變壓器用改性丁腈橡膠密封圈熱氧老化性能測試研究

張敬敏 高濤 聶其貴

摘 要：為提高電力變壓器線圈材料的密封安全性和耐久性，采用2種炭黑（N330、N650）和不同含量增塑劑對丁腈橡膠線圈材料進行改性試驗，并研究其密封性能。結果表明，添加炭黑N330時，線圈材料的交聯程度更高，在熱氧老化試驗前后的拉伸強度性能較好，斷裂伸長率良好，并且耐油體積變化率低于4%，耐油性能良好。TOTM增塑劑的最佳添加量為8%～12%，此時，線圈材料的耐熱氧老化性以及耐油性較好。當添加炭黑N330、12% TOTM增塑劑制備丁腈橡膠線圈材料時，線圈材料在極寒環境下服役1年后的綜合性能較好。

關鍵詞：線圈材料；炭黑；增塑劑；丁腈橡膠；密封性

中圖分類號：TQ333.7

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0102-04

Study on thermal oxygen aging performance of modified nitrile rubber sealing ring for transformer

ZHANG Jingmin1，GAO Tao2，NIE Qigui3

（1.Shandong Jining Shengdi Electric Industry Group Co.，Ltd.，Jining? 277600，Shandong China;

2.State Grid Shandong Electric Power Company Weishan County Power Supply Company， Jining 277600，Shandong China;

3.State Grid Shandong Electric Power Company Electric Power Science Research Institute， Jinan 250003，China

）

Abstract：In order to improve the sealing safety and durability of power transformer coil material，the nitrile rubber coil material was modified withtwo types of carbon black （N330，N650） and plasticizers with different contents，and its sealing performance was studied.The experimental results showed that when carbon black N330 was added，the coil material had higher crosslinking degree，better tensile strength and good elongation at break before and after hot oxygen aging test，and the oil resistance volume change rate was less than 4%，indicating good oil resistance.The optimal addition range of plasticizer TOTM was 8%～12%，under this condition，the coil material hadgood heat，oxygen aging，and oil resistance.When carbon black N330 and 12% plasticizer TOTM wereadded to prepare nitrile rubber coil material，the overall performance of the coil material was better after one year of service in extremely cold environments.

Key words：coil material;carbon black;plasticizers;nitrile rubber;sealing performance

受到服役環境中低溫、油性物質侵蝕等影響，電力變壓器的線圈材料安全性降低，性能不斷下降［1-2］。對此，許多學者進行了研究。如對變壓器常用的丁腈橡膠和氟橡膠線圈材料的密封性能進行研究［3］。通過添加炭黑、碳酸鈣等材料對丁腈橡膠類密封材料的性能進行改性，并研究其耐熱密封性能［4］。在不同硫化體系條件下，對丁腈橡膠線圈材料的性能進行研究［5］。基于此，試驗采用2種炭黑（N330、N650）和不同含量環保性增塑劑偏苯三酸三辛酯（TOTM），對丁腈橡膠線圈材料進行改性，制備一種可用于電力變壓器的密封線圈材料，并對其性能進行研究。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與設備

主要材料：丁腈橡膠（工業純，廣州市雙力橡膠）；炭黑N330（工業純，天津天一世紀化工）；炭黑N650（工業純，山東萬化天合新材料）；防老劑RD（工業純，廣州市雙力橡膠原料）；防老劑BLE（工業純，濟南彬琪化工）；硬脂酸（工業純，石家莊市佐松化工）；氧化鋅（AR，鄭州鑫科化工）；增塑劑TOTM（工業純，廣州和盛化工）；硫黃（工業純，上海攀仞國際貿易）；促進劑TBzTD（工業純，高邑縣利和化工）。

主要設備：RD1020型電子天平（深圳市榮達儀器）；CREE-6015型開煉機（東莞市科銳儀器）；LR-LHY-382型無轉子硫化儀（東莞市立人儀器）；30T型平板硫化機（邢臺市三重星機械）；W101-1型真空干燥箱（江西龍中機械設備）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗機（北京吉泰科儀檢測設備）；PCT-08型熱氧老化箱（蘇州江凱機械設備）。

1.2 試驗方法

1.2.1 線圈材料配合比

試驗以丁腈橡膠（NBR）為主要原料制備線圈材料，在基礎配合比的基礎上，采用2種炭黑（N330、N375）、不同增塑劑（TOTM）含量進行改性，其中，線圈材料基礎配合比見表1［6-7］。

