絕緣浸漬漆

絕緣材料耐熱等級中的温度是指電機 、 電器和變壓器絕緣結構中最熱點極限温度 。電機 、 電器和變壓器在運行中 , 各種環境因素同時起作用 , 如温度 、濕度 、電場機械震動 、氧氣等 , 而温度通常是對絕緣材料和絕緣結構老化起支配作用的因素 。因此 ,耐熱等級評定是一種實用 、被世界公認的耐熱性分級方法 。絕緣材料的耐熱等級以正常運行條件下所作用的各種因素為基礎 , 對於特殊環境條件下絕緣材料的耐熱等級應根據實驗進行確定 ^[1]  。

正常運行條件有兩方面的含義 :①周圍環境温度不是長期處於最高值 , 環境條件在一般大氣中 。②按日 、 按月的平均負載往往低於電機 、 電器和變壓器產品額定負載值 。絕緣材料在實際應用中 , 應根據產品的不同作用和使用部位正確的加以選擇 。因為一台電機 ( 或電器)不同絕緣部位的温度不同 ,只有根絕各部位的實際温升選擇相應的絕緣材料 ,組成絕緣系統 , 才能發揮材料的特性 。絕緣材料根據耐熱等級分級 ,在其極限温度時 , 於正常運行條件下 ,應能保證長期使用 。所謂長期使用就是電機 、電器所確定的使用期限約為 15 ～ 20 年 ^[1]  。

絕緣材料的耐熱等級原來分為 Y 、A 、E 、B 、F 、H( 180 ℃ ) 和 C(>180 ℃ ) 7 個等級 , 發展到現在分為Y 、A 、E 、B 、F 、H 、N ( 200 ℃ ) 、R( 220 ℃ ) 、S ( 240 ℃ )和 C(>240 ℃ ) 10 個等級等。一般把耐熱等級達到或超過 F 級( 155 ℃ ) 的新型絕緣材料都稱為耐熱新型絕緣材料 。隨着電機電器等設備朝大容量 、 小型化 、輕量化 、高可靠 、高效性及耐熱 、耐壓和智能化方向發展 , 變壓器設備向高電壓 、大容量及遠距離傳輸方面發展 , 對絕緣浸漬漆的質量及可靠性提出了越來越高的要求 ,為提高電機的可靠性 , 絕緣材料經常降級使用 , 即 B 級電機大部分採用 F 級絕緣材料 , F 級電機經常採用 H 級絕緣材料等 , 因此對絕緣浸漬漆的耐熱性要求也就越來越高 。此外國內的冶金 、礦山 , 以及防爆 、高速牽引電機等特殊電機行業的發展 , 對耐熱新型絕緣材料的需求也逐步增加 。國外發達國家的 F 、H 級及以上等級的浸漬漆已經佔浸漬漆總量的絕大部分 , 近年來國內對耐高温浸漬漆的研究也越來越多 ^[1]  。

耐高温浸漬漆按溶劑類型分有溶劑型和無溶劑型兩大類 , 基於環境要求及 VPI 浸漬工藝的發展 , 近年來無溶劑型浸漬漆的發展較迅速 。國內現已廣泛生產的高温浸漬漆有二苯醚改性浸漬漆 ; 耐熱環氧型浸漬漆 , 其型號有 H 1162 、JF -1159H 等 ; 耐熱聚酯類浸漬漆 , 其型號有 1153 、 1154 、 1156 、 0840KB 、Q0840 -AH 等 ;不飽和聚酯亞胺類浸漬漆 , 其型號有 H 9150 等 。近年來國內不少研究者仍致力於新型耐高温浸漬漆的研究 , 研究較多的有聚二苯醚改性類 、聚酯亞胺類 、環氧改性耐熱聚酯類 、有機硅類和耐熱不飽和聚酯類 ^[1]  。

