玻璃纖維增強PA66復合材料作為高壓開關(guān)設(shè)備絕緣件材料的可行性分析

司曉闖，袁端鵬，李 凱，郝留成，陳 蕊，張娜娜

（平高集團有限公司，河南 平頂山，467001）

0 前言

絕緣件是高壓開關(guān)設(shè)備的重要零部件組成之一，起絕緣和支撐等作用，該類絕緣件通常采用環(huán)氧樹脂真空澆注工藝制備而成。環(huán)氧樹脂澆注材料為熱固性材料，廢棄物難以回收利用、降解困難，需要進行特殊填埋處理，造成嚴重的環(huán)境污染。相比于環(huán)氧樹脂，成本低廉、制造工藝簡單且可回收利用的熱塑性材料在性能、加工和環(huán)保性方面具有很大的優(yōu)勢[1-7]。其中玻璃纖維增強聚酰胺復合材料具有優(yōu)異的力學、熱學和電學性能[8-12]，成為未來高壓開關(guān)設(shè)備絕緣件用材料發(fā)展的重點方向之一。目前國內(nèi)企業(yè)在新型復合絕緣材料開關(guān)設(shè)備中應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝研究上與國際水平存在著一定的差距[13]。國內(nèi)僅有少數(shù)相關(guān)廠家在中低壓開關(guān)用固封極柱、母線套管等上進行了PA66/SGF復合材料的應(yīng)用嘗試，但是在高壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用尚未進行較為系統(tǒng)的研究和形成具體的材料性能參數(shù)指標要求。

本文研究了SGF含量對PA66/SGF復合材料的力學、絕緣等關(guān)鍵性能指標的影響，并與標準[14]中常規(guī)熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料的基本參數(shù)進行了對比，為PA66/SGF復合材料作為高壓開關(guān)設(shè)備絕緣件材料的應(yīng)用提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要原料

不同SGF含量的PA66/SGF復合材料，SGF含量分別為10%、20%、30%、40%、50%，河南神馬華威塑膠股份有限公司；

PA66，EPR2701，河南神馬華威塑膠股份有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

專業(yè)型電子天平，LA120S，德國賽多利斯集團；

差示掃描量熱儀（DSC），DSC Q20，美國TA公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），JSM-6510LA，日本電子公司；

電子式萬能試驗機，INSTRON，英斯特朗集團；

微機式塑料擺錘沖擊試驗機，ZBC1251-C，深圳市新三思材料檢測有限公司；

電壓擊穿測試儀，DDJ-100KV，北京冠測試驗儀器有限公司；

耐電弧試驗儀，HYDH-20K，長春市恒越電子科技有限公司；

介損及介電常數(shù)測量系統(tǒng)，QS87，上海楊高電器有限公司。

1.3 樣品制備

將PA66與主抗氧劑、潤滑劑等其他輔助劑按表1所示的比例加入高速混合機中混合均勻后放入擠出機中，初步熔融后加入SGF，經(jīng)熔融共混制得PA66/SGF復合材料；擠出機各段溫度從加料口到機頭依次為260、265、265、270、270、265、260、255、260 ℃，真空度控制在-0.6個大氣壓，螺桿轉(zhuǎn)速為300 r/min，將PA66/SGF材料在100℃下干燥4 h，采用注塑機注塑得到測試試樣，注塑機噴嘴溫度為260～280℃，連續(xù)注塑多模，待模具溫度均勻穩(wěn)定后，制備測試試樣。

表1 SGF/PA66復合材料的樣品配方表 %Tab.1 Formulation of SGF/PA66 composites %

1.4 性能測試與結(jié)構(gòu)表征

密度按GB/T 1033.1—2008采用浸漬法進行測試，測試環(huán)境溫度為（23±2）℃；

熔融結(jié)晶行為曲線按GB/T 19466.3—2004進行測試，升溫速率為10℃/min；

微觀形貌使用SEM進行觀察，加速電壓為20 kV；

拉伸強度按GB/T 1040.2—2008進行測試，1A型試樣，拉伸速率為5 mm/min；

彎曲強度按GB/T 9341—2008進行測試，彎曲速率為5 mm/min；

沖擊強度按GB/T 1043.1—2008進行測試，

擊穿強度按GB/T 1408.1—2006進行測試，采用等直徑球電極（直徑為20 mm），試樣厚度為2 mm，在變壓器油中常溫下進行測試，升壓速度為2 000 V/s，每種不同含量的SGF試樣測試5個，每個試樣在不同位置測3個點；

耐電弧性能按GB/T 1411—2002進行測試，每種不同含量的SGF試樣測試5個，每個試樣在不同位置測3個點；

介電常數(shù)按GB/T 1409—2006進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理和力學性能分析

