高耐熱低揮發(fā)單組分不飽和聚酯絕緣漆的制備與研究

劉農(nóng)強(qiáng)，戴慧，鄧?yán)^春，陸順平

（ 1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200233 ）

高耐熱低揮發(fā)單組分不飽和聚酯絕緣漆的制備與研究

劉農(nóng)強(qiáng)1，戴慧2，鄧?yán)^春2，陸順平2

（ 1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；2.上海電動(dòng)工具研究所（集團(tuán)）有限公司，上海 200233 ）

以正交試驗(yàn)制備單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D，分析不飽和聚酯絕緣漆中各組分對(duì)于絕緣漆固化后熱變形溫度的影響。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單組分不飽和聚酯絕緣漆相比雙組分不飽和聚酯絕緣漆，其耐熱性能大幅度提升，在儲(chǔ)存穩(wěn)定性、耐開(kāi)裂性、粘接強(qiáng)度以及使用工藝等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

不飽和聚酯；絕緣漆；高耐熱；低揮發(fā)

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展和科技進(jìn)步，人們要求諸如電動(dòng)工具、吸塵器、家用電器、汽車、摩托車、運(yùn)動(dòng)器材等工具所使用的串勵(lì)電機(jī)必須具備強(qiáng)勁動(dòng)力和可靠壽命，即：電機(jī)單位體積出力更大、轉(zhuǎn)速更高、運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)。這對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)、選材、工藝都提出了新的要求。本文針對(duì)電動(dòng)工具用串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)關(guān)鍵材料——絕緣漆開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，主要介紹高耐熱、低揮發(fā)單組分不飽和聚酯漆的制備與研究。

1 現(xiàn)狀

目前，電動(dòng)工具電機(jī)轉(zhuǎn)子所使用的絕緣漆主要為無(wú)溶劑環(huán)氧漆、不飽和聚酯漆以及環(huán)氧改性不飽和聚酯漆三類。這些絕緣漆均為雙組分漆，使用時(shí)，甲、乙兩個(gè)組分必須按配伍比例經(jīng)充分?jǐn)嚢杈鶆虿⑾龤馀莺蠓娇墒褂?。一般情況下，配好的絕緣漆使用工藝窗口在8 h以內(nèi)。這些絕緣漆各有以下優(yōu)缺點(diǎn)：

1）無(wú)溶劑環(huán)氧漆具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度、優(yōu)良的機(jī)械性能、不易開(kāi)裂以及優(yōu)良的電氣絕緣性能、耐化學(xué)性能和防潮防霉變能力。由于不使用任何溶劑，其固化后揮發(fā)份低于2%，因此對(duì)環(huán)境影響較小，但無(wú)溶劑環(huán)氧漆相比不飽和聚酯漆而言，耐熱性能略有不足。

2）不飽和聚酯漆具有良好的電氣絕緣性能、較好的粘結(jié)強(qiáng)度以及耐熱性能。與無(wú)溶劑環(huán)氧絕緣漆相比較，不飽和聚酯漆由于采用苯乙烯作為交聯(lián)劑，其揮發(fā)份較高，一般情況下固化后揮發(fā)份高達(dá)15%以上，對(duì)環(huán)境的影響較大，其在機(jī)械性能方面略顯欠缺，表現(xiàn)為易開(kāi)裂。

3）環(huán)氧改性不飽和聚酯漆的性能介于上述兩者之間。

共同特點(diǎn)：必須雙組分儲(chǔ)存，特別是不飽和聚酯漆兩個(gè)組分差異極大，配比一般為100：1.5。因采用人工配伍，不確定因素較大，配比不精確或攪拌不均勻?qū)?duì)產(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)直接的負(fù)面影響。

為滿足產(chǎn)品要求以及不同企業(yè)對(duì)環(huán)境和工藝的要求，我們開(kāi)展了耐高溫?zé)o溶劑環(huán)氧絕緣漆和高耐熱低揮發(fā)單組分不飽和聚酯漆研究，以下僅介紹高耐熱低揮發(fā)單組分不飽和聚酯漆的制備與研究。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料

高耐熱不飽和聚酯樹脂；潛伏性引發(fā)劑；高性能交聯(lián)劑；高效阻聚劑；國(guó)產(chǎn)不飽和聚酯絕緣漆；進(jìn)口聚酯漆1；進(jìn)口聚酯漆2。

2.2 儀器

XRW-300型熱變形、維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)定儀，承德市考思科學(xué)檢測(cè)有限公司；膠化時(shí)間測(cè)試儀（自制）；熱失重（TG-DTG）測(cè)試儀；熱風(fēng)循環(huán)烘箱、秒表等。

