硅微粉含量對電氣絕緣用環(huán)氧澆注料綜合性能的影響

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(1.江蘇省如皋市供電公司，江蘇 如皋 226500； 2.江蘇省南京供電公司，南京 210013； 3.上海雷博司電氣股份有限公司，上海 201807； 4.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

環(huán)氧樹脂( EP) 是一種重要的熱固性樹脂,具有良好的熱穩(wěn)定性、優(yōu)越的尺寸穩(wěn)定性及優(yōu)良的電氣絕緣性能,廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料、高性能膠粘劑、電絕緣材料等領(lǐng)域[1-3]。環(huán)氧絕緣澆注料是由樹脂、固化劑、填充劑等混合而成的液態(tài)或黏稠狀的可聚合樹脂混合物。在澆注溫度下，澆注料有較好的流動性和較少的揮發(fā)物，固化快，固化后收縮率小等特點(diǎn)，澆注料固化后形成的環(huán)氧樹脂是集絕緣、防潮、防霉、防腐、固定和隔離等多種功能于一體的絕緣制品。

硅微粉(填料)是絕緣澆注料的重要組分之一，對于減少收縮、降低成本、提高性能等具有不可替代的作用[4-17]。但是，填料含量對電氣絕緣用環(huán)氧樹脂的介電性能、體積電阻率、耐電痕、耐腐蝕、吸水性和機(jī)械性能究竟有什么樣的影響，硅微粉含量的比例在什么范圍內(nèi)才能得到綜合性能最優(yōu)的樹脂等問題的研究，在國內(nèi)少有研究和報道。

目前，絕緣件制造商為了降低成本則盡可能提高填料含量的比例。填料含量過高的絕緣件，其絕緣性能、機(jī)械性能和使用壽命會大大降低，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行；填料含量過低的絕緣件，其綜合性能也會降低。環(huán)氧樹脂生產(chǎn)廠家也沒有對填料的添加比例做出合理的規(guī)定，給環(huán)氧絕緣件制造商帶來了很大的困惑。

為了解決這些疑問和困惑，筆者研究了活性硅微粉的添加量對環(huán)氧樹脂綜合性能的影響，得到了適合工業(yè)化生產(chǎn)的、比較合理的填料含量的比例范圍，為環(huán)氧絕緣件的生產(chǎn)以及環(huán)氧絕緣件的安全、可靠運(yùn)行提供參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

1.1 材料

1) 225樹脂雙酚A型環(huán)氧樹脂。

2) 925固化劑改性甲基四氫苯酐；上海長瀨貿(mào)易有限公司。

3) 400目活性硅微粉江蘇聯(lián)瑞新材料股份有限公司。

4) BDMA促進(jìn)劑。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備

設(shè)備：APG注射機(jī)，真空混料罐，烘箱。

儀器：DV-S型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，CMT-4 304 GD型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，822 e梅特勒DSC測試儀，Gelnorm Geltimer凝膠時間測定儀，QS-37型西林電橋，沖擊試驗(yàn)機(jī)，精密天平，耐漏電起痕測試儀。

1.3 樣條測試標(biāo)準(zhǔn)

樣條的拉伸強(qiáng)度—ISO 527：2012；

彎曲強(qiáng)度—ISO 178：2010；

沖擊強(qiáng)度—ISO 179-1：2010；

壓縮強(qiáng)度—GB/T 1448—2005；

耐電痕化試驗(yàn)—GB/T6553-2014；

IEC60587：2007；

介電性能—IEC 60250；

體積電阻率—IEC 60093

吸水性—ISO 62；

耐堿液腐蝕—GB/T 11547—2008。

2 樣條的制備過程

APG工藝過程包括3個過程：前期混料、自動壓力凝膠成型、成型后固化，電氣絕緣用環(huán)氧澆注料樣條制備工藝過程，見圖1。

圖1 電氣絕緣用環(huán)氧澆注料樣條制備工藝過程Fig.1 Pouring process for electrical insulation with epoxy

將樹脂/固化劑按100：85的比例添加到混料罐，將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的填料加入混料罐中，并添加0.2%的促進(jìn)劑，在40 ℃，30～40 rpm的攪拌速度下攪拌并脫泡2 h，得到的混合料使用APG設(shè)備制樣，模具溫度實(shí)測值控制在140～145 ℃，保壓時間10 min，脫模并標(biāo)記好樣條編號，清理樣條毛刺后放入145 ℃的烘箱中后固化10 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同填料配方