聚二苯醚漆早在 60 年代開始開發 ,其樹脂結構在基本分子環上連有能形成橫鏈的官能團 , 但由於此類二苯醚衍生物採用的製造工藝 , 催化劑不均勻性及固化温度高且固化速度太慢而未得到推廣 。經過多年研究 , 華東化工學院找到了收率高 、消耗低 、 三廢易於處理的製造聚二苯醚衍生物的方法 , 成功研製了聚二苯醚衍生物耐高温絕緣浸漬漆DPO -F -2 ,該漆具有耐高温 、粘合強度高 、電性能好 、抗濕熱 、防黴等優點 , 且浸漬工藝簡單 , 能在中温固化 , 浸烘固化期短 , 能滿足多種温度等級電機浸漬工藝 ^[1]  。

國內現已廣泛生產的耐高温二苯醚改性浸漬漆有不少 , 如 1150 二苯醚無溶劑浸漬漆是由二苯醚類樹脂與耐熱不飽和聚酯樹脂改性而成 , 耐熱等級為 H 級 。該漆具有固化速度快 、貯存穩定性好 , 固化物機械強度高 、線圈粘結牢固 , 電氣強度常態 ≥22 M V/ m , 絕緣性能好等優點 , 適用於各類耐高温電機 、電器線圈的浸漬絕緣處理 。如西安西電 、鎮江麥斯等生產的 1154H 是由二苯醚合成的耐高温不飽和聚酯作為主體樹脂與各種助劑 、 稀釋劑複合而成的 , 除具備上述優點外 , 高温電氣強度 ≥18MV / m , 温度 指數大於 180 。 其它主要型號還有T 1150 -1 、ZD1158H 、1160 、1161 、JF -1158H 等 ^[1]  。

為使聚酯樹脂獲得較高的耐熱性 , 用亞胺基團改性聚酯 , 即得到不飽和聚酯亞胺樹脂 。亞胺改性的不飽和聚酯 ,由於亞胺環的存在 ,增加了分子間的作用力 ,減少了弱鍵 ,起到了降低分子自由度和增加分子的降解活化能的作用 , 使聚合物的熱穩定性大大提高。聚酯亞胺樹脂不僅保留了聚酯價格低 、工藝性良好的優點 , 同時還具備良好的耐熱性 、 耐水性 、耐冷媒性 ,熱態電氣 、力學性能得以提高 ,且成本比聚酰亞胺低得多 , 是國內外頗受歡迎的一種絕緣材料 ^[1]  。

聚酯亞胺浸漬漆一般以聚酯亞胺樹脂為主體 ,添加混合酚 、 乙二醇單乙基醚溶劑及含鈦類催化劑經化學反應合成,其粘度低 、儲存期長 、使用方便 ,並且具有優良的耐化學性 、耐潮性 、電氣性能及耐熱性能 。該絕緣漆不僅適用於 H 級鑲嵌繞組電機的絕緣處理 , 還能滿足中型高壓 H 級少膠 VPI 絕緣結構的要求 ,屬於高低壓通用的 H 級浸漬漆 。邢國華等]製備了以乙烯基甲苯為活性稀釋劑 , 加入改性不飽和樹脂及 195 樹脂 、催化劑 、對苯二酚及阻聚劑等助劑製得新型低毒 H 級聚酯亞胺無溶劑浸漬漆 ,該漆具有優良的電性能 、熱態粘結強度及耐高低温濕熱性 , 有較好的温度凝膠時間特性 ,滲透性好 , 掛漆量高 , 有較好的工藝適應性 , 與不同的絕緣結構有良好的相容性 , 能滿足 F 、 H 級少膠VPI 絕緣處理要求 ^[1]  。

