電抗器用環氧樹脂體系配方及固化工藝的研究

苗海濤，劉 濤，徐位宏，康欣

電抗器用環氧樹脂體系配方及固化工藝的研究

苗海濤，劉 濤，徐位宏，康欣

（合容電氣股份有限公司， 陜西 西安 710200）

環氧樹脂具有良好的電氣絕緣性能，在干式空心電抗器生產中被大量使用。由于配方和固化工藝決定樹脂固化物的性能，因此研究環氧樹脂體系的配方和固化工藝具有重要的工程意義和實用價值。以理論為依據計算了環氧體系的理論配比，并結合實際確定出生產用的實際配比；同時從升溫、保溫、降溫3個過程出發，制定出環氧樹脂體系的固化制度。

干式空心電抗器；環氧樹脂；配方；固化工藝

隨著電力事業的不斷發展，干式空心電抗器在電網系統中的應用日趨廣泛，其作用也舉足輕重。干式空心電抗器繞組外部用浸漬環氧樹脂的玻璃纖維纏繞嚴密包封，固化后具有很好的整體性，其機械強度高，耐受短時電流的沖擊能力強，能夠很好很好地滿足產品的動、熱穩定性及良好的絕緣性。環氧樹脂本身是線性樹脂，需要加入固化劑在一定溫度下發生交聯固化反應，生成體型網狀結構，才能發揮其固有的優良性能。

1 環氧樹脂體系配方

1.1 環氧樹脂固化體系主要由環氧樹脂、固化劑及固化促進劑組成

(1)雙酚A型環氧樹脂即二酚基丙烷縮水甘油醚[1]，具有良好粘接性能，常用于金屬與非金屬材料的粘接、耐腐蝕涂料、電氣絕緣材料等方面；同時，環氧樹脂耐腐蝕、絕緣、高強度等性能的熱固性高分子合成材料，廣泛地應用于多種行業領域中。環氧樹脂與其它樹脂相比具有以下優良性能：①環氧樹脂具有很高的力學性能；②環氧樹脂具有很好的粘結性能。③環氧樹脂的固化收縮率比較小。④環氧樹脂的配方設計具有很大的靈活性和多樣性,適合工藝性要求的配方都能夠設計。⑤環氧樹脂具有優異的電性能。⑥環氧樹脂具有很好的化學穩定性。⑦它的原材料易得、成本最低，因而備受青睞。

(2)環氧樹脂固化劑能環氧樹脂發生化學反應，形成網狀立體聚合物，把復合材料骨材包絡在網狀體之中，促成固化反應的物質。典型環氧固化劑可分為胺類固化劑和酸酐類固化劑[2]。酸酐類固化劑較胺類固化劑具有以下優點：①揮發性小，毒性低，對皮膚的刺激性小；②對環氧樹脂的配合量大，與環氧樹脂混合后粘度低，有利于玻璃纖維紗浸漬，同時加入較多的填料加以改性，有利于降低成本；③固化物具有良好的電氣性能；④使用期長，操作方便。所以，在電抗器浸漬用環氧樹脂中選用酸酐類固化劑。

(3)酸酐類固化劑與環氧樹脂的固化反應慢，固化溫度較高，一般要加入固化促進劑，常用固化促進劑有叔胺、季銨鹽，有時也用有機酸鹽和氫氧化鉀等[3]。DMP-30（精制品名S-440）為2、4、6三（二甲氨基甲基）苯酚，屬叔胺類固化劑，它可在室溫、高溫下作環氧樹脂-酸酐體系的固化促進劑，能很好地降低環氧樹脂-酸酐體系的反應時間和反應溫度，大幅節省了生產成本和工藝時間，其加入量在 0.2～3%時對環氧樹脂-酸酐體系性能影響很小，所以選用DMP-30作為環氧樹脂-酸酐體系的固化促進劑。

1.2 環氧體系配比

1.2.1 環氧樹脂用酸酐固化劑理論用量計算

式中：Phr—每100 g環氧樹脂所需酸酐固化劑的用量；

C—經驗常數；根據酸酐的種類不同，其值也不同。

1.2.2 所用配方實際計算

環氧樹脂E-51，環氧值為0.51，由于環氧樹脂E-51的實際環氧值為 0.47～0.51，故而取平均值為0.49。采用2,4,6-三(二甲胺基甲基)苯酚(DMP-30)作為環氧樹脂-甲基四氫苯酐體系的促進劑，由公式(2)可知C取1.0；甲基四氫苯酐的酸酐基團數目為1，因此具體計算如(4)、(5)式所示：

