真空狀態(tài)下的環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝

龐鳴崴

(中國煤炭科工集團 上海研究院，上海 200030)

真空狀態(tài)下的環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝

龐鳴崴

(中國煤炭科工集團 上海研究院，上海 200030)

針對傳統(tǒng)的真空壓力凝膠工藝的不足，提出一種全新的真空狀態(tài)下環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝(VPG)。將VPG工藝與傳統(tǒng)工藝相比較，研究兩者之間的環(huán)氧樹脂溫度差異、凝膠時間差異和注料時壓力差異特性，給出VPG工藝中環(huán)氧樹脂體系，將VPG工藝應用于磁懸浮長定子封裝上。結(jié)果表明:該工藝可以提高磁懸浮長定子產(chǎn)品的合格率和效率，能夠明顯降低勞動強度以及提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量。

VPG;真空壓力凝膠;自動壓力凝膠;環(huán)氧封裝

真空狀態(tài)下環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠成形技術(VPG)，是在自動壓力凝膠(APG)的基礎上，引入真空澆注理念，形成在真空狀態(tài)下的自動壓力凝膠成形工藝。VPG使壓力凝膠技術的應用更為廣泛，特別是產(chǎn)品成形有特殊要求時，如真空度高的產(chǎn)品，優(yōu)勢更為突出［1－4］。VPG是集真空澆注和自動壓力凝膠的優(yōu)點為一身的工藝，是環(huán)氧樹脂成形技術中的新秀，正在被越來越多地應用到高壓絕緣制品、高質(zhì)量互感器等產(chǎn)品中。

1 VPG工藝設備與特點

1.1 設備與工作過程

VPG封裝工藝主要由專用的真空壓力凝膠全液壓成型機完成。HAG型真空全液壓成型機由真空箱、箱內(nèi)動模、箱蓋模、下抽芯與上抽芯等組成，如圖1所示。環(huán)氧樹脂混合料經(jīng)真空、攪拌后，通過壓力進行注射。成形分兩個過程:一是注料過程，注射壓力為0.1～0.2 MPa，注料時間視制品體積而定，一般約為2～4 min;二是固化過程，注射壓力為0.3～0.5 MPa，固化時間也需視制品體積而定，一般約為15 min。成形后開模，可直接取出制品，經(jīng)簡單處理后，再進行后固化。

圖1 HAG型真空全液壓成型機Fig.1 HAG type vacuum full hydraulic molding machine

1.2 VPG與傳統(tǒng)工藝相比的特點

1.2.1 VPG和傳統(tǒng)真空壓力凝膠過程的差異

VPG工藝中真空和壓力凝膠過程是一步完成的。該工藝在合模、合箱、抽真空后，采用0.3～0.5 MPa壓力進行注料，然后固化。工件能實現(xiàn)完全固化，完成環(huán)氧樹脂的收縮補充，不易產(chǎn)生氣泡。整個過程是在真空狀態(tài)下完成環(huán)氧樹脂的自動壓力凝膠。

傳統(tǒng)的真空壓力凝膠過程分兩步完成。第一步，澆注室內(nèi)真空狀態(tài)下，用0.2 MPa壓力注射環(huán)氧樹脂;第二步，降至預固化工位，在澆注口用氣缸加壓。這個過程存在著明顯的不足，例如在第一步中，環(huán)氧樹脂未完全固化，而在第二步中，由于實際上的表面加壓，使制品內(nèi)部的環(huán)氧樹脂受壓不均勻、補充收縮的效果不佳，易出現(xiàn)氣泡。整個過程不是在真空狀態(tài)下直接壓力凝膠。

1.2.2 環(huán)氧樹脂溫度差異

VPG工藝中環(huán)氧樹脂的溫度為130℃(模具腔內(nèi)溫度)，而傳統(tǒng)工藝中環(huán)氧樹脂的溫度為80℃(真空箱溫度)。VPG工藝在注射后，由于環(huán)氧樹脂溫度較高，所以黏度就相對減小，高溫度下的環(huán)氧樹脂易流動、易滲透、易排氣，可提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。環(huán)氧樹脂混合料黏度－溫度關系曲線如圖2所示。

1.2.3 凝膠時間差異

VPG工藝中環(huán)氧樹脂混合料在模具內(nèi)約25 min，傳統(tǒng)工藝中它在模具內(nèi)需要約10 h。環(huán)氧樹脂混合料固化時間－溫度曲線如圖3所示。溫度的提高，可以大大縮短凝膠時間，提高生產(chǎn)效率和模具的利用率。但是，并不是說溫度越高越好，若溫度太高將加快凝膠時間，而足夠的凝膠時間也是產(chǎn)品合格率的重要保證。因此，改進高溫下的凝膠時間，同樣可以提高產(chǎn)品合格率。

