環(huán)氧酸酐VPI浸漬樹脂發(fā)展及其熱分析測(cè)試研究

張大鵬（哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040）

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環(huán)氧酸酐VPI浸漬樹脂發(fā)展及其熱分析測(cè)試研究

張大鵬
（哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040）

摘 要：本文通過對(duì)環(huán)氧酸酐VPI浸漬樹脂性能發(fā)展的研究，對(duì)比了絕緣性能發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的材料已可以媲美國外的材料。此外，通過對(duì)環(huán)氧酸酐VPI浸漬樹脂進(jìn)行非模型動(dòng)力學(xué)的熱分析測(cè)試，計(jì)算出不同溫度下固化時(shí)間函數(shù)，為環(huán)氧酸酐VPI浸漬工藝的參數(shù)設(shè)定，提供了重要的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧酸酐；熱分析；非模型動(dòng)力學(xué)

隨著VPI浸漬技術(shù)在國內(nèi)的普遍認(rèn)知，其電氣性能高，整體性良好，導(dǎo)熱系數(shù)高的特點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)普遍地應(yīng)用在高壓電機(jī)絕緣制造工藝中。但熱分析的測(cè)試技術(shù)也在VPI制造工藝上的應(yīng)用，還鮮有研究。九十年代初，絕緣領(lǐng)域熱分析技術(shù)，測(cè)量出模壓樹脂物理性能與溫度的關(guān)系，反應(yīng)出整個(gè)升溫過程，再利用n階動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，可以得到優(yōu)化后熱固化工藝，這一技術(shù)普遍地應(yīng)用在多膠模壓體系。熱分析測(cè)試手段的升級(jí)，研究出非模型熱動(dòng)力學(xué)的熱分析技術(shù)。在不同工況條件中，即便同一反應(yīng)，動(dòng)力學(xué)參數(shù)也是不一樣的；在處理或獲取熱動(dòng)力學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)遵循多次速率掃描的測(cè)試方法，從而反映出熱固性反應(yīng)的復(fù)雜性和多變性。

1　環(huán)氧酸酐VPI浸漬樹脂發(fā)展現(xiàn)狀

環(huán)氧酸酐VPI浸漬樹脂為雙酚A環(huán)氧樹脂，甲基六氫苯酐組成。近些年，隨著國產(chǎn)雙酚A環(huán)氧樹脂的研發(fā)，提高了樹脂的貯存穩(wěn)定性，其絕緣性能和國外雙酚A性能基本相同。此外，由于是采用無溶劑的浸漬漆，減少了在真空浸漬過程中產(chǎn)生“沫化”現(xiàn)象，沫化現(xiàn)象的產(chǎn)生不利于對(duì)繞組的浸透性，從而影響繞組的絕緣性能。通過大量性能試驗(yàn)研究，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的雙酚A樹脂性能差別不大。甲基六氫苯酐在環(huán)氧酸酐VPI浸漬體系中，作為固化劑。其性能的好壞直接影響了環(huán)氧酸酐體系的熱固反應(yīng)速率和反應(yīng)程度。

圖1　環(huán)氧酸酐VPI浸漬固化反應(yīng)熱焓值曲線

圖2　不同溫度下固化時(shí)間曲線

2　非模型動(dòng)力學(xué)熱分析測(cè)試

在傳統(tǒng)熱分析動(dòng)力學(xué)中，即n階動(dòng)力學(xué)熱分析研究環(huán)氧酸酐VPI浸漬固化反應(yīng)時(shí)，往往省去了樹脂的固化程度對(duì)整個(gè)體系的反應(yīng)活化能、頻率因子等動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。但對(duì)于VPI浸漬樹脂的固化反應(yīng)來說，是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過程，可能涉及多個(gè)反應(yīng)、擴(kuò)散、揮發(fā)的過程，這就會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)活化能不是一程不變的。

只利用單一函數(shù)來建立模型來表征反應(yīng)過程，會(huì)應(yīng)函數(shù)選擇不當(dāng)或假設(shè)不全面，而導(dǎo)致對(duì)整個(gè)固化反應(yīng)溫度判斷失誤，固化反應(yīng)時(shí)間的精準(zhǔn)度有所下降，尤其在后期這種情況更加顯著。

針對(duì)于這種反應(yīng)機(jī)理，Vyazovkin等提出了一種非模型動(dòng)力學(xué)的熱分析測(cè)試研究方法。非模型動(dòng)力學(xué)（model free kinetics）是一種多重掃描速率熱學(xué)積分法。其理論根據(jù)是在同一轉(zhuǎn)化率下，反應(yīng)速率即是溫度的函數(shù)，故這種方法又稱為等轉(zhuǎn)化率法。

非模型動(dòng)力學(xué)的固化反應(yīng)方程式與n階動(dòng)力學(xué)理論公式相同，都是由公式（1），

dα/dt=Aexp（-E/RT）f（α） （1）

公式中，dα/dt為反應(yīng)速率，A為頻率因子，E為反應(yīng)活化能，R為氣體常數(shù)，T為溫度，f（α）為反應(yīng)模型。

進(jìn)行積分處理，可以得到如下公式：

這時(shí)假定f（α）跟升溫速率無關(guān)，且固化度一定時(shí)，f（α）為常數(shù)，可以得到公式：

公式兩邊消去Aα，則得到：

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入，并Eα的值取最小，則此刻的Eα即為相同固化度下的化學(xué)反應(yīng)活能。通過這種數(shù)據(jù)理論處理，可以使Vyazovkin非模型動(dòng)力學(xué)適用于各種溫度機(jī)制。利用非模型動(dòng)力學(xué)研究環(huán)氧酸酐VPI浸漬體系固化反應(yīng)時(shí)，應(yīng)利用差示掃描儀進(jìn)行三種不同速率5℃/min，10℃/min，20℃/min的掃描，得到三種熱焓值曲線，如圖1所示。再通過積分計(jì)算，得到不同升溫速率下，固化度與溫度的關(guān)系曲線，將相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)代入到公式（4）中，可以計(jì)算出，不同固化度下的環(huán)氧酸酐VPI浸漬體系固化反應(yīng)的化學(xué)活化能，根據(jù)其化學(xué)活化能曲線，推導(dǎo)出等溫條件下，不同溫度固化反應(yīng)所需要的時(shí)間，如圖2所示。

3　總結(jié)和展望

通過對(duì)于環(huán)氧酸酐VPI浸漬體系樹脂的環(huán)氧樹脂、固化劑相關(guān)性能測(cè)試的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的環(huán)氧酸酐VPI樹脂，其性能上已和國外同類型材料可以媲美。隨著其工藝性的不斷改進(jìn)，在日后的裝備制造業(yè)，將陸續(xù)的使用國內(nèi)的材料。另外，利用非模型動(dòng)力學(xué)對(duì)于環(huán)氧酸酐VPI體系的熱固性進(jìn)行測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)了其熱固反應(yīng)的起止溫度，其固化率與反應(yīng)溫度的關(guān)系，得到了不同溫度下的固化時(shí)間，這對(duì)于整個(gè)制造工藝以及工藝參數(shù)的選擇有著重要的影響.

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中圖分類號(hào)：TQ323

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