高性能環(huán)氧澆注膠固化工藝及性能研究

馬 鋒，施依呈，徐曉飛，姚 洋，鄧 丹

（嘉興學院高分子材料與工程系，浙江 嘉興 314001）

隨著電機絕緣技術(shù)的發(fā)展，要求環(huán)氧澆注膠具有良好的電氣性能和機械性能，以滿足電機在惡劣環(huán)境下的使用要求。環(huán)氧澆注膠一般由雙酚A環(huán)氧樹脂、酸酐類固化劑及填料制成。非金屬礦物填料是環(huán)氧澆注膠的重要組分之一，其作用不僅在于降低環(huán)氧樹脂固化物的成本，更在于降低環(huán)氧樹脂的反應放熱值和固化收縮率，減小固化物線膨脹系數(shù)，從而提高環(huán)氧澆注膠的綜合性能[1]。環(huán)氧澆注膠的性能優(yōu)劣與環(huán)氧樹脂所采用的固化工藝密切相關(guān)[2]。本研究通過對澆注體系不同升溫速率下特征溫度、凝膠時間進行研究，首先確定體系的固化工藝，在此基礎上研究了體系中硅微粉填料添加量對環(huán)氧澆注膠性能的影響，獲得了導熱性能、機械性能和電學性能綜合優(yōu)化的環(huán)氧澆注膠。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

導熱儀（美國ANTER公司）；R-4050型萬能試驗機（深圳瑞格爾）；QS30介電性能測試儀（上海精密科學儀器有限公司）。HE-4121環(huán)氧樹脂和HH-406酸酐（上海雄潤樹脂有限公司）；硅微粉（800目）為市售工業(yè)品。

1.2 制備方法

將HE-4121和HH-406按比例共混于燒瓶中，升溫至80℃后加入預先干燥好的硅微粉，機械攪拌30 min。停止攪拌后，將燒瓶放入真空干燥箱中脫泡至無氣泡為止，然后將澆注料灌入預熱的模具中，按照一定的固化工藝進行固化。

2 分析與討論

2.1 固化工藝的研究

當體系采用不同的升溫速率時，其各特征溫度也不相同，因此采用T-β外推法得出升溫速率為0時的各特征溫度來確定樹脂的理論固化溫度[3-4]。分別以Ti、Tp和Tf為縱坐標，以升溫速率β為橫坐標作圖，并對所得圖形進行線性擬合（圖1），利用外推法求得升溫速率為0時，HE4121/HH406體系的各特征溫度值，得出體系的理論預固化溫度、固化溫度和后固化溫度分別為92℃、116℃和125℃。

圖1 HE4121/HH406體系各特征溫度與升溫速率的關(guān)系

凝膠時間是確定澆注工藝參數(shù)的主要依據(jù)之一，如果環(huán)氧澆注膠的凝膠化時間短，就會導致相應的澆注、真空脫泡時間短，使工件澆注不完全或處理不充分，從而影響澆注件的質(zhì)量；如果凝膠化時間過長，就會導致環(huán)氧澆注膠中的無機填料產(chǎn)生沉降，造成工件中上下比重不一致，最終產(chǎn)生內(nèi)應力?？墒箷r間是材料粘度從初始粘度到20000mPa·s所經(jīng)歷的時間，凝膠時間一般為可使時間的兩倍。90℃下，體系粘度隨時間的變化曲線如圖2所示。從圖2可以得出，體系在90℃的凝膠時間約為5h。

圖2 HE4121/HH406體系粘度隨時間的變化關(guān)系

根據(jù)上述研究結(jié)果，對體系按照90℃/5h+115℃/3h+125℃/10h的三段逐步升溫固化工藝進行固化處理。

2.2 硅微粉添加量對體系導熱系數(shù)的研究

在環(huán)氧樹脂中填充硅微粉，最顯著的作用就是提高澆注材料的導熱系數(shù)，導熱系數(shù)高的材料有助于將固化過程中產(chǎn)生的熱量有效導出，從而降低材料的溫度。在不影響澆注工藝和澆注件力學性能的前提下，可以最大限度地填充粉體，以提高澆注膠的導熱系數(shù)。圖3是硅微粉添加量對體系導熱系數(shù)的影響，可以發(fā)現(xiàn)，體系的導熱系數(shù)隨硅微粉填充量的增加而增大。

圖3 硅微粉添加量對體系導熱性能的影響

2.3 硅微粉添加量對體系機械性能的影響

圖4是硅微粉添加量對體系彎曲和拉伸性能的影響。從圖4可以看出，隨著硅微粉含量的增加，澆注體系的彎曲強度和拉伸強度均呈先下降再增加最后再下降的變化趨勢。在硅微粉的添加量較小時，硅微粉易在環(huán)氧樹脂中發(fā)生沉降，導致分散不均勻，從而產(chǎn)生較多的應力集中點，使得固化后的機械強度下降。隨著氧化硅加入量的增加，即其有效填充體積增大，減小了澆注試樣的固化收縮，使收縮內(nèi)應力降低，因此澆注材料的拉伸強度及彎曲強度隨填料量增加而提高；但填料的加入量過大，樹脂對填料顆粒的充分浸潤難以實現(xiàn)，顆粒間易團聚，固化過程中團聚體將成為應力集中點，固化物的機械強度反而降低[5]。

圖4 硅微粉添加量對體系彎曲和拉伸性能的影響

2.4 硅微粉添加量對體系電學性能的影響

在高等級環(huán)氧澆注膠中，對材料的介電性能有較高的要求，介電常數(shù)和介電損耗越小越好。圖5是硅微粉添加量對體系介電常數(shù)和介電損耗的影響。介電常數(shù)和介電損耗的變化趨勢均隨著填料含量的增加而升高，特別是在200份以前數(shù)值升高較快，隨后趨于平穩(wěn)，這主要是由于硅微粉的介電常數(shù)和介電損耗均高于樹脂基體導致。

圖5 硅微粉添加量對體系電學性能的影響

3 結(jié)論

（1）通過對高性能環(huán)氧澆注膠固化體系不同升溫速率下特征溫度、凝膠時間的研究，確定了體系的固化工藝為90℃/5h+115℃/3h+125℃/10h。

（2）研究了體系中硅微粉含量對環(huán)氧澆注膠性能的影響，澆注體系的導熱系數(shù)、介電常數(shù)以及介質(zhì)損耗因數(shù)都隨硅微粉添加量的增加而升高，而體系的彎曲強度和拉伸強度均呈先下降再增加最后再下降的變化趨勢。在硅微粉添加量為280份時，體系機械性能最佳。

[1]徐旭，饒保林，李冰，等.硅微粉用量對干式變壓器用環(huán)氧澆注料性能的影響[J].絕緣材料，2010，43（1）：56-57.

[2]李紅，朱艷，寧榮昌，等.環(huán)氧樹脂/酸酐固化劑體系的固化動力學及耐熱性研究[J].粘接，2008，29（9）：12-15.

[3]張競，黃培.環(huán)氧樹脂固化動力學研究進展[J].材料導報，2009，23（7）：58-62.

[4]于伯齡，姜膠東.實用熱分析[M].北京：紡織工業(yè)出版社,1990.

[5]簡本成，陳燕.氧化鋁填料性能對環(huán)氧樹脂澆注制品性能的影響[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷，2004，25（1）:18-20.□