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(xué)校，江蘇 張家港 215600)

0 引言

PAI兼具聚酰胺(PA)材料的高力學(xué)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(chǎn)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(yōu)良的電氣絕緣性能、機械性能、耐冷媒性能、耐化學(xué)性能，耐熱等級200℃[4]。早在六十年代就研發(fā)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(yīng)用于嚴(yán)酷條件下的電工產(chǎn)品生產(chǎn)，比如空調(diào)壓縮機、冰箱壓縮機、風(fēng)力發(fā)電電機用的漆包線等。但在PAI涂料生產(chǎn)保存及后續(xù)漆包線加工過程中，由于材質(zhì)問題，無法避免吸潮變質(zhì)問題，甚至由于保存使用不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題，雖然業(yè)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(dá)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(jié)構(gòu)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(dǎo)致涂料黃化，甚至出現(xiàn)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(jīng)時聚合反應(yīng)導(dǎo)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(jù)各溶劑吸水性的強弱設(shè)計如表1中的幾種溶劑比例，并按比例配制成相應(yīng)的溶劑樣品，然后將這些樣品取相同質(zhì)量放置在表面皿中，表面皿在通風(fēng)櫥中放置24h后測試樣品水分。

表1 各溶劑吸水性的強弱設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)時觀察毛氈的變化狀況，經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)品對比，涂料經(jīng)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(nèi)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(dǎo)致涂料吸潮后容易導(dǎo)致黃化變質(zhì)，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(zhì)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(tài)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(jié)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(fù)至固化或10%水含量，結(jié)果如表2所示。

表2 分子量對吸濕性的影響

結(jié)果顯示分批加水與一次性加水的試驗結(jié)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(dāng)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(xiàn)涂料膠化的異常現(xiàn)象，擬定選以下三種溶劑組合測試，調(diào)整溶劑比例設(shè)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(jié)果如表4所示。涂料加水后外觀狀態(tài)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(jié)果

圖1 涂料加水后外觀狀態(tài)

從實驗結(jié)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(xù)增加強溶解力溶劑的比例。

2 結(jié)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(yè)時難度較大；若分子量太小，則下游加工時，皮膜交聯(lián)度不足導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)階段，如何避免PAI涂料吸潮及吸潮后可能出現(xiàn)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(xiàn)在常用的溶劑均是吸水性較強的溶劑，所以不改變現(xiàn)有的材質(zhì)無法根本避免PAI涂料吸潮問題。后續(xù)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(xiàn)在常用的溶劑對樹脂的溶解性各不相同，依據(jù)實驗結(jié)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(xiàn)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(jié)語

隨著技術(shù)的進步，PAI涂料的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，對PAI涂料的研究也備受關(guān)注，雖然在絕緣涂料領(lǐng)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(xué)品，其特性必須通過做成漆包線表現(xiàn)出來，所以在改善的同時，務(wù)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(yè)的挑戰(zhàn)，對絕緣材料行業(yè)的研究還有很長的路要探索。