新型脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和硅橡膠材料性能對比研究

曾向君， 王婷婷， 張福增， 徐永生，盧 威， 肖 微

(南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣州 510663)

0 引 言

絕緣子是電網(wǎng)中用量最大的器件之一。雖然絕緣子結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，但其對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定、高效運行起到了至關(guān)重要的作用，任何一個絕緣子出現(xiàn)故障都有可能危及到整個電力系統(tǒng)[1-2]。

硅橡膠絕緣子具有優(yōu)異的加工成型性能、良好的耐老化性能、憎水性及憎水遷移性，從而在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用，尤其在我國，使用更加普遍[3-6]。但是硅橡膠材質(zhì)柔軟，抗撕裂強度較差，因而在我國西北高風沙地區(qū)使用時容易發(fā)生傘裙舞動搭邊，出現(xiàn)撕裂傘裙甚至破壞護套等現(xiàn)象。另一方面，硅橡膠絕緣子在安裝運行時護套極易受到損傷而破壞其芯棒同護套間的密封性，影響、限制其使用壽命[7-11]。

傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂絕緣子的電氣機械性能和加工工藝性能都十分優(yōu)良，可作結(jié)構(gòu)性絕緣材料，做成整體絕緣子，已有幾十年的成功使用經(jīng)驗。如：雙酚環(huán)氧樹脂絕緣子和絕緣套管，干式變壓器等。其主要的特點是重量輕，加工成本低，抗沖擊能力強，易于加工成為較復雜的絕緣結(jié)構(gòu)等；但另一方面，由于雙酚環(huán)氧樹脂的耐漏電起痕和電蝕損性能、耐老化性能較差，難于用于室外[12-16]。脂環(huán)族環(huán)氧樹脂具有非常優(yōu)異的耐電弧性、耐漏電痕跡性等電氣特性。與目前應用最為廣泛的硅橡膠絕緣材料相比，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料制成的絕緣子具有非常好的機械性能，可以用作結(jié)構(gòu)材料，但其憎水性與有機硅橡膠相比卻差了很多。為此，研究者開發(fā)了新型憎水性脂環(huán)族環(huán)氧樹脂。新型憎水性脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料實際上是在普遍使用的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料中加入了具有某種特殊流變性能的添加劑而制成具有憎水性和憎水遷移性的產(chǎn)品[17-20]。但目前尚缺乏對該新型脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料性能研究的報道。

本研究旨在通過試驗研究該新型憎水性脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料的電氣性能，通過對該新型環(huán)氧樹脂和普通硅橡膠進行憎水性、憎水遷移性、耐漏電起痕性能、介電性能、缺陷擴展性能等對比試驗，評估該新型脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料應用于戶外絕緣的可行性與能力。研究成果為脂環(huán)族環(huán)氧樹脂戶外絕緣子的應用提供技術(shù)參考。

1 試驗樣品及方法

1.1 試驗樣品

將某廠家生產(chǎn)的新型脂環(huán)族環(huán)氧樹脂按照試驗標準的要求制備成不同尺寸、不同形狀的樣品。對試品的表面進行清潔處理，用無水乙醇清洗表面，然后用自來水清洗，晾干后放置于防塵容器中，在實驗室的標準環(huán)境下保存24 h。

1.2 憎水性及憎水遷移性試驗

憎水性的測量：任取脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和硅橡膠試品各3個，每個試品上選取5個不同的位置，利用測量儀測量靜態(tài)接觸角。

憎水性遷移特性：將脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和硅橡膠試品表面涂污，污穢分別選擇硅藻土和高嶺土，沉積在絕緣子表面涂層中的可溶鹽用NaCl來代替，灰密分別為0.5 mg/cm2、1.0 mg/cm2、1.5 mg/cm2，鹽密為0.1 mg/cm2。污穢涂刷完成后的96 h內(nèi)測量試品表面水珠的靜態(tài)接觸角。同樣，每個試品上取5個不同的位置進行測量。

憎水性的喪失及恢復特性：在實驗室標準環(huán)境下，各另取5片清潔試品放置于盛水的容器內(nèi)浸泡96 h，試品應完全被水浸沒。然后取出試品，用濾紙吸干殘余水分，各任取3片試品測量其靜態(tài)接觸角和HC值，另外兩個試品僅測量其HC值，每個試品的測量工作在10 min內(nèi)完成。完成測量后，測量憎水性恢復至原始憎水性分級水平的時間。數(shù)量為5片，每次測量取5片試品的水珠靜態(tài)接觸角的平均值，以保證結(jié)果的準確性。