2.1.1 物理性能分析

不同SGF含量的PA66/SGF復合材料及環(huán)氧樹脂基絕緣材料的密度如圖1所示?？梢钥闯?，由于SGF的密度大于PA66，隨著SGF含量的增加，復合材料的密度呈上升的趨勢。當SGF含量為50%時，密度達到1.563 g/cm3，較純PA66的密度提高了36%，但相對于熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料密度（2.16 g/mm3）依然較小。同體積下的PA66/SGF復合材料絕緣件的質(zhì)量更低，更有利于絕緣件的轉(zhuǎn)運和裝配。

圖1 不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的密度Fig.1 Density of PA66/SGF composites with different SGF contents

2.1.2 熔融結(jié)晶行為分析

不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的降溫結(jié)晶DSC曲線如圖2所示。可以看出，PA66/SGF復合材料的結(jié)晶溫度比純PA66的稍微升高，隨著SGF含量的增加，結(jié)晶峰逐漸向高溫方向移動，PA66/SGF復合材料的結(jié)晶溫度逐漸升高，開始結(jié)晶溫度和終止結(jié)晶溫度變高，而峰的寬度逐漸變窄，說明SGF的加入使得材料的結(jié)晶速率逐漸變快。SGF能夠起到成核劑的作用，加快了PA66的結(jié)晶速率，使復合材料的晶體排列規(guī)整，可提高復合材料的力學性能。

圖2 不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的降溫結(jié)晶DSC曲線Fig.2 DSC curves of PA66/SGF composites with different SGF contents

2.1.3 力學性能分析

不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的力學性能測試結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，在無SGF增強的情況下，材料的各項性能較低，隨著SGF含量的增加，PA66/SGF復合材料的力學性能呈現(xiàn)上升的趨勢。

圖3 不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的力學性能Fig.3 Mechanical properties of PA66/SGF composites with different SGF contents

這首先是因為玻璃纖維的比模量和拉伸強度都很高，經(jīng)過擠出機和注塑機2次螺桿剪切后，SGF可以與PA66分子在一定程度上混合，從而提高了復合材料的力學性能。其次，PA66是結(jié)晶樹脂，SGF加入后，可以作為成核劑誘導PA66的異相結(jié)晶，一方面結(jié)晶使得分子鏈排列更加緊密有序，孔隙率低，另一方面結(jié)晶還使得兩者的界面結(jié)合強度進一步提高，當受到外力作用時，應(yīng)力傳給SGF，力的作用方向發(fā)生變化，即沿著纖維的取向方向傳遞，這種傳遞作用在一定程度上起到了力的分散作用，從而增強了材料承受外力作用的能力。因此，在一定的范圍內(nèi)，隨著SGF含量的增加，這種分散作用逐步增大，反映出來材料的各項力學性能就越好。當SGF含量達到50%時，其彎曲強度和拉伸強度分別提高了1.04倍和1.57倍，沖擊強度達到75.375 kJ/m2。SGF含量達到20%時，與標準要求的常用熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料的彎曲強度≥110 MPa、拉伸強度≥70 MPa、沖擊強度≥10 kJ/m2的指標相比，PA66/SGF復合材料的力學性能參數(shù)可滿足指標要求。

2.2 絕緣性能分析

2.2.1 擊穿強度分析

擊穿強度反映了材料在電場作用下，避免破壞（擊穿）所承受的最高的電場強度，此參數(shù)在高壓電氣行業(yè)用絕緣件上尤為關(guān)鍵。不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的擊穿強度如圖4所示。

圖4 不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的擊穿強度Fig.4 Dielectric strength of PA66/SGF composites with different SGF contents

從圖4可以看出，復合材料的擊穿強度隨著SGF含量的增加而增加，純基材PA66的平均擊穿強度為20.38 kV/mm，與常用熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料的基準參數(shù)值（≥20 kV/mm）持平，當SGF含量達到50%時，擊穿強度可達到31.7 kV/mm。這是因為SGF相對基材PA66具有更高的比電阻，單向纖維增強材料的縱向體積電阻率（ρc）與纖維的體積電阻率（ρf）、基體的體積電阻率（ρm）、纖維體積分數(shù)（Vf）之間的關(guān)系式如式（1）所示[15]：

