新能源汽车用高导热环保型绝缘树脂的制备与性能

2022-10-20王亚飞

船电技术 2022年10期

关键词：亚胺聚酯原位

王亚飞，刘静，方辉，李洋

应用研究

新能源汽车用高导热环保型绝缘树脂的制备与性能

王亚飞1,2，刘静1，方辉1，李洋1,2

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

采用原位聚合的方式，在合成不饱和聚酯亚胺树脂的过程中，混入高导热纳米材料，并配制成高导热环保型绝缘树脂。通过与直接物理搅拌混入高导热纳米材料的绝缘树脂对比发现，采用原位聚合制得的绝缘树脂固化挥发份极低，储存稳定，挂漆量高，粘结强度高，电气性能优异，导热系数达到0.45W/（m·K），具有优异的耐ATF（Automatic Transmission Fluid）油的性能，可应用于新能源汽车驱动电机领域。

原位聚合高导热耐ATF油

0 引言

随着国家对新能源汽车产业的大力支持发展，新能源汽车电机用绝缘树脂液迎来了机遇。绝缘系统的稳定可靠是电机安全运行和使用的重要保障。由于新能源汽车驱动电机在运行过程中通常会频繁启动、变速、变矩，导致其工作温度高、机械振动强，这对新能源汽车电机用绝缘树脂的性能提出了更高的要求，要求浸渍树脂具有更高的机械强度、耐热性能和导热性能[1-2]，另一方面，新能源汽车驱动电机通常采用ATF油进行冷却，这就要求绝缘树脂具有优良的耐ATF油性能，绝缘树脂的稳定可靠成为电机安全可靠运行的重要保障。因而在保证绝缘性能的前提下同时具备高导热、高耐热、耐ATF油性能成为研究的重点。在不饱和树脂中引入酰亚胺基团制备不饱和聚酯亚胺树脂，能够有效提高其耐热性[3-6]，由于具有更高的耐热等级，不饱和聚酯亚胺类绝缘树脂在欧洲风力发电机领域已经得到了广泛的应用[7-10]。

采用原位聚合的方式，在合成不饱和聚酯亚胺的过程中混入高导热纳米材料，配制成环保型低挥发绝缘树脂，进行综合性能测试，并与采用直接物理搅拌混入高导热纳米材料配制的绝缘树脂进行对比，研究不同混入方式制备的绝缘树脂性能。

1 实验

1.1 原材料

邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、三丙二醇、亚胺醇，工业级；甲基丙烯酸苄基酯，工业级；过氧化二异丙苯，工业级；对苯二酚，工业级；纳米三氧化二铝，工业级；微米三氧化二铝，工业级。

1.2 制备工艺

高导热环保型绝缘树脂的合成：在装有温度传感器、搅拌器、冷凝管的四口烧瓶中，一次性加入计量的邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸酐、三丙二醇、亚胺醇与纳米三氧化二铝，经过2h回流后加入微米三氧化二铝，继续升温至160 ～ 200℃的常压蒸馏4h，再经3h减压蒸馏，酸值低于30mgKOH/g时停止反应，降温至80℃以下，加入一定量的对苯二酚和甲基丙烯酸苄基酯、过氧化二异丙苯，得到高导热环保型绝缘树脂。

1.3 性能测试

采用耐驰公司STA 449 F3 Jupiter热分析仪对绝缘树脂的固化物进行TGA测试，测定绝缘树脂固化物的热稳定性，升温速率为5℃/min。

按GB/T 15022.2-2017《电气绝缘用树脂基活性复合物试验方法》测试绝缘树脂的粘度、固化挥发分、凝胶时间、电气强度。按JB/T 1544-2015规定测试粘结强度。按GB/T 11028-1999中扭绞线圈法测试挂漆量和粘结强度，线圈一次浸漆后计算挂漆量，二次反浸后利用万能材料拉力机进行3点弯曲试验，固化工艺均为160℃3h。按GB/T 29313-2012测试绝缘树脂的导热系数。

2 结果与讨论

2.1 原位聚合对绝缘树脂性能的影响

为了确定混入三氧化二铝的方式对绝缘树脂的影响，通过固定不饱和聚酯亚胺的合成过程中组分与工艺不变，分别采用原位聚合的方式和物理搅拌混入三氧化二铝制备绝缘树脂Ⅰ和绝缘树脂Ⅱ，分别测试粘度、贮存稳定性、粘结强度和导热系数。

