唐勇軍，羅 劍，江 金，楊麗君，王曉梅

應用研究

單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂的制備及性能研究

唐勇軍1，羅 劍2，江 金1，楊麗君2，王曉梅1

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 湖北長海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070）

本文首先探討了一種新型潛伏性固化劑的用量、固化條件對環(huán)氧樹脂固化性能、貯存穩(wěn)定性的影響。測試結果表明：當該潛伏性固化劑用量為環(huán)氧樹脂的5 wt%，固化條件為170℃/2 h時，環(huán)氧樹脂的反應活性較高，固化程度高；該固化劑在環(huán)氧樹脂中的潛伏性非常好，貯存穩(wěn)定性優(yōu)異。由其配制得到的單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂綜合性能優(yōu)異，可滿足中小型低壓電機的絕緣處理應用。

潛伏性固化劑 單組分無溶劑 環(huán)氧絕緣樹脂 固化性能 貯存穩(wěn)定性

0 引言

絕緣樹脂是電氣產品繞組絕緣三大主要絕緣材料之一，通過浸漬工序絕緣樹脂滲透、填充到線圈、線槽或其它絕緣物的空隙和氣孔中，然后經過固化將線圈導線粘結為絕緣整體，并在其表面形成連續(xù)的絕緣層，可提高絕緣結構的介電性能、力學性能、導熱性能和防護性能[1-3]。因此，絕緣樹脂的質量好壞直接決定了電工設備的使用壽命。

依據(jù)材料種類分類，常用的絕緣樹脂主要有環(huán)氧絕緣樹脂、不飽和聚酯絕緣樹脂、不飽和聚酯亞胺絕緣樹脂、環(huán)氧改性不飽和聚酯絕緣樹脂，其中環(huán)氧樹脂絕緣樹脂由于成分組成簡單、制備方便、粘結力強、固化收縮率低、堅韌等優(yōu)點而被廣泛使用。但是常用的環(huán)氧/酸酐體系存在貯存穩(wěn)定性差（如小分子酸酐易吸潮結晶析出、環(huán)氧酸酐混合后粘度增長較快）的缺點，不適合用作單組分的無溶劑絕緣樹脂。

針對常用無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂存在的上述問題，本文研究了一種新型潛伏性固化劑在單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂中的應用，首先研究了新型潛伏性固化劑的用量對環(huán)氧樹脂的固化性能和貯存穩(wěn)定性影響，進而從中選取固化劑與環(huán)氧樹脂的合適配比，并依此配制成單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂，最后測試分析了其電氣絕緣性能。

1 實驗

1.1 原材料

原材料：環(huán)氧樹脂CYD-128，工業(yè)級，中石化集團巴陵石化分公司；環(huán)氧稀釋劑，工業(yè)級，外購；新型潛伏性固化劑，工業(yè)級，外購。

1.2 制備工藝

配漆工藝：將環(huán)氧樹脂、稀釋劑和潛伏性固化劑按一定比例攪拌混合均勻，得到單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂。

1.3 性能測試

差示掃描量熱（DSC）測試條件為25℃-270℃、10℃/min、N2氣氛；熱失重分析（TGA）測試條件為30℃-800℃、5℃/min、空氣氣氛。外觀按照GB/T 1981.2-2009中5.1.1的規(guī)定測定；粘度通過旋轉粘度計法按照GB/T 24148.4-2009的規(guī)定在23± 1℃下進行測定；凝膠時間按照GB/T 15022.2-2017中4.9的規(guī)定測定在140± 2℃下進行測定；固化揮發(fā)分按照GB/T 15022.2-2017中4.13的規(guī)定在170± 2℃下固化2h后進行測定；揮發(fā)性有機物（VOC）含量按照GB/T 34682-2017的規(guī)定在105± 2℃下烘1h后進行測定；厚層固化性按照GB/T 15022.2-2017中4.15的的規(guī)定在170± 2℃下固化2h后進行測定；體積固化收縮率按照GB/T 24148.9-2014的規(guī)定進行測定；吸水性按照GB/T 1034-2008的規(guī)定在室溫下進行測定；粘結強度采用扭絞線圈法，按照GB/T 11028-1999中3.1的規(guī)定測試，待測樣品由扭絞線圈在絕緣樹脂中正反兩次浸漆、接著烘烤固化得到；電氣強度按照GB/T 1408.1-2016的規(guī)定測定，直徑100 mm、厚度為1.0 mm±0.1 mm的漆餅（澆注片）試樣由漆液在170℃加熱固化2 h制得；體積電阻率采用漆餅法按照GB/T 1410-2006的規(guī)定測定，漆餅試樣制備工藝同上；貯存穩(wěn)定性按照GB/T 15022.2-2017中4.4的規(guī)定測定在50± 2℃水浴中加熱96h后進行測定。