1.2.2 線圈材料的制備

（1）按照表1中的基礎配合比情況，用電子天平稱取適量的線圈原材料，備用；

（2）將適量的丁腈橡膠加入到開煉機中，進行塑煉破膠，直到丁腈橡膠將輥軸均勻包裹，其中，開煉機的輥距小于1 mm；

（3）向開煉機中加入適量的防老化劑RD、BLE，并按照試驗需要加入不同含量的增塑劑TOTM，等待一段時間后，繼續加入適量的硬脂酸、氧化鋅以及促進劑TBzTD，進行混煉處理；

（4）分多次向開煉機中加入適量的炭黑N330或N650，每次加入炭黑后需等待一段時間，直到吃粉完成后，在左右3/4進行割刀；

（5）將適量的硫黃添加到開煉機中，在左右進行3次割刀。然后將輥距調小，進行薄通處理6次，再提高輥距，進行排氣處理，最后出片；

（6）將出片后的材料在室溫環境下停放12 h，獲得混煉膠。然后在170 ℃、12 MPa的條件下，通過平板硫化機將混煉膠硫化成型；

（7）設置真空干燥箱為恒溫200 ℃，將硫化處理后的試樣放到其中，再次進行硫化處理4 h。之后在室溫環境下放置12 h，裁樣，備用，獲得線圈材料試樣。

1.3 性能測試

1.3.1 硫化性能

通過無轉子流變儀對混煉膠進行測試，分析其170 ℃×15 min硫化曲線情況。

1.3.2 拉伸試驗

通過拉力機以500 mm/min的速度，對試樣進行拉伸測試，分析材料的拉伸強度、斷裂伸長率。

1.3.3 熱氧老化性能

將線圈材料試樣在恒溫100 ℃環境下放置72 h，進行熱氧老化試驗，并在熱氧老化前后，使用試驗機對試樣性能進行測試。

1.3.4 耐油性能

在恒溫100 ℃環境下，將線圈材料試樣在903 # 油中浸泡72 h。通過測試材料在耐油試驗中的體積變化情況，分析材料的耐油性能［8］。

2 結果與分析

2.1 不同炭黑種類的影響

2.1.1 硫化特性

試驗的主要原料是丁腈橡膠（NBR），因此，該混煉膠的硫化過程為丁腈橡膠線性大分子結構中的活性點與添加的硫黃等交聯劑進行反應，從原本的線性大分子結構逐漸轉變為交聯結構［9］。因此，試驗對兩種炭黑（N330、N650）改性方式的線圈材料混煉膠進行測試，分析其硫化性能，結果如表2所示。

由表2可知，當炭黑N330以及炭黑N650對線圈材料進行改性時，各材料的焦燒時間（t10）差別較小，并且正硫化時間（t90）比較接近，因此，硫化速率（t90-t10）的數值差別不大。這表明，在線圈材料混煉膠硫化速率方面，炭黑的種類的作用效果較小。

然而，在混煉膠的交聯程度（MH-ML）方面，2種炭黑改性方式下的最低轉矩ML差別較小，最高轉矩MH存在一定差異。由表2可得，經過炭黑N330改性的線圈材料混煉膠的交聯程度較大。這表明，在線圈材料的改性過程中，隨著炭黑粒徑的增大，材料交聯程度降低。綜上，當使用炭黑N330進行改性時，材料的交聯程度更高。

2.1.2 耐熱氧老化

耐熱氧老化性能結果如圖1所示。

由圖1（a）可知，在熱氧老化試驗前，經過炭黑N330、N650改性的線圈材料的拉伸強度分別為23.3、16.2 MPa，而在熱氧老化試驗后，2種炭黑N330、N650改性方式的線圈材料拉伸強度均降低，分別為19.8、14.1 MPa，降低幅度分別是15.0%、13.0%。在經熱氧老化試驗后，線圈材料的拉伸強度降低，但炭黑種類對拉伸強度降幅的影響差別較小。這說明在熱氧老化試驗前后，經過炭黑N330改性的線圈材料具備較好的拉伸強度。

