環氧樹脂澆注件常見質量問題及原因分析

張敬?董保瑩?李永奎?陳蕊　盧銀花

摘 要：澆注件生產過程復雜，工藝控制困難。澆注件的生產過程容易出現氣泡、開裂、缺陷、玻璃化溫度不合格等質量問題。本文就產生這些質量問題的原因一一進行闡述。在實際生產中，要選擇合適的原材料，配合較優的澆注件、嵌件、模具設計，嚴格進行工藝控制，合理進行裝脫模操作，保證澆注件的各項性能指標都能滿足要求。

關鍵詞：澆注件;氣泡;模具;爆聚

中圖分類號：TM412 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0063-03

Analysis on Common Quality Problems and Causes of Epoxy Resin Castings

ZHANG Jing DONG Baoying LI Yongkui CHEN Rui LU Yinhua

（Henan Pinggao Electric Co.， Ltd.， Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： The production process of the casting is complicated and the process control is difficult. The production process of castings is prone to quality problems such as bubbles， cracks， defects， and unqualified glass transition temperature. This paper explains the reasons for these quality problems one by one. In actual production， it is necessary to select appropriate raw materials， cooperate with better pouring parts， inserts， and mold designs， strictly control the process， and perform reasonable assembly and demolding operations to ensure that the performance indicators of the pouring parts meet the requirements.

Keywords： casting parts;bubble;mould;explosive polymerization

高壓開關設備用環氧澆注絕緣制品要求外觀完美，尺寸穩定，機、電、熱性能滿足產品要求[1-5]。目前普遍采用真空澆注成型技術，要點是去除澆注制品內部和表面的氣泡，減少內部應力，防止產生裂紋等。為了達到目的，必須選用合適的澆注材料，使用適宜的真空澆注設備，嚴格控制原材料的預處理、混料、澆注和固化過程，采用合理的設計模具和正確的操作步驟等[6-9]。圖1為環氧樹脂真空澆注成型的工藝流程。

環氧樹脂澆注絕緣件是高壓開關設備的關鍵構件。絕緣件各項性能的穩定至關重要，關系著整臺電氣設備的安全與穩定[10-12]。隨著超高壓、特高壓電網的推廣應用，輸變電設備的質量穩定性顯得日益重要。然而，在澆注件的實際生產中也存在相應的問題。澆注件容易出現的質量問題主要表現為氣泡、缺陷及玻璃化溫度不合格等[13-16]。筆者就這些質量問題及產生原因進行簡要分析。

1 氣泡

產生氣泡的原因有很多，主要可歸結為5個方面。

1.1 樹脂、固化劑、填料預處理不當

預處理主要包含填料的真空干燥、環氧樹脂和固化劑的加熱熔融、填料和環氧樹脂的預混合。填料的真空干燥目的是脫去填料中所含的水分，即脫水。脫水需要控制溫度、真空度和烘干時間。每一個因素控制不當，都會導致脫水不徹底。環氧樹脂和固化劑的加熱熔融一方面是使其熔融，為混料做準備;另一方面是取出其中的水分、低分子揮發物和氣體。填料和環氧樹脂的預混合是將填料和環氧樹脂充分混合，如果混合不均勻，會出現澆注件局部機械強度不足、固化不完全等問題。因此，若原材料的各預處理環節處理不當，澆注固化成型時就會形成氣泡，導致制品報廢。

1.2 真空效率低

澆注過程需要在真空狀態下進行，目的是去除原材料中所含的水分、氣體及各種小分子揮發分等。若因為設備的真空度或抽空速度達不到要求而不能將各澆注罐內的雜物及時處理干凈，就會導致澆注件形成氣泡。

1.3 模具設計不合理

模具是絕緣件成型的關鍵設備。模具設計需要遵循以下原則：避免模具型腔內溝槽太多;模具澆冒口要與澆注件的大小相適應;材質及厚度要適當;便于操作，安全性能好。因此，對于外形復雜的絕緣件，要對模具設計進行反復試驗和論證，不斷改進模具設計，勿要在其內部形成死角，導致固化產生的氣體難以逸出。