薛長志等介紹了一種乙烯基甲苯作為活性稀釋劑的 TJ 13 -3 不飽和聚酯亞胺無溶劑浸漬漆 ,耐熱等級為 H 級 。由於乙烯基甲苯具有高沸點 、高閃點 、低揮發等優點 ,同時還具有優良的電氣絕緣性能 、力學性能 , 固化後熱態粘結強度高 、介質損耗因數低 、 貯存期長以及環境污染少等特點 , 因此賦予TJ 13 -3 漆較好的粘度温度特性 , 凝膠時間短 , 在145 ℃時凝膠時間為 3 . 5 min , 高温烘焙時 , 樹脂流失量小 , 用 TJ 13 -3 浸漬漆處理的風力發電機具有較強的防水 、抗潮能力 ^[1]  。

環氧樹脂具有較高的介電性能 、 耐表面漏電性和耐電弧性 ,其分子鏈中有極性羥基的存在 ,對各種金屬基材有很高的粘附力 , 且固化收縮率低 ,產生的內應力小 , 抗開裂能力強 , 特別適合於由漆包線 、硅鋼片 、軸 、絕緣紙 、換向器等多種金屬和非金屬組成的複雜多相結構的整體粘結 。採用高性能環氧樹脂改性不飽和聚酯樹脂 , 可以製得綜合性能優異的環氧改性耐熱聚酯漆 ^[1]  。

俞翔霄等將耐熱聚酯樹脂在觸媒存在的條件下先與耐熱二元醇反應使之活化 , 然後逐步加入不飽和酸酐和耐熱二元酸 、 阻聚劑和環氧樹脂 、 苯乙烯 、 引發劑 、 促進劑等製得環氧改性耐熱聚酯無溶劑漆即 118 漆 , 該漆在 180 ℃下電氣絕緣性能達到相當高水平 , 電氣強度為 20 M V/ m , 體積電阻率為3 . 4 ×1010 Ψ·m , 掛漆量高 , 在烘焙過程中固化快 ,温度指數為 191( 超過 H 級絕緣的温度指數 180 的要求) 。118 漆還有較好的常温儲存 、運輸穩定性 ,用於 H 級微電機 、中小型低壓電機 、煤礦電機等時 , 具有絕緣性能高 , 電機繞組温升低 , 耐濕熱交變性能好 , 熱態電阻高的特點 , 提高了電機的運行可靠性 ,並延長了漆的使用壽命 。王曉梅等採用分子設計方法 , 將不飽和雙鍵引入環氧樹脂中合成了不飽和環氧樹脂 , 並以苯乙烯為稀釋劑製備了無溶劑型絕緣漆 , 結果發現 , 該漆保留了環氧樹脂的良好絕緣性能 , 有效地延長了儲存期 , 比同類型的環氧樹脂 -酸酐型的粘結性及耐熱性能均有提高 , 其起始分解温度為 362 . 5 ℃,比環氧酸酐體系高出了 50 ℃。黃進等以苯並惡嗪樹脂為基體 , 用環氧酯進行改性 , 製備適用於沉浸及 VPI 工藝的新型無溶劑絕緣浸漬漆 , 該無溶劑漆具有良好的介電性能 、 力學性能及耐熱性能 ,温度指數達 195 。温靜衞等選用不同類型的環氧樹脂作為基體樹脂 , 添加酸酐類環氧固化劑 , 分別製備了無溶劑 、高固體份及溶劑型快固化環氧絕緣浸漬漆 。張防等製得了耐熱 、增強改性的 DF -201C環氧無溶劑絕緣漆 , 該漆的抗開裂性好 、 熱態力學性能高 , 適用期長 , 兼顧了環氧樹脂和不飽和聚酯的優點 ^[1]  。

張凱等 在環氧不飽和樹脂漆中引入亞胺基團 , 使得絕緣漆的耐熱性大幅度提高 , 同時又保留了環氧樹脂優異的粘結性 , 該漆採用乙烯基甲苯作為交聯劑後 , 絕緣漆的揮發份大幅度降低 , 加入改性硅粉 , 絕緣漆的粘度仍能滿足 VPI 工藝需求 , 導熱率有極大提高 , 雖然介質損耗有所增加 , 但 180 ℃仍能保持在 5 %以內 , 可用於中高壓大功率變頻調速電機絕緣浸漬處理 ^[1]  。

