单组分无溶剂环氧绝缘树脂的制备及性能研究

2022-10-20唐勇军杨丽君王晓梅

船电技术 2022年10期

关键词：潜伏性单组分无溶剂

唐勇军，罗剑，江金，杨丽君，王晓梅

应用研究

单组分无溶剂环氧绝缘树脂的制备及性能研究

唐勇军1，罗剑2，江金1，杨丽君2，王晓梅1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 湖北长海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070）

本文首先探讨了一种新型潜伏性固化剂的用量、固化条件对环氧树脂固化性能、贮存稳定性的影响。测试结果表明：当该潜伏性固化剂用量为环氧树脂的5 wt%，固化条件为170℃/2 h时，环氧树脂的反应活性较高，固化程度高；该固化剂在环氧树脂中的潜伏性非常好，贮存稳定性优异。由其配制得到的单组分无溶剂环氧绝缘树脂综合性能优异，可满足中小型低压电机的绝缘处理应用。

潜伏性固化剂单组分无溶剂环氧绝缘树脂固化性能贮存稳定性

0 引言

绝缘树脂是电气产品绕组绝缘三大主要绝缘材料之一，通过浸渍工序绝缘树脂渗透、填充到线圈、线槽或其它绝缘物的空隙和气孔中，然后经过固化将线圈导线粘结为绝缘整体，并在其表面形成连续的绝缘层，可提高绝缘结构的介电性能、力学性能、导热性能和防护性能[1-3]。因此，绝缘树脂的质量好坏直接决定了电工设备的使用寿命。

依据材料种类分类，常用的绝缘树脂主要有环氧绝缘树脂、不饱和聚酯绝缘树脂、不饱和聚酯亚胺绝缘树脂、环氧改性不饱和聚酯绝缘树脂，其中环氧树脂绝缘树脂由于成分组成简单、制备方便、粘结力强、固化收缩率低、坚韧等优点而被广泛使用。但是常用的环氧/酸酐体系存在贮存稳定性差（如小分子酸酐易吸潮结晶析出、环氧酸酐混合后粘度增长较快）的缺点，不适合用作单组分的无溶剂绝缘树脂。

针对常用无溶剂环氧绝缘树脂存在的上述问题，本文研究了一种新型潜伏性固化剂在单组分无溶剂环氧绝缘树脂中的应用，首先研究了新型潜伏性固化剂的用量对环氧树脂的固化性能和贮存稳定性影响，进而从中选取固化剂与环氧树脂的合适配比，并依此配制成单组分无溶剂环氧绝缘树脂，最后测试分析了其电气绝缘性能。

1 实验

1.1 原材料

原材料：环氧树脂CYD-128，工业级，中石化集团巴陵石化分公司；环氧稀释剂，工业级，外购；新型潜伏性固化剂，工业级，外购。

1.2 制备工艺

配漆工艺：将环氧树脂、稀释剂和潜伏性固化剂按一定比例搅拌混合均匀，得到单组分无溶剂环氧绝缘树脂。

1.3 性能测试

差示扫描量热（DSC）测试条件为25℃-270℃、10℃/min、N2气氛；热失重分析（TGA）测试条件为30℃-800℃、5℃/min、空气气氛。外观按照GB/T 1981.2-2009中5.1.1的规定测定；粘度通过旋转粘度计法按照GB/T 24148.4-2009的规定在23± 1℃下进行测定；凝胶时间按照GB/T 15022.2-2017中4.9的规定测定在140± 2℃下进行测定；固化挥发分按照GB/T 15022.2-2017中4.13的规定在170± 2℃下固化2h后进行测定；挥发性有机物（VOC）含量按照GB/T 34682-2017的规定在105± 2℃下烘1h后进行测定；厚层固化性按照GB/T 15022.2-2017中4.15的的规定在170± 2℃下固化2h后进行测定；体积固化收缩率按照GB/T 24148.9-2014的规定进行测定；吸水性按照GB/T 1034-2008的规定在室温下进行测定；粘结强度采用扭绞线圈法，按照GB/T 11028-1999中3.1的规定测试，待测样品由扭绞线圈在绝缘树脂中正反两次浸漆、接着烘烤固化得到；电气强度按照GB/T 1408.1-2016的规定测定，直径100 mm、厚度为1.0 mm±0.1 mm的漆饼（浇注片）试样由漆液在170℃加热固化2 h制得；体积电阻率采用漆饼法按照GB/T 1410-2006的规定测定，漆饼试样制备工艺同上；贮存稳定性按照GB/T 15022.2-2017中4.4的规定测定在50± 2℃水浴中加热96h后进行测定。

