影響玻璃纖維增強絕緣套管質量的因素

摘要本文從模具的設計、環氧樹脂配方的選用、繞制玻璃纖維工藝及固化成型工藝等方面對環氧樹脂玻璃纖維增強復合材料高壓絕緣套管的質量影響進行了分析，總結出提高制品質量方法。

關鍵詞絕緣套管 玻璃纖維增強 固化成型工藝

中圖分類號:TQ171文獻標識碼:A

0 引言

該玻璃纖維增強絕緣套管是應用于420kV電壓等級及以上的以SF6氣體作為絕緣介質的高壓電器產品中作高、低壓絕緣支撐用的絕緣件，要求具有高的電氣性能和機械強度，因此要求制品的材料玻璃化溫度高，且制品不允許存在任何缺陷。因此要從材料的選用、模具的設計、玻璃纖維編織布的繞制到環氧樹脂的配方選用、澆注及其固化成型工藝等都必須嚴格地控制。筆者曾就玻璃纖維的材料質量對套管質量的影響進行了詳細的論述，現繼續就模具的設計原則、環氧樹脂的配方選擇和半成品的繞制及成型工藝方面對套管質量的影響進行討論，總結出提高制品質量及制品合格率的方法。

1 模具設計對復合材料性能的影響

(1)模芯的同軸度:模芯的同軸度高是半成品能繞制均勻及半成品與模芯能保持同軸前提，同時也是使繞制的半成品能與外模內腔尺寸吻合的先決條件。模芯的同軸度低會使半成品繞制時模芯產生跳動，繞制材料隨之時松時緊，不能保證平整、均勻，且容易產生起皺現象。半成品松緊不一時會影響后工序環氧樹脂的滲透性;半成品不平整、均勻則會導致與外模腔的貼合不佳，局部有空隙則會產生純的局部環氧樹脂區域(即富樹脂區域)，當制品有外力或溫度驟變的情況出現時，該富樹脂區域就可能產生開裂現象;而半成品起皺則不可能與外模腔貼合。因此必須控制模心的同軸度，并要控制繞制設備的平穩度，防止設備的跳動過大。模芯的同軸度應保證在0.2mm以內為宜。

(2)模芯不允許有脫模斜度:一般帶模芯的模具進行設計時，為了制品便于脫出模芯，通常都在模芯上設計一個較小的脫模斜度，但若對于該套管來說，模芯有脫模斜度則會導致半成品繞制時無法保證同一張力，且玻璃纖維編織布會由于有微小的斜度而在繞制過程中，形成一端有外錐度，另一端有內錐度，半成品的端部不能保持平齊，且套管壁越厚錐度越明顯，且玻璃纖維編織布軸無法在保持與模芯平行的位置進行連續繞制，不可能保證半成品的均勻度和與外模尺寸的緊密貼合，以避免產生局部富樹脂區域，因此對于該制品模芯不允許有脫模斜度。

(3)模具的澆口均勻分布:為了使環氧樹脂均勻地滲透到半成品的玻璃纖維中，最好能多開分布均勻的澆口，使環氧樹脂從各個方向向玻璃纖維中同時進料，避免遠離澆口的位置由于距離長而滲透性差的可能性出現。另該工藝同時也充分利用了環氧樹脂在混合好后的初期粘度最低的最佳進料時機，更有利于環氧樹脂對玻璃纖維的滲透。

2 對環氧樹脂配方的要求

除了要求環氧樹脂的配方能滿足制品所需的機、電性能外(如絕緣強度和機械強度高、耐漏電痕跡好、因耐熱等級高而要求配方有高的玻璃化轉變溫度、需承受冷、熱沖擊而要求有良好的抗低溫開裂性等)，還要求環氧樹脂混合后在澆注和固化成型的溫度下具有低的粘度，且在固化成型溫度下粘度的上升速度慢并有足夠長的凝膠時間，以利于環氧樹脂對玻璃纖維編織布有良好的滲透性，避免產生滲透不良的缺陷。

除了環氧樹脂和固化劑的結構特點決定了環氧樹脂復合材料固化物的玻璃化轉變溫度外，還需要在工藝上保證配方和固化條件的合理性，如配方的配比合理，可達到最佳的固化度的配比，但也需要有適宜的固化溫度和足夠的固化時間，以達到預期的固化度，才能充分發揮出所選用的材料的優越性，否則所得到的復合材料無論從機、電和熱性能方面都無法滿足要求。另外高的玻璃化轉變溫度通常是高的官能度反應所致，但高官能度的復合材料通常有韌性較差的特點，因此要在配方的設計上充分考慮剛性和韌性的統一，才能得到滿足要求的復合材料。

3 繞制工藝對復合材料性能的影響

(1)繞制時玻璃纖維編織布的松緊度:雖然纖維的含量越高復合材的機、電性能越好，但這是在環氧樹脂能充分滲透纖維的前提下才能達到性能的充分發揮。而玻璃纖維編織布繞制的松緊度決定了制品的纖維含量，因此繞制的張力小(即玻璃纖維編織布松)是不利于制品性能的提高的，而繞制的張力太大(即玻璃纖維編織布緊)卻會導致由于纖維太緊而使環氧樹脂滲透不良，導致機械性能下降，且輕則產生局部放電現象，得則導致制品電擊穿。所以要在實踐中摸索適合的玻璃纖維編織布的松緊度。

