一種變壓器用共混改性密封膠制備及密封性能試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：硅橡膠；氟橡膠；密封性能；共混改性材料；氣密性

中圖分類號(hào)：TQ436+.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0021-04

關(guān)于變壓器用密封膠材料的研究成為變壓器技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)[1-2]。許多學(xué)者進(jìn)行了研究，如針對(duì)變壓器常用的氟橡膠以及丁腈橡膠進(jìn)行了一系列溶脹、去溶脹試驗(yàn)，分析材料的溶脹特性[3]。以丁腈橡膠和氫化丁腈橡膠制備一種密封膠材料，并研究白炭黑、炭黑等補(bǔ)強(qiáng)材料對(duì)其性能的影響[4]。除此之外，針對(duì)丁腈橡膠進(jìn)行了濕熱老化以及熱空氣老化試驗(yàn)，分析其濕熱老化特性[5]?；诖?，本試驗(yàn)主要以不同含量的氟橡膠與硅橡膠進(jìn)行共混改性，制備一種變壓器用的密封膠材料，并對(duì)材料的性能進(jìn)行研究。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：甲基乙烯基硅橡膠（工業(yè)純，東莞市億鑫達(dá)塑膠材料）；26型氟橡膠（工業(yè)純，惠州東和硅橡膠）；六甲基二硅氮烷（工業(yè)純，瑞金市杰峰川化工）；羥基硅油（工業(yè)純，臨沂市蘭月化工原料）；氣相白炭黑（工業(yè)純，山東九重化工）；硫化劑（DCP）（工業(yè)純，河南宏宇化工）；氫氧化鎂（工業(yè)純，河北松志化工）。

主要設(shè)備：RD1020型電子天平（深圳市榮達(dá)儀器）；W101-1型真空干燥箱（江西龍中機(jī)械設(shè)備）；GSH-100型高速攪拌機(jī)（常州極度干燥設(shè)備）；JMF-120型膠體磨（上?？苿跈C(jī)械設(shè)備）；CREE-6015型開煉機(jī)（東莞市科銳儀器）；NH-300型捏合機(jī)（萊州恒科化工設(shè)備）；CP-25型沖片機(jī)（河北晟興儀器）；CREE-6014D-1型平板硫化機(jī)（東莞市科銳儀器）；TY-500L熱空氣老化箱（上海廷翌儀器）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)（北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備）；KNE-0158型透氣性測(cè)試儀（東莞科耐爾儀器）。

1.2密封膠材料的制備

本試驗(yàn)主要采用氟橡膠和硅橡膠共混的方式進(jìn)行改性，制備變壓器用密封膠材料。其中，固定生膠設(shè)定為100份，具體材料制備步驟如下：

（1）在開煉機(jī)中加入適量的氟橡膠生膠，然后將輥距調(diào)整至1mm之下，進(jìn)行混煉破膠。之后再加入氫氧化鎂，獲得氟橡膠預(yù)混膠，備用；

（2）先將捏合機(jī)預(yù)熱，然后放入100phr的硅橡膠生膠，捏合1min進(jìn)行破膠處理；

（3）分多次向捏合機(jī)中加入氣相白炭黑，共45phr，然后加入羥基硅油和六甲基二硅氮烷，均為4.5phr。等到吃粉完成后，繼續(xù)進(jìn)行捏合處理1h[6]；

（4）加入步驟（1）中的氟橡膠預(yù)混膠，在溫度150℃的條件下進(jìn)行捏合處理1.5h，獲得氟硅混煉膠；

（5）通過開煉機(jī)，在氟硅混煉膠中加入1.0phrDCP，進(jìn)行薄通5次，最后出片[7]；

（6）將出片后的材料停放8h，然后裁剪出適量的混煉膠置入模具中。然后在170℃、11MPa的條件下，通過平板硫化機(jī)成型；

（7）成型后，將材料放到200℃的真空烘箱中，再次進(jìn)行硫化4h。然后自然冷卻至室溫，之后裁樣，備用。

1.3性能測(cè)試

硫化特性：通過硫化儀對(duì)密封膠材料進(jìn)行測(cè)試，分析其硫化特性。

氣密性試驗(yàn)：通過透氣性測(cè)試儀對(duì)厚2mm的密封膠材料試樣進(jìn)行測(cè)試，分析其氣體滲透系數(shù)。

老化試驗(yàn)：先將老化箱的溫度設(shè)置為250～300℃，在恒溫一段時(shí)間后之后，將密封膠材料試樣在老化箱中懸掛，一定時(shí)間后取出，并在室溫下靜置24h。

力學(xué)試驗(yàn)：通過萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，以500mm/min的拉伸速度對(duì)密封膠材料試樣進(jìn)行測(cè)試，分析其抗拉伸、抗撕裂性能。

