130級(jí)紫外光固化型漆包線用環(huán)保絕緣漆的制備與性能研究

馬素德，趙利斌

(1．西華大學(xué)材料學(xué)院， 四川 成都 610039； 2．四川北方硝化棉股份有限公司， 四川 瀘州 646003)

絕緣漆是保證電氣設(shè)備正常工作的必要條件之一，在電氣絕緣領(lǐng)域占有重要地位。已工業(yè)化生產(chǎn)的絕緣漆按耐熱等級(jí)及主要成分大致可分為7大類，均為溶劑型產(chǎn)品，VOC(揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì))含量高達(dá)近70%。為減少污染，目前一般將VOC進(jìn)行燃燒處理，但溶劑本身及其燃燒產(chǎn)物均有濃烈的刺激性氣味，對(duì)操作工人及附近居民都有影響；VOC燃燒需要的催化劑價(jià)格昂貴，難以再生及無(wú)害化處理；將有機(jī)溶劑進(jìn)行燃燒也是一種巨大的資源浪費(fèi)，且排放大量的CO2。為改變?nèi)軇┬徒^緣漆對(duì)大氣污染較為嚴(yán)重的狀況，人們嘗試了很多種思路，包括水性化、熔融噴涂等，但均由于性能指標(biāo)不合格或成本過(guò)高等因素，產(chǎn)品至今無(wú)法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

本文以分子設(shè)計(jì)的基本思想為指導(dǎo)，合成了含有功能性基團(tuán)的紫外光活性樹脂，并制備了新型紫外光活性環(huán)保絕緣漆。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

利用酸及酸酐和醇的酯化反應(yīng)，生成含有紫外光活性基團(tuán)的線性分子，同時(shí)通過(guò)酯化反應(yīng)原料的選擇，在線性分子中引入熱活性基團(tuán)。分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型環(huán)保絕緣漆專用樹脂的分子結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)原料與設(shè)備

合成反應(yīng)及制漆過(guò)程中所用原料如表1所示。

表1 主要原材料

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樹脂合成步驟

將表1中不飽和二元醇與飽和二元酸酐及二元酸按一定比例加入到2 000 L的不銹鋼反應(yīng)釜中，常溫下攪拌反應(yīng)3 h。然后繼續(xù)按比例加入兩種飽和二元醇A和B及四元醇、三元酸，邊攪拌邊升高物料溫度到180～200 ℃，進(jìn)行合成反應(yīng)。反應(yīng)進(jìn)行4 h后每隔30 min測(cè)一次酸值[1]，待酸值低于90 mg/g后加入不飽和二元酸酐，升高物料溫度到220 ℃繼續(xù)反應(yīng)并測(cè)酸值。待酸值低于100 mg/g后開始對(duì)物料進(jìn)行減壓蒸餾，酸值低于45 mg/g后停止減壓，降溫，結(jié)束反應(yīng)，得到新型紫外光活性環(huán)保絕緣漆專用樹脂。

制備實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品性能檢測(cè)所用主要設(shè)備見表2。

表2 主要設(shè)備

1.3.2 制漆步驟

將上述樹脂用齒輪泵泵入5 000 L的碳鋼反應(yīng)釜中，攪拌下加入一定比例的單官能度及三官能度稀釋劑、阻聚劑、流平劑、消泡劑和光引發(fā)劑。繼續(xù)攪拌30 min，出料，得到新型紫外光固化型環(huán)保絕緣漆，為淺黃褐色到黃綠色的透明液體，有一定黏度。

1.3.3 絕緣漆專用樹脂分子量測(cè)試

以凝膠滲透色譜儀(GPC)進(jìn)行。四氫呋喃(THF)為溶劑，在25 ℃下，在3根單分散聚苯乙烯為固定相的色譜柱(分別為103、104、105)上測(cè)試，液相流速1.0 mL/min，色譜柱事先用6個(gè)已知分散系數(shù)的單分散聚苯乙烯樣品標(biāo)定。

1.3.4 絕緣漆黏度測(cè)試

按標(biāo)準(zhǔn)方法以旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試[2]，試驗(yàn)溫度為25±1℃。

1.3.5 絕緣漆有效固含量測(cè)試

取實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)馬口鐵樣板三張，用細(xì)砂紙打磨掉樣板表面的鍍層，用軟棉布擦拭干凈。用流延法將產(chǎn)品涂覆在潔凈的馬口鐵片上，控制漆膜厚度為50±10 μm，將該貼片置于紫外光固化型漆包機(jī)的UV燈管距離15 cm處，輻照30 s，完成固化。有效固體含量由下式計(jì)算得到：