由圖1（b）可知，在斷裂伸長率方面，在經過熱氧老化試驗之后，炭黑N330和炭黑N650改性線圈材料的斷裂伸長率均出現下降的變化。在熱氧老化試驗前，經過炭黑N330、N650改性的線圈材料斷裂伸長率分別為362%、379%；而在熱氧老化試驗后，經過炭黑N330、N650改性的線圈材料斷裂伸長率分別降至258%、286%，降幅分別為28.7%、24.5%。由此可見，與炭黑650改性相比，添加炭黑N330改性的線圈材料的耐熱氧老化性能較低，但差別較小。

2.1.3 耐油性能

分別為2種炭黑N330、N650改性方式的線圈材料進行測試，結果如圖2所示。

由圖2可知，在耐油試驗后，經過炭黑N330、N650改性的線圈材料體積變化率分別為3.6%、3.8%。這表明，2種炭黑改性的線圈材料的耐油體積變化程度均較小，密封性較好，其中，炭黑N650改性的線圈材料的耐油性能優于炭黑N330改性的線圈材料。

2.2 不同增塑劑含量的影響

試驗制備的線圈材料以丁腈橡膠為主要材料。由于丁腈橡膠耐低溫性較差，通常添加增塑劑提高其耐低溫性［14］。為此，試驗選擇在線圈材料中添加炭黑N330，并加入不同含量的增塑劑TOTM。并在保證材料在低溫環境不開裂的情況下，研究不同增塑劑含量對其密封性能的影響。

2.2.1 耐熱氧老化

耐熱氧老化性能結果如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著線圈材料中添加的增塑劑TOTM含量不斷增多，線圈材料在熱氧老化試驗后的拉伸強度變化率不斷提高。由圖3（b）可知，當線圈材料中的增塑劑TOTM含量增多時，線圈材料在熱氧老化試驗前后的斷裂伸長率變化率呈現出先降低后升高的變化。當增塑劑TOTM的含量在8%～16%時，線圈材料在熱氧老化試驗前后的斷裂伸長變化率較低。這表明，當增塑劑TOTM的含量在8%～16%時，線圈材料的耐熱氧老化性較好。

2.2.2 耐油性能

試驗對添加不同含量增塑劑TOTM的線圈材料進行測試，結果如圖4所示。

由圖4可知，當線圈材料中添加的增塑劑TOTM含量不斷增多時，線圈材料在耐油試驗前后的體積變化率不斷上升。當線圈材料中添加的增塑劑TOTM含量為4%時，耐油體積變化率為5.5%；當增塑劑TOTM含量增加到20%時，耐油體積變化率上升至9.8%，對比4%TOTM時增幅為78.2%。綜上，增塑劑TOTM的添加會降低線圈材料的耐油性能，因此，當添加的增塑劑TOTM含量小于或等于12%時，材料的耐油性能良好。

2.3 實際應用效果

根據以上試驗結果，試驗選擇炭黑N330以及12%增塑劑TOTM對丁腈橡膠線圈材料進行改性，制備一種用于電力變壓器的密封線圈材料。為研究該材料的實際應用效果，試驗對線圈材料在極寒環境下服役1年時間前后的性能進行測試，結果如圖5所示。

由圖5可知，試驗制備的電力變壓力線圈材料在極寒環境下服役1年時間前后的應力-應變曲線比較接近。同時，在楊氏模量方面，經過極寒環境下服役1年后，線圈材料的楊氏模量有一定程度降低，但彈性依然較好。在極寒環境服役1年的過程中，線圈材料會受到低溫、磨損、油浸等影響，由于該線圈材料以丁腈橡膠為主要材料基體，油性介質會不斷進入到丁腈橡膠的分子鏈中，引起材料溶脹，出現膨脹現象，從而發生表面裂紋，性能下降。由試驗結果可知，在經過極寒環境服役1年時間后，該線圈材料的性能依舊保持良好。

3 結語

（1）試驗以丁腈橡膠為主要材料制備了一種電力變壓器線圈材料，添加炭黑N330時，線圈材料的交聯程度更高;

（2）提高炭黑的粒徑，可以增強線圈材料的耐熱氧老化性能。但添加炭黑N330時材料在耐熱氧老化試驗前后的拉伸強度、斷裂伸長率較高;

（3）兩種炭黑改性的線圈材料的耐油性能均較好，密封性良好;

（4）當添加的增塑劑TOTM在8%～12%時，線圈材料的耐熱氧老化性能、耐油性能較好，此時，該線圈材料具備良好的密封性能;

（5）試驗以炭黑N330、12%增塑劑TOTM制備丁腈橡膠線圈材料，該材料在極寒環境下服役1年后依然具備良好的綜合性能，密封性良好。

【參考文獻】

［1］ 樊超，田一，韓鈺，等.特高壓單柱并聯電抗器用寬阻尼溫域耐油氟橡膠膠料的配方設計及性能研究［J］.橡膠工業，2023，70（1）：20-25.

