復合絕緣子用膠裝劑性能優化研究

司曉闖 齊小喬 王彩君 陳蕊

摘 要：對復合絕緣子法蘭用膠裝劑的配方進行了優化調整，測定了調整后膠裝劑配方的凝膠時間、玻璃化轉變溫度、力學性能和擊穿電壓等參數，并與在用的膠裝劑配方進行了對比，進行了樣機破壞負荷試驗。結果表明：以甲基納迪克酸酐為固化劑，新加入LD-410增韌劑，拉伸強度提高了9.2 MPa，彎曲強度提高了22.5 MPa，沖擊強度提高了0.9 kJ/m2，擊穿強度提高了3 kV/mm，復合絕緣子樣機通過了破壞負荷試驗驗證，滿足使用要求。

關鍵詞：環氧樹脂;膠裝劑;復合絕緣子

中圖分類號：TM215.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）08-0129-03

Study on Performance Optimization of Epoxy Resin Binder

for Composite Insulator

SI Xiaochuang1 QI Xiaoqiao2 WANG Caijun3 CHEN Rui1

（1.Pinggao Group Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;2.Henan Pinggao General Electric Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467001;3. Henan Pinggao Electric Co.Ltd.，Pingdingshan Henan 467001）

Abstract： The formulation of the glue for the composite insulator flange was optimized and adjusted. The gelation time， glass transition temperature， mechanical properties and breakdown voltage of the binder were determined. The parameters were compared with those of the binder used in the composite insulator， and the failure load test of the prototype was verified. The results show that the tensile strength is increased by 9.2 MPa， bending strength is increased by 22.5 MPa， impact strength is increased by 0.9 kJ/m2， breakdown strength is increased by 3 kV/mm， and the composite insulation sub sample machine has passed the test verification of failure load， which meets the requirements of application.

Keywords： epoxy resin;binder;composite insulator

復合絕緣子作為高壓電氣行業中必備的絕緣部件，被廣泛應用于地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、罐式斷路器、輸電線路、變電站中。復合絕緣子自身具有良好的憎水性和憎水遷移性，使得其抗污閃能力強，同時，其還具有不檢零、不清掃、重量輕、運輸安裝方便等諸多優點[1]。近年來，隨著電力產業的蓬勃發展，復合絕緣子在電力行業中的應用越來越多。在結構上，復合絕緣子主要由硅橡膠傘裙護套、玻璃纖維纏繞管（芯棒）和端部金屬附件組成。復合絕緣子在使用過程中，端部金屬附件起到連接和傳遞載荷的作用。在生產過程中，一個重要的工藝環節是端部金屬附件與玻璃纖維纏繞管（芯棒）的粘接，即法蘭的膠裝。將膠裝劑注入端部金屬附件與玻璃纖維管（芯棒）的間隙內，加熱固化，形成三維交聯結構的固化物，把兩者結合成一個整體[2]。端部金屬附件與玻璃纖維纏繞管（芯棒）之間的最終粘接效果將嚴重影響絕緣子的使用壽命。這與膠裝劑的自身機械性能參數和產品的結構設計有很大關系。近年來，隨著特高壓直流穿墻套管的國產化替代，運行工況對復合絕緣子的法蘭膠裝強度提出了更高的要求。本文在不改變原膠裝劑環氧樹脂-酸酐固化體系的情況下，通過對配方的調整優化，提高膠裝劑的拉伸、彎曲和沖擊等機械性能，進而增強復合絕緣子（特別是軸線與水平線成小角度夾角安裝）長期運行的可靠性。

1 試驗部分

1.1 主要原料

環氧樹脂：CYD-128（中石化巴陵石化分公司）;增韌劑：LD-410環氧活性增韌劑（利鼎電子材料有限公司）、聚癸二酸酐（溫州清明化工有限公司）;固化劑：甲基納迪克酸酐（市售）、甲基四氫基苯酐（大連金世光電材料有限公司）;硅微粉400目（東海縣白塔埠鎮譽文石英制品廠）;促進劑。

