淺談漆包線的耐氟里昂發(fā)泡性能

龍香林，楊國富，湯曉水

(江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西南昌 330096)

1 引言

密封式制冷壓縮機(jī)用耐氟電機(jī)是冰箱與空調(diào)壓縮機(jī)的關(guān)鍵部件［1］，耐氟電機(jī)與壓縮機(jī)共同密封于制冷循環(huán)系統(tǒng)中，其絕緣材料直接承受制冷劑、冷凍機(jī)油及溫差、壓差、相變的交變作用［2］，它的工作環(huán)境溫度正常來說也就是90～120℃左右，有一些機(jī)種在特定的情況下，比如過負(fù)荷運(yùn)作(壓縮機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài))，工作環(huán)境溫度可能會達(dá)到130～150℃。耐冷媒性是壓縮機(jī)用漆包線中最重要的性能之一，普通的漆包線，比如130或者155的聚酯聚氨酯產(chǎn)品，就會在壓縮機(jī)的一冷一熱的工作狀態(tài)下，被冷媒漲破，漆膜變成海綿狀的多孔形體，即出現(xiàn)發(fā)泡。目前常規(guī)漆包線中，耐冷媒性能最好的就是聚酯亞胺復(fù)合聚酰胺酰亞胺的200級漆包線(即壓縮機(jī)電機(jī)用漆包線)，但聚酯亞胺復(fù)合聚酰胺酰亞胺的200級漆包線并不能杜絕發(fā)泡現(xiàn)象，只要達(dá)到一定的條件，聚酯亞胺復(fù)合聚酰胺酰亞胺200級漆包線也會出現(xiàn)發(fā)泡現(xiàn)象。漆包線嚴(yán)重發(fā)泡后，本來起著絕緣作用的絕緣層遭到破壞，失去絕緣性，電機(jī)從而出現(xiàn)短路，并可能最終甚至導(dǎo)致電機(jī)的燒毀。本文主要論述了耐冷媒發(fā)泡涉及的主要標(biāo)準(zhǔn)、方法和規(guī)定、漆包線耐氟里昂發(fā)泡的原理及不同實(shí)驗(yàn)條件下對漆包線發(fā)泡性能的影響等方面，并分析了漆包線耐氟里昂發(fā)泡的原因。

2 漆包線耐氟里昂發(fā)泡涉及的主要標(biāo)準(zhǔn)、方法和規(guī)定

2.1 耐冷媒發(fā)泡涉及的主要標(biāo)準(zhǔn)、方法和規(guī)定

(1)國標(biāo) GB4074.31－83《耐冷凍劑試驗(yàn) －一氯二氟甲烷(R22)發(fā)泡法》，采用 IEC251－1(1978)，大致是將樣線在 R22中室溫處理16h，－50℃冷凍1h后，在25～30s內(nèi)移到125℃的烘箱中烘烤10min，檢查附著力和發(fā)泡個數(shù)［3］。

(2)IEC317－13(1990)200級聚酰胺酰亞胺復(fù)合聚酯或聚酯亞胺漆包線標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定R22發(fā)泡試驗(yàn)由供需雙方協(xié)商進(jìn)行，發(fā)泡個數(shù)小于 4個［4］。GB/T6109.11－90規(guī)定同此。

(3)新的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如 GB/T6109.20－2008/IEC60317－13:1997《漆包圓繞組線 第20部分200級聚酰胺酰亞胺復(fù)合聚酯或聚酯亞胺漆包銅圓線》，只定義了耐制冷劑性能中的萃取和擊穿電壓，沒有再規(guī)定發(fā)泡試驗(yàn)的要求。NEMA MW73－A和MW73－C也是這樣。

2.2 耐冷媒發(fā)泡涉及的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定

現(xiàn)行的繞組線試驗(yàn)方法對發(fā)泡試驗(yàn)不再規(guī)定，導(dǎo)致發(fā)泡試驗(yàn)方法不統(tǒng)一，各制造商根據(jù)產(chǎn)品的使用要求各自規(guī)定，試驗(yàn)方法如表1。

