致原丝在退解时易因粘连而撕裂和断丝；直链淀粉或改性淀粉具备较好的集束能力，而且粘结力适中。

图2 3种玻璃纤维的微观形貌Fig.2 Morphology of three kinds of glass fibers

2.2 无碱玻璃纤维的绝缘树脂浸透时间

本研究测试结果显示绝缘树脂在硅烷型玻璃纤维上的润湿距离最大，为45 mm；石蜡型玻璃纤维次之，为40 mm；淀粉型玻璃纤维的扩散距离最小，为22 mm。这是由于硅烷型浸润剂中的硅烷偶联剂能改善玻璃纤维和绝缘树脂的界面状态，促进绝缘树脂对玻璃纤维的润湿；而石蜡型和淀粉型玻璃纤维表面的浸润剂均会对绝缘树脂与玻璃纤维的润湿形成阻碍。

2.3 无碱玻璃纤维带的绝缘树脂浸透时间

3种无碱玻璃纤维带的绝缘树脂浸透时间测试结果显示，硅烷型、淀粉型和石蜡型无碱玻璃纤维带的绝缘树脂浸透时间分别为2.1、22、28 min。由于硅烷型浸润剂中的硅烷偶联剂能改善玻璃纤维和绝缘树脂的界面状态，促进绝缘树脂对玻璃纤维带的润湿，绝缘树脂在其厚度方向的润湿效果也较好，浸透时间最短；虽然石蜡型纤维在纵向的通道较多，但这一优势特性对绝缘树脂在纤维带厚度方向的浸透没有促进作用，而相对石蜡混合烷烃的分子结构，淀粉富羟基的特点具有更强的极性，对绝缘树脂的亲和性更高，所以淀粉型纤维带的绝缘树脂浸透时间比石蜡型纤维带的短。

2.4 无碱玻璃纤维带的毛刺状态

图3(a)～(c)分别为3种玻璃纤维带放大40倍后的表面形貌。从图3可以看出，毛刺主要出现在玻璃纤维带的侧边、纬线弯折处。石蜡型和硅烷型玻璃纤维带的毛刺较多，淀粉型玻纤带的毛刺较少；石蜡型玻璃纤维带的毛刺呈现短、粗的特点，硅烷型玻璃纤维带的毛刺则更细更长。分析认为，石蜡型玻璃纤维的成膜剂比较硬，因此弯折时会出现因破裂引起玻纤表面的毛刺。淀粉型和硅烷型玻璃纤维的成膜剂韧性优于石蜡型玻璃纤维的成膜剂，硅烷型玻璃纤维带纬线弯折时易出现毛刺的原因是退解时的断丝在弯折时从纤维束中脱离。

图3 玻璃纤维带的表面形貌Fig.3 Surface morphology of glass fibers

2.5 无碱玻璃纤维带的强度

2.5.1 无碱玻璃纤维在织带过程中的强度损失

无碱玻璃纤维带的拉断力并不等于经线方向上单根纤维的拉断力之和，定义经向玻璃纤维在织带过程中的强度损失率S如式（1）所示。

式（1）中：F带为无碱玻璃纤维带的平均拉断力；F玻为单根无碱玻璃纤维的平均拉断力；n为经向玻璃纤维的数量，本研究中n=42。

表1为不同类型玻璃纤维及玻璃纤维带的强度。

表1 玻璃纤维及纤维带的强度数据Tab.1 Strength data of glass fiber and glass fiber ribbon process

从表1可以看出，硅烷型玻璃纤维的拉断力最大，达到16.00 N，石蜡型玻璃纤维次之，淀粉型玻璃纤维的最小。这是由于硅烷型玻璃纤维的成膜剂渗透性好、粘结力强，而对于淀粉型玻璃纤维，由于拉丝过程中淀粉发生了迁移，导致淀粉在玻璃纤维中分布不均匀，使得其拉断力减小。石蜡型玻璃纤维在织带过程的强度损失率最低，为7.8%，硅烷型玻璃纤维带的强度损失率最高，为15.1%，这是由于织带过程中玻璃纤维束间会相互摩擦，而石蜡的润滑性好，所以石蜡型玻璃纤维在摩擦环境下的强度损失最低。

2.5.2 无碱玻璃纤维带/绝缘树脂复合材料的强度情况

复合材料的损伤和破坏由纤维、基体和界面上的缺陷与载荷状况共同决定[10]。无碱玻璃纤维带绕包在线圈表面时一般以叠绕方式进行，相邻两圈的重叠率大多为带宽度的50%，也可能多层叠包。无碱玻璃纤维带在电机运行中主要承受振动引起的层间剪切力，考虑到电机的浸漆工艺大多包括预烘、浸漆、固化3个阶段，本研究对玻璃纤维带进行130℃/2 h预烘处理后，叠加15层并浸渍绝缘树脂，然后热压成型得到复合材料，最后测试复合材料的弯曲强度。

测得石蜡型、淀粉型、硅烷型无碱玻璃纤维带多层复合材料的平均弯曲强度分别253.72、266.55、464.54 MPa。硅烷型玻璃纤维带的多层复合材料弯曲强度显著高于石蜡型和淀粉型玻璃纤维带的复合材料，这是因为硅烷型玻璃纤维的浸润剂中含有硅烷偶联剂，可以通过与玻纤和树脂的界面反应促进树脂和玻璃纤维的界面结合。多层复合材料的弯曲破坏需经历弹性变形、纤维脱粘、纤维拔出3个阶段，在玻璃纤维和树脂体积分数相同的情况下，硅烷偶联剂的界面作用能显著提升材料的力学性能。淀粉型玻璃纤维带在复合前的拉断力只达到石蜡型玻璃纤维带的73.2%，但其与绝缘树脂复合后复合材料的弯曲强度超过了石蜡型玻璃纤维带/绝缘树脂复合材料。这是由于虽然淀粉型玻璃纤维的拉断力小，但是其纤维的形态更完整，故其与绝缘树脂复合后强度有所提高。

2.6 无碱玻璃纤维带的选材原则探讨

（1）绝缘树脂浸透速率优先原则

从绝缘树脂对无碱玻璃纤维带的浸透速率角度考虑，应该优先选择硅烷型玻璃纤维，尤其是采用刷胶浸渍工艺时，不仅可以得到更高的树脂含量，还可以显著节省工时。为了兼顾防电晕能力，可以采用硅烷型玻璃纤维作为经纱，淀粉型玻璃纤维作为纬纱。

（2）防电晕能力优先原则

从无碱玻璃纤维带的防电晕能力[11]角度考虑，由于淀粉型玻璃纤维带在织带过程中产生的毛刺最少，可以减小线圈表面因毛刺产生的电晕现象，应该作为防电晕复合材料的首选原料。

（3）强度优先原则

在石蜡型、淀粉型和硅烷型3种无碱玻璃纤维带中，硅烷型无碱玻璃纤维带的拉断力和层压浸渍绝缘树脂复合后的弯曲强度都是最高的，所以在严苛动载环境下，应该优选硅烷型玻璃纤维带以保证绕包结构的刚度。在一般工况下，由于石蜡型无碱玻璃纤维带与硅烷型无碱玻璃纤维带的拉断力相差不大，选择石蜡型无碱玻璃纤维带可以保证较大绑扎力的同时节省成本。