基本简介
绝缘材料耐热等级中的温度是指电机、电器和变压器绝缘结构中最热点极限温度。电机、电器和变压器在运行中 , 各种环境因素同时起作用 , 如温度、湿度、电场机械震动、氧气等 , 而温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素。因此 ,耐热等级评定是一种实用、被世界公认的耐热性分级方法。绝缘材料的耐热等级以正常运行条件下所作用的各种因素为基础 , 对于特殊环境条件下绝缘材料的耐热等级应根据实验进行确定。
正常运行条件有两方面的含义 :①周围环境温度不是长期处于最高值 , 环境条件在一般大气中。②按日、按月的平均负载往往低于电机、电器和变压器产品额定负载值。绝缘材料在实际应用中 , 应根据产品的不同作用和使用部位正确的加以选择。因为一台电机 ( 或电器)不同绝缘部位的温度不同 ,只有根绝各部位的实际温升选择相应的绝缘材料 ,组成绝缘系统 , 才能发挥材料的特性。绝缘材料根据耐热等级分级 ,在其极限温度时 , 于正常运行条件下 ,应能保证长期使用。所谓长期使用就是电机、电器所确定的使用期限约为 15 ～ 20 年。
绝缘材料的耐热等级原来分为 Y 、A 、E 、B 、F 、H( 180 ℃ ) 和 C(>180 ℃ ) 7 个等级 , 发展到现在分为Y 、A 、E 、B 、F 、H 、N ( 200 ℃ ) 、R( 220 ℃ ) 、S ( 240 ℃ )和 C(>240 ℃ ) 10 个等级等。一般把耐热等级达到或超过 F 级( 155 ℃ ) 的新型绝缘材料都称为耐热新型绝缘材料。随着电机电器等设备朝大容量、小型化、轻量化、高可靠、高效性及耐热、耐压和智能化方向发展 , 变压器设备向高电压、大容量及远距离传输方面发展 , 对绝缘浸渍漆的质量及可靠性提出了越来越高的要求 ,为提高电机的可靠性 , 绝缘材料经常降级使用 , 即 B 级电机大部分采用 F 级绝缘材料 , F 级电机经常采用 H 级绝缘材料等 , 因此对绝缘浸渍漆的耐热性要求也就越来越高。此外国内的冶金、矿山 , 以及防爆、高速牵引电机等特殊电机行业的发展 , 对耐热新型绝缘材料的需求也逐步增加。国外发达国家的 F 、H 级及以上等级的浸渍漆已经占浸渍漆总量的绝大部分 , 近年来国内对耐高温浸渍漆的研究也越来越多。
耐热绝缘浸渍漆的分类耐高温浸渍漆按溶剂类型分有溶剂型和无溶剂型两大类 , 基于环境要求及 VPI 浸渍工艺的发展 , 近年来无溶剂型浸渍漆的发展较迅速。国内现已广泛生产的高温浸渍漆有二苯醚改性浸渍漆 ; 耐热环氧型浸渍漆 , 其型号有 H 1162 、JF -1159H 等 ; 耐热聚酯类浸渍漆 , 其型号有 1153 、 1154 、 1156 、 0840KB 、Q0840 -AH 等 ;不饱和聚酯亚胺类浸渍漆 , 其型号有 H 9150 等。近年来国内不少研究者仍致力于新型耐高温浸渍漆的研究 , 研究较多的有聚二苯醚改性类、聚酯亚胺类、环氧改性耐热聚酯类、有机硅类和耐热不饱和聚酯类。
聚二苯醚改性浸渍漆
聚二苯醚漆早在 60 年代开始开发 ,其树脂结构在基本分子环上连有能形成横链的官能团 , 但由于此类二苯醚衍生物采用的制造工艺 , 催化剂不均匀性及固化温度高且固化速度太慢而未得到推广。经过多年研究 , 华东化工学院找到了收率高、消耗低、三废易于处理的制造聚二苯醚衍生物的方法 , 成功研制了聚二苯醚衍生物耐高温绝缘浸渍漆DPO -F -2 ,该漆具有耐高温、粘合强度高、电性能好、抗湿热、防霉等优点 , 且浸渍工艺简单 , 能在中温固化 , 浸烘固化期短 , 能满足多种温度等级电机浸渍工艺。