(1)

式中：sc為漆料的有效固含量；m2為漆膜固化后馬口鐵片的質(zhì)量(精確到0.001 g)；m0為涂漆前馬口鐵片的質(zhì)量(精確到0.001 g)；m1為涂漆后且漆膜固化前的質(zhì)量(精確到0.001 g)。分別在3張馬口鐵上測(cè)試，結(jié)果取平均值。

1.3.6 漆包線的試制

在紫外光固化型漆包機(jī)(該機(jī)為課題組訂制，立式)上試制漆包圓銅線，導(dǎo)體直徑1.0 mm，采用模具法涂漆，涂漆道數(shù)為7道，車速20 m/min。紫外光固化型漆包機(jī)中以定制高壓汞燈為紫外光源，經(jīng)燈罩反光后光線近似平行發(fā)射、均勻布置，光照區(qū)高度為1 200 mm，距離光源60 mm處的紫外光功率為2 100 mJ/min。

1.3.7 漆包線性能測(cè)試

所制備漆包圓銅線的各項(xiàng)性能按現(xiàn)有130L級(jí)聚酯漆包線性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[3-4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 樹脂分子量及其分布

GPC分析結(jié)果見表3?？梢姶藰渲肿恿枯^小，從而具有較低的黏度，便于使用。此外，此樹脂的多分散性系數(shù)(polydispersity)較大，賦予漆膜以較好的使用性能和機(jī)械性能。

表3 紫外光固化絕緣漆專用樹脂分子量分析

2.2 絕緣漆黏度

取絕緣漆樣品1 000 ml，每次取150 ml在25 ℃下測(cè)量黏度，測(cè)5次，取平均值，得到絕緣漆的黏度為265 mPa.s。

2.3 絕緣漆有效固含量

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該新型絕緣漆的有效固含量為99.2%。

2.4 自制漆包圓銅線樣品性能

自制漆包圓銅線樣品性能見表4?？梢娖涓黜?xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或高于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中130級(jí)漆包線的規(guī)定。

表4 新型130級(jí)紫外光固化環(huán)保絕緣漆所制備漆包圓銅線性能指標(biāo)

2.5 絕緣漆經(jīng)濟(jì)性分析

由于本環(huán)保絕緣漆有效固含量(99%以上)比現(xiàn)有溶劑型絕緣漆(31%左右)高許多，相當(dāng)于單位質(zhì)量的環(huán)保絕緣漆可制造更多的漆包線(3倍左右)，且?guī)谉o(wú)VOC的排放，環(huán)保性能突出，碳排放量極低。此外，由于VOC含量少，本絕緣漆在制造漆包線過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行溶劑的揮發(fā)(吸熱過(guò)程)，有望進(jìn)一步降低使用本絕緣漆制造漆包線的能耗。

3 結(jié) 論

作為一個(gè)傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品，絕緣漆尤其是漆包線用絕緣漆的主要成分及其使用工藝數(shù)十年來(lái)沒有大的改觀，盡管隨著設(shè)備設(shè)計(jì)方面的精細(xì)化和控制系統(tǒng)的精密化，單位漆包線生產(chǎn)的能耗有所降低，但VOC排放無(wú)法消除，環(huán)境污染較大。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)的漸趨嚴(yán)格，迫切需要從根本上解決絕緣漆的污染問(wèn)題。本研究提供了一種紫外固化型環(huán)保絕緣漆產(chǎn)品。該漆可在在紫外光作用下迅速固化，從而將VOC減少到近似為零的程度，從根本上消除了傳統(tǒng)絕緣漆對(duì)大氣的污染。以該種絕緣漆生產(chǎn)漆包線，耐熱指數(shù)達(dá)到130級(jí)。與傳統(tǒng)溶劑型絕緣漆生產(chǎn)漆包線所得產(chǎn)品相比，性能指標(biāo)沒有降低，綜合能耗有所減少，而VOC排放量近似為零，是一種環(huán)保、節(jié)能且經(jīng)濟(jì)性良好的新型產(chǎn)品，推廣前景良好。

致謝：本研究過(guò)程中，獲得了中國(guó)電氣工業(yè)協(xié)會(huì)電線電纜分會(huì)張志昌高級(jí)工程師、西安交通大學(xué)電氣絕緣研究中心鐘力生教授、清華大學(xué)新材料研究所宋國(guó)林副教授等的大力支持，在此謹(jǐn)致謝意。