1.3 耐漏電起痕和電蝕損試驗

測量材料耐漏電起痕和電蝕損性能的試驗按照國標GB/T 19519-2014《標稱電壓高于1 000 V的架空線路用復合絕緣子-定義、試驗方法及驗收準則》進行[21]。選取5片脂環(huán)族環(huán)氧樹脂試品，尺寸為長100 mm，寬45 mm，厚度6 mm。清洗干凈后放入漏電起痕試驗機中，安裝時保證上下電極間至少65%的面積應為待試樣。同時，選取普通硅橡膠材料的試片進行漏電起痕特性的對比。普通硅橡膠試片由國內(nèi)某公司提供，分別為不同批次的產(chǎn)品。

1.4 介電性能試驗

為了對比研究環(huán)氧樹脂材料和硅橡膠材料的介電性能，對二者進行介電性能測試。試驗儀器為寬頻介電譜儀，試樣厚度為2 mm，頻率測試范圍為107～10-1Hz。

1.5 力學缺陷擴展性能試驗

見圖1，硅橡膠采用長條試樣，樣品為啞鈴型樣品，中部寬度4 mm。用刀片在試樣中部預割不同長度的裂紋，然后使用游標卡尺測量裂紋的準確長度。使用萬能材料試驗機拉伸試樣，獲得拉伸過程中的力-位移曲線。拉伸試驗機以200 mm/min位移速度進行拉伸。脂環(huán)族環(huán)氧樹脂采用擺錘沖擊的方法測量發(fā)生斷裂所需要的能量，試驗所用的試樣尺寸為80×10×6.7 mm的矩形試樣，試樣帶有2 mm深V型缺口。共制作了10個試樣進行試驗。

圖1 試驗樣品Fig.1 Test sample

2 試驗結(jié)果

2.1 憎水性及憎水遷移性試驗

經(jīng)過預處理后，用靜態(tài)接觸角法和噴水法對試品進行憎水性測量。環(huán)氧樹脂試品和普通硅橡膠試品的接觸角情況見表1，其中脂環(huán)族環(huán)氧樹脂試品的靜態(tài)接觸角示意圖見圖2。

圖2 脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料憎水角Fig.2 Hydrophobic angle of alicyclic epoxy materials

表1 材料表面起始靜態(tài)接觸角Table 1 Initial static contact angle of material surface

結(jié)果顯示，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料的靜態(tài)接觸角略大于硅橡膠。

在憎水性遷移96 h后用噴水法測定試品表面的憎水性分級見表2。

表2 充分遷移后噴水分級法結(jié)果Table 2 Results of water spray classification after full migration

圖3為不同硅藻土灰密下的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂憎水性遷移曲線。

圖3 不同硅藻土灰密下的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂憎水性遷移曲線Fig.3 Hydrophobic transfer curve ofalicyclic epoxy resin with different diatomite ash density

由圖3可以看出脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料和普通硅橡膠材料的硅藻土憎水遷移特性整體趨勢大致相同。污穢涂刷后的20 h是憎水性由材料表面遷移到污穢表面的主要階段；而20 h后，污穢表面的憎水性基本達到相對穩(wěn)定的數(shù)值。通過比較，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料表面在20 h后獲得的憎水性要稍弱于普通硅橡膠材料，最終的穩(wěn)定值大約在124°至128°之間，且污穢厚度越大，憎水性遷移的程度要變得相對小一些。遷移速度也要小于硅橡膠材料，后者在10 h左右已經(jīng)遷移完成。

在硅藻土污穢涂刷96 h后，我們可以認為憎水性已經(jīng)充分遷移，綜合可以看出，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂在硅藻土污穢的情況下具有比較優(yōu)異的憎水遷移性。

脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料對于高嶺土污穢的憎水性遷移特性研究同樣采用涂污法，并測量涂污后96 h內(nèi)憎水靜態(tài)接觸角的變化。高嶺土灰密分別選擇 0.5 mg/cm2、1.0 mg/cm2、1.5 mg/cm2、2.0 mg/cm2，而鹽分仍由NaCl代替，鹽密選擇為0.1 mg/cm2。

在涂污后的第24 h、48 h和第72 h對4種不同灰密的試品進行靜態(tài)憎水角測量，可以發(fā)現(xiàn)灰層表面并未出現(xiàn)憎水遷移性，水滴滴在表面后迅速浸潤污層。而經(jīng)過96 h后對試品繼續(xù)測量，高嶺土灰密為1.0 mg/cm2、1.5 mg/cm2、和2.0 mg/cm2的兩種試品的污層表面仍未表現(xiàn)出憎水性，灰密為0.5 mg/cm2的試品表面污層僅表現(xiàn)出微弱的憎水性，靜態(tài)憎水角約為30°。