隨著SGF體積分數(shù)（Vf）的增加，PA66/SGF復合材料的體積電阻率逐漸增大；另外式（1）是以纖維方向與電流的方向嚴格平行為前提的，而在實際的PA66/SGF復合材料中，SGF的分布呈較為雜亂的狀態(tài)，如圖5所示。在電流方向與纖維方向不平行時，界面對電子有較大的散射作用，這也會引起復合材料體積電阻率的明顯升高[15]，使得材料的絕緣性能提升。總體上PA66/SGF復合材料的擊穿性能均優(yōu)于常用熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料的指標要求。

圖5 SGF含量為50%的PA66/SGF復合材料沖擊斷面的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM of impact section of PA66/SGF composites with 50% SGF contents

2.2.2 介電常數(shù)測試

對于高壓開關(guān)用絕緣件要求介電常數(shù)要求控制在一定的范圍內(nèi)。周祝林等[16]分別研究了樹脂基體、玻璃纖維和復合材料的介電性能，認為復合材料的介電常數(shù)可用式（2）計算。

式中εf——纖維的介電常數(shù)

εm——基體材料的介電常數(shù)

ε1——空氣的介電常數(shù)

Vf——纖維的體積含量，%

V0——空隙率，%

從式（2）可以看出，復合材料的介電常數(shù)和PA66、SGF材料的介電常數(shù)有關(guān)，且與SGF在復合材料中的含量關(guān)系很大，當二者介電常數(shù)相差較大時，含量對最終復合材料的影響更加顯著。

不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的介電常數(shù)如圖6所示，純PA66的介電常數(shù)為3.46，當短切玻璃纖維含量為50%時，介電常數(shù)為4.23。從圖6可以看出，PA66/SGF復合材料的介電常數(shù)隨著SGF含量的增加而增大，不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的介電常數(shù)均低于熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料的指標上限值6，更利于開關(guān)設(shè)備絕緣性能的提高和小型化設(shè)計。

圖6 不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的介電常數(shù)Fig.6 Dielectric constant of PA66/SGF composites with different SGF content

2.2.3 耐電弧性能分析

電氣設(shè)備中的絕緣材料及絕緣結(jié)構(gòu)在運行中都承受電場的作用，在電應(yīng)力（放電、電流、電化學等）為主要老化因子的長期作用下，它們的性能會發(fā)生不可逆的變化至失效。放電老化是電老化的主要形式，其中電弧放電時強度最高。當電弧燒灼材料表面時，瞬間注入強大的能量，使材料表面的局部溫度急劇升高，材料被燒蝕、炭化，沿面的絕緣性能喪失，形成導電通道。耐電弧性是絕緣材料抵抗由高壓電弧作用引起變質(zhì)的能力，通常用標準電弧焰在材料表面引起炭化至表面導電而電弧消失所需時間表示，單位是s。不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的耐電弧性能如圖7所示。

圖7 不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的耐電弧性Fig.7 Arc resistance of PA66/SGF composites with different SGF contents

從圖7可以看出，不同SGF含量的PA66/SGF復合材料的耐電弧時間均達到了熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料耐電弧時間≥180 s的指標。隨著SGF含量的增加，PA66/SGF復合材料的耐電弧時間增加，當SGF含量達到20%以上時材料的耐電弧性能提升效果更為明顯。這主要是因為一方面SGF在PA66/SGF復合材料中的填充增多，誘導PA66基體樹脂晶體結(jié)構(gòu)完善，改善了復合材料的耐燒蝕性能；另一方面SGF相對具有更高的熱導率和耐熱性能，含量較少時，SGF分散分布在PA66中，相互之間相互隔離，導熱效果不明顯。隨著SGF含量的增加，SGF相互搭接開始形成導熱通道（如圖8所示），復合材料的熱導率提升，可將局部熱量快速導出、分散，溫度降低，燒蝕程度減小，從而提高了PA66/SGF復合材料的耐電弧性。

圖8 不同SGF含量的PA66/SGF復合材料斷面的SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM of cross section of PA66/SGF composites with different SGF content

3 結(jié)論

（1）SGF在PA66/SGF復合材料中起到了成核劑的作用，使復合材料的晶體排列更加規(guī)整，材料的彎曲強度、拉伸強度和沖擊強度隨SGF含量的增加而提高；材料的密度相對熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料較低，有利于高壓開關(guān)設(shè)備用絕緣件的輕量化設(shè)計；

（2）隨著SGF含量的增加，提升了PA66/SGF復合材料的電氣性能，優(yōu)于常用熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料的標準，滿足高壓開關(guān)設(shè)備用絕緣件的小型化設(shè)計需求；

（3）當SGF的含量達20%以上時，材料的綜合關(guān)鍵性能指標可滿足常用熱固性環(huán)氧樹脂基絕緣材料的標準要求，具備作為高壓開關(guān)設(shè)備絕緣件材料的可行性。