2 結果與討論

2.1 潛伏性固化劑含量和固化條件對絕緣樹脂固化性能的影響

固化劑含量和固化條件對單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂的固化性能影響很大，而固化性能又直接關系到絕緣樹脂的電氣絕緣性能、機械性能等，對優(yōu)化絕緣樹脂的配方和固化工藝非常有幫助。下面分別從絕緣樹脂在固化過程中的表干性能和固化度兩方面著手，研究潛伏性固化劑含量和固化條件的影響。

2.1.1 絕緣樹脂的表干性能研究

單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂由雙酚A型環(huán)氧樹脂樹脂、低粘度環(huán)氧稀釋劑和潛伏性固化劑組成，組成簡單，制備方便。為了研究潛伏性固化劑含量的影響，特意設計了4個不同絕緣樹脂配方，具體的配方組成如下表1所示。

表1 單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂的配方表

表2 不同配方絕緣樹脂固化時的表干性能

表干性能是絕緣樹脂的一項重要性能指標之一，電機部件浸漆并固化后一般要求其表面固化較徹底或不粘手（即表干性好）。表2為不同配方的絕緣樹脂在不同固化條件下的表干性能測試結果?？梢园l(fā)現(xiàn)，絕緣樹脂厚層固化時的表干性能要好于薄層固化時的表干性，這是因為環(huán)氧樹脂在固化過程中的開環(huán)反應為放熱反應，固化層的厚度越厚放熱量越多，且厚度大時比表面積小，散熱也會減少，總體上會使厚層固化時的放熱更明顯、溫度上升更快，從而導致其固化反應更快，表干性更好。另外也可發(fā)現(xiàn)，隨著固化溫度的升高和固化時間的延長，全部配方的絕緣樹脂的表干性都會逐步改善變好，170 ℃/2 h是絕緣樹脂較為合適的固化條件。從表中還可發(fā)現(xiàn)，隨著潛伏性固化劑用量的增加，絕緣樹脂的表干性逐漸變好，這是因為潛伏性固化劑用量增加時，絕緣樹脂的固化反應速率和反應程度都會增加。綜合絕緣樹脂的固化性能和成本考慮，潛伏性固化劑的用量為5 wt%（相對于環(huán)氧樹脂+稀釋劑而言）是較適宜的添加量。

2.1.2 絕緣樹脂的可反應性和固化度研究

圖1 不同配方絕緣樹脂在固化前后的固化放熱曲線，（a）配方1，（b）配方2，（c）配方3，（d）配方4

表3 不同配方絕緣樹脂在固化前后的固化放熱量以及固化度計算結果

環(huán)氧樹脂的開環(huán)固化反應為放熱反應，可以通過測量固化前（即未固化）絕緣樹脂的固化放熱量來表征絕緣樹脂的可反應性；也可通過測量計算并對比固化前、固化后樣品的放熱量來表征樹脂固化后的固化程度（簡稱“固化度”）。通過比較不同配方絕緣樹脂的可反應性和固化度的差異，可以甄別絕緣樹脂不同配方和固化條件的優(yōu)劣，進而為絕緣樹脂篩選出合適的配方和固化條件。差示掃描量熱（DSC）儀器可以較為精確定量地測量樹脂固化過程中的放熱量，因而常用來檢測樹脂的固化度。不同配方的絕緣樹脂的DSC測試結果具體見圖1和表3，其中固化樣品的固化條件均為170 ℃/2 h。

由圖表可知，隨著配方中潛伏性固化劑用量的增加，未固化絕緣樹脂的固化放熱量逐漸變多，表明其配方中可參與反應基團越來越多，也即可反應性越來越高；而170 ℃/2 h固化后的絕緣樹脂的固化放熱量越來越少，這意味著固化后的絕緣樹脂中可以繼續(xù)反應（即未反應）的基團越來越少，間接表明固化后的絕緣樹脂的固化程度越來越高，這與固化度定量計算的結果是一致的。配方4絕緣樹脂固化后的固化度高達99%，固化較完全徹底，表明170 ℃下固化2 h是較合適的固化條件。無論是從未固化絕緣樹脂的可反應性，還是從固化后絕緣樹脂的固化度方面來看，都證明了潛伏性固化劑的用量為5 wt%（相對于環(huán)氧樹脂+稀釋劑而言）時較為合適。

