高性能芳綸絕緣拉桿用樹脂配方及性能研究

陳燕梅，侯 梅，張銀鋒，謝瑞廣

(西安超碼復(fù)合材料有限公司，西安 710025)

高性能芳綸絕緣拉桿用樹脂配方及性能研究

陳燕梅，侯 梅，張銀鋒，謝瑞廣

(西安超碼復(fù)合材料有限公司，西安 710025)

本文研究了雙酚A、雙酚F環(huán)氧樹脂配方體系基礎(chǔ)性能，對比分析了兩種樹脂配方澆注體的力學(xué)性能、電氣性能和耐熱性能，從試驗數(shù)據(jù)得出雙酚F配方體系改善了樹脂配方耐熱性能，卻沒有降低樹脂工藝性能；并使用顯微鏡和SEM電鏡觀察絕緣拉桿復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，并其進(jìn)行了各種性能測試。

絕緣復(fù)合材料；芳綸纖維；RTM；力學(xué)性能；電氣性能

1 引 言

高性能芳綸絕緣拉桿應(yīng)用于電力行業(yè)SF6組合電氣設(shè)備的重要部件，目前國內(nèi)大多高等級高壓斷路器和GIS必須使用國外有機(jī)纖維絕緣復(fù)合材料，因此嚴(yán)重制約國內(nèi)高電壓等級組合電氣設(shè)備發(fā)展[1]。以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，電壓等級在110 kV及以上，需具有優(yōu)良電氣絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度的GIS大都采用芳綸復(fù)合材料。為了降低產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重量和體積，目前設(shè)計都向輕量化，高性能發(fā)展，為了滿足上述要求就需采用新型纖維材料和高玻璃化溫度樹脂基體，其結(jié)構(gòu)特點是細(xì)而長，在運(yùn)行中受很大的拉伸載荷或者扭轉(zhuǎn)載荷及瞬時的操作過電壓沖擊。由于開關(guān)設(shè)備在整個電網(wǎng)中是關(guān)鍵設(shè)備，更換操作比較復(fù)雜而且困難，因此要求設(shè)備具有超長壽命。

芳綸纖維全稱為“聚對苯二甲酰對苯二胺” (縮寫為PPTA，商品名Kevlar)，是一種新型高性能有機(jī)纖維，具有密度低、強(qiáng)度高、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、良好的絕緣性和抗老化性能、生命周期長等優(yōu)異性能[2]。環(huán)氧樹脂具有良好的機(jī)械性能、電性能和粘接性能，是電氣設(shè)備絕緣材料的重要基體之一。芳綸纖維增強(qiáng)的絕緣拉桿與傳統(tǒng)玻璃纖維絕緣拉桿相比，其有諸多優(yōu)點：(1)重量輕，強(qiáng)度高；(2)產(chǎn)品變形量小；(3)電氣性能優(yōu)越，耐SF6；(4)疲勞強(qiáng)度高，剛度高；(5)可靠性高。

本文采用K49為增強(qiáng)材料[2]，通過化學(xué)改性處理[3]提高纖維界面活性，以芳綸/聚酯編織布增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料為主，聚酯表面氈增強(qiáng)環(huán)氧樹脂富膠層為內(nèi)外防腐層，結(jié)合樹脂傳遞模塑(RTM)工藝[4]，獲得機(jī)械性能、電性能和熱性能優(yōu)異的絕緣拉桿。

2 試 驗

2.1 試驗原材料

樹脂體系：雙酚A環(huán)氧樹脂 CYD-128，藍(lán)星化工新材料股份有限公司；

雙酚F環(huán)氧樹脂EP862，HEXION

多官能團(tuán)環(huán)氧AG-80，上海樹脂廠；

多官能團(tuán)環(huán)氧TDE-85，天津合成材料研究所；

酸酐類固化劑：甲基四氫苯酐(MeTHPA)，嘉興市東方化工廠；

促進(jìn)劑：2，4咪唑，利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學(xué)有限公司。

增強(qiáng)材料：芳綸纖維(K49)和聚酯纖維(600D)編織成徑向斷裂強(qiáng)度≥2 600 N/5 cm，緯向斷裂強(qiáng)度≥1 200 N/5 cm，厚度0.4±0.05 mm方格布。

2.2 主要儀器

分析天平，測試澆注體吸水率；

WE-30型液壓式萬能材料試驗機(jī)，測試澆注體力學(xué)性能；

NETZSCH同步熱分析儀，測試澆注體耐熱性能；

蔡司Axioskop 40顯微鏡和JEOL JSM-6460LV掃描電子顯微鏡，觀察絕緣拉桿切斷面；

BDJC-50KV電氣強(qiáng)度測試儀，測試絕緣拉桿電氣強(qiáng)度。

PISTON 4000 RTM注射機(jī)，真空浸漬設(shè)備。

2.3 試樣制備及性能測試

2.3.1 樹脂配方體系性能試驗

TG試驗：澆注體粉末樣品8～10 mg，溫度范圍：0～800 ℃；

以雙酚A、雙酚F環(huán)氧樹脂基體分別作為1、2號配方，按照一定配比稱重、攪拌、真空脫氣，脫氣后流入涂有脫模劑的干凈模具中，按相同固化制度升溫固化，冷卻脫模，切割成固定尺寸試樣。

