聚酰胺酰亞胺絕緣涂料吸潮機理及改善探討

陳言臣 沈藝晨

(1.蘇州東特絕緣科技有限公司，江蘇 太倉 215400；2.張家港外國語學校，江蘇 張家港 215600)

0 引言

PAI兼具聚酰胺(PA)材料的高力學性能以及聚酰亞胺材料的耐高溫與高絕緣性能，因此在電工、電子產品中廣泛作為電子元器件的漆包線漆與浸漬漆等[1-3]，具有優良的電氣絕緣性能、機械性能、耐冷媒性能、耐化學性能，耐熱等級200℃[4]。早在六十年代就研發面世，但由于成本、特性及下游需求問題，九十年代后期才廣泛應用于嚴酷條件下的電工產品生產，比如空調壓縮機、冰箱壓縮機、風力發電電機用的漆包線等。但在PAI涂料生產保存及后續漆包線加工過程中，由于材質問題，無法避免吸潮變質問題，甚至由于保存使用不當導致產品質量出現問題，雖然業界有嘗試進行改性，但由于特性及成本問題無法真正投入使用，所以想要完全解決PAI涂料吸潮性問題，或達到與別種類涂料相同的水平仍有較大的難度。

1 影響PAI涂料吸潮性的因素

PAI漆包線絕緣涂料一般是由N-甲基吡咯烷酮(NMP)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)、二甲苯(Xylene)、苯甲醇(B-OH)等溶劑及PAI樹脂組成[2]，從溶劑的結構分析，均屬于親水性，相對吸水性較強；PAI樹脂分子量的大小可能也對吸水性及溶解性有影響。漆包線廠在使用PAI涂料過程中，無法避免PAI涂料接觸空氣，如果涂料流動性不佳，會因為吸水導致涂料黃化，甚至出現涂料膠化，針對膠化的涂料用凝膠滲透色譜儀進行分子量檢測，與膠化前涂料分子量相比較，分子量并未增加，排除PAI涂料經時聚合反應導致分子量增加的可能性。

1.1 溶劑吸水性對比

PAI類涂料易吸水的主要原因是溶劑均為強極性溶劑，吸水性較強，根據各溶劑吸水性的強弱設計如表1中的幾種溶劑比例，并按比例配制成相應的溶劑樣品，然后將這些樣品取相同質量放置在表面皿中，表面皿在通風櫥中放置24h后測試樣品水分。

表1 各溶劑吸水性的強弱設計 單位：g

從上表可以看出5#溶劑比例吸水性能最差，按照5#樣品的比例配制與標準品相同樹脂含量的涂料，然后取少量涂料放于表面皿中，用毛氈放入表面皿中浸潤后經時觀察毛氈的變化狀況，經與標準品對比，涂料經時吸潮黃化有改善，但改善效果不太大，說明溶劑吸水性能在一定范圍內時對PAI涂料吸潮性能改善有影響，但無法作為主要的改善方法。

1.2 分子量對吸濕性的影響

考慮到PAI涂料樹脂如果分子量較大，可能導致涂料吸潮后容易導致黃化變質，故通過加水膠化實驗對比不同分子量的PAI涂料膠化時間，對比分子量對涂料加水膠化時間的影響。具體實驗方法如下：首先在分體式燒瓶中加入固定量的涂料，然后向涂料中加入涂料質量10%的水，用玻璃棒手動攪拌均勻，再用機械攪拌并升溫至60℃，通過觀察涂料狀態變化和取測粘度來比較其加水膠化情況。考慮到一次性將水加入到涂料中，涂料中形成的塊狀膠化物不易分散，再通過分批加水的方式對上述實驗結果進行驗證，即先向涂料中加入2%的水，用玻璃棒攪拌均勻后再加入2%的水，如此反復至固化或10%水含量，結果如表2所示。

表2 分子量對吸濕性的影響

結果顯示分批加水與一次性加水的試驗結果相同，且均驗證了分子量大小對涂料加水膠化時間影響不大。1.3溶劑溶解性對吸濕性的影響

不同溶劑對PAI樹脂的溶解性不同，當PAI涂料吸潮膠化時，若溶劑溶解能力較強，可能會溶解稀釋膠化的涂料，不會出現涂料膠化的異常現象，擬定選以下三種溶劑組合測試，調整溶劑比例設計以下三個配方，如表3所示。對表3中三個樣品用分批加水的方式進行加水膠化實驗，實驗結果如表4所示。涂料加水后外觀狀態如圖1所示。

表3 不同溶劑對PAI樹脂的溶解性 單位：g

表4 水膠化實驗結果

圖1 涂料加水后外觀狀態

從實驗結果分析增加強溶解力的溶劑比例可以有效改善涂料加水膠化時間，但隨著樹脂含量的提升，由于涂料中的溶劑總量變少，涂料的加水膠化時間再次降低，需要繼續增加強溶解力溶劑的比例。

2 結論

(1)PAI溶劑均屬于易吸水溶劑時，組分溶劑吸水性差異不大時，只是改變不同溶劑的比例，對涂料吸潮性無明顯改善。

(2)PAI涂料分子量大小對涂料吸潮性影響不大。涂料分子量一般控制在8000-20000，若分子量太大，則涂料粘度較高，下游作業時難度較大；若分子量太小，則下游加工時，皮膜交聯度不足導致絕緣性能下降。

(3)溶劑對PAI樹脂溶解性越好，對PAI涂料吸潮性改善越明顯。

(4)PAI涂料中樹脂含量越高，越易導致涂料吸潮膠化。涂料中樹脂含量越高時，相對溶劑含量就越低，樹脂的溶解性會下降。

3 緩解PAI涂料吸潮的措施

現階段，如何避免PAI涂料吸潮及吸潮后可能出現膠化問題還不能完全解決，再加上考慮成本因素，所以在日常使用過程中可以從以下幾方面考量改善，降低吸潮對PAI涂料的影響。

3.1 選用吸水性較差的溶劑

PAI涂料中現在常用的溶劑均是吸水性較強的溶劑，所以不改變現有的材質無法根本避免PAI涂料吸潮問題。后續可考量選擇對PAI樹脂有一定溶解力的芳烴及別類溶劑。

3.2 選用溶解性好的溶劑

PAI涂料中現在常用的溶劑對樹脂的溶解性各不相同，依據實驗結果，可選擇溶解性較強的溶劑NMP或溶劑組合，以避免在PAI涂料正常使用過程中吸潮出現膠化的異常問題。但由于溶解性較強的溶劑相對成本較高，所以在考慮溶解性的同時也需考量成本的因素。

3.3 充N2保存

PAI涂料盡量密封保存，若長時間存放時可考量充N2密閉存放。避免PAI涂料長時間接觸空氣。

4 結語

隨著技術的進步，PAI涂料的應用領域越來越廣泛，對PAI涂料的研究也備受關注，雖然在絕緣涂料領域可以提出很多改善的方案，但由于絕緣涂料只是中間化學品，其特性必須通過做成漆包線表現出來，所以在改善的同時，務必考慮到下游漆包線加工的限制，比如濃度、粘度、高低沸點溶劑的組成、溶解性、成本等因素，這也是對整個漆包線絕緣材料行業的挑戰，對絕緣材料行業的研究還有很長的路要探索。