表1 漆包線發(fā)泡性能檢測試驗(yàn)方法

3 漆包線耐氟里昂發(fā)泡的原理與產(chǎn)生的原因

漆包線耐氟里昂發(fā)泡試驗(yàn)的目的是模擬漆包線在實(shí)際使用中的運(yùn)行條件考察漆包線的耐受性。漆包線漆膜發(fā)泡原理是－個綜合的物理化學(xué)過程。

從化學(xué)角度來看，制冷劑氟里昂本身是一種“溶劑”，氟里昂致冷劑R22分子中有H原子，有強(qiáng)的溶劑作用，其臨界壓力(4.9MPa)高，使系統(tǒng)經(jīng)常處在氣相、液相混合狀態(tài)，又混有冷凍油，該混合介質(zhì)對絕緣介質(zhì)滲透極強(qiáng);又因致冷劑中含水住往超過規(guī)定值或部件安裝時未經(jīng)嚴(yán)格干燥處理，以致形成酸性腐蝕物質(zhì)，再由于管道中殘留的雜質(zhì)及絕緣結(jié)構(gòu)的材料龜裂物在高速氣流循環(huán)下，會進(jìn)一步腐蝕絕緣結(jié)構(gòu)［5］。但大多制冷劑比較穩(wěn)定，例如R22(一氯二氟甲烷)在常溫下為無色、近似無味的氣體，加壓可液化為無色透明的液體，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均很高，不燃燒、不爆炸、無腐蝕。沒有水份存在的情況下，在200℃ 以下與一般金屬不起反應(yīng);在水存在時，僅與堿緩慢起作用。但在高溫下會發(fā)生裂解。在耐制冷劑試驗(yàn)中，R22對漆包線漆膜有輕微的溶出(萃取)，但不會直接使漆膜起泡。PEI+PAl復(fù)合線(即壓縮機(jī)電機(jī)使用漆包線)在R22+NM56EP冷凍機(jī)油在90℃下處理24h后，取出室溫放置24h，漆包線的外觀及剖面分別如圖1和圖2所示，沒有任何發(fā)泡的跡象。

圖1 R22處理并室溫放置24h的樣線

圖2 R22處理并室溫放置24h的樣線截面

發(fā)泡的形成與實(shí)驗(yàn)過程中的物理變化關(guān)系更大。首先是滲透，如圖3所示。通常漆膜結(jié)構(gòu)是類似“洋蔥”層狀，當(dāng)絕緣線置于制冷劑的氛圍中，在一定的溫度及壓力下(如試驗(yàn)條件90℃、4MPa)，制冷劑會滲透至漆層之間。長時間置于制冷劑氛圍中的漆包線，即使脫離該氛圍，仍有一定量的制冷劑滯留其中，只是線的外觀無任何可觀察到的變化。

圖3 滲透

其次是逸出，如圖4所示。試驗(yàn)方法規(guī)定將制冷劑處理的漆包線在有限的時間內(nèi)移至一定溫度的烘箱中烘烤，然后觀察發(fā)泡情況。制冷劑殘余量和其逸出的速度構(gòu)成了發(fā)泡的關(guān)鍵。由于漆包線漆膜是一個相對致密的結(jié)構(gòu)，溫度低，殘余制冷劑量少，逸出速度慢，對漆膜的沖擊較小，不會對漆膜有損壞;殘余制冷劑量越大，溫度越高，逸出速度越快，氣體瞬間的逸出會對漆膜產(chǎn)生較大的沖擊，造成局部隆起，從而形成氣泡。很顯然，挪移處理的漆包線到烘箱的時間以及烘箱的溫度是試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)。事實(shí)上，許多關(guān)于發(fā)泡的試驗(yàn)誤差來源于此，很多漆包線用戶也將烘箱的溫度作為耐制冷劑試驗(yàn)要求的核心。