樹脂澆注件性能(拉伸、彎曲、壓縮性能)測試參照國標(biāo)GB/T2568-1995、GB/T2569-1995、GB/T2570-1995進(jìn)行。

2.3.2 絕緣復(fù)合材料制備及性能試驗

將2號樹脂配方與混編布制成內(nèi)徑40 mm，外徑55 mm，長800 mm的絕緣拉桿，性能測試按照所列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 樹脂配方體系性能研究

3.1.1 樹脂配方體系膠液粘度研究

在RTM成型過程中，膠液粘度大，不利于樹脂浸潤纖維，容易夾帶氣泡，在成型時影響復(fù)合材料界面性能，且注射過程困難；若粘度小，注射過程相對容易，但纖維浸漬樹脂太少，樹脂在復(fù)合材料制品中不能有效傳遞載荷。兩種膠液在60 ℃粘度隨時間變化曲線見圖1-2。

圖1 1號配方膠液粘度曲線Fig.1 Viscosity curve of formula 1

圖2 2號配方膠液粘度曲線Fig.2 Viscosity curve of formula 2

由圖1可見，1號配方膠液150 min前基本沒有發(fā)生反應(yīng)，此后膠液逐漸加快反應(yīng)， 600 min后，黏度增大到238.4 mPa·s，仍可繼續(xù)使用；2號配方膠液初始粘度比1號配方低，黏度曲線隨時間增長速度緩慢，且呈勻速增大趨勢，至10 h達(dá)到152.3 mPa·s，后續(xù)沒有出現(xiàn)膠液反應(yīng)加快現(xiàn)象，芳綸纖維與環(huán)氧樹脂的親和性差，黏度增長過快不利于樹脂配方膠液浸潤纖維，并且這種寬范圍粘度平坦區(qū)曲線，顯示出該樹脂體系良好的工藝特性。

3.1.2 樹脂配方體系DSC曲線分析

在RTM成型過程中，在一定注射溫度下需樹脂配方體系有長期存放時間，對配方體系進(jìn)行DSC(升溫速率為5 ℃/min)分析，見圖3-4。

從圖中可看出，2種樹脂配方在較寬溫度范圍內(nèi)均有較為緩慢的單一放熱峰，在升溫速率為5 ℃/min 下，2號樹脂體系各組分反應(yīng)起始溫度和終止溫度都比1號配方體系高，且2號配方放熱峰溫度和放熱量分別比1號配方高出11.33 ℃、1 152.484 mJ，2號配方的反應(yīng)溫度區(qū)域也比1號配方寬11.99 ℃，樹脂配方膠液更適合室溫長期存放。

圖3 1號配方膠液DSC曲線Fig.3 DSC curve of formula 1

圖4 2號配方膠液DSC曲線Fig.4 DSC curve of formula 2

3.1.3 樹脂配方體系固化物耐熱性能

使用熱分析儀對固化后樹脂配方進(jìn)行熱失重(TG)分析，升溫速度為10 ℃/min，在N2氣氛保護(hù)下進(jìn)行，同時對熱失重曲線進(jìn)行微分(DTG)分析，研究樹脂配方固化物耐熱性及在高溫下的熱穩(wěn)定性。結(jié)果見圖5-6。

通過熱失重曲線可以看出，1號配方的起始分解溫度為364.5 ℃，2號配方的分解起始溫度為363.9 ℃，兩者相近。最大熱失重溫度分別發(fā)生在401 ℃和407.7 ℃，熱失重比重分別為13.52%和13.36%。說明兩者的耐熱性相當(dāng)，都能滿足使用要求。

圖5 1號配方熱失重曲線Fig.5 TG curve of formula 1

圖6 2號配方熱失重曲線Fig.6 TG curve of formula 2

3.1.4 樹脂配方體系澆注體性能

從表1可看出， 2號樹脂配方澆注體物理性能、力學(xué)性能、電性能及耐熱性能稍優(yōu)于1號樹脂配方，這是由于雙酚F環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)上的亞甲基比雙酚A環(huán)氧樹脂亞丙基有更大旋轉(zhuǎn)自由度，且雙酚F環(huán)氧樹脂亞甲基位阻比雙酚A環(huán)氧樹脂亞丙基小，與固化劑反應(yīng)時，雙酚F環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基反應(yīng)活性高，固化物交聯(lián)密度高，使固化物的剛性、熱變形溫度、機(jī)械性能、電絕緣性能和耐化學(xué)性能都有所提高，因而優(yōu)選2號樹脂配方制作絕緣復(fù)合材料試樣。