1.4 澆注時固化反應過快

若固化反應太快，形成爆聚，則澆注件內部或表面會形成空隙而出現氣泡。這種氣泡不是因為空氣產生的，是因為固化反應產生的。可以說，在脫模以前，在模具內，這些空隙是真空的。因此，固化反應速度應控制在合適的范圍內。

1.5 澆注料黏度過大

澆注料配比不合理或溫度控制不當，造成澆注料黏度過大，導致在澆注過程中產生的氣泡不能逸出模具，存留于澆注件內部。

2 開裂

2.1 配方設計不當

配方設計不當不僅會產生氣泡，也會導致澆注件固化后本體太脆。澆注件在固化過程中會有線收縮和體收縮。由于配方設計不合理，固化收縮會大不均勻，加上材料太脆，造成澆注件出現大量的收縮痕和微裂縫。圖2是填料添加量對澆注件拉伸彈性模量的影響。從圖2可以看出，隨著氧化鋁添加量的增加，其彈性模量逐步增加。模量越大，物品越脆，因此配方設計時應結合澆注件的應用要求，通盤設計配方，最大限度地均衡澆注件的性能。

2.2 澆注體本身設計或模具、嵌件設計不合理

澆注件的生產需要澆注料、嵌件、模具和人員操作協同完成。無論是哪個環節出現問題，都會使澆注件內部形成應力集中點，在脫模后失去模具束縛，釋放應力，導致澆注件開裂[17-19]。

2.3 凝膠、固化溫度過高，澆注件固化后冷卻太快

固化時，固化溫度過高會產生爆聚，使澆注件本體存在大量的內應力。若冷卻太快，則會加劇內應力的釋放。因此，在實際生產中，各生產廠家都在平穩的溫度環境中進行固化，固化完成后隨爐一體慢慢降溫，目的是釋放固化過程中產生的內應力。圖3為環氧樹脂固化和冷卻過程的內部收縮應力變化。從圖3不難看出，脫模溫度一般應控制在80～100 ℃。

2.4 脫模操作不慎，局部用力過大

脫模操作非常重要。在實際生產過程中，很多澆注件的報廢是由于脫模操作不慎造成的。脫模要嚴格按照作業指導書進行，不能因為生產任務重而隨意脫模。在脫模過程中，要使用專門為脫模操作配置的脫模工裝，使剛固化完成的澆注件受力均勻且大小適宜。

3 缺陷

澆注件表面有縮痕，邊角缺料，原因如下。

3.1 澆注料黏度過大

澆注料黏度過大會使固化物形成氣泡，也會造成邊角缺料等問題。澆注料黏度過大的主要原因是澆注料配方設計不合理。澆注料黏度過大，其流動性能迅速下降，未能充滿模具時就已經固化，造成邊角缺料。

3.2 模具合模不嚴密

在裝模操作時，工作人員操作不當，工作態度不認真，或者密封圈老化沒有及時更換，都會造成模具合模不嚴密。在澆注料完全固化前，澆注料會從縫隙處流出，產生氣泡、邊角缺料等質量問題。

3.3 澆注料固化溫度過高

澆注完成后，在固化過程中如果固化爐溫度失控，就會致使固化溫度過高，造成凝膠過快，產生爆聚，不僅會形成氣泡，也會產生嚴重的收縮痕跡。同時，由于溫度過高，澆注件表面會出現嚴重的色差。

3.4 補料和加壓不及時

在澆注料初期固化時，模具內物料從液態到固態轉化。轉化過程中，物料的體積會有不同程度的縮小，需要及時補料和加壓。補料的目的是減少因固化而產生的體積收縮，加壓的目的則是增加澆注件本體的致密性，避免澆注件內部產生微縫隙。

4 玻璃化溫度不合格

玻璃化溫度是高分子物質由玻璃態轉化為高彈態或由高彈態轉化為玻璃態時的溫度。玻璃化溫度是衡量固化物固化度的一項重要指標，也可反映固化物機械強度的高低。玻璃化溫度不合格的主要原因包括澆注前物料混合不均、固化時間不足、固化爐溫度不均勻及爐溫控制不精確而超出正常的偏差范圍等。