1.2.3 促進劑用量

固化促進劑能使固化溫度降低，固化時間縮短。我們使用DMP-30作促進劑，一般在環氧-酸酐固化體系中的加入量為 0.2%～3%時對固化物的性能及微觀形態沒有太大影響，由于促進劑在常溫下對環氧-酸酐體系也具有促進反應作用，考慮到環氧混合體在工業生產中的適用期問題，所以促進劑的加入量不能過多，否則會導致膠液提前進入凝膠狀態影響使用，根據實驗并參考相關文獻[4]，取促進劑DMP-30的加入量為0.5%。

綜上可知，干式空心電抗器浸漬用環氧樹脂體系的配方為：

環氧樹脂(E-51)：固化劑(甲基四氫苯酐)：促進劑(DMP-30)=100：81：0.5。

注意事項：環氧樹脂體系配料時不可將固化促進劑、固化劑同時加入樹脂中，因為固化促進劑、固化劑直接混合會產生大量的熱量易造成燃燒或爆炸，發生生產事故。所以，在加入促進劑時，先將環氧樹脂與固化促進劑攪拌均勻后再加入固化劑混合攪拌，靜置消泡后方可使用。

2 固化工藝

2.1 升溫及保溫過程

環氧樹脂與固化劑發生交聯反應是一個放熱過程,該過程所經歷的時間和溫度變化關系對樹脂的應用性能、產品產量、工藝過程都著有決定性的影響[5]。環氧-酸酐體系的固化過程可分為三個階段：①凝膠階段；是指從加入固化劑和促進劑后到樹脂變為凝膠狀態，樹脂失去流動性的過程,它對復合材料的成型具有決定性的作用，影響凝膠時間的主要因素有引發劑的添加量和溫度，引發劑含量越少或者環境溫度越低,凝膠時間越長；樹脂體積越大,越不容易散熱,凝膠時間越短；溫度越高，凝膠時間越短。②固化階段,是指樹脂從凝膠狀態到能將固化產物從模具上取下或熱烘固化完成為止的過程，此固化工藝過程對固化物的機械、力學性能影響較大。③完全固化階段,是指固化產物進一步轉化為更為堅硬的固體，不會再發生進一步變化所經歷的時間，室溫下,樹脂完全固化可能需要數小時、數日甚至幾周。

環氧樹脂體系經過低溫長時間或者高溫短時間的固化均能達到一定的力學性能,但是采用高溫短時間的固化工藝會使固化物的內應力瞬間增大并且分布不均,產生應力集中，從而使固化物的力學性能下降；采用低溫點和高溫點組合的逐步升溫固化制度,環氧樹脂體系在低溫點的反應速度較為緩慢,環氧樹脂先由小分子結構逐步交聯變為鏈狀結構,再經過高溫反應逐漸向體型結構過渡,整個過程環氧樹脂體系的反應程度過渡比較適中、平緩,所以獲得的固化物韌性較好,強度較高；但是，隨著反應溫度的不斷升高,體系的反應程度過高時,就會使得環氧樹脂體系交聯密度過大,大分子間的相對移動就比較困難,此時的變形比較小,固化物在受到外力作用時容易產生微裂紋,從而過早斷裂,對力學性能起到負作用, 進而導致固化物整體力學性能下降。

對于高溫固化體系而言,考慮到固化物韌性、強度及內應力問題，一般先在低溫下進行凝膠反應,使得樹脂體系在此溫度下達到凝膠狀態或者比凝膠狀態稍高的狀態,之后再升高溫度進行進一步固化反應得到性能較好的固化物。環氧樹脂-酸酐體系屬于中高溫固化體系，根據相關實驗測得環氧體系粘度隨溫度的變化關系如圖1所示。

