高厚度聚酯玻璃纖維氈板的制備及應用

李定祥， 李先德， 黃洪馳， 王炳生， 黨曉東

（四川東材科技集團股份有限公司 國家絕緣材料工程技術研究中心，四川 綿陽 621000）

0 引 言

隨著工業技術的發展，大型電機、變壓器等電機電器對絕緣結構件有了更高的要求，例如一些大尺寸絕緣結構件要求一次性成型或較厚板材要求一次加工成型，同時要求材料具有較好的耐熱性能，目前這類絕緣結構件材質主要為聚酯玻璃纖維氈板。

聚酯玻璃纖維氈板全名為不飽和聚酯玻璃氈硬質層壓板，型號為UPGM-203[1]。聚酯玻璃纖維氈板是由無堿玻璃纖維氈浸以不飽和聚酯樹脂糊或乙烯基環氧樹脂糊經熱壓而成的硬質層壓板。

聚酯玻璃纖維氈板具有外觀優良、耐熱性好、機械強度高、電氣性能好、耐電弧、優良的耐漏電起痕性等特點，廣泛用作電機、變壓器、配電柜開關等設備絕緣結構件。

目前國內外生產聚酯玻璃纖維氈板的成型方式主要為模壓成型和樹脂傳遞模塑（RTM）成型，絕大部分都是薄板，板材厚度普遍在1～20 mm，當厚度超過20 mm時，板材內部容易出現氣孔、開裂等質量問題。對于耐熱等級達到155級（F）、厚度在80 mm以上的板材更是少有。IEC 60893-3-5:2003《電氣用熱固性樹脂工業硬質層壓板 第3部分：單項材料規范 第5篇：對聚酯樹脂硬質層壓板的要求》中涉及到的聚酯玻璃纖維氈板厚度范圍為0.8～100 mm[2]，行業中視厚度在80 mm以上的板材為高厚度板材。

查閱資料發現，關于聚酯玻璃纖維氈板的研究多是樹脂合成方面[3]，對聚酯玻璃纖維氈板的成型、缺陷研究較少，對高厚度聚酯玻璃纖維氈板進行深入研究的文獻基本沒有。本研究以乙烯基環氧樹脂為基體，連續玻璃氈為增強材料，采用模壓成型工藝制備厚度在80 mm以上的高厚度聚酯玻璃纖維氈板，并深入研究其長期耐熱性，同時研究引發體系、阻聚劑用量、壓制溫度、成型壓力對高厚度聚酯玻璃纖維氈板成型質量的影響，以期解決材料內部的氣孔、開裂等缺陷問題。

1 實 驗

1.1 主要原材料

合成乙烯基樹脂需要的原材料：酚醛環氧樹脂，淺黃色高黏度液體，工業級，南亞環氧樹脂（昆山）有限公司；甲基丙烯酸，純度≥97%，山東辰宇化工有限公司；順丁烯二酸，上海梵太生物科技有限公司；過氧化甲乙酮，催化劑，阻聚劑，環烷酸鈷苯乙烯溶液等助劑，蘭州助劑廠有限責任公司。

制備高厚度聚酯玻璃纖維氈板需要的原材料：乙烯基樹脂，工業級，自制；連續氈，工業級，規格為450～1 270 mm，江蘇九鼎新材料股份有限公司；低收縮劑（工業級）、苯乙烯，獨山子石化公司；引發劑、阻聚劑等，阿克蘇諾貝爾公司；顏料糊，工業級，自制；硬脂酸鋅，東莞漢維科技有限公司；氫氧化鋁，中國鋁業股份有限公司；氧化鎂糊，常州華科聚合物股份有限公司；分散劑，德國畢克化學公司。

普通聚酯玻璃氈板采用的是不飽和聚酯樹脂和短切玻璃氈，但對于高厚度聚酯玻璃氈板來說，不飽和聚酯樹脂的粘合力、耐熱性和熱穩定性遠低于乙烯基樹脂，很難穩定達到155級（F）。而短切玻璃氈沒有連續氈致密，連續氈原絲連續成圈，各向同性且強度高（是短切氈的1.1～1.5倍），耐撕裂，用來壓制高厚度制品不易開裂，故本研究主要原材料采用乙烯基樹脂和連續玻璃纖維氈。

1.2 制備方法

1.2.1 乙烯基樹脂的合成

為了得到耐熱等級為155級（F）的聚酯玻璃氈板，首先需得到對應的基體樹脂。普通乙烯基樹脂耐熱等級比較低，不適用于制造厚度較厚的制品。由于其特殊的應用需要，制作高厚度聚酯玻璃氈板選用乙烯基樹脂[4]。為得到具有較好耐高溫性能的乙烯基樹脂，需增加乙烯基樹脂的剛性基團，增大交聯密度，合成耐熱等級達到155級（F），同時又能很好增稠的乙烯基樹脂[5]。具體合成方法如下：首先向反應釜中加入酚醛環氧樹脂，隨后加入苯乙烯和阻聚劑，升溫到110℃，再開始加入提前配好的甲基丙烯酸和催化劑的混合液，等分成三份，每次加一份，每次加入后反應35～45 min，直到酸值小于10 mgKOH/g，再加入順丁烯二酸和催化劑，溫度恒定在110℃，反應大約3 h。當整個體系酸值為30～40 mgKOH/g時反應完成，然后降溫，加入苯乙烯稀釋，降溫、裝桶，得到乙烯基樹脂[6-7]。