有機硅高分子是分子結構中含有元素硅 、 且硅原子上連接有機基的聚合物 。通常分子中硅原子上含有 3 個及以上可水解官能團的有機硅高分子材料稱為有機硅樹脂 。有機硅浸漬漆則是以有機硅樹脂為漆基的具有高度交聯結構的熱固性聚硅氧烷體系 。硅樹脂的介電性能優異 ,在較高的温度 、濕度及頻率範圍內保持穩定 ,還具有優良的耐氧化 、耐化學品 、電絕緣 、耐輻射 、耐氣候 、憎水 、阻燃 、耐鹽霧 、防黴菌等特性 ,因此 ,硅烷樹脂作為有機硅浸漬漆的漆基賦予浸漬漆優異的性能 。隨着國內高速機車 、 航空航天器的發展 , 對無溶劑有機硅絕緣漆的需求量將越來越大。衷敬和等以甲基苯基硅烷單體和特種硅烷單體制備了有機硅氧烷預聚物出發 , 合成了一種有機硅浸漬樹脂 ,該浸漬樹脂不含任何有機溶劑 ,常態下接近“零” 揮發 , 為低粘度流動液體 。用該樹脂製備了 C 級無溶劑有機硅浸漬漆 TJ1173 , 該漆採用鉑絡合催化體系 ,耐高低温性能優異 , 具有低温活性差 、高温活性顯著增強的特點 ,且高温快固化是該浸漬漆的顯著特點 。該漆電氣強度常態為 22 . 2M V/ m , 浸水 24 h 仍有 20 . 2 M V/ m ,漆膜吸水性非常低 , 只有 0 . 04 %, 浸水 24 h 後體積電阻率仍保持為 10 14 Ψ·m , 220 ℃工頻介質損耗因數為 0 ^[1]  . 018 1 。 該漆的反覆使用穩定性好 , 經歷 20 週期冷 ( 20 ℃ )熱( 45 ℃ )循環過程後 , 雖然常態和熱態的粘度都有所增長 , 但依然保持在正常使用粘度範圍 。該漆耐熱性高 , 能滿足 C 級絕緣要求 , 浸漬和固化應用工藝簡單 , 適用於電機的真空壓力浸漬絕緣處理 ,並獲得無氣隙的整體絕緣結構 。適用於高端領域如高速牽引電機 、航空電機等線圈的真空壓力浸漬絕緣處理 。周光紅等將國產 TJ1173 漆與國外瓦克公司的 H 62C 無溶劑有機硅浸漬漆進行比較 , 結果表明TJ1173 漆與 H62C 漆的組成基本一致 , 物理性能和電性能上無明顯差別 , T J1173 漆的儲存穩定性 、工藝應用性以及耐熱性等均大大超出同類產品的同等水平 , 為我國鐵路機車絕緣材料的國產化提供了有力保障 ^[1]  。

耐熱不飽和聚酯漆的優點是粘度低 ,貯存期長 ,浸漬工藝簡單 , 固化後的耐化學性 、耐潮濕性 、電氣絕緣性以及耐熱性優良 。不飽和聚酯亞胺類型前幾年已經在國外廣泛應用 , 文獻報道採用 N , N '-4 , 4' -二苯甲烷雙馬來酰亞胺 ( BM D)對不飽和聚酯樹脂進行改性 , 可以提高不飽和聚酯樹脂的耐熱性 , 故前幾年不飽和聚酯亞胺類浸漬漆已成為耐高温無溶劑漆的主要發展方向 , 近幾年我國對此類浸漬漆的改性研究進展也較快 ^[1]  。