2.3 步驟

2.3.1交聯(lián)劑揮發(fā)性及相應(yīng)絕緣漆揮發(fā)份測(cè)試

將苯乙烯、高性能交聯(lián)劑在120℃±2℃條件下烘烤10 min，測(cè)試其殘留量。分別以這兩種交聯(lián)劑制備單組分聚酯絕緣漆在130℃±2℃和160℃±2℃下維持1 h，測(cè)量絕緣漆固化后的揮發(fā)份。

2.3.2正交試驗(yàn)法優(yōu)化聚酯漆耐熱性能

為了進(jìn)一步提高電機(jī)絕緣漆的耐熱性能，獲得更高的熱變形溫度，在不飽和聚酯漆基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)三因素四水平正交方案：

1）高效阻聚劑量0%，0.005%，0.01%，0.03%；

2）潛伏性引發(fā)劑量1.5%，2.5%，3%，4%；

3）高性能交聯(lián)劑量5%，10%，15%，20%。

以上百分比含量均以高性能不飽和聚酯樹脂為基數(shù)計(jì)算。

選取L16(45)正交表，空出兩因素為誤差列，分析各因素對(duì)不飽和聚酯漆熱變形溫度的影響。固化工藝：100℃±2℃/1 h，120℃±2℃/1h，160℃±2℃/2 h。

2.3.3單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D性能測(cè)試

比較單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D與國(guó)產(chǎn)不飽和聚酯絕緣漆、進(jìn)口不飽和聚酯絕緣漆的熱變形溫度、表觀分解溫度、粘接強(qiáng)度、儲(chǔ)存穩(wěn)定性、膠化時(shí)間、吸水率、掛漆量、電氣強(qiáng)度等性能。

3 分析

3.1 交聯(lián)劑揮發(fā)性對(duì)絕緣漆揮發(fā)份的影響

由試驗(yàn)可知：在120℃±2℃條件下烘烤10 min，苯乙烯殘留量為9.0%，而高性能交聯(lián)劑殘留量為41%。由此可見(jiàn)，高性能交聯(lián)劑揮發(fā)速度明顯較苯乙烯慢，這是由于高性能交聯(lián)劑的閃點(diǎn)比苯乙烯高，同樣溫度下?lián)]發(fā)速率慢，因此高性能交聯(lián)劑會(huì)更多的參與到交聯(lián)反應(yīng)中。

不同固化工藝下不同交聯(lián)劑對(duì)絕緣漆揮發(fā)份的影響見(jiàn)表1。

由表1可知：在相同固化工藝下，使用高性能交聯(lián)劑的絕緣漆揮發(fā)份低于使用苯乙烯為交聯(lián)劑的絕緣漆，這是由于高性能交聯(lián)劑揮發(fā)性低（閃點(diǎn)比苯乙烯低14℃）且能更多的參與交聯(lián)反應(yīng)；固化溫度越高，絕緣漆的揮發(fā)份越大，這是由于高溫雖能促進(jìn)交聯(lián)劑發(fā)生反應(yīng)，但溫度過(guò)高，大部分交聯(lián)劑還未參與反應(yīng)就揮發(fā)出體系。

從絕緣漆固化后結(jié)構(gòu)分析，由于苯環(huán)引入聚合物分子結(jié)構(gòu)中可以提供一定剛性，因此越多交聯(lián)劑參與固化反應(yīng)，所得到的固化產(chǎn)物機(jī)械性能越好，熱變形溫度越高。從環(huán)保及安全角度考慮，交聯(lián)劑揮發(fā)少，可減少有害氣體的排放并降低火災(zāi)隱患。由此可見(jiàn)高性能交聯(lián)劑不僅可以提高絕緣漆的耐熱性、機(jī)械強(qiáng)度，還能減少VOC排放并降低火災(zāi)隱患。

3.2 聚酯漆熱變形溫度正交分析

熱變形溫度是材料開(kāi)始發(fā)生軟化的溫度，可以反映出絕緣漆固化后的耐熱性能。耐熱性越好，絕緣漆的機(jī)械性能越好，電機(jī)質(zhì)量越穩(wěn)定。單組分不飽和聚酯絕緣漆耐熱性能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。k1表示因素1（阻聚劑）四個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的熱變形溫度平均值kA1=(112+119+151+146)/4=132，極差RA= KA(max)-KA(min)=141.5-132=9.5，RB、RC以此類推結(jié)果如表所示。通過(guò)極差法分析可知：RB＞RC＞RA，對(duì)于不飽和聚酯漆熱變形溫度的影響作用而言，引發(fā)劑＞交聯(lián)劑＞阻聚劑，且獲得最高熱變形溫度的最優(yōu)配方為A1B3C3（阻聚劑0.00%，引發(fā)劑1.5%，交聯(lián)劑15%）。