国内现已广泛生产的耐高温二苯醚改性浸渍漆有不少 , 如 1150 二苯醚无溶剂浸渍漆是由二苯醚类树脂与耐热不饱和聚酯树脂改性而成 , 耐热等级为 H 级。该漆具有固化速度快、贮存稳定性好 , 固化物机械强度高、线圈粘结牢固 , 电气强度常态 ≥22 M V/ m , 绝缘性能好等优点 , 适用于各类耐高温电机、电器线圈的浸渍绝缘处理。如西安西电、镇江麦斯等生产的 1154H 是由二苯醚合成的耐高温不饱和聚酯作为主体树脂与各种助剂、稀释剂复合而成的 , 除具备上述优点外 , 高温电气强度 ≥18MV / m , 温度 指数大于 180 。其它主要型号还有T 1150 -1 、ZD1158H 、1160 、1161 、JF -1158H 等。
聚酯亚胺浸渍漆
为使聚酯树脂获得较高的耐热性 , 用亚胺基团改性聚酯 , 即得到不饱和聚酯亚胺树脂。亚胺改性的不饱和聚酯 ,由于亚胺环的存在 ,增加了分子间的作用力 ,减少了弱键 ,起到了降低分子自由度和增加分子的降解活化能的作用 , 使聚合物的热稳定性大大提高。聚酯亚胺树脂不仅保留了聚酯价格低、工艺性良好的优点 , 同时还具备良好的耐热性、耐水性、耐冷媒性 ,热态电气、力学性能得以提高 ,且成本比聚酰亚胺低得多 , 是国内外颇受欢迎的一种绝缘材料。
聚酯亚胺浸渍漆一般以聚酯亚胺树脂为主体 ,添加混合酚、乙二醇单乙基醚溶剂及含钛类催化剂经化学反应合成，其粘度低、储存期长、使用方便 ,并且具有优良的耐化学性、耐潮性、电气性能及耐热性能。该绝缘漆不仅适用于 H 级镶嵌绕组电机的绝缘处理 , 还能满足中型高压 H 级少胶 VPI 绝缘结构的要求 ,属于高低压通用的 H 级浸渍漆。邢国华等]制备了以乙烯基甲苯为活性稀释剂 , 加入改性不饱和树脂及 195 树脂、催化剂、对苯二酚及阻聚剂等助剂制得新型低毒 H 级聚酯亚胺无溶剂浸渍漆 ,该漆具有优良的电性能、热态粘结强度及耐高低温湿热性 , 有较好的温度凝胶时间特性 ,渗透性好 , 挂漆量高 , 有较好的工艺适应性 , 与不同的绝缘结构有良好的相容性 , 能满足 F 、 H 级少胶VPI 绝缘处理要求。
薛长志等介绍了一种乙烯基甲苯作为活性稀释剂的 TJ 13 -3 不饱和聚酯亚胺无溶剂浸渍漆 ,耐热等级为 H 级。由于乙烯基甲苯具有高沸点、高闪点、低挥发等优点 ,同时还具有优良的电气绝缘性能、力学性能 , 固化后热态粘结强度高、介质损耗因数低、贮存期长以及环境污染少等特点 , 因此赋予TJ 13 -3 漆较好的粘度温度特性 , 凝胶时间短 , 在145 ℃时凝胶时间为 3 . 5 min , 高温烘焙时 , 树脂流失量小 , 用 TJ 13 -3 浸渍漆处理的风力发电机具有较强的防水、抗潮能力。
环氧改性耐热聚酯漆
环氧树脂具有较高的介电性能、耐表面漏电性和耐电弧性 ,其分子链中有极性羟基的存在 ,对各种金属基材有很高的粘附力 , 且固化收缩率低 ,产生的内应力小 , 抗开裂能力强 , 特别适合于由漆包线、硅钢片、轴、绝缘纸、换向器等多种金属和非金属组成的复杂多相结构的整体粘结。采用高性能环氧树脂改性不饱和聚酯树脂 , 可以制得综合性能优异的环氧改性耐热聚酯漆。
俞翔霄等将耐热聚酯树脂在触媒存在的条件下先与耐热二元醇反应使之活化 , 然后逐步加入不饱和酸酐和耐热二元酸、阻聚剂和环氧树脂、苯乙烯、引发剂、促进剂等制得环氧改性耐热聚酯无溶剂漆即 118 漆 , 该漆在 180 ℃下电气绝缘性能达到相当高水平 , 电气强度为 20 M V/ m , 体积电阻率为3 . 4 ×1010 Ψ·m , 挂漆量高 , 在烘焙过程中固化快 ,温度指数为 191( 超过 H 级绝缘的温度指数 180 的要求) 。