表1 兩種樹脂配方體系澆注體性能Table 1 Properties of two kinds of cured resin formulas

3.2 絕緣拉桿性能試驗

吸水率屬于絕緣拉桿的一個重要參數(shù)，膠液對纖維優(yōu)良的浸潤性對于降低吸水率尤為重要，而吸水率對其電氣性能又有著很大影響，絕緣拉桿吸水后，其介電損耗升高，局部缺陷增多，導(dǎo)致易被擊穿，本文中的絕緣拉桿不管是室溫還是高溫條件下，吸水率均能滿足不超過0.3%的使用要求。

絕緣拉桿彎曲性能達(dá)到200.25 MPa，滿足高性能絕緣拉桿彎曲性能大于200 MPa性能要求，這是由于高性能徑向纖維提供了足夠的強(qiáng)度和韌性。

絕緣拉桿徑向電氣性能達(dá)到11.35 kV/mm，滿足徑向電氣性能達(dá)到10 kV/mm的技術(shù)指標(biāo)。

從表2中可看出，絕緣拉桿試樣各項性能都達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，表明經(jīng)改性后芳綸纖維界面活性提高，與樹脂界面性能良好。

表2 絕緣拉桿性能試驗Table 2 The property of insulated pole

圖7中淺色不連續(xù)部分為纖維束，深色連續(xù)部分為樹脂，纖維束間的樹脂均勻、連貫。起承力作用的經(jīng)向纖維相對比較整齊、平直，能夠提供較高彎曲強(qiáng)度，起支撐和固定作用的緯向纖維與樹脂能夠充分浸潤，保證了纖維結(jié)構(gòu)的完整性。

從圖8可看出芳綸纖維內(nèi)部被樹脂膠液充分滲透，不存在微小的纖維區(qū)，整個區(qū)域沒有內(nèi)部微小缺陷，樹脂與纖維完全粘合，絕緣拉桿表現(xiàn)出優(yōu)異得的機(jī)械性能和電氣性能。調(diào)控RTM工藝參數(shù)可使纖維束能完全被樹脂浸潤。

從上述纖維內(nèi)部的浸潤性能、軸向電氣強(qiáng)度及吸水率可以看出，只要芳綸纖維束內(nèi)部能夠充分浸潤，芳綸布經(jīng)緯線設(shè)計合理就能夠滿足高電壓等級絕緣拉桿電氣性能要求。

圖7 顯微鏡下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The structure of composite material under microscope

圖8 復(fù)合材料斷面SEM照片F(xiàn)ig.8 The SEM photos of composite material section

4 結(jié) 語

(1) 通過樹脂配方體系性能試驗得出2號樹脂配方要優(yōu)于1號配方， 2號樹脂在60 ℃經(jīng)過10 h，粘度不大于150 mPa·s，且反應(yīng)溫度區(qū)域比較寬，能長時間存放，滿足RTM成型工藝條件； 2號樹脂配方澆注體拉伸強(qiáng)度達(dá)到51.63 MPa，玻璃化溫度為149.3 ℃。

(2) 絕緣拉桿試樣性能試驗滿足技術(shù)指標(biāo)，通過顯微鏡和SEM絕緣拉桿斷面結(jié)構(gòu)圖，可以看出膠液在芳綸纖維束內(nèi)部的浸潤情況，調(diào)控RTM的工藝參數(shù)，可使纖維束能夠完全被樹脂浸潤，更好的發(fā)揮力學(xué)性能。

(3) 芳綸纖維高性能特性及編織結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性，使絕緣拉桿彎曲強(qiáng)度達(dá)到了200 MPa以上，徑向電氣性能達(dá)到了11.35 kV/mm，吸水率最高為0.27%。

[1] 張顯友．陳偉．高壓電器耐SF6新型絕緣材料的研究進(jìn)展[J]．絕緣材料通訊，2000(2)：2l-24．

[2] 崔?。季]纖維在膠管膠布制品中的應(yīng)用[J]．特種橡膠制品，2006，27(6)：32-34．

[3] 趙稼祥．美國Kevlar布性能測試分析[J]．纖維復(fù)合材料，1994，11(2)：32-39．

[4] 王汝敏，鄭水蓉．聚合物基復(fù)合材料及工藝 [M]．北京：科學(xué)出版社，2004.

The Research of Resin Formulation and Performance of High-performance Aramid Fiber Insulated Pole

CHEN Yanmei,HOU Mei，ZhANG Yinfeng，XIE Ruiguang

(Xi’an ChaoMa Composites company，Xi’an 710025)

The basic property of bisphenol A 、bisphenol F epoxy resin system was studied in this paper，two kinds of cured resin formulation of mechanical properties, electrical properties and heat resistance properties was contrasted and analyzed,，the conclusion was obtained from the test data that bisphenol F improved heat-resisting performance of resin formulation system，yet the technology property of resin was not reduced，the structure of insulated pole composite material was observed by means of microscope and SEM electron microscope，furthermore various function measurement of composite material was carried through.

insulated composite materia；aramid fibe；RTM；mechanical property；electrical properties

2016-09-22)

陳燕梅(1986-)，女，陜西人，碩士，工程師。研究方向：復(fù)合材料應(yīng)用。E-mail：137984143@qq.com.