圖4 溢出

以下試驗(yàn)以PEI+PAI復(fù)合漆包線為為例研究了烘箱溫度與發(fā)泡的關(guān)系，結(jié)果見表2。

表2 PEI+PAI不同程序溫度下的發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果

通過觀察PEl+PAI漆包線R22發(fā)泡漆膜的狀態(tài)，可以證實(shí)以上過程。制冷劑滲透進(jìn)入漆膜層，其微弱的溶解性和溶脹作用，對漆膜本身結(jié)構(gòu)未造成致命損害。通過發(fā)泡樣線的截面觀察，可見氣泡存在于漆層之間，漆膜與裸銅線基體沒有剝離。而且發(fā)泡主要出現(xiàn)在底漆PEI層，而面漆PAI層完好。這也預(yù)示，R22的發(fā)泡與漆包線漆的類型和結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要為漆膜的層與層之間的發(fā)泡，而對漆膜與裸銅線之間的附著性影響較小。

PEl+PAl復(fù)合漆包線在氟里昂發(fā)泡試驗(yàn)中不同溫度下烘烤后的截面圖5～圖8。

圖5 原線

圖6 160℃未發(fā)泡

圖7 170℃ 發(fā)泡

圖8 170℃ 發(fā)泡(局部放大)

4 漆包線耐氟里昂發(fā)泡后對壓縮機(jī)電機(jī)的影響

用熱級較高的聚酯(PE)或聚酯亞胺漆(PEI)打底，聚酰胺酰亞胺漆(AI)做面漆生產(chǎn)的復(fù)合耐冷媒漆包線很長時間以來一直是制冷壓縮機(jī)的主要用漆包線。該結(jié)構(gòu)的漆包線綜合性能優(yōu)異，性價比高，耐氟里昂性能良好。在世界各地，基本都沿用這種結(jié)構(gòu)。雖然在不同地區(qū)，底漆或偏向聚酯亞胺，但復(fù)合聚酰胺酰亞胺后均能滿足制作壓縮機(jī)的正常性能需求。

耐氟電機(jī)是一種密封于氟里昂、冷凍機(jī)油等介質(zhì)，在高壓力、高溫下長期工作的特種電機(jī)［6］，它的應(yīng)用領(lǐng)域大都是耐用消費(fèi)品，除了性能期望較高，對各種環(huán)境下的穩(wěn)定性以及使用壽命也有嚴(yán)格的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于種種原因，壓縮機(jī)過早失效的情況還是屢有發(fā)生。解剖過早(用戶市場電機(jī))失效的壓縮機(jī)，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)中的漆包線常常已經(jīng)嚴(yán)重發(fā)泡損壞，(美芝壓縮機(jī)提供電機(jī)故障圖片)如圖9所示。

圖9 從壓縮機(jī)中解剖出的發(fā)泡漆包線(發(fā)黃)與正常漆包線

根據(jù)前述的漆包線耐冷媒發(fā)泡實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，產(chǎn)生這種情況常常是因?yàn)閴嚎s機(jī)用電機(jī)漆包線溫度過高引起。對于電機(jī)主線圈漆包線整體發(fā)泡發(fā)黃的現(xiàn)象，通常都是由于壓縮機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣如負(fù)荷過高、電壓低、散熱不良、電容失效等，或壓縮機(jī)機(jī)械堵轉(zhuǎn)等原因?qū)е码姍C(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)而發(fā)熱。銅線起泡嚴(yán)重后，漆膜破壞到一定程度時電機(jī)以燒毀等形式失效，有些是因?yàn)橹谱魅毕?，運(yùn)行中發(fā)生短路等引起劇烈溫升;也有些因?yàn)樵O(shè)計或因?yàn)檫\(yùn)行環(huán)境不良如供電不穩(wěn)等，導(dǎo)致長期溫度偏高運(yùn)行。所以，壓縮機(jī)用漆包線除了要求有較好的常規(guī)熱老化壽命外，耐氟里昂性能，特別是耐氟里昂發(fā)泡性能受到重視。尤其近些年，冰箱和空調(diào)家電下鄉(xiāng)向廣大農(nóng)村普及，由于農(nóng)村運(yùn)行條件相對較差如電壓波動較大等，對壓縮機(jī)電機(jī)的耐受性能要求更高。