1.2 試樣制備

將模具和硅微粉放置在烘箱中預烘2 h以上;將環氧樹脂加熱，降低黏度，然后加入預烘好的硅微粉等，采用手工攪拌的方法，按照同一方向攪拌，直至目測無顆粒狀硅微粉;依次按比例加入固化劑、增韌劑和促進劑，充分攪拌均勻，目測分層、沉淀后，澆入模具中;將模具放入烘箱固化2 h后關閉烘箱，模具從爐溫降至室溫脫模。

1.3 試驗方法

凝膠時間使用DV2TRV黏度計進行測試，測試方法參照《環氧樹脂凝膠時間測定方法》（GB 12007.7—1989），測試溫度為70～120 ℃。

拉伸強度使用INSTRON萬能試驗機進行測試，試驗方法參照《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》（GB/T 1040.2—2006），拉伸速率為5 mm/min。

彎曲強度使用INSTRON萬能試驗機進行測試，試驗方法參照《塑料 彎曲性能的測定》（GB/T 9341—2008），速度為5 mm/min。

沖擊強度使用ZBC1251-C擺錘式沖擊試驗機進行測試，試驗方法參照《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗》（GB/T 1043.1—2008）。

玻璃化轉變溫度使用差示熱分析儀進行測試，試驗方法參照《電氣絕緣材料 測定玻璃化轉變溫度的試驗方法》（GB/T 22567—2008）。

擊穿強度使用GCSTD-C電壓擊穿測試儀進行測試，試驗方法參照《絕緣材料電氣強度試驗方法 第1部分：工頻下試驗》（GB/T 1408.1—2006）的規定，測試試樣厚度為2 mm，在變壓器油中進行測試，升壓速度為2 000 V/s。

2 結果與討論

2.1 配方調整

原膠裝劑的主要成分為：CYD-128環氧樹脂、甲基四氫苯酐、聚癸二酸酐、硅微粉、促進劑等。優化后的膠裝劑的主要成分為：CYD-128環氧樹脂、甲基納迪克酸酐、聚癸二酸酐、LD-410、硅微粉、促進劑等。與原膠裝劑相比，優化后的膠裝劑采用甲基納迪克酸酐作為固化劑，同時增加了LD-410增韌劑組分。甲基納迪克酸酐是淺黃色液體，由甲基環戊二烯與順丁烯二酸酐加成反應得到。在室溫下，甲基納迪克酸酐與環氧樹脂容易混合，配制品使用周期長，固化時放熱量少，固化物體積收縮小，電性能好，特別是耐電弧性能特好，耐熱老化性能優良，適用于澆注、浸漬、層狀絕緣制品[3]。LD-410增韌劑為無色、低黏度透明液體，是一類長鏈線性分子結構中含有羥基官能團的聚醚化合物。羥基是一活性反應基團，能參與固化反應，對環氧樹脂-酸酐固化反應不產生阻滯或促進等影響，可使固化物交聯網絡結構中醚網絡比例增加，能提高固化產物的機械力學性能、電氣絕緣性能、抗開裂性和沖擊性。

為了驗證原膠裝劑的性能，給新膠裝劑配方技術參數指標提供參考，對原膠裝劑的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度、擊穿強度等關鍵機械、電氣性能參數進行測試，結果如表1所示。

2.2 凝膠時間

凝膠時間是指液態樹脂或膠液在規定溫度下由液態轉換為固態凝膠所需的時間，對于熱固性樹脂，是指從添加促進劑后到形成凝膠的時間[4]。在實際的法蘭膠裝過程中，通過熱板與法蘭之間的熱傳導，提高法蘭的溫度，并保持高溫，為膠裝劑的固化提供熱量。在一定溫度下，膠裝劑凝膠時間是提高膠裝效率和降低能耗成本的重要控制因素。優化后的膠裝劑配方，凝膠時間與溫度的關系如圖1所示。從圖1可知，隨著溫度的提高，凝膠時間逐漸降低，當固化溫度為100 ℃時，凝膠時間為21 min，與原膠裝劑相比，凝膠時間基本相當。