蘇東明用自制的 198 樹脂及 210 樹脂 , 在催化劑作用下反應至終點 , 然後降温加入對苯二酚 、三聚氰酸三烯丙酯 、 苯乙烯及其他助劑等研製出 H級不飽和聚酯亞胺無溶劑浸漬樹脂 , 該樹脂的室温粘度低 , 在 60 ℃附近具有良好的粘度温度特性 ; 具有良好的凝膠時間温度特性 , 140 ℃時凝膠時間為 6min , 因此高温烘焙時樹脂流失量小 , 浸漬線圈掛漆量高 ; 耐輻照良好 ,輻照積累劑量達 5 ×105G Y 時的電氣性能與輻照前相比基本無變化 , 彎曲強度還有所增加 ;具有良好的貯存穩定性 , 常態與熱態下的介電性能及粘結強度均處於良好水平 ;其温度指數大於 180 ,耐熱性良好 。綜合性能良好的新型無溶劑浸漬漆不僅適用於 H 級嵌繞組電機的絕緣處理 , 還能滿足中型高壓 H 級少膠 VPI 絕緣結構的要求 ^[1]  。

張建等]製備了一種以聚苯並嗪和不飽和聚酯來改性甲氧基二苯醚樹脂合成了 RH -2H 級無溶劑浸漬漆 , 該漆的貯存穩定性好 , 145 ℃時 8min 可凝膠 ,耐熱性能優良 ,用割線法計算漆耐熱指數為 187 . 7 , 且在 180 ℃的粘結性能也非常優良 。盧軍彩等為克服傳統的不飽和聚酯樹脂的高温粘結力較低的缺點 , 在其基礎上引入耐熱基團亞胺結構的同時 , 用部分三元酸( 或醇)代替二元酸( 或醇) , 通過引入三官能團單體增加交聯密度 , 用該法制得的新型 H 級不飽和聚酯亞胺無溶劑漆不僅保留了原聚酯亞胺的特點 , 而且其高温( 180 ℃ )粘結力大大提高 , 粘結力達 55 N , 温度指數大於180 , 耐熱性能良好 , 低温固化快 , 貯存穩定性好 , 且成本較低 , 生產工藝及質量穩定 , 該漆屬於 F 、H 級通用的無溶劑浸漬漆 ^[1]  。

李強軍等在不飽和耐熱聚酯樹脂的基礎上 ,引入亞胺基團封端技術 , 減少活性基團 , 優化主鏈結構而製得 H 級不飽和聚酯亞胺無溶劑浸漬漆 。該漆的耐熱性能良好 , 貯存穩定性好 , 介質損耗因數在常温下很小 , 180 ℃下為 0 . 037 ,能夠滿足高壓電機對 VPI 無溶劑浸漬漆的要求 ^[1]  。

( 1) 近年來風力發電發展迅速 , 風力電機絕緣系統的絕緣處理都採用先進的真空壓力浸漬技術(VPI) , 因此對耐熱無溶劑漆的需求越來越大 ; 還有國內高速機車 、航空航天器的高速發展 ,對無溶劑有機硅的需求也不斷擴大 ;所以無溶劑型尤其是純環氧浸漬漆等仍然是今後的發展趨勢 ^[1]  ;

( 2)國際環境保護法律法規的實施 , 以及國內外對生態環境的保護意識的加強 , 要求絕緣材料低VOC 、不含或少含 HAPs ,所以環境友好型的浸漬漆成為研究熱點 ^[1]  ;

( 3) 耐熱絕緣浸漬漆較強的通用性顯得更為急需 , 既能滿足 F 級高壓電機中膠 、少膠 V PI 絕緣結構的性能工藝要求 , 又能滿足 H 級通用要求等 , 以方便應用的推廣 ^[1]  ;

( 4)耐熱絕緣浸漬漆向多功能型發展 , 在加強耐熱性的同時 , 其他性能如貯存穩定性 、防水防潮 、高温粘結性 、高温電阻率等綜合性能也應提高 ^[1]  。