利用熱分析技術(shù)選取多膠模壓體系固化參數(shù)的研究

倪苗苗　張大鵬

摘 要：傳統(tǒng)固化工藝參數(shù)的選取是通過多次制備標(biāo)準(zhǔn)樣棒進(jìn)行性能評定，該方法存在材料用量大，影響因素多，試驗(yàn)周期長，費(fèi)用高等缺點(diǎn)，技術(shù)人員研究出利用熱分析技術(shù)來進(jìn)行固化參數(shù)選取的方法。本文通過分析比較了n階動力學(xué)和非模型動力學(xué)兩種熱分析技術(shù)，來選取多膠模壓體系固化參數(shù)的理論依據(jù)、測試過程、以及測試結(jié)論。本文總結(jié)了兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對該技術(shù)提出了未來展望。

關(guān)鍵詞：多膠模壓體系；熱分析；非模型動力學(xué)

中圖分類號：O657 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

在多膠模壓絕緣體系中，傳統(tǒng)固化工藝參數(shù)的選取是通過多次制備標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)樣棒進(jìn)行性能評定，來確定模壓工藝參數(shù)和指標(biāo)。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是，材料用量大，影響因素多，費(fèi)用高，試驗(yàn)周期長。

在九十年代初，研究人員采用了n階熱動力學(xué)的分析技術(shù)，來測量主絕緣材料物理性能與溫度的關(guān)系，從而測試整個升溫過程反應(yīng)，通過動力學(xué)計算，得到科學(xué)合理的熱固化工藝。隨著熱分析測試原理的進(jìn)步，也因此出現(xiàn)了非模型熱動力學(xué)的分析技術(shù)。通過比較利用熱分析測試選取多膠模壓體系固化參數(shù)的研究，來得到更符合多膠模壓工藝，更能指導(dǎo)多膠模壓生產(chǎn)的參數(shù)。

1 多膠模壓體系的主絕緣材料

多膠模壓體系的主絕緣材料桐馬環(huán)氧玻璃粉云母帶，是由桐馬膠、粉云母紙及玻璃布經(jīng)壓制、烘焙而成。多膠模壓體系的壓制工藝及成品性能主要是取決于桐馬膠固化工藝和固化程度來決定的。優(yōu)秀的多膠模壓固化工藝，應(yīng)使成品線棒中粉云母、玻璃布和桐馬膠達(dá)到最佳的成分配比，通過研究發(fā)現(xiàn)膠含量在30%～35%區(qū)間時擊穿電場強(qiáng)度有最大值，當(dāng)然不同絕緣材料的云母材料，這個數(shù)據(jù)也有所差異。

利用熱分析測試技術(shù)選取多膠模壓體系固化參數(shù)時，主要是針對桐馬膠在模壓體系的熱固性特性進(jìn)行研究。使用差示掃描量熱測試儀，對桐馬膠進(jìn)行不同速率升溫掃描，得到不同的TA熱動力學(xué)曲線，再進(jìn)行熱動力學(xué)數(shù)據(jù)處理。

2 n階動力學(xué)熱分析固化參數(shù)研究

研究人員利用熱分析設(shè)備中的差示掃描量熱儀對云母帶進(jìn)行了大量的升溫速度與溫度測試，掃描方式為多重掃描，升溫速率分別為1℃/min，5℃/min，10℃/min，15℃/min，20℃/min，對桐馬膠進(jìn)行固化反應(yīng)吸熱峰進(jìn)行了測量，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。并繪制出升溫速率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線，如圖2所示。

利用公式（4），將所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入，進(jìn)行數(shù)理計算和處理，就得到反應(yīng)活化能=72.06kJ/mol，頻率因子=60000Hz，反應(yīng)級數(shù)=0.87。

3 非模型動力學(xué)熱分析固化參數(shù)研究

在n階動力學(xué)熱分析研究多膠模壓體系時，往往忽略了固化度對于整個多膠模壓體系反應(yīng)活化能、頻率因子等動力學(xué)參數(shù)的影響。其實(shí)，對于多膠模壓體系固化反應(yīng)來說，是一個復(fù)雜的反應(yīng)過程，可能涉及多個反應(yīng)、擴(kuò)散、揮發(fā)的過程，這就會導(dǎo)致反應(yīng)活化能有所變化。只用單一函數(shù)來建立模型來表征整個反應(yīng)過程，可能會應(yīng)函數(shù)選擇不當(dāng)或假設(shè)不全面，而導(dǎo)致對整個反應(yīng)溫度的判斷，固化時間的精準(zhǔn)度有所下降，尤其在固化反應(yīng)后期這種情況更加明顯。

針對于這種技術(shù)難點(diǎn)，Vyazovkin等提出了一種非模型動力學(xué)的研究方法。非模型動力學(xué)（model free kinetics）是一種多重掃描速率積分法。其理論依據(jù)是，在同一轉(zhuǎn)化率的條件下，反應(yīng)速率是溫度的函數(shù)，故這種方法又稱為等轉(zhuǎn)化率法。

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入，使Ea的值取最小值，則此時的Ea為固化度下的化學(xué)反應(yīng)活能。通過這種數(shù)據(jù)處理，使得Vyazovkin非模型動力學(xué)適用于各種溫度機(jī)制。

利用非模型動力學(xué)研究多膠模壓體系固化參數(shù)時，首先使用差示掃描儀進(jìn)行三種不同速率2℃/min，10℃/min，20℃/min的掃描，可以得到三種熱焓值曲線，如圖3所示。再通過積分計算，得到不同升溫速率下，固化度與溫度的關(guān)系曲線。可以計算出，不同固化度下的多膠模壓體系固化反應(yīng)的化學(xué)活化能。根據(jù)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)所需要的時間，如圖4所示。

4 總結(jié)和展望

本文通過對多膠模壓體系主絕緣材料的闡述，對比了使用不同測試，不同原理的熱分析技術(shù)，在選取多膠模壓體系固化參數(shù)的不同。隨著測試技術(shù)手段不斷升級，對于絕緣材料和絕緣體系的認(rèn)知都有了提高。今后，還應(yīng)根據(jù)多膠模壓工藝的升溫變化，來進(jìn)一步模擬工藝，選取工藝參數(shù)和性能。

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