耐油試驗(yàn)：將密封膠材料試樣在煤油中浸泡一定時(shí)間，然后分析材料的體積變化、拉伸強(qiáng)度情況。

2結(jié)果與分析

2.1硫化性能

表1為在固定生膠100phr的情況下，不同氟橡膠含量制備的密封膠材料的硫化性能情況。

由表1可知，當(dāng)密封膠材料中的氟橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%均勻增加到40%時(shí)，硫化時(shí)間在不斷增加，并且硫化曲線的最低轉(zhuǎn)矩以及最高轉(zhuǎn)矩也在不斷升高。當(dāng)密封膠材料中的氟橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%時(shí)，材料的焦燒時(shí)間T₁₀和正硫化時(shí)間T₉₀分別為26s、149s，硫化曲線的最低、最高轉(zhuǎn)矩分別達(dá)到2.675、6.125N·m，硫化特性較好。因此，當(dāng)氟橡膠與硅橡膠共混時(shí)，隨著氟橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多，共混膠材料的硫化時(shí)間會(huì)不斷延長(zhǎng)。然而，在硅橡膠中混入氟橡膠，會(huì)使共混膠的可塑性下降，但會(huì)提高剪切模量。因此，材料硫化曲線的最低、最高轉(zhuǎn)矩都增大[8-9]。綜上，當(dāng)氟橡膠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24%時(shí)，本試驗(yàn)制備的密封膠材料硫化特性較好。

2.2氣密性能

材料氣密性能如圖1所示。

由圖1可知，隨著密封膠材料中氟橡膠含量的增多，整個(gè)密封膠體系的氣體滲透系數(shù)不斷降低。這表明，將氟橡膠混入硅橡膠制備密封膠材料，可以加強(qiáng)氣密性。對(duì)于未混入氟橡膠的空白基準(zhǔn)試件，其氣體滲透系數(shù)為6.96×10^-18m²/（s·Pa）；當(dāng)密封膠材料中的氟橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，氣體滲透系數(shù)下降到3.35×10^-18m²/（s·Pa），這與空白基準(zhǔn)試件相比，降幅為51.9%。發(fā)生以上這些現(xiàn)象的原因是，在氟橡膠的側(cè)鏈中，含有半徑小的氟原子，在氟橡膠主鏈附近緊密分布，起到較好的屏蔽效果[10]。因此，將氟橡膠混入硅橡膠中，制備的密封膠材料高分子主鏈的剛性提高，從而在一定程度上阻礙分子鏈的運(yùn)動(dòng)，使氣體小分子在密封膠材料內(nèi)部的擴(kuò)散空間變小。并且，隨著密封膠材料中氟橡膠含量的增多，氟原子的含量也在不斷增加，因此，屏蔽效果增強(qiáng)，材料中聚合物所擁有的自由體積變小，密封膠材料整體的氣體滲透系數(shù)下降，氣密性提高[11-13]。

2.3耐油性能

材料耐油性能如圖2所示。

由圖2（a）可知，隨著密封膠材料中混入的氟橡膠含量增多，材料的耐油體積變化率不斷下降。對(duì)于未混入氟橡膠的硅橡膠空白基準(zhǔn)試件，在經(jīng)過耐油試驗(yàn)后，其耐油體積變化率為37.2%；當(dāng)混入的氟橡膠達(dá)到40%時(shí)，耐油體積變化率下降至21.3%，這與空白基準(zhǔn)試件相比，降幅為42.7%。由圖2（b）可知，當(dāng)密封膠材料中混入的氟橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%均勻增多到40%時(shí)，材料的拉伸強(qiáng)度保持率先小幅度下降，然后迅速增大。對(duì)于未混入氟橡膠的硅橡膠空白基準(zhǔn)試件，在經(jīng)過耐油試驗(yàn)后，其拉伸強(qiáng)度保持率為67.5%；當(dāng)混入的氟橡膠達(dá)到40%時(shí)，材料在耐油試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度保持率上升至90.2%，這與空白基準(zhǔn)試件相比，升高幅度為33.6%。在耐油試驗(yàn)中，油類分子容易滲透并進(jìn)入到硅橡膠分子之間，使硅橡膠材料的體積不斷膨脹，這也會(huì)使硅橡膠材料的強(qiáng)度下降[14]。而當(dāng)氟橡膠混入硅橡膠中時(shí)，氟橡膠可以抑制非極性的油類分子滲透和進(jìn)入密封膠材料，因此，材料中滲透進(jìn)的油類分子減少，這也緩解了材料中硅橡膠分子與油類分子之間的老化反應(yīng)，所以，密封膠材料整體的耐油性提高。因此，氟橡膠混入的含量越多，密封膠材料整體的耐油體積變化率越小，同時(shí)，拉伸強(qiáng)度保持率越高[15-16]。