延長憎水性的遷移時間至一周，即168 h，繼續(xù)測量4種不同灰密的高嶺土污層表面靜態(tài)接觸角。污層灰密0.5 mg/cm2和1.0 mg/cm2的兩種試品分別表現(xiàn)出的污穢憎水靜態(tài)接觸角均約為40°至50°，而另外兩種灰密的試品仍舊為表現(xiàn)出憎水遷移性。

綜合來看，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料對于高嶺土的憎水遷移性比較差，只具有很弱的憎水遷移性。而對于硅藻土則具有比較優(yōu)異的憎水遷移性。

利用去離子水浸泡試品的方法模擬高濕環(huán)境進行憎水性喪失試驗。選取5片脂環(huán)族環(huán)氧樹脂試品，在容器中浸泡96 h后取出，在10 min內(nèi)完成對其中3片試品的靜態(tài)接觸角的測量。

表3顯示的是脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料的憎水性喪失特性，圖4所示是憎水性恢復特性曲線。

表3 憎水性喪失后靜態(tài)接觸角

從表3和圖4中可以知道經(jīng)過96 h的去離子水浸泡，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料表面的憎水角平均值下降了約5°，脫離高濕環(huán)境后，經(jīng)過6 h，材料憎水性恢復至初始水平。

圖4 憎水性恢復特性Fig.4 Hydrophobicity recovery characteristics

2.2 耐漏電起痕和電蝕損性能試驗

為定量衡量電蝕損的程度，分別稱量其燒蝕前后的質(zhì)量。

將脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和硅橡膠試品連續(xù)燒蝕6 h后，取下用清水沖洗，擦干后觀察表面，用游標卡尺測量燒蝕深度，再稱量其重量。試品漏電起痕和電蝕損后的狀態(tài)見圖5。

圖5 試片燒蝕后狀態(tài)Fig.5 Status of test piece after ablation

4.5 kV漏電起痕和電蝕損試驗前后的脂環(huán)族環(huán)氧樹脂和硅橡膠材料試品質(zhì)量見表4、表5，質(zhì)量減少部分見表6。

表4 漏電起痕試驗前試品質(zhì)量Table 4 Quality of test object before leakage tracking test

表5 漏電起痕試驗后試品質(zhì)量Table 5 Quality of test object after leakage tracking test

續(xù)表5

表6 漏電起痕試驗前后試品質(zhì)量差Table 6 The quality difference of the test object before and after the leakage tracking test

表6中清晰地顯示出脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料在4.5 kV電壓等級下進行6 h的漏電起痕和電蝕損，質(zhì)量減少僅為0.03 g左右，說明該材料耐漏電起痕和電蝕損的性能比較好。進一步分析試品表面可以發(fā)現(xiàn)：脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料表面只有微小的燒蝕痕跡，燒蝕深度無法用游標卡尺測量出來，用手在燒蝕處接觸只能感覺到微微的粗糙感。相比之下，普通的硅橡膠材料燒蝕的程度大大超過脂環(huán)族環(huán)氧樹脂材料。部分試品表面甚至出現(xiàn)2 mm左右的燒蝕深度。

2.3 介電性能試驗

圖6和圖7為未老化時環(huán)氧樹脂材料和硅橡膠材料相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切隨電場頻率的變化曲線。

圖6 環(huán)氧樹脂和硅橡膠相對介電常數(shù)對比Fig.6 Comparison of relative permittivity between epoxy resin and silicone rubber

圖7 環(huán)氧樹脂和硅橡膠介質(zhì)損耗角正切對比Fig.7 Comparison of dielectric loss tangent between epoxy resin and silicone rubber

從圖6可以看出隨著頻率的增加環(huán)氧樹脂和硅橡膠試樣的介電常數(shù)均減小，且變化趨勢一致。這是由于當外加電場頻率較小時，材料的位移極化和松弛極化均來得及建立，介電常數(shù)較大，隨著頻率的增加，外加電場的周期逐漸和松弛時間相等，導致介電常數(shù)逐漸減小，隨著電場頻率逐漸進入高頻區(qū)，松弛極化難以建立，介質(zhì)中的極化只存在位移極化導致介電常數(shù)進一步減小并逐漸趨于定值。在整個頻率區(qū)間，硅橡膠的介電常數(shù)均大于脂環(huán)族環(huán)氧樹脂。