圖1 粘度與溫度的關系曲線Fig.1 The curve of viscosity with temperature

從圖1可以看出，當溫度高于80 ℃時，體系的粘度上升率最大，故而可知，環氧體系在80 ℃左右開始大量發生凝膠反應，同時參考相關文獻選擇在逐步升溫固化制度中采用80 /2℃ h進行預固化處理[6]。環氧樹脂、甲基四氫苯酐和促進劑體系，采用梯度升溫固化工藝，前期溫度不宜過高，主要為了避免過度放熱，導致內應力較大，后期可以采用較高的溫度進行固化，一些大的制件，如干式變壓器、大型空心電抗器等還要加一個中間固化溫度，根據環氧樹脂-酸酐體系的放熱峰點可以選擇采用120 /1℃ h進行中溫固化[7]，最后采用145 /2℃ h進行高溫固化，采用逐步固化工藝主要是為了固化反應平緩進行，這樣就不會產生應力集中，導致產品尺寸形狀變化，翹曲、開裂，產生微裂紋等,最終獲得綜合性能較好的產品。

2.2 降溫速率對產品性能的影響

冷卻速率：當環氧樹脂體系緩慢冷卻（熔體與冷卻介質溫差小）時，實際上接近于靜態等溫過程，這樣會造成生產周期延長，形成大的球晶，使制品發脆，力學性能降低；快速冷卻時，大分子鏈段重排松弛過程滯后于溫度變化的速度，致使聚合物的結晶溫度降低，結晶不均勻，制品中易出現內應力[8]。中等冷卻速度是將冷卻介質溫度控制在Tg與Tmax之間，能獲得晶核數量與其生長速率之間最佳的比例關系，晶體生長好，結晶完整，結構穩定，力學性能較好，因此，在冷卻過程中，環氧樹脂體系在玻璃化轉變溫度以上時，應保持一定的冷卻速率，不能過快亦不能過慢，綜合相關文獻考慮采用1 /min℃ 的降溫速率[9]。

根據環氧樹脂體系反應過程中樹脂體積變化曲線，如圖2所示。由圖2可知，環氧樹脂-酸酐體系在冷卻過程中，玻璃化轉變溫度以下的體積收縮最大，體積收縮是固化物產生內應力的主要來源，所以，環氧體系內應力主要由玻璃態收縮所致，減小冷卻物與冷卻介質的溫差是減小體積收縮最有效的方法之一，所以環氧樹脂體系在玻璃化轉變溫度以下應采取較低的冷卻速率[10]，另外，工業化生產中，節約成本和時間至關重要，綜合考慮在玻璃化溫度以下至60 ℃采用較低的冷卻速率0.5 /min℃ ，60 ℃以下時，由于制品與冷卻介質溫差較小，可選擇半開烘箱門隨爐冷卻。

圖2 環氧樹脂體系在固化過程中的膨脹與收縮Fig.2 Contraction and expansion of epoxy resin in the process of solidification

根據實驗測得環氧樹脂固化物的玻璃化轉變溫度Tg在110 ℃左右，綜合上述理論以及參考相關文獻[11]，可制定環氧樹脂-酸酐固化工藝制度，如圖3所示。

圖3 環氧樹脂-酸酐體系固化工藝圖Fig.3 The epoxy resin and anhydride curing technology

3 結 論

本文在理論計算和相關實驗的基礎上對干式空心電抗器浸漬用環氧樹脂的配方和工藝進行了確定和優化，得出以下結論：

（1）干式空心電抗器浸漬用環氧樹脂體系的配方為：環氧樹脂(E-51) ∶固化劑(甲基四氫苯酐) ∶促進劑(DMP-30)=100∶81∶0.5。

（2）干式空心電抗器浸漬用環氧樹脂體系的固化工藝采用低溫點加高溫點組合的逐步升溫固化制度。

［1］陳平,劉勝平,王德中.環氧樹脂及其應用[M].北京：化學工業出版社．

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Study on Formula and Curing Process of Epoxy Resin Used in Reactors

MIAO Hai-tao，LIU Tao，XV Wei-hong，KANG Xin
（Herong Electric Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200, China）

Because of excellent electric insulation performance, epoxy resin has been widely used in dry-type air-core reactor. The formula and curing process can affect the performance of resin cast directly, so study on epoxy resin formula and curing process has important significance and practical value. In this article, the practical ratio was determined by means of calculating the epoxy resin formula on the basis of theory and combining with practical conditions. Furthermore, the curing process of epoxy resin was discussed form three aspects of heating, insulation and cooling.

Dry-type air-core reactor; Epoxy resin; Formula ; Curing process

TM 854

： A

： 1671-0460（2015）04-0748-04

2014-11-10

苗海濤(1980-)，男，陜西渭南人，工程師，主要從事電抗器、放電線圈的研究與管理工作。