2.4力學(xué)性能

圖3為本試驗(yàn)制備的密封膠材料在300℃老化12h前后的力學(xué)性能情況。

由圖3（a）可知，當(dāng)密封膠材料中混入的氟橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%均勻增多至40%時(shí)，材料在老化前的拉伸強(qiáng)度呈現(xiàn)先小幅度下降，后迅速上升，然后繼續(xù)下降的情況，而在老化后的拉伸強(qiáng)度則出現(xiàn)先升后降的變化。對(duì)于未混入氟橡膠的純硅橡膠材料，其在老化試驗(yàn)前的拉伸強(qiáng)度為7.41MPa，在老化試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度為2.57MPa；當(dāng)在密封膠材料中混入24%的氟橡膠時(shí)，材料在老化前的拉伸強(qiáng)度升高到峰值，為8.26MPa，對(duì)比空白基準(zhǔn)試件的增幅為11.5%，而在老化后的拉伸強(qiáng)度為4.12MPa，對(duì)比空白基準(zhǔn)試件的增幅為60.3%；當(dāng)混入32%的氟橡膠時(shí)，密封膠材料在老化試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度最大，為4.29MPa，對(duì)比空白基準(zhǔn)試件的增幅為66.9%。由圖3（b）可知，隨著密封膠材料中混入的氟橡膠含量增多，材料在老化前后的斷裂伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)波動(dòng)的變化。對(duì)于未混入氟橡膠的純硅橡膠材料，其在老化前后的斷裂伸長(zhǎng)率分別為375%、5%，由此可見，老化對(duì)密封膠材料斷裂伸長(zhǎng)率的影響巨大；當(dāng)材料中混入的氟橡膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)在24%及以上時(shí)，密封膠材料在老化后的斷裂伸長(zhǎng)率基本能達(dá)到60%以上。由此可見，在混入氟橡膠后，密封膠材料在老化后的力學(xué)性能提高。

由此分析可知，氟橡膠中的分子極性比較強(qiáng)，將氟橡膠混入硅橡膠中均勻分散，可以起到一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，因此，適量的在硅橡膠中混入氟橡膠，可以提高強(qiáng)度[17-18]。當(dāng)氟橡膠分散相在密封膠材料體系中增加時(shí)，氟原子的含量增多，起到的屏蔽作用效果加強(qiáng)，密封膠材料體系中含有的雙鍵數(shù)量下降，因此，在熱空氣環(huán)境下，聚硅氧烷的老化效果降低，密封膠材料整體的耐老化性能提高[19-20]。綜上，通過在硅橡膠中混入氟橡膠制備密封膠材料，可以提高密封膠材料的強(qiáng)度以及耐老化性能，當(dāng)混入24%～32%氟橡膠時(shí)比較適宜。

2.5實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)以上試驗(yàn)，本試驗(yàn)在硅橡膠中混入24%的氟橡膠，制備一種變壓器用密封膠材料，并將該材料用于曲靖變#1的密封性試驗(yàn)中。鑒于500kV曲靖變#1主變A相曾經(jīng)發(fā)生過因主變高壓套管的負(fù)壓區(qū)密封性遭到破壞進(jìn)水受潮，進(jìn)而導(dǎo)致主變故障，為排查#1主變B相是否存在類似情況，將本研究構(gòu)建的密封膠材料和傳統(tǒng)的丁腈橡膠密封圈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)密封性試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，與常用的丁腈橡膠相比，本試驗(yàn)制備的24%氟硅共混膠密封膠材料在常溫環(huán)境下的氣體滲透系數(shù)、氣體透過量等方面較低，但在高溫老化環(huán)境下，防止漏氣的時(shí)間較長(zhǎng)，且依然保持一定的強(qiáng)度。而丁腈橡膠在高溫老化環(huán)境下，強(qiáng)度等性能損失過多，在經(jīng)過300℃老化24h后，已無(wú)法測(cè)得其拉伸強(qiáng)度。而變壓器的實(shí)際使用常為高溫高壓等環(huán)境，需要密封膠材料具備一定的穩(wěn)定性。綜上，本試驗(yàn)制備的24%氟硅共混膠密封膠材料能夠在保證一定力學(xué)性能穩(wěn)定的情況下，密封性能良好。

3結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)氟橡膠的含量為24%時(shí)，材料硫化特性較好；

（2）在硅橡膠中混入氟橡膠，可以增加密封膠材料的氣密性、耐油性、強(qiáng)度以及耐老化性能；

（3）當(dāng)氟橡膠含量為40%時(shí)，氣體滲透系數(shù)下降到3.35×10^-18m²/（s·Pa），降幅為51.9%；耐油體積變化率為21.3%，降幅為42.7%；拉伸強(qiáng)度保持率為90.2%，升高幅度為33.6%；

（4）當(dāng)混入24%的氟橡膠時(shí)，材料在老化前的拉伸強(qiáng)度最大，為8.26MPa，增幅為11.5%，而在老化后的拉伸強(qiáng)度為4.12MPa，增幅為60.3%，且在老化后的斷裂伸長(zhǎng)率超過60%；

（5）本試驗(yàn)選擇以24%氟橡膠混入硅橡膠，制備變壓器用密封膠材料，此時(shí)，材料在高溫老化前后的綜合性能良好。