從圖7可以看出環(huán)氧樹脂試樣的介電損耗隨著電場頻率的增加先降低再升高再降低。這是由于當電場頻率較小時，介電損耗主要是電導損耗，頻率增大，介電損耗減小。當頻率接著上升時，極化損耗逐漸增大，表現(xiàn)出介電損耗逐漸增大。但是當頻率增大到一定程度時，極化損耗會逐漸減小，表現(xiàn)出樣品的介電損耗減小。在整個頻率區(qū)間，硅橡膠的介質(zhì)損耗角正切均大于脂環(huán)族環(huán)氧樹脂。

2.4 缺陷擴展性能試驗

含不同缺陷長度的硅橡膠樣品的力-位移曲線見圖8。從圖中可見，在試樣斷裂前，帶缺陷試樣的曲線位于不帶缺口試樣的曲線上方，這意味著在試樣斷裂前，拉力在帶缺陷試樣上做的功更多。

圖8 不同缺陷長度樣品的力-位移曲線Fig.8 Force displacement curves of samples with different defect lengths

力在拉伸過程中做的功轉(zhuǎn)化為以下幾個方面：試樣運動的動能，試樣發(fā)生彈性形變的彈性能，使裂紋缺陷擴展的能量，試樣塑性形變的能量以及熱耗散的能量。由于斷裂時的位移較小，因此可忽略試樣塑性形變的能量。試樣的運動速度小，且溫度變化小，因此動能及熱耗散的能量也將其忽略。力做的功主要由彈性能及使裂紋擴展的能量組成。

由于所采用的試樣較窄，且拉伸速度較快，近似認為在斷裂前，同等位移下，帶缺陷試樣的彈性形變能與不帶缺陷的試樣相同。按照此方法，根據(jù)試樣的力-位移曲線，可得到每個試樣在斷裂時拉力做的功以及彈性形變能的大小，見圖9。

圖9 拉力做功與彈性形變能估計Fig.9 Estimate of tensile work and elastic deformation energy

將力做的功減去試樣的彈性形變能，即可得到用于試樣斷裂的能量，見圖10?？梢钥吹?，隨著試樣缺陷長度的增加，使試樣斷裂的能量成線性減少。這與試樣中完好部分面積的變化特性一致。最終可得到硅橡膠試樣斷裂的平均能量為70 J/m2。

圖10 試樣斷裂能量估算Fig.10 Estimate of fracture energy of sample

在擺錘沖擊試驗中，脆性材料試樣受到擺錘的沖擊發(fā)生斷裂時，其吸收的能量中，使裂紋形變的能量相比引發(fā)試樣斷裂的能量很小，因此，由擺錘沖擊測得的試樣吸收能量可認為是試樣斷裂的能量。擺錘撞擊試樣后，其能量的損失可以通過上升高度發(fā)生變化得到。在本實驗中，擺錘損失的能量主要包括引發(fā)試樣斷裂的能量，拋擲斷裂試樣自由端的能量，以及風阻、摩擦所消耗的能量。風阻、摩擦 的能量損耗已由試驗機內(nèi)置程序自動修正。拋擲自由端的能量可通過測量自由端的質(zhì)量和拋出距離得到。

試驗中，沖擊速度為3.35 m/s，擺錘的標稱能量為：2.75 J。試驗結(jié)果見表7。試樣的破壞類型全部為完全破壞，沒有部分破壞或者為未破壞的試樣?？傻玫街h(huán)族環(huán)氧樹脂的平均斷裂能量：2.94 kJ/m2。

表7 擺錘沖擊試驗結(jié)果Table 7 Results of pendulum impact test

3 結(jié) 論

1)與傳統(tǒng)的硅橡膠材料相比，新型脂環(huán)族環(huán)氧樹脂具有同樣較好的憎水性，對于硅藻土也同樣具有較好的憎水遷移性，但對于高嶺土則表現(xiàn)出較弱的憎水遷移性。

2)新型脂環(huán)族環(huán)氧樹脂的耐漏電起痕和電蝕損性能明顯強于普通的硅橡膠材料，硅橡膠材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切均大于環(huán)氧樹脂材料。

3)硅橡膠材料的斷裂能量為70 J/m2，環(huán)氧樹脂材料的斷裂能量為2.94 kJ/m2，可見在復合絕緣子的工作條件下環(huán)氧樹脂抵抗缺陷擴展的性能較硅橡膠更佳。