118 漆还有较好的常温储存、运输稳定性 ,用于 H 级微电机、中小型低压电机、煤矿电机等时 , 具有绝缘性能高 , 电机绕组温升低 , 耐湿热交变性能好 , 热态电阻高的特点 , 提高了电机的运行可靠性 ,并延长了漆的使用寿命。王晓梅等采用分子设计方法 , 将不饱和双键引入环氧树脂中合成了不饱和环氧树脂 , 并以苯乙烯为稀释剂制备了无溶剂型绝缘漆 , 结果发现 , 该漆保留了环氧树脂的良好绝缘性能 , 有效地延长了储存期 , 比同类型的环氧树脂 -酸酐型的粘结性及耐热性能均有提高 , 其起始分解温度为 362 . 5 ℃,比环氧酸酐体系高出了 50 ℃。黄进等以苯并恶嗪树脂为基体 , 用环氧酯进行改性 , 制备适用于沉浸及 VPI 工艺的新型无溶剂绝缘浸渍漆 , 该无溶剂漆具有良好的介电性能、力学性能及耐热性能 ,温度指数达 195 。温静卫等选用不同类型的环氧树脂作为基体树脂 , 添加酸酐类环氧固化剂 , 分别制备了无溶剂、高固体份及溶剂型快固化环氧绝缘浸渍漆。张防等制得了耐热、增强改性的 DF -201C环氧无溶剂绝缘漆 , 该漆的抗开裂性好、热态力学性能高 , 适用期长 , 兼顾了环氧树脂和不饱和聚酯的优点。
张凯等 在环氧不饱和树脂漆中引入亚胺基团 , 使得绝缘漆的耐热性大幅度提高 , 同时又保留了环氧树脂优异的粘结性 , 该漆采用乙烯基甲苯作为交联剂后 , 绝缘漆的挥发份大幅度降低 , 加入改性硅粉 , 绝缘漆的粘度仍能满足 VPI 工艺需求 , 导热率有极大提高 , 虽然介质损耗有所增加 , 但 180 ℃仍能保持在 5 %以内 , 可用于中高压大功率变频调速电机绝缘浸渍处理。
有机硅浸渍漆
有机硅高分子是分子结构中含有元素硅、且硅原子上连接有机基的聚合物。通常分子中硅原子上含有 3 个及以上可水解官能团的有机硅高分子材料称为有机硅树脂。有机硅浸渍漆则是以有机硅树脂为漆基的具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷体系。硅树脂的介电性能优异 ,在较高的温度、湿度及频率范围内保持稳定 ,还具有优良的耐氧化、耐化学品、电绝缘、耐辐射、耐气候、憎水、阻燃、耐盐雾、防霉菌等特性 ,因此 ,硅烷树脂作为有机硅浸渍漆的漆基赋予浸渍漆优异的性能。随着国内高速机车、航空航天器的发展 , 对无溶剂有机硅绝缘漆的需求量将越来越大。衷敬和等以甲基苯基硅烷单体和特种硅烷单体制备了有机硅氧烷预聚物出发 , 合成了一种有机硅浸渍树脂 ,该浸渍树脂不含任何有机溶剂 ,常态下接近“零”挥发 , 为低粘度流动液体。用该树脂制备了 C 级无溶剂有机硅浸渍漆 TJ1173 , 该漆采用铂络合催化体系 ,耐高低温性能优异 , 具有低温活性差、高温活性显著增强的特点 ,且高温快固化是该浸渍漆的显著特点。该漆电气强度常态为 22 . 2M V/ m , 浸水 24 h 仍有 20 . 2 M V/ m ,漆膜吸水性非常低 , 只有 0 . 04 %, 浸水 24 h 后体积电阻率仍保持为 10 14 Ψ·m , 220 ℃工频介质损耗因数为 0 . 018 1 。该漆的反复使用稳定性好 , 经历 20 周期冷 ( 20 ℃ )热( 45 ℃ )循环过程后 , 虽然常态和热态的粘度都有所增长 , 但依然保持在正常使用粘度范围。该漆耐热性高 , 能满足 C 级绝缘要求 , 浸渍和固化应用工艺简单 , 适用于电机的真空压力浸渍绝缘处理 ,并获得无气隙的整体绝缘结构。适用于高端领域如高速牵引电机、航空电机等线圈的真空压力浸渍绝缘处理。周光红等将国产 TJ1173 漆与国外瓦克公司的 H 62C 无溶剂有机硅浸渍漆进行比较 , 结果表明TJ1173 漆与 H62C 漆的组成基本一致 , 物理性能和电性能上无明显差别 , T J1173 漆的储存稳定性、工艺应用性以及耐热性等均大大超出同类产品的同等水平 , 为我国铁路机车绝缘材料的国产化提供了有力保障。