5 澆注件制造過程中需要著重注意的因素

澆注件的生產過程復雜，工藝控制嚴格。為使澆注件的各項性能均能滿足實際使用要求，各科研單位和生產廠家均對其進行了相關研究。綜合以上分析，在澆注件的制造過程中，需要著重注意3個方面。

5.1 原材料的選用和配方設計

原材料的選用和配方設計是保證環氧澆注件性能的基礎。只有充分了解各原材料性能，才能為澆注件、嵌件及模具設計提供依據，開發較優的配方設計，從而為合格澆注件的生產打下堅實基礎。

5.2 固化溫度

固化溫度的控制主要依靠嚴密的工藝流程。澆注件固化時，溫度不宜過高也不宜過低。只有將固化溫度控制在合適的范圍，才能使固化平穩進行，才能生產出各項性能都滿足要求的澆注件。

5.3 裝脫模

合理的裝脫模操作是保證澆注件合格率的關鍵工序。據不完全統計，有50%的不合格澆注件是由于人為不合理動作造成的。因此，只有保證環境適宜和裝脫模操作合理，兩者恰當配合，才能提升澆注件的合格率。

6 結語

環氧澆注件質量問題有很多，每種問題都是各種因素共同作用的結果，只有不斷努力研究、思考和創新，并結合實際情況，才能解決問題。

參考文獻：

[1]俞翔霄.環氧樹脂電絕緣材料[M].北京：化學工業出版社，2007：33-89.

[2]MAY A C，TANAKA Y.Epoxy resins chemistry and technology[M].New York：Marcel Dekker Inc，1973：2-4.

[3]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，2011：209-216.

[4]梁平輝.戶外環氧樹脂澆注料的研制與應用[J].變壓器，2007（3）：31-35.

[5]孫曼靈.環氧樹脂應用原理與技術[M].北京：機械工業出版社，2002：221-232.

[6]邱鶴年.F級環氧樹脂澆注料的配方設計探討[C]//第五次全國環氧樹脂應用技術交流會論文集.南京：中國環氧樹脂應用技術學會，1993：45-49.

[7]PARK S，KIM H.Thermal stability and toughening of epoxy resin with polysulfone resin[J].Journal of Polymer Science，Part B：Polymer Physics，2001（1）：121-128.

[8]SHIEH J Y，WANG C S.Synthesis and properties of novel phosphorus-containing hardener for epoxy resins[J].Journal of Applied，Polymer Science，2000（78）：1636-1644.

[9]ZHANG X H，CHEN S，MIN Y Q，et al.Synthesis of novel bisphenol containing phthalazinone and azomethine moieties and thermal properties of cureddiamine/bisphenol/DGEBA polymers[J].Polymer，2006（6）：1785-1795.

[10]畢春華，甘常林，趙世崎.環氧樹脂固化促進劑作用特性研究[J].熱固性樹脂，1996（2）：34-37.

[11]CHEN C G，TOLLE T B.Fully exfoliated layered silicate epoxy nanocompoites[J].Journal of Polymer Science，Part B：Polymer Physics，2004（42）：3981-3986.

[12]潘國元.新型耐熱環氧樹脂的合成、固化及結構性能研究[D].北京：北京化工大學，2007：19-20.

[13]王光明，牛建鴻，關文，等.環氧澆注設備對環氧澆注絕緣件質量的影響分析[J].上海電氣技術，2021（1）：63-68.

[14]梁偉文.環氧樹脂真空澆注產品的外觀質量分析[J].科學與財富，2016（6）：95.

[15]歐陽沈.環氧澆注設備物料循環異常造成絕緣件質量缺陷的原因[J].科技傳播，2013（7）：212-213.

[16]王建華.環氧樹脂絕緣件氣孔形成原因分析及改進措施[J].上海電氣技術，2014（4）：12-14.

[17]陳蕊，袁端鵬，闞超豪，等.模具對盆式絕緣子溫度場分布和承壓水平的影響[J].絕緣材料，2020（12）：78-84.

[18]白曉萍，陳燕.氧化鋁填料電導率對澆注體性能影響的研究[J].電氣制造，2014（11）：62-65.

[19]田浩，郝留成，劉隨軍，等.GIS絕緣件用高性能環氧澆注材料的研究[J].絕緣材料，2013（3）：9-13.