2.2 潛伏性固化劑對絕緣樹脂的貯存穩(wěn)定性影響

表4 絕緣樹脂的貯存穩(wěn)定性

由單組分絕緣樹脂的貯存穩(wěn)定性是一項尤為關鍵的性能指標，其關系到絕緣樹脂的產品穩(wěn)定性、使用期限和經濟性。貯存穩(wěn)定性差的絕緣樹脂使用期較短，如果不能在較短的時間內使用完畢或及時補充新的絕緣樹脂，則容易導致產品失效報廢（如粘度增長到無法使用，甚至凝膠完全失去流動性），造成物料浪費和設備難以清洗。簡而言之，貯存穩(wěn)定性差的絕緣樹脂就不能以單組分的形式包裝，而是改用雙組份或多組分包裝。對于單組分環(huán)氧絕緣樹脂而言，固化劑的潛伏性好壞是影響其貯存穩(wěn)定的關鍵因素。為了縮短貯存穩(wěn)定性的考察時間，一般通過閉口法水浴加熱的方式來加速測試其貯存穩(wěn)定性。表4為4個不同配方的環(huán)氧絕緣樹脂的貯存穩(wěn)定性測試結果。由表可見，由潛伏性固化劑配制的單組分環(huán)氧絕緣樹脂在50℃水浴中加熱96h后，粘度變化很小，因而說明單組分環(huán)氧絕緣樹脂的貯存穩(wěn)定性非常好，進而表明該潛伏性固化劑的潛伏性非常好，非常適用于單組分環(huán)氧絕緣樹脂。

2.3 潛伏性固化劑含量對絕緣樹脂的耐熱性能影響

表5 固化后絕緣樹脂的玻璃化轉變溫度

絕緣樹脂的耐熱性能是一項重要的性能指標，其關乎絕緣樹脂的使用范圍或使用壽命以及高溫下的力學強度或剛度[2]。玻璃化轉變溫度（Tg）是材料的熱軟化溫度，表5為通過DSC法測得的固化后絕緣樹脂（固化條件：170℃/2h）的玻璃化轉變溫度。由表可知，隨著配方中潛伏性固化劑含量的增加，固化后絕緣樹脂的Tg越來越高；當潛伏性固化劑含量達到4wt% ～ 5wt%時，絕緣樹脂基本不再增加，這因為絕緣樹脂的固化度已經高達97% ～ 99%，固化已較為完全徹底。配方3和配方4絕緣樹脂的Tg達到115℃，是一個較為適中的數(shù)值，不高不低，即可賦予絕緣樹脂在常溫下適當?shù)膱皂g性，又可以保障高溫的力學強度和電氣絕緣性能。

圖2為配方4絕緣樹脂固化后（固化條件：170 ℃/2 h）的熱失重分解（TGA）曲線。由圖2可知，固化后絕緣樹脂失重5%、15%、20%和50%時的溫度分別為380.4 ℃、413.5 ℃、420.6 ℃和444.6 ℃。利用熱失重曲線與熱重割線法[4-6]，可以估算出絕緣樹脂固化后的溫度指數(shù)為162.5 ℃，耐熱等級為F級，即該絕緣樹脂固化后的長期耐熱老化溫度不應超過160 ℃，否則會引起絕緣樹脂的加速熱老化，導致絕緣失效。

圖2 配方4絕緣樹脂固化后的TGA曲線

2.4 絕緣漆的綜合性能

表6 單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂的綜合性能

基于上述配方4和優(yōu)化后的固化條件，對單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂的綜合性能進行了檢測，測試結果如表6所示。由表6可見，此單組分無溶劑環(huán)氧絕緣樹脂的固化揮發(fā)性低、貯存穩(wěn)定好、固化體積收縮率低、電氣絕緣性能優(yōu)異，基本滿足中小型低壓電機部件對電氣絕緣性能的要求，可用于中小型低壓電機的絕緣處理（如滴浸、沉浸應用）。

3 結論

通過對比試驗，首先研究了一種新型潛伏性固化劑的用量、固化條件對環(huán)氧樹脂固化性能、貯存穩(wěn)定性的影響，并由此獲得了單組分環(huán)氧絕緣樹脂的優(yōu)化配方和固化條件；最后基于優(yōu)化條件，配制并測試了單組分環(huán)氧絕緣樹脂的綜合性能。通過試驗研究，得出了以下結論：

1）當該潛伏性固化劑用量為環(huán)氧樹脂的5 wt%，固化條件為170℃/2 h時，環(huán)氧樹脂的反應活性較高，固化程度高；

2）該潛伏性固化劑在環(huán)氧樹脂中的潛伏性非常好，由其制得的單組分環(huán)氧絕緣樹脂的貯存穩(wěn)定性優(yōu)異；

3）單組分環(huán)氧絕緣樹脂的耐熱較好，耐熱等級為F級；

4）單組分環(huán)氧絕緣樹脂的固化揮發(fā)性低、固化體積收縮率低、電氣絕緣性能優(yōu)異，基本滿足中小型低壓電機部件對電氣絕緣性能的要求，可用于中小型低壓電機的絕緣處理。

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Study on preparation and performance of single-component solvent-free and insulating epoxy resins

Tang Yongjun1, Luo Jian2, Jiang Jin1, Yang Lijun2, Wang Xiaomei1

(1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 2. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd, Ezhou 436070, Hubei, China)

TM612

A

1003-4862（2022）10-0019-05

2022-02-15

唐勇軍（1985-），男，高級工程師。研究方向：電機電器絕緣結構及絕緣材料。E-mail: 447853834@qq.com