2.3 玻璃化轉變溫度

玻璃化轉變溫度是衡量材料熱性能的一個重要參數，材料的許多特性都在玻璃化轉變溫度附近發生急劇變化，導致性能失效。在復合絕緣子的使用過程中，在環境溫度和內部溫度的綜合作用下，法蘭部位的溫度逐漸升高，最終達到動態平衡。相關技術條件規定，復合絕緣子的使用溫度不超過80 ℃，在有一定裕度的情況下，不超過100 ℃，因此，膠裝劑的玻璃化轉變溫度大于此數即可滿足使用要求。配方調整后，膠裝劑的玻璃化轉變溫度測試結果如圖2所示。由2圖可知，玻璃化轉變溫度為107.8 ℃，比原膠裝劑低4.5 ℃，材料的耐熱性較好，滿足使用要求。

2.4 機械、電氣性能

在100 ℃的溫度下，制備新膠裝劑拉伸、彎曲、沖擊和擊穿強度測試試樣，每種試樣10片，結果取算術平均值，最終測試結果與原配方對比如表2所示。從表2可知，拉伸強度提高了9.2 MPa，彎曲強度提高了22.5 MPa，沖擊強度提高了0.9 kJ/m2，擊穿強度提高了3 kV/mm。相比原膠裝劑配方，新膠裝劑的機械、電氣性能參數均有不同程度的提高，有利于增強復合絕緣子運行的可靠性。

2.5 樣機破壞負荷試驗

利用新膠裝劑進行了復合絕緣子的法蘭膠裝，按照《外和戶內電氣設備用空心復合絕緣子定義、試驗方法、接收準則和設計推薦》（GB/T 21429—2008）進行了內壓力和彎曲破壞試驗[5]。固化工藝條件：溫度為100 ℃，固化時間為2 h。固化完成后對絕緣子進行了機械破壞試驗，在小于3.2 MPa的壓力下未被破壞，如圖3（a）所示。在24 kN彎曲負荷下未被破壞，如圖3（b）所示，樣機通過試驗，滿足使用要求。

3 結論

采用甲基納迪克酸酐作為固化劑，同時新增加LD-410增韌劑組分，對復合絕緣子法蘭膠裝劑配方進行了優化調整。優化后，凝膠時間基本不變，膠裝劑拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度和擊穿強度分別為54.1 MPa、76.9 MPa、6.3 kJ/m2和31 kV/mm，與優化前均有不同程度的提高;玻璃化轉變溫度為107.8 ℃，具有較好的耐熱性能，雖然與原配方相比，該參數有所降低，但滿足復合絕緣子產品的使用條件。采用此膠裝劑的空心復合絕緣子樣機，順利通過了內壓力和彎曲破壞負荷試驗，未見明顯破壞。由此可見，優化后的膠裝劑配方滿足空心復合絕緣子產品的法蘭膠裝需求，具有推廣應用價值。

參考文獻：

[1]許喆.復合絕緣子的長期運行性能試驗研究[D].濟南：山東大學，2009：102.

[2]井瓊瓊，司曉闖，張倩，等.混料工藝對法蘭膠裝劑性能的影響[J].河南科技，2013（18）：60-61.

[3]俞翔霄，俞贊琪，陸惠英.環氧樹脂電絕緣材料[M].北京：化學工業出版社，2007：26-27.

[4]王箴.化工辭典[M].北京：化學工業出版社，2010：56.

[5]國家質量監督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.戶外和戶內電氣設備用空心復合絕緣子定義、試驗方法、接收準則和設計推薦：GB/T 21429—2008[S].北京：中國標準出版社，2008.