圖2 環(huán)氧樹脂混合料黏度－溫度關系Fig.2 Epoxy resin mixture viscosity-temperature curve

圖3 環(huán)氧樹脂混合料固化時間－溫度的關系Fig.3 Mixture of epoxy resin curing time-temperature curve

1.2.4 注料時壓力差異

VPG工藝注料壓力為0.3～0.5 MPa，傳統(tǒng)工藝注料壓力為0.1～0.2 MPa。模腔壓力的提高，可實現(xiàn)更好的滲透，有利于增加網(wǎng)格布與環(huán)氧的結(jié)合。壓力較高時，注射材料的密度大，制品表面光滑，更適合環(huán)氧封裝工藝。但是，模腔壓力提高會對模具強度提出很高的要求，過高的模腔壓力會引起模具變形，從而引起泄漏，造成飛邊的增多，嚴重時還可能引起形位公差超差、表面位置公差漂移等缺陷。

2 VPG工藝中環(huán)氧樹脂體系

VPG工藝中采用HUNTSMAN提供的環(huán)氧樹脂體系。該體系環(huán)氧樹脂在使用時混料溫度為35～55℃，混合抽真空時間為120 min。注射壓力為0.1～0.2 MPa，注射時間為3～5 min。固化壓力為0.3～0.5 MPa，固化時間為10～20 min。模具溫度約120～130℃，模具內(nèi)各點溫度誤差應小于5℃。硅微粉使用400目的活性粉最佳。參考混合料組成見表1。

表1 環(huán)氧樹脂體系參考混合料的組成Table 1 Composition of reference mixture systems epoxy resin

環(huán)氧樹脂真空混料設備有二種:第一種是實驗用AH型環(huán)氧樹脂攪拌混料裝置;第二種是流水線用VPRM—90Ⅲ型環(huán)氧樹脂真空混料設備。環(huán)氧樹脂真空混料時，混料的真空度和溫度都十分關鍵。隨著混料溫度的升高，環(huán)氧樹脂黏度下降，混料效果會得到明顯提高。經(jīng)過反復實驗，得到混合料的溫度與環(huán)境溫度之間控制在40℃較合理?；旌狭系木唧w溫度還受混合料的比例以及攪拌時間的影響，在不同條件下，需要進行不同的實驗加以驗證。

3 VPG工藝在磁懸浮長定子封裝上的應用

3.1 磁懸浮長定子的結(jié)構(gòu)與封裝特點

磁懸浮長定子由定子鐵芯和燕尾鍵(也稱橫梁)組成，如圖4所示。經(jīng)環(huán)氧樹脂全面封裝后，以三根燕尾鍵為安裝基礎固定在磁懸浮水泥梁上。

圖4 磁懸浮長定子結(jié)構(gòu)Fig.4 Maglev long stator structure

封裝工藝主要由定子鐵芯沖片、加熱疊壓、環(huán)氧樹脂真空壓力澆注、預固化、后固化、清理成品等工序組成。其特點是環(huán)氧封裝面積大、壁厚薄。環(huán)氧層厚度大部分為1.5～2.0 mm，要求有很好的粘接性和防開裂性能。環(huán)氧封裝的厚度不均勻，如燕尾槽中厚的部位有若干毫米，而最薄的部位僅為0.1 mm，這就要求樹脂有很好的流動性和充滿性。由于長定子在安裝過程中要求有較高的位置精度，尤其是安裝孔和長定子底平面等的位置精度，所以，環(huán)氧樹脂成形模也要具有相應的強度和精度。由于環(huán)氧樹脂封裝厚度較薄，所以不能有氣泡等缺陷，且表面要光滑?？傊?，對環(huán)氧樹脂的收縮、表面質(zhì)量甚至于工藝的自動化程度都提出了較高的要求。

3.2 原生產(chǎn)工藝存在的主要問題

原工藝流程如圖5所示。從圖5各工序中分析，原生產(chǎn)工藝存在的問題:首先，預固化工位中利用氣缸加壓來補充環(huán)氧收縮。由于環(huán)氧混合料黏度隨高溫時間的推移迅速提高，利用氣缸進行表面壓縮，已不能對遠端產(chǎn)生效果。即不能有效補充環(huán)氧樹脂凝膠過程中因收縮而產(chǎn)生的表面氣泡，影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量。其次，在三腔澆注室內(nèi)，還沒有進入加熱工序，澆注溫度較低。從圖2中可見，澆注溫度越低黏度越大，越不利于產(chǎn)生很好的流動性和樹脂充滿性，對產(chǎn)品質(zhì)量當然有影響。第三，原工藝需要將整副模具從澆注室移到預固化工位，經(jīng)過固化后才可以拆除澆注模。模具利用率低，且拆裝模具的輔助裝備復雜。