耐热不饱和聚酯类
耐热不饱和聚酯漆的优点是粘度低 ,贮存期长 ,浸渍工艺简单 , 固化后的耐化学性、耐潮湿性、电气绝缘性以及耐热性优良。不饱和聚酯亚胺类型前几年已经在国外广泛应用 , 文献报道采用 N , N '-4 , 4' -二苯甲烷双马来酰亚胺 ( BM D)对不饱和聚酯树脂进行改性 , 可以提高不饱和聚酯树脂的耐热性 , 故前几年不饱和聚酯亚胺类浸渍漆已成为耐高温无溶剂漆的主要发展方向 , 近几年我国对此类浸渍漆的改性研究进展也较快。
苏东明用自制的 198 树脂及 210 树脂 , 在催化剂作用下反应至终点 , 然后降温加入对苯二酚、三聚氰酸三烯丙酯、苯乙烯及其他助剂等研制出 H级不饱和聚酯亚胺无溶剂浸渍树脂 , 该树脂的室温粘度低 , 在 60 ℃附近具有良好的粘度温度特性 ; 具有良好的凝胶时间温度特性 , 140 ℃时凝胶时间为 6min , 因此高温烘焙时树脂流失量小 , 浸渍线圈挂漆量高 ; 耐辐照良好 ,辐照积累剂量达 5 ×105G Y 时的电气性能与辐照前相比基本无变化 , 弯曲强度还有所增加 ;具有良好的贮存稳定性 , 常态与热态下的介电性能及粘结强度均处于良好水平 ;其温度指数大于 180 ,耐热性良好。综合性能良好的新型无溶剂浸渍漆不仅适用于 H 级嵌绕组电机的绝缘处理 , 还能满足中型高压 H 级少胶 VPI 绝缘结构的要求。
张建等]制备了一种以聚苯并嗪和不饱和聚酯来改性甲氧基二苯醚树脂合成了 RH -2H 级无溶剂浸渍漆 , 该漆的贮存稳定性好 , 145 ℃时 8min 可凝胶 ,耐热性能优良 ,用割线法计算漆耐热指数为 187 . 7 , 且在 180 ℃的粘结性能也非常优良。卢军彩等为克服传统的不饱和聚酯树脂的高温粘结力较低的缺点 , 在其基础上引入耐热基团亚胺结构的同时 , 用部分三元酸( 或醇)代替二元酸( 或醇) , 通过引入三官能团单体增加交联密度 , 用该法制得的新型 H 级不饱和聚酯亚胺无溶剂漆不仅保留了原聚酯亚胺的特点 , 而且其高温( 180 ℃ )粘结力大大提高 , 粘结力达 55 N , 温度指数大于180 , 耐热性能良好 , 低温固化快 , 贮存稳定性好 , 且成本较低 , 生产工艺及质量稳定 , 该漆属于 F 、H 级通用的无溶剂浸渍漆。
李强军等在不饱和耐热聚酯树脂的基础上 ,引入亚胺基团封端技术 , 减少活性基团 , 优化主链结构而制得 H 级不饱和聚酯亚胺无溶剂浸渍漆。该漆的耐热性能良好 , 贮存稳定性好 , 介质损耗因数在常温下很小 , 180 ℃下为 0 . 037 ,能够满足高压电机对 VPI 无溶剂浸渍漆的要求。
发展介绍
( 1) 近年来风力发电发展迅速 , 风力电机绝缘系统的绝缘处理都采用先进的真空压力浸渍技术(VPI) , 因此对耐热无溶剂漆的需求越来越大 ; 还有国内高速机车、航空航天器的高速发展 ,对无溶剂有机硅的需求也不断扩大 ;所以无溶剂型尤其是纯环氧浸渍漆等仍然是今后的发展趋势 ;
( 2)国际环境保护法律法规的实施 , 以及国内外对生态环境的保护意识的加强 , 要求绝缘材料低VOC 、不含或少含 HAPs ,所以环境友好型的浸渍漆成为研究热点 ;
( 3) 耐热绝缘浸渍漆较强的通用性显得更为急需 , 既能满足 F 级高压电机中胶、少胶 V PI 绝缘结构的性能工艺要求 , 又能满足 H 级通用要求等 , 以方便应用的推广 ;
( 4)耐热绝缘浸渍漆向多功能型发展 , 在加强耐热性的同时 , 其他性能如贮存稳定性、防水防潮、高温粘结性、高温电阻率等综合性能也应提高。