2 结果与讨论

2.1 潜伏性固化剂含量和固化条件对绝缘树脂固化性能的影响

固化剂含量和固化条件对单组分无溶剂环氧绝缘树脂的固化性能影响很大，而固化性能又直接关系到绝缘树脂的电气绝缘性能、机械性能等，对优化绝缘树脂的配方和固化工艺非常有帮助。下面分别从绝缘树脂在固化过程中的表干性能和固化度两方面着手，研究潜伏性固化剂含量和固化条件的影响。

2.1.1 绝缘树脂的表干性能研究

单组分无溶剂环氧绝缘树脂由双酚A型环氧树脂树脂、低粘度环氧稀释剂和潜伏性固化剂组成，组成简单，制备方便。为了研究潜伏性固化剂含量的影响，特意设计了4个不同绝缘树脂配方，具体的配方组成如下表1所示。

表1 单组分无溶剂环氧绝缘树脂的配方表

表2 不同配方绝缘树脂固化时的表干性能

表干性能是绝缘树脂的一项重要性能指标之一，电机部件浸漆并固化后一般要求其表面固化较彻底或不粘手（即表干性好）。表2为不同配方的绝缘树脂在不同固化条件下的表干性能测试结果。可以发现，绝缘树脂厚层固化时的表干性能要好于薄层固化时的表干性，这是因为环氧树脂在固化过程中的开环反应为放热反应，固化层的厚度越厚放热量越多，且厚度大时比表面积小，散热也会减少，总体上会使厚层固化时的放热更明显、温度上升更快，从而导致其固化反应更快，表干性更好。另外也可发现，随着固化温度的升高和固化时间的延长，全部配方的绝缘树脂的表干性都会逐步改善变好，170 ℃/2 h是绝缘树脂较为合适的固化条件。从表中还可发现，随着潜伏性固化剂用量的增加，绝缘树脂的表干性逐渐变好，这是因为潜伏性固化剂用量增加时，绝缘树脂的固化反应速率和反应程度都会增加。综合绝缘树脂的固化性能和成本考虑，潜伏性固化剂的用量为5 wt%（相对于环氧树脂+稀释剂而言）是较适宜的添加量。

2.1.2 绝缘树脂的可反应性和固化度研究

图1 不同配方绝缘树脂在固化前后的固化放热曲线，（a）配方1，（b）配方2，（c）配方3，（d）配方4

表3 不同配方绝缘树脂在固化前后的固化放热量以及固化度计算结果

环氧树脂的开环固化反应为放热反应，可以通过测量固化前（即未固化）绝缘树脂的固化放热量来表征绝缘树脂的可反应性；也可通过测量计算并对比固化前、固化后样品的放热量来表征树脂固化后的固化程度（简称“固化度”）。通过比较不同配方绝缘树脂的可反应性和固化度的差异，可以甄别绝缘树脂不同配方和固化条件的优劣，进而为绝缘树脂筛选出合适的配方和固化条件。差示扫描量热（DSC）仪器可以较为精确定量地测量树脂固化过程中的放热量，因而常用来检测树脂的固化度。不同配方的绝缘树脂的DSC测试结果具体见图1和表3，其中固化样品的固化条件均为170 ℃/2 h。