樹脂/固化劑的比例為100/85，不同填料含量配方的環(huán)氧澆注料基本參數(shù)和加工工藝參數(shù)見表1和表2。

表1 不同填料含量配方基本參數(shù)對比表Table 1 Parameter data of different filler contented

表2 不同填料含量配方的加工工藝對比表Table 2 Prepared process for different filler contented

從表1和表2 中可看出，填料的含量從210份到480份的變化過程中，澆注料凝膠時間和玻璃化溫度沒有明顯變化，主要的影響是混合料粘度的上升，從樣條制備工藝表格中可以看出，隨著填料比例的增加，注料壓力明顯變大，當(dāng)填料比例增大到450份時，需要將正常生產(chǎn)時的過濾網(wǎng)去除，同時，需要很高的注料壓力才可以完成生產(chǎn)。此外，根據(jù)絕緣件制備工藝中的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)混合料的粘度大于60 000 cp時，使用起來就比較困難，不僅需要很高的注射壓力，而且制備的絕緣件容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，比如環(huán)氧澆注料與嵌件之間的氣孔、缺料等。這主要是因?yàn)殡S著活性填料用量的增加，環(huán)氧樹脂與填料之間的浸潤性變差，填料分散的均勻性變差，且粘度增加導(dǎo)致混合料的脫泡變得困難。在后面的“3.6機(jī)械性能試驗(yàn)”中會進(jìn)一步論述。

3.2 電性能試驗(yàn)

不同填料含量配方的介電性能和體積電阻率的對比見表3、表4和表5。

表3 不同填料含量配方介電損耗隨溫度的變化曲線Table 3 Curve of dielectric loss with temperature changed for different filler contented

表4 不同填料含量配方介電常數(shù)隨溫度的變化曲線Table 4 Curve of dielectric constant with temperature changed for different filler contented

表5 不同填料含量配方體積電阻率隨溫度的變化曲線Table 5 Curve of volume resistivity with temperature changed for different filler contented

從表3和表4中可看出，隨著填料含量的增加，介電損耗和介電常數(shù)基本呈增大的趨勢，且隨著溫度的升高不斷增大；介電損耗和介電常數(shù)隨著填料含量不同而變化的曲線見圖2和圖3。

圖2 介電損耗隨溫度變化曲線Fig.2 Curve of dielectric loss with temperature changed

同一溫度下，不同填料含量的樣條體積電阻率維持在同一數(shù)量級，沒有明顯的變化趨勢；隨著溫度的升高，體積電阻率明顯降低，到120 ℃時降低了3個數(shù)量級。

圖3 不同配方體系介電常數(shù)隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of dielectric constant with temperature changed

3.3 耐電痕試驗(yàn)

不同填料含量配方耐電痕化試驗(yàn)的對比數(shù)據(jù)見表6和表7。表6和表7中，樣塊失效時間單位為min，表面采用40目棕剛玉噴砂處理。

表6 不同填料含量配方耐電痕化試驗(yàn)失效時間對比—表面處理Table 6 Time of failure resistance to trapping test with surface treated

表7 不同填料含量配方耐電痕化試驗(yàn)失效時間的對比—樣塊表面無處理Table 7 Time of failure resistance to trapping test without surface treated

通過表6和表7可得出，對于表面無噴砂處理的試樣，在較低填料含量階段，填料含量的增加有利于提高試樣的耐電痕化失效時間，填料含量達(dá)到61.86%時，試樣可以達(dá)到2.5 kV的試驗(yàn)級；

對于表面進(jìn)行40目棕剛玉噴砂處理后的試樣，耐電痕化失效時間明顯縮短；且隨著填料含量的增加，其失效時間先延長后縮短，當(dāng)填料含量達(dá)到69.42%時，平均失效時間達(dá)到最長。

3.4 耐堿液腐蝕試驗(yàn)

不同填料含量配方耐堿液腐蝕對比見表8。使用分析純NaOH配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的溶液，分別將不同配方的樣條放入堿液浸泡，測試浸泡2周，4周，6周，8周，10周后樣條的質(zhì)量m，并與樣條起始質(zhì)量比較，得到如表8的數(shù)據(jù)，其變化曲線見圖4。