試驗(yàn)表明，阻聚劑的量越少，耐熱性能越好。為保證絕緣漆有一定的存放時(shí)間及使用窗口，必須使用高效阻聚劑保證絕緣漆的儲(chǔ)存穩(wěn)定。綜合考慮，高效阻聚劑的添加量為0.01%，因此單組分不飽和聚酯絕緣漆的優(yōu)化配方應(yīng)為A3B3C3（阻聚劑0.01%，引發(fā)劑1.5%，交聯(lián)劑15%），以此制得的不飽和聚酯絕緣漆為EX-800D單組分不飽和聚酯絕緣漆。

3.3 EX-800D單組分不飽和聚酯絕緣漆與同類聚酯漆性能對(duì)比

將本文所研制的單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D與市場(chǎng)上雙組分不飽和聚酯絕緣漆進(jìn)行性能對(duì)比，測(cè)試其粘接強(qiáng)度、熱變形溫度、表觀分解溫度、掛漆量、吸水率、貯存期、耐開(kāi)裂性。粘接強(qiáng)度測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3可知，單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D的粘接強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)產(chǎn)雙組分聚酯漆并達(dá)到進(jìn)口聚酯漆水平。

熱變形溫度、表觀分解溫度、貯存期、掛漆量、吸水率、耐開(kāi)裂性、電氣強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。熱變形溫度測(cè)試固化工藝為100℃±2℃/1 h，120℃±2℃/1 h，160℃±2℃/2 h。

熱變形溫度測(cè)試數(shù)據(jù)表明，所研制的單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D比進(jìn)口漆1高34℃，比進(jìn)口漆2高45℃，比國(guó)產(chǎn)漆高42℃，故在耐熱方面更有優(yōu)勢(shì)，可在高溫下保持優(yōu)異的機(jī)械性能。這是由于高性能交聯(lián)劑的揮發(fā)性低，在固化時(shí)可更多的參與交聯(lián)反應(yīng)，有效改善絕緣漆的機(jī)械性能。從表觀分解溫度數(shù)據(jù)可知，EX-800D的表觀分解溫度最高可達(dá)311.07℃，說(shuō)明其耐熱性優(yōu)異。電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生熱量，當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作或出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，電機(jī)溫度可高至130℃或以上，若絕緣漆耐熱性能差，電機(jī)轉(zhuǎn)子可因高溫粘接強(qiáng)度大幅度下降而導(dǎo)致散線以及線包變形、絕緣漆焦化等不良現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電機(jī)的正常使用。因此，EX-800D優(yōu)異的耐熱性能對(duì)確保電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)具有重要意義。

儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D在60℃±2℃環(huán)境下可放置4～5天黏度不翻倍，因此23℃±2℃條件下可保證4個(gè)月不影響正常使用，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性滿足實(shí)際使用需求。雙組分聚酯漆需在甲乙組分混合后8 h內(nèi)使用完畢，否則漆液黏度增大將影響絕緣漆的正常使用。單組分聚酯漆除具有儲(chǔ)存穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)外，其可使用時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于雙組分聚酯漆。此外，由于EX-800D為單組分，不需要甲乙組分混合的工藝，故實(shí)際使用中操作簡(jiǎn)單，避免了人工配漆出錯(cuò)、混合不均勻等不確定因素。

幾種聚酯絕緣漆的耐開(kāi)裂性見(jiàn)圖1所示，以10 g加螺帽的固化漆塊（固化工藝130℃/1 h）經(jīng)-20℃～160℃冷熱循環(huán)試驗(yàn)10次以評(píng)價(jià)絕緣漆的耐開(kāi)裂性。國(guó)產(chǎn)聚酯漆高溫下反應(yīng)劇烈，收縮大，開(kāi)裂鼓包現(xiàn)象明顯。EX-800D單組分不飽和聚酯漆的耐開(kāi)裂性接近與進(jìn)口聚酯漆水平，反應(yīng)平穩(wěn)且開(kāi)裂小，可有效解決電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣漆由于驟冷或滴漆過(guò)于飽滿而導(dǎo)致的開(kāi)裂問(wèn)題，對(duì)提高電機(jī)中絕緣材料的耐熱性能、機(jī)械性能以及轉(zhuǎn)子外觀等多方面有較大幫助。