由图表可知，随着配方中潜伏性固化剂用量的增加，未固化绝缘树脂的固化放热量逐渐变多，表明其配方中可参与反应基团越来越多，也即可反应性越来越高；而170 ℃/2 h固化后的绝缘树脂的固化放热量越来越少，这意味着固化后的绝缘树脂中可以继续反应（即未反应）的基团越来越少，间接表明固化后的绝缘树脂的固化程度越来越高，这与固化度定量计算的结果是一致的。配方4绝缘树脂固化后的固化度高达99%，固化较完全彻底，表明170 ℃下固化2 h是较合适的固化条件。无论是从未固化绝缘树脂的可反应性，还是从固化后绝缘树脂的固化度方面来看，都证明了潜伏性固化剂的用量为5 wt%（相对于环氧树脂+稀释剂而言）时较为合适。

2.2 潜伏性固化剂对绝缘树脂的贮存稳定性影响

表4 绝缘树脂的贮存稳定性

由单组分绝缘树脂的贮存稳定性是一项尤为关键的性能指标，其关系到绝缘树脂的产品稳定性、使用期限和经济性。贮存稳定性差的绝缘树脂使用期较短，如果不能在较短的时间内使用完毕或及时补充新的绝缘树脂，则容易导致产品失效报废（如粘度增长到无法使用，甚至凝胶完全失去流动性），造成物料浪费和设备难以清洗。简而言之，贮存稳定性差的绝缘树脂就不能以单组分的形式包装，而是改用双组份或多组分包装。对于单组分环氧绝缘树脂而言，固化剂的潜伏性好坏是影响其贮存稳定的关键因素。为了缩短贮存稳定性的考察时间，一般通过闭口法水浴加热的方式来加速测试其贮存稳定性。表4为4个不同配方的环氧绝缘树脂的贮存稳定性测试结果。由表可见，由潜伏性固化剂配制的单组分环氧绝缘树脂在50℃水浴中加热96h后，粘度变化很小，因而说明单组分环氧绝缘树脂的贮存稳定性非常好，进而表明该潜伏性固化剂的潜伏性非常好，非常适用于单组分环氧绝缘树脂。

2.3 潜伏性固化剂含量对绝缘树脂的耐热性能影响

表5 固化后绝缘树脂的玻璃化转变温度

绝缘树脂的耐热性能是一项重要的性能指标，其关乎绝缘树脂的使用范围或使用寿命以及高温下的力学强度或刚度[2]。玻璃化转变温度（Tg）是材料的热软化温度，表5为通过DSC法测得的固化后绝缘树脂（固化条件：170℃/2h）的玻璃化转变温度。由表可知，随着配方中潜伏性固化剂含量的增加，固化后绝缘树脂的Tg越来越高；当潜伏性固化剂含量达到4wt% ～ 5wt%时，绝缘树脂基本不再增加，这因为绝缘树脂的固化度已经高达97% ～ 99%，固化已较为完全彻底。配方3和配方4绝缘树脂的Tg达到115℃，是一个较为适中的数值，不高不低，即可赋予绝缘树脂在常温下适当的坚韧性，又可以保障高温的力学强度和电气绝缘性能。

图2为配方4绝缘树脂固化后（固化条件：170 ℃/2 h）的热失重分解（TGA）曲线。由图2可知，固化后绝缘树脂失重5%、15%、20%和50%时的温度分别为380.4 ℃、413.5 ℃、420.6 ℃和444.6 ℃。利用热失重曲线与热重割线法[4-6]，可以估算出绝缘树脂固化后的温度指数为162.5 ℃，耐热等级为F级，即该绝缘树脂固化后的长期耐热老化温度不应超过160 ℃，否则会引起绝缘树脂的加速热老化，导致绝缘失效。

图2 配方4绝缘树脂固化后的TGA曲线

2.4 绝缘漆的综合性能

表6 单组分无溶剂环氧绝缘树脂的综合性能

基于上述配方4和优化后的固化条件，对单组分无溶剂环氧绝缘树脂的综合性能进行了检测，测试结果如表6所示。由表6可见，此单组分无溶剂环氧绝缘树脂的固化挥发性低、贮存稳定好、固化体积收缩率低、电气绝缘性能优异，基本满足中小型低压电机部件对电气绝缘性能的要求，可用于中小型低压电机的绝缘处理（如滴浸、沉浸应用）。