(2)繞制時玻璃纖維編織布張力的均勻度:繞制時玻璃纖維編織布的張力控制的均勻度會直接影響纖維分布的均勻性，繞制松的部位纖維的含量小，反之亦然。其對制品性能的影響原理與4.1相似。因此要求繞制設備配置能有效地控制玻璃纖維編織布張力的均勻度的儀器，使繞制的半成品各部位的纖維含量均一，澆注后的制品各部位的性能趨向于均一。

(3)繞制時玻璃纖維編織布的不間斷性:若在繞制過程中由于玻璃纖維編織布的布幅長度所限需要駁接，則在駁接處由于前一卷布末端沒有了設備所施加的張力，而后一卷布的起始端不能施加與原來相同的張力，則在駁接部位附近會有局部繞制不緊的缺陷;且由于末端與始端的裁切因會有纖維須滑脫而不可能很整齊，因此駁接處無論是否搭接(因纖維須的存在不可能做到剛好接縫)，駁接處的末端后和始端前就會形成了一條不很規則的無纖維邊，澆注型成后就會產生富樹脂邊，該邊的厚薄取決于纖維布的厚度。為避免制品出現缺陷，為此要求玻璃纖維是連續不間斷的。

4 成型工藝對復合材料性能的影響

(1)繞制的半成品與外模的尺寸配合度:繞制的半成品的尺寸必須與外模內腔的尺寸相吻合，這就要求半成品的圓度高且與模芯和外模內腔有很好的同軸度，若半成品不圓，則圓缺的部位澆注固化成型后只有樹脂而沒有作為增強材料的玻璃纖維，形成富樹脂區域;半成品與外模內腔的同軸度不好則會使某一側由于偏心而壓迫纖維，對面一側則會與外模內腔有一定的空隙，在澆注固化成型后就會在壓緊的一側造成滲透不良，而有空隙的一側則會形成富樹脂區域;半成品的外徑與外模內腔的直徑要一致，甚至可以稍大0.5-1mm，不允許半成品的外徑比外模內腔的直徑小，否則在整個制品的外層都會形成富樹脂區域。

(2)半成品在澆注前的預熱:半成品在澆注前必須要充分地預熱，若預熱時間不夠長，由于玻璃纖維編織布是熱的不良導體，熱量從外模和通過模底把熱量傳遞到模芯，再由外模、模底和模芯把熱量傳遞到玻璃纖維中，遠離外模、模底和模芯的部位的溫度則比靠近模體的部位低，特別是套管壁厚大的制品尤為明顯，在環氧樹脂澆注后，由于該部位的溫度低而導致樹脂的粘度相應升高而影響滲透能力，且會導致因該部位的溫度低而凝膠時間長，其周圍的位置先凝膠時由于固化收縮而需要樹脂進行補縮，該部位的樹脂因具有流動性則先補縮到周圍，而當該部位固化收縮時，需要樹脂進行補縮而其周圍卻已固化，不能提供樹脂供其補縮，就會產生局部沒有樹脂的缺陷。因此預熱時間足夠長(當然由于生產周期和成本所限，也不能規定的時間過長，必須要進行試驗摸索出合適的預熱時間，且制品的體積大小和壁厚不同也會有不同的預熱時間)，要保證整個半成品的溫度與模體溫度一致，且預熱時間同時也可起到對半成品進行干燥的作用。

(3)固化成型的溫度控制:要獲得高質量的制品，固化成型溫度的選擇很關鍵，溫度過高，凝膠時間太短，環氧樹脂來不及滲透到玻璃纖維內部就凝膠了，會導致滲透不良現象;溫度過低，環氧樹脂的粘度會升高，也會影響滲透性。因此也必須要進行試驗摸索出合適的固化成型溫度。

5 結論

模具設計如模芯的同軸度高、無脫模斜度及模具的澆口多且分布均勻等會對制品的質量提高有所幫助;氧樹脂除了要求其配方能滿足制品所需的機、電性能外，還要求粘度低以利于其對玻璃纖維的滲透，且兼顧復合材料的剛性和韌性;在繞制工藝中，玻璃纖維編織布的松緊度適中、張力均勻和玻璃纖維編織布不間斷也是制品質量提高的保障;在成型工藝中，半成品與外模尺寸配合度好、澆注前充分預熱及固化成型溫度適中等也會提高制品的質量。

參考文獻

[1]韋瑋，和光旭，張東山.玻璃纖維增強環氧樹脂單向復合材料的研究[J].西安交通大學學報，1999(8).

[2]楊振泰.玻璃纖維套管在塑料壓注成型中的應用.工程塑料應用，1994.22(4).

[3]陳軍.纖維纏繞玻璃鋼管及容器.造船技術，1993(4).

[4]楊斌，馮昌.玻璃纖維3D復合材料開發.產業用紡織品，1994.12(4).

[5]王光華，竺志超，鄭智毓.用于復合材料的3D織物的織造.玻璃纖維，1999(4).

[6]H. Janssen， R. Hofner “About the Interface Metal-Fitting to FRP-Tube in Hollow Composite Insulators”.《高電壓技術》創刊30周年紀念特刊——高速發展的中國高壓輸電(EHV/UHV、AC/DC)技術，2005.11.