圖5 原工藝流程Fig.5 Original process

3.3 VPG工藝封裝效果

針對磁懸浮長定子的結(jié)構(gòu)特點以及原生產(chǎn)工藝存在的主要問題，采用全新的真空狀態(tài)下環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝對磁懸浮長定子進行了封裝。

VPG工藝真空壓力單步完成，合模、合箱、抽真空后，采用0.3～0.5 MPa壓力進行注料，十幾分鐘后固化。環(huán)氧樹脂已經(jīng)完全固化，其收縮補充也已完成，較好地克服了表面產(chǎn)生氣泡的缺點，有效提高產(chǎn)品的表面質(zhì)量［5－6］。

VPG溫度為130℃(模具腔內(nèi)溫度)，由于樹脂溫度較高，黏度很小，環(huán)氧樹脂混合料易流動，易滲透，易排氣，非常符合長定子環(huán)氧封裝的特點。

VPG工藝注料壓力為0.3～0.5 MPa。模腔壓力較高，可以更好的滲透，同時網(wǎng)格布與環(huán)氧的結(jié)合更佳。由于壓力高、密度大，使得制品表面光滑，更適合長定子封裝工藝。但是模具壓力的增加同樣對模具的強度提出了較高的要求，相應提高了一定的經(jīng)濟成本。

綜上所述，VPG工藝在磁懸浮長定子的封裝上很好地滿足了其結(jié)構(gòu)特點，克服了原工藝方案中存在的主要問題，提高了生產(chǎn)磁懸浮長定子產(chǎn)品的合格率，對于降低勞動強度和提高產(chǎn)品外觀質(zhì)量等有明顯的改進。

4 結(jié)束語

筆者研究了VPG工藝的主要過程、工藝設備和工藝特點，同時采用VPG工藝對磁懸浮長定子進行封裝，取得了成功。該工藝方法先進，與原工藝相比具有環(huán)氫樹脂黏度小、易流動和滲透、不易產(chǎn)生氣泡、可提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能、提高生產(chǎn)效率和模具利用率等許多優(yōu)點。目前，VPG工藝已應用于小規(guī)模生產(chǎn)中，為我國自主研發(fā)磁懸浮技術打下良好基礎。

［1］龐鳴崴.APG工藝生產(chǎn)環(huán)氧絕緣件的設備［J］.熱固性樹脂，2000，15(2):24－26.

［2］朱 竣，張永安，唐 力.探索VPG工藝在互感器生產(chǎn)中的應用［J］.電氣世界，2010(4):46－50.

［3］張賽軍，袁 寧，阮 鋒.APG工藝用環(huán)氧樹脂體系的固化及流變模型［J］.合成樹脂及塑料，2007，24(3):20－24.

［4］徐 偉，徐桂芳，管艾榮.負熱膨脹填料鎢酸鋯對環(huán)氧封裝材料性能影響［J］.熱固性樹脂，2008，23(1):22－25.

［5］崔小松.自動壓力凝膠工藝充模過程的三維非等溫數(shù)值模擬［J］.機械工程師，2009(8):93－95.

［6］黃翠華，肖漢寧，陳憲宏，等.自動壓力凝膠用環(huán)氧復合絕緣材料的組成對性能的影響［J］.絕緣材料，2005(2):36－38.

Epoxy resin automatic pressure gel process under vacuum

PANG Mingwei
(Shanghai Research Institute of China Coal Technology＆ Engineering Group，Shanghai 200030，China)

Aimed at addressing the deficiencies of the traditional vacuum pressure gelatin process，this paper features a novel vacuum state epoxy resin automatic pressure gel craft(VPG)，introduces the study on differences between VPG technology and traditional craft in difference in the epoxy resin temperature，the pressure，and gel time and injection material，by comparing VPG technology with the traditional process，and highlights epoxy resin system of he VPG process.VPG technology fixed in magnetic levitation long stator package shows that the process can boast a higher rate and efficiency of the maglev long stator，and a better appearance quality of products，along with reduced labor intensity.

VPG;vacuum pressure gel;APG;epoxy package

TH162:TB79

A

1671－0118(2012)04－0393－04

2012－06－16

龐鳴崴(1951－)，男，上海人，研究員，研究方向:礦山機械、液壓傳動、電氣絕緣，E-mail:pgmwww@163.com。

(編輯 徐 巖)