［2］ 周城，陳夏，樊亞勤，等.熱氧老化對輻照三元乙丙橡膠密封材料性能影響及壽命評估［J］.絕緣材料，2023，56（1）：23-28.

［3］ 周鴻鈴，杜鋼，楊杰，等.變壓器用丁腈橡膠與氟橡膠密封材料的溶脹特性研究［J］.高壓電器，2022，58（6）：121-127.

［4］ 張兆紅，李培培，王再學，等.氫化丁腈橡膠/丁腈橡膠耐熱密封復合材料的性能研究［J］.橡膠科技，2023，21（5）：222-225.

［5］ 羅旭年，呂博，王瑞，等.硫化體系對丁腈橡膠動密封O形圈的影響［J］.高速鐵路新材料，2023，2（1）：58-61.

［6］ 張斌，鮑傳磊，劉濤，等.飛機油箱表面整體保護的密封涂料粘接性能研究［J］.粘接，2022，49（10）：53-55.

［7］ 蘭加水，鐘偉，朱蔚銘.不同牌號防老劑改性丁腈橡膠及其對性能的影響［J］.化學工程與裝備，2021（11）：30-31.

［8］ 馬妍.不同飽和度氫化丁腈橡膠的性能研究［J］.橡塑技術與裝備，2023，49（3）：49-51.

［9］ 張彩霞，李彥輝，潘廣勤.不同硫化體系對丁腈橡膠硫化速率及硫化行為的影響［J］.合成橡膠工業，2021，44（3）：225-229.

［10］ 田志揚，陶春建.炭黑與氧化鋅對于全氟醚橡膠性能的影響［J］.化工生產與技術，2023，29（2）：1-2.

［11］ Martin Hoch，毛杰，蔣鯨喆，等.炭黑填充氫化丁腈橡膠低溫性能的研究［J］.特種橡膠制品，2023，44（2）：1-5.

［12］ 王兆威，王再學，師曉龍，等.白炭黑填充丁腈橡膠性能研究［J］.化工時刊，2022，36（6）：26-28.

［13］ 溫子巍，周熠，付子恩.電器用RTV-1硅酮密封膠耐溫性能的研究［J］.粘接，2022，49（2）：22-25.

［14］ 莊毅，王麗靜，王超，等.增塑劑對官能化溶聚丁苯橡膠性能的影響［J］.石油化工，2022，51（11）：1294-1299.

［15］ 張俊毅，陳繼凱，李世昆，等.腰果酚對二氧化硅/天然橡膠濕煉膠結構和性能的影響［J］.高分子材料科學與工程，2022，38（6）：46-55.

［16］ 沈肖胤，李京修，時志權，等.BDNPF/A含能增塑劑遷移對丁腈橡膠類絕熱層性能的影響［J］.固體火箭技術，2023，46（2）：279-286.

［17］ 蘇芮，孫洪廣，劉廣永，等.丙烯酸酯橡膠耐有機溶劑及耐油性的研究［J］.彈性體，2021，31（1）：32-37.

［18］ 王杰，韓吉彬，吳衛東，等.硫化和增塑對ACM/PP類TPV微觀結構和性能的影響［J］.中國塑料，2020，34（8）：24-29.

［19］ 孔令澤，董可海，裴立冠，等.高低溫循環條件下氟橡膠耐油介質老化性能［J］.宇航材料工藝，2020，50（3）：75-80.

［20］ 湯致華.丁腈橡膠密封材料的低溫特性［J］.內燃機與配件，2020（4）：220-221.

收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-20

作者簡介：張敬敏（1978-），男，高級工程師，主要從事電氣自動化、電網設備檢修與電工材料檢測研究；E-mail：858656188@qq.com。

引文格式：張敬敏，高 濤，聶其貴.變壓器用改性丁腈橡膠密封圈熱氧老化性能測試研究［J］.粘接，2023，50（11）：102-105.