從掛漆量數(shù)據(jù)可知，EX-800D可達(dá)到雙組分進(jìn)口漆水平且超過(guò)國(guó)產(chǎn)雙組分絕緣漆0.5%。此外EX-800D的吸水率很低，可達(dá)到進(jìn)口雙組分不飽和聚酯絕緣漆的水平。

4 結(jié)論

通過(guò)正交試驗(yàn)成功研制出儲(chǔ)存穩(wěn)定性好、揮發(fā)份低、耐熱高的單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D，研究不飽和聚酯絕緣漆中各組分對(duì)熱變形溫度的影響以及絕緣漆的各項(xiàng)性能。主要結(jié)論如下：

1）由正交試驗(yàn)法分析出對(duì)絕緣漆熱變形溫度影響由大到小排序?yàn)椋阂l(fā)劑＞交聯(lián)劑＞阻聚劑，綜合考慮熱變形溫度及儲(chǔ)存穩(wěn)定性，得出單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D優(yōu)化配方（不飽和聚酯樹脂100 g、阻聚劑0.01 g、引發(fā)劑1.5 g、交聯(lián)劑15 g）。

2）單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D具有優(yōu)異的耐熱性能，熱變形溫度高達(dá)161℃，表觀分解溫度達(dá)到311.07℃，相比市場(chǎng)上雙組分聚酯絕緣漆的耐熱性能有大幅度的提高，有效提升高溫下電機(jī)的機(jī)械性能和耐久性。

3）單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D具有低揮發(fā)的特點(diǎn)，交聯(lián)劑能更有效參與交聯(lián)反應(yīng)，減少有害氣體的排放且降低火災(zāi)隱患。

4）單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D有效的避免了雙組分絕緣漆在人工操作下配比不精確或攪拌分散不均勻?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量帶來(lái)直接的負(fù)面影響。

5）單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D的掛漆量高、耐開(kāi)裂性好、吸水率低、電性能優(yōu)異，各項(xiàng)性能均達(dá)到進(jìn)口雙組分聚酯漆水平。

不飽和聚酯絕緣漆在電機(jī)絕緣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，本文所研制的單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D具有技術(shù)先進(jìn)性和極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，此產(chǎn)品的研制成功對(duì)于提高電機(jī)性能和使用壽命具有重大意義，并為開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品——單組分聚酯包封膠和導(dǎo)熱軸絕緣材料奠定了基礎(chǔ)。但試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)單組分不飽和聚酯絕緣漆EX-800D雖然開(kāi)裂小且反應(yīng)平緩，但耐開(kāi)裂性能仍有待進(jìn)一步提高，因此不飽和聚酯絕緣漆的增韌改性研究將成為其應(yīng)用在電機(jī)絕緣領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究方向。

[1]Hunt B J and James MI. Polymer Characterization[M]. Glasgow: Blackie Academic &Professional, 1993:120～125.

[2]Zaske OC. Unsaturated Polyester and Vinyl Ester. In Handbook of Thermoset Plastics Ed.By S.H.Goodman [M]. New Jersey:Noyes Publications,1986:58～25.

[3]黃發(fā)榮，焦揚(yáng)聲.塑料工業(yè)手冊(cè)（不飽和聚酯樹脂）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[4]Zheng A,Ota T,Sato T,et al.An ESR Study of the Curing Reaction of Unsaturated Polyester with Vinyl Monomers and the Thermal Behavior of the Cured Polymers[J]. Macromol Sci-chem.1988,A25(1):1～26.

[5]Sheppard C S, Kamath V R.Polym.Eng.Sci.1979,19:597.

The Preparation and Research of High Heat-resistant Lowvolatile One-component Unsaturated Polyester Varnish

Liu nongqiang1, Daihui2, Dengjichun2, Lushunping2
(1. Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. SETRI (Group) Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

The paper prepared one-component unsaturated polyester insulating varnish EX-800D through the orthogonal experiment, and discovered the influence of components for unsaturated polyester varnish on the temperature of thermal deformation. Compared with two-component unsaturated polyester varnish, one-component unsaturated polyester varnish significantly enhances heat resistant properties, while its storage stability, cracking resistance, adhesive strength and application process have absolute advantages.

unsaturated polyester; insulating varnish; high heat-resistant; low-volatile

TM21

A

1674-2796（2017）02-0001-05

2016-12-05

劉農(nóng)強(qiáng)（1988—），男，大學(xué)本科，工程師，主要從事絕緣漆及相關(guān)材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用工作。