乙二胺与聚醚胺D230固化剂对变压器用环氧灌封胶的影响

2022-01-11赵圣尉陶玉春寇红军

声学与电子工程 2021年4期

赵圣尉陶玉春寇红军

（第七一五研究所，杭州，310023 ）

环氧树脂以耐热、耐腐蚀、电绝缘以及其机械性能，被广泛用于电子产品的灌注上，同时起到了减震、防尘等作用。灌封不仅可以提高产品的使用性能，还能稳定电子元件参数[1]。不同的配方带来的环氧树脂效果各有偏差，干式变压器主要用碱性类固化剂、酸酐类固化剂的配方，主要效果为耐高温，但不耐水解。本文探讨碱性固化剂中，多胺类和聚醚胺类不同配比的两种固化剂对变压器灌封胶的影响。

1 原理与实验

1.1 原理

乙二胺是多胺类固化剂，是该类固化剂中分子量最小的，NH2CH2CH2NH2，易吸水，在空气中易挥发，粘度1.54 mm2/s。由于分子链短，两端的氨基极性很强，与环氧反应剧烈，反应后稳定性好。

D230属于聚醚胺类固化剂，是该类固化剂中分子量最小的，NH2（CHCH3CH2O）2.5CH2CHCH3NH2。因此，它虽然属于高分子，却拥有小分子的流动性，粘度9.5 mm2/s，总胺值8.1～8.7 meq/g。伯胺占比97%以上。同时，由于 D230自带饱和醚键，在环氧反应后不会被酸碱等水解，提高了稳定型。同时由于D230是聚合物，位于端基的氨基活性相对于乙二胺的活性要降低很多。而且聚醚胺上端基的二级氢活性相对于一级氢要低一个数量级。这就使得环氧反应之后，增加了韧性。聚合反应先从一级氢开始，通过化学反应式计算（图1～2），可以大概算出固化相同环氧树脂所使用的两种固化剂的份量。

图1 乙二胺与环氧E-51一级反应原理方程式

图2 聚醚胺D230与环氧E-51一级反应原理方程式

1.2 实验

原料采用环氧树脂（E-51）、乙二胺、D230聚醚胺、活性硅微粉（HGH-12）、增塑剂（DOP），由于工业上常用环氧值和氢值来计算固化剂的配料，根据一级二级化学反应方程式原理，得出一个配比范围。根据计算结果进行了配方正交实验，如表1所示，每组试验样本5个。

表1 正交试验配方表

由于硅微粉作为填料不与其他成分反应，在配料中所占的比例大体相同。因此在正交试验中，乙二胺和D230的用量不同，填料的分量也不同。乙二胺的变量增加不明显，故而填料的用量基本不变；而D230的变量范围较大，填料的用量范围相应的增大，但固化剂和填料的配比相同。

首先将100份环氧树脂加热到70 ℃预热1 h，再将硅微粉和DOP、固化剂按一定比例混合搅拌均匀，制得有一定黏度的胶体，脱泡处理后灌注到变压器中，灌注过程中赶出气泡，在常温下固化，由于两种固化剂的反应速率不同，因而固化时间不同，固化后放置24 h以上，进行测试。

2 实验结果与讨论

反应过程中，发现乙二胺反应剧烈，放热大（反应过程中温度＞100℃），这些释放的热量反过来会加剧反应的发生，从而引起爆聚现象，因此配置该配方的环氧树脂时，要控制好量，不可一次性配胶过多。在配制过程中，乙二胺容易挥发潮解，而且挥发毒性大，因此配制时，时间不宜过长，以免吸水潮解。D230反应相当温和，反应温度＜100℃，基本不会产生爆聚现象，且其分子量较大，不会挥发和水解，因此在配制过程中，D230的操作较容易，且无毒。

2.1 固化剂对变压器中环氧树脂低温开裂的影响

变压器对于低温的环境试验要求是-40 ℃下放置24 h。对于灌封环氧胶来说，由于固化反应前固化剂分子中有多个活泼氢，当端胺基上某个活泼氢反应后，另一个活泼氢活性大幅降低，成为二级氢。环氧基团优先与一级氢反应，再与二级氢反应，从而形成交联点。交联点密度越低，固化后内应力越少，如果没有交联点，则无法固化。随着固化剂用量的增加，反应放热剧烈，这样一方面会造成热应力局部集中，另一方面加速分子的热运动，使交联速度加快，交联度增加，固化物线性收缩率增大，其抗裂性能也随之下降[2]。在环氧灌注胶固化过程中，一旦发生凝胶，生成的网状结构对环氧分子链的运动造成约束，由体积收缩造成的应力得不到松弛，产生收缩应力[3]。所以，这些作用力导致灌封胶会有一定的开裂机率。表2表示开裂情况，若每组中有一个样品出现开裂或表面微小裂缝，则在相应的选项上打√，若没有，则在不开裂上打√。

表2 对比开裂表

通过对比发现，使用D230聚醚胺的环氧比乙二胺的抗开裂性能高。由于聚醚胺分子中存在醚健，聚合反应后大大增加了其韧性。而乙二胺分子的R基中只有碳氢键，因而反应后的韧性低，内应力大，在遇到不规则结构或内外温差大时容易出现开裂；另一方面，乙二胺由于分子链短，端基活性强，反应速率高，反应放热剧烈，易造成局部热应力集中，容易出现开裂现象，而聚醚胺反应温和，不会出现这类现象。

2.2 固化剂对变压器高温绝缘性能的影响

常温下环氧树脂绝缘，但变压器工作时会产生高温，随着温度的升高，环氧的绝缘值会下降。所以在测量该样品时，按变压器的检验标准，将灌封好的变压器放入烘箱加温，测量105℃下4 h每组样品的平均绝缘值。通过绝缘的对比，虽然乙二胺的绝缘值高于聚醚胺，但两种固化剂都能满足变压器的绝缘要求（105℃环境4 h，绝缘值大于2 MΩ）。聚醚胺的绝缘值略低的原因是该分子中的醚键增加了柔性基团所致。