2.1.1粘度与贮存稳定性

纳米三氧化二铝的添加会显著提高绝缘树脂的粘度，其分散性越好，对绝缘树脂的增粘效果越明显。从表1可以看出，通过原位聚合制得的绝缘树脂Ⅰ的粘度要高于采用物理搅拌制得的绝缘树脂Ⅱ，表明三氧化二铝在绝缘树脂Ⅰ的分散性更好。

将绝缘树脂Ⅰ和Ⅱ进行50℃下闭口贮存稳定性试验，其粘度增长倍数数据如表2所示。结果显示，在50℃密闭贮存条件下，两种方式制得的绝缘树脂的粘度增长速度都非常缓慢，贮存20天后，3种自制浸渍漆的粘度增长倍数仍较小，表明两种树脂均具有优异的贮存稳定性，但是绝缘树脂Ⅱ在20的贮存稳定性，但是通过原位聚合制得的绝缘树脂Ⅰ中三氧化二铝的分散性更好，不易沉降。

表1 粘度

表2 粘度增长倍数

2.1.2挂漆量和粘结强度

新能源汽车电机在运行过程中通常需要频繁启动、变速、变矩，机械振动强，这就要求绝缘树脂在浸渍过程中具有较高的挂漆量和粘结强度。较高的挂漆量能够保障绝缘树脂有效填充在线圈绕组中，在减少绝缘缺陷的同时，使得线圈绕组成为牢固的整体，提高可靠性，防止电机在运行过程中由于频繁振动导致线圈绕组松动散开进而烧蚀失效。较高的挂漆量通常会带来更高的粘结强度，从而进一步提升电机的可靠性和稳定性。

从表3可以看出，绝缘树脂Ⅰ和绝缘树脂Ⅱ均具有较高的挂漆量，一方面由于绝缘树脂Ⅰ和绝缘树脂Ⅱ的粘度较大，在固化过程中附着力强，流失率较少。另一方面，由于纳米材料的加入使绝缘树脂具有触变性，能够进一步提高绝缘树脂在扭绞线圈上的附着力，从而提升挂漆量。绝缘树脂Ⅰ中三氧化二铝的分散性更好，使得其挂漆量优于绝缘树脂Ⅱ，其粘结强度也高于绝缘树脂Ⅱ。

2.1.3热性能

图1是为固化后的绝缘树脂Ⅰ与绝缘树脂Ⅱ的TGA曲线。从图1可以看出，两种绝缘树脂的TGA曲线相似，其起始分解温度较为接近，纳米三氧化二铝的添加方式对绝缘树脂的热性能影响较小。由于具有酰亚胺基团，两种绝缘树脂的起始分解温度均较高，达到350℃以上，具有优异的耐热性能，能够满足新能源汽车电机对耐热性的要求。

表3 挂漆量和粘结强度

图1 热失重曲线对比

表4 热失重数据

2.1.4 导热系数

随着新能源汽车驱动电机逐渐向高功率密度化和小型轻量化发展，电机运行过程中单位体积内产生的热量急剧升高，过高的温升可能会导致绝缘过早老化失效，造成电机烧蚀。一般来说，每超过额定温度2℃，电子器件的可靠性降低10%；绝缘材料的温度每提升6℃，绝缘老化速度提升一倍。提高绝缘材料的导热系数，能够显著提升电机的散热能力，降低温升，从而提升绝缘系统的寿命。由表5可以看出，绝缘树脂Ⅰ的导热系数显著高于绝缘树脂Ⅱ，说明纳米三氧化二铝在绝缘树脂Ⅰ中分散性更优，能够有效形成导热“通道”，有助于降低新能源驱动电机的温升，从而提升电机的可靠性和寿命。

2.1.5 其他常规性能

由表6可以看出，采用不同方式加入纳米三氧化二铝制得的绝缘树脂Ⅰ和绝缘树脂Ⅱ均具有良好的工艺性和电气性能，固化挥发份极低，环保优势明显，能够满足新能源汽车驱动电机的使用要求。