1.2.2 預浸料的制備

乙烯基樹脂玻璃氈預浸料制作工藝流程圖如圖1所示。

圖1 乙烯基樹脂玻璃氈的制作工藝流程圖Fig.1 Flow chart of production process of vinyl resin glass felt

按照表1配方生產預浸料，將預浸料熟化后得到制作聚酯玻璃氈板的原材料。

表1 產品生產配方Tab.1 Product production formula

1.2.3 模壓成型

聚酯玻璃氈板成型方式主要為模壓成型和RTM成型，對于高厚度聚酯玻璃氈板，RTM成型方式無法成型，故采用模壓成型方式。實驗設備為天津市壓力機有限公司的3 500噸鍛壓機，抽真空模具（模腔尺寸為2 500 mm×1 300 mm×150 mm）。

模壓成型工藝流程如圖2所示，下料量為600 kg，溫度為120～125℃，時間為2 h，壓力為7.5 MPa。按照上述工藝壓制厚度為100 mm的板材，之后進行性能測試和缺陷分析。

圖2 壓制成型工藝流程圖Fig.2 Flow chart of press molding process

1.3 測試方法

1.3.1 長期耐熱性試驗

采用熱老化測試箱依據GB/T 11026.1—2016《電氣絕緣材料 長期耐熱性》[8]對試樣進行測試，試樣尺寸為100 mm×10 mm×4 mm，每個老化溫度點取10～15組試樣進行測試，每組5個，所有試樣在最低老化溫度180℃下預處理48 h。診斷性能失效終點：采用深圳三思縱橫科技股份有限公司的UTM6104型電子萬能試驗機進行彎曲強度測試，方法參照GB/T 1449—2005《彎曲性能測試方法》，當彎曲強度下降至原始值的50%時為達到失效終點。老化溫度分別為220、200、180℃。

1.3.2 性能試驗

力學和電氣性能試驗方法參照GB/T 1303.2—2009《電氣用熱固性樹脂工業硬質層壓板 第2部分：試驗方法》[9]。采用珠海三思計量儀器有限公司的UTM6105型電子萬能試驗機測試試樣的拉伸強度和彎曲強度；采用吳忠材料試驗機廠的XJ-300 A型沖擊試驗機測試試樣的沖擊強度；采用桂林電器科學研究院有限公司的NDHU型耐電弧試驗儀測試試樣的耐電弧性；采用武漢智能星儀器有限公司的ZTD-150型高壓擊穿裝置測試試樣的耐電壓性能；采用四川零點自動化系統有限公司的MYLD/50 kV型擊穿電壓試驗儀測試試樣的擊穿電壓。

1.3.3 DSC分析

采用德國耐馳公司的200 F3型差示掃描量熱儀進行差示掃描量熱（DSC）分析，以10 K/min從常溫升溫到250℃，樣品質量為（10.0±0.1） mg，參比樣品是空坩堝。

2 結果與討論

2.1 引發體系對氈板的影響

玻璃鋼復合材料內部氣孔、開裂等缺陷主要跟樹脂的固化體系有關，使用與樹脂、模具、成型方式匹配的固化體系是解決產品內部缺陷的關鍵。本研究選用3類引發體系進行實驗。引發劑Ⅰ：高溫引發劑過氧化苯甲酸叔丁酯；引發劑Ⅱ：高溫引發劑過氧化苯甲酸叔丁酯+低溫引發劑過氧化-2-乙基己酸叔丁酯；引發劑Ⅲ：碳碳體系中溫引發劑。

對3類引發體系成型得到的板材，剖開端面進行缺陷分析，結果如圖3所示。從圖3(a)可以看出，采用引發劑Ⅰ過氧化苯甲酸叔丁酯體系壓制出來的板材端面呈蜂窩狀，氣孔較多，同時伴有局部裂紋。從3(b)可以看出，采用高溫引發劑過氧化苯甲酸叔丁酯+低溫引發劑引發體系后雖然解決了氣孔、開裂問題，但局部還是有氣孔缺陷。從圖3(c)可以看出，由于碳碳體系中溫引發劑參與的固化反應較溫和平緩，所得產品端面鋸開后無氣孔、裂紋等缺陷。

圖3 3類引發體系成型的氈板圖Fig.3 Images of felt board formed by three types of initiation system