5 不同的實(shí)驗(yàn)條件下對漆包線發(fā)泡性能的影響

5.1 不同漆種的影響

前已敘及，試驗(yàn)溫度對耐氟里昂發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果有影響，不同漆種的漆膜耐氟里昂發(fā)泡性能也不同。通過對常見的用于耐冷媒復(fù)合線生產(chǎn)的漆種(PE、PEl、PAI)的各自單涂線分別在120、160、180℃ 發(fā)泡情況進(jìn)行評估，再次證明:烘箱溫度影響很大，對同種漆包線，溫度越高，發(fā)泡越嚴(yán)重。就單涂線來說，三類漆中，PAI最好，180℃也未發(fā)泡;PEI次之，有小氣泡;PE較差，有較大氣泡。結(jié)果參見圖10～圖12。

圖10 PE，160℃

圖11 PEI，160℃

圖12 PAI，160℃

同一類的漆，不同的配方與工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品也有一定的差異，表3列舉了幾種不同的PEI復(fù)合同種PAI的漆包線的耐氟里昂發(fā)泡性能的比較。

表3 不同的PEI復(fù)合PAI線耐氟里昂發(fā)泡情況

5.2 固化程度的影響

雖然說氟里昂發(fā)泡過程中物理變化較顯著，但是漆包線漆膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)對發(fā)泡而言顯然有重要影響。漆膜的化學(xué)成分、交聯(lián)密度、小分子的含量等等，都有可能影響氟里昂的滲入與殘余，以及漆膜中小分子的溶出與漆膜機(jī)械強(qiáng)度。漆包線固化程度是這方面的決定因素之一。以PEI+PAI復(fù)合漆包線不同烘烤程度情況下的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果如表4和圖13。

表4 PEI+PAI復(fù)合漆包線不同固化程度時發(fā)泡溫度的區(qū)別

圖13 PEI+PAI復(fù)合漆包線不同固化程度時170℃發(fā)泡比較

6 結(jié)語

綜上所述，如要提高復(fù)合漆包線耐氟里昂發(fā)泡性能，在漆種選擇、漆包線結(jié)構(gòu)設(shè)計、漆包線固化程度控制方面都需加以控制。就最常見的復(fù)合漆包線結(jié)構(gòu)PEI+PAI來說，如果結(jié)構(gòu)合理、固化完全，滿足絕大多數(shù)耐氟里昂發(fā)泡性能的要求(烘箱溫度130～150℃ )都沒有太大問題，少數(shù)PEI+PAI可以達(dá)到170℃。但如果要在不改變漆包線結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)一步提高復(fù)合漆包線耐氟里昂發(fā)泡溫度，漆包線漆的選用是非常重要的。

［1］ 林德.冰箱壓縮機(jī)用電機(jī)的耐氟性能試驗(yàn)［J］.微電機(jī)，1990，20(3):44－46.

［2］ 羅瑋.耐氟電機(jī)的電磁線及絕緣材料的國產(chǎn)化及應(yīng)用［J］.電機(jī)技術(shù)，1992(2):24－26.

［3］ GB4074.31－83，耐冷凍劑試驗(yàn)—一氯二氟甲烷(R22)發(fā)泡法［S］.

［4］ IEC317－13(1990)，200級用聚酰胺—酰亞胺涂覆聚酯或聚酰胺脂漆包的圓銅繞組線［S］.

［5］ 劉美容.耐氟電機(jī)的絕緣設(shè)計［J］.制冷技術(shù)，1987(1):15－18.

［6］ 區(qū)紹恭.F級耐氟電機(jī)絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)［J］.電工技術(shù)雜志，1990(3):22－25.