表8不同填料含量配方耐堿液腐蝕對比
Table8Alkali-resistantcorrosionofdifferentfillercontented

配方號2周 m2-m14周m3-m16周m4-m18周m5-m110周m6-m1配方10.002 10.000 2-0.001 8-0.000 30.001 2配方20.002 20.001 0-0.001 70.001 20.001 3配方30.001 9-0.000 50.000 1-0.001 30.000 7配方40.000 90.000 6-0.001 90.000 70.000 4配方50.002 30.000 3-0.001 50.001 00.001 0配方60.002 20.000 4-0.001 20.001 40.001 1配方70.001 0-0.000 5-0.002 7-0.001 3-0.001 0配方80.000 5-0.000 5-0.002 9-0.001 3-0.002 0配方90.000 8-0.000 8-0.003 6-0.001 6-0.002 9配方10-0.000 8-0.001 7-0.004 2-0.003 5-0.004 6

從圖表中可看出，從配方7開始，環(huán)氧體系樣塊在堿液中浸泡后的質(zhì)量明顯減小，說明這些環(huán)氧體系的耐堿腐蝕性能明顯變差。

圖4 不同配方體系在堿液中浸泡后質(zhì)量變化Fig.4 Quality changes after soaked in alkaline solution for different filler contented

3.5 吸水性試驗(yàn)

不同填料含量配方對室溫吸水率的對比數(shù)據(jù)見表9。從表中可看出，材料的吸水率隨著填料含量的增加而下降。活性硅微粉填料是經(jīng)過偶聯(lián)劑處理的。在其顆粒表面具有一層極薄而牢固的硅烷偶聯(lián)劑膜，使顆粒表面原來的極性變成非極性，使之具有憎水的作用。因此，體系中活性硅微粉含量增加，材料的吸水率下降。

表9 不同填料含量配方室溫吸水率對比表Table 9 Water absorption at room temperature for different filler contented

3.6 機(jī)械性能試驗(yàn)

不同填料含量配方體系的機(jī)械性能的對比見表10，其抗拉強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度變化曲線見圖5，抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度見圖6。

表10 不同填料含量配方機(jī)械性能對比表Table 10 Mechanical properties of different filler contented

圖5 不同配方體系機(jī)械性能變化曲線1Fig.5 Mechanical properties 1 in different filler contented

圖6 不同配方體系機(jī)械性能變化曲線2Fig.6 Mechanical properties 2 in different filler contented

從表10和圖5、圖6可得到，隨著填料含量的增加，拉伸彈性模量和彎曲彈性模量逐漸增大，斷裂伸長率減小。隨著填料含量的增加，環(huán)氧體系的拉伸強(qiáng)度從配方8開始直到配方10都不穩(wěn)定；沖擊強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后出現(xiàn)波動的趨勢，從配方8開始出現(xiàn)比較大的波動，主要是由于填料含量過于大，導(dǎo)致填料的浸潤性變差，分散均勻性變差，導(dǎo)致機(jī)械性能出現(xiàn)波動。

4 結(jié)論

1)隨著環(huán)氧樹脂體系中填料含量的增加，樣塊的介電常數(shù)和介電損耗總體呈增大的趨勢。

2)填料在較低含量時，隨著比例的增大，耐漏電痕跡性能增大，當(dāng)填料含量達(dá)到69.42%時耐漏電痕跡性能達(dá)到最大；之后隨著填料的進(jìn)一步增多，耐漏電痕跡性能又開始變差。

3)當(dāng)填料含量增大到67.26%，耐堿液腐蝕性能開始明顯的下降。

4)樣塊的機(jī)械性能起先是隨著填料含量增加不斷升高，當(dāng)填料含量增加到69.42%時，機(jī)械性能開始出現(xiàn)波動。

5)雖然填料含量增大，可減小澆注件的收縮率、提高其熱傳導(dǎo)率和剛性、改善其耐開裂性能、降低生產(chǎn)成本，但是過高的填料含量，不但使工藝性變差，還會降低產(chǎn)品的絕緣性能、機(jī)械穩(wěn)定性、耐腐蝕性等。因此，從綜合性能考慮，填料的最佳含量范圍在63%～67%。

當(dāng)然，以上結(jié)論是建立在其他工藝參數(shù)不變、僅改變填料含量的基礎(chǔ)之上。其他工藝參數(shù)改變的同時，變化填料含量對環(huán)氧體系的性能有什么樣的影響有待進(jìn)一步的研究。