對3類固化體系配制成的樹脂糊，進行DSC分析，結果如圖4所示。

圖4 3類引發體系配制的樹脂糊的DSC分析Fig.4 DSC analysis of resin paste prepared with three types of initiation system

從圖4可以看出，在升溫掃描過程中，對于加入引發劑Ⅰ過氧化苯甲酸叔丁酯的樹脂糊，DSC曲線放熱峰集中，放熱劇烈；對于加入引發劑Ⅱ高溫過氧化苯甲酸叔丁酯+低溫引發劑體系的樹脂糊，DSC曲線放熱峰提前、變寬，但反應還是比較劇烈；采用引發劑Ⅲ碳碳體系中溫引發劑的樹脂糊，放熱反應最緩和，放熱峰面積變大，放熱曲線比較平緩，能夠有效解決板材氣孔和開裂問題。在降溫掃描過程中，3種固化體系樹脂糊的固化均較為徹底。

綜上，選用引發劑Ⅲ碳碳體系中溫引發劑作為高厚度聚酯玻璃氈板的引發劑效果最好。

2.2 熱壓溫度對氈板的影響

熱壓溫度作為聚酯玻璃氈板固化的主要工藝參數，對聚酯玻璃氈板的固化成型非常關鍵。一般情況下板材厚度越薄，熱壓溫度越高；反之，板材厚度越厚，熱壓溫度越低；溫度太高易出現流動困難、起泡、鼓包等異常缺陷，溫度太低又會出現固化不良、表面質量差等缺陷。選用4個溫度區間進行實驗，所得氈板情況如表2所示。從表2可以看出，當成型溫度為120～125℃時，壓制的氈板表面較好，端面無氣孔，層間整齊致密。

表2 成型溫度對氈板端面氣孔的影響Tab.2 Influence of mold temperatures on the porosity of felt board end

2.3 阻聚劑對氈板的影響

阻聚劑在聚酯玻璃氈板固化過程中也起到至關重要的作用，選用4個阻聚劑用量進行實驗，結果如表3所示。從表3可以看出，適當地增加阻聚劑的用量，可以減少氈板內氣孔的產生，當阻聚劑用量太多時，產品的正常固化受到影響，導致層間混亂，物料溢出模具較多，表面出現發麻不光亮現象，因此最佳阻聚劑質量分數為7.5‰。

表3 阻聚劑用量對氈板端面氣孔的影響Tab.3 Effect of polymerization inhibitor dosage on the porosity of felt board end

2.4 成型壓力對氈板的影響

選用4個成型壓力進行實驗，樣品尺寸為2 500 mm×1 300 mm，結果如表4所示。從表4可以看出，適當增加壓力可以減少氣孔的產生，板材端面更加密實，當壓力到達一定值后，再增加壓力對產品影響很小，基本無差異。從能耗綜合考慮，7.5 MPa壓力最優。

表4 壓力對氈板端面氣孔的影響Tab.4 Influence of pressures on the porosity of felt board end

2.5 高厚度聚酯玻璃纖維氈板的性能

以乙烯基樹脂和連續玻璃纖維氈為主要材料，采用優選出的固化體系、阻聚劑、熱壓溫度、熱壓壓力制備試樣，并對試樣進行性能測試。

2.5.1 長期耐熱性

各老化溫度下聚酯玻璃纖維氈板的彎曲強度隨老化時間的變化及平均失效時間如表5～6所示，耐熱性評定及試驗結果如表7所示。

表5 各老化溫度下聚酯玻璃纖維氈板彎曲強度隨時間的變化Tab.5 The bending strength of polyester glass fiber felt board changes with time at various ageing temperatures

表6 各老化溫度下聚酯玻璃纖維氈板的平均失效時間Tab.6 The average failure time of polyester glass fiber felt board at various ageing temperatures

表7 耐熱性評定及試驗結果Tab.7 Heat resistance evaluation and test results

從表6～7可知，以彎曲強度下降至原始值的50%作為失效終點時，試樣在220、200、180℃下的平均失效時間分別為825、2 612、10 839 h，熱壽命界限20 000 h的溫度指數（半差）TI（HIC）為171（9.7），達到155級（F）要求，驗證了高厚度聚酯玻璃纖維氈板的耐熱性達到155級（F）。

2.5.2 電氣、力學性能

取制備的聚酯玻璃纖維氈板進行電氣、力學性能測試，結果如表8所示。從表8可以看出，制得的高厚度聚酯玻璃纖維氈板具有優異的電氣及力學性能。

表8 聚酯玻璃纖維氈板的性能測試數據Tab.8 The test data of properties of polyester glass fiber felt board

3 結 論

以乙烯基樹脂為基體、連續玻璃纖維氈為增強材料、碳碳體系中溫引發劑和7.5‰質量分數阻聚劑的固化體系，在溫度為120～125℃、7.5 MPa壓力下模壓成型制得了外觀光亮、內部無氣孔無裂紋、層間整齊、性能優異的高厚度聚酯玻璃氈板。