| 标题 | 纳米SiO2掺杂改性聚酯亚胺浸渍漆的性能 |
| 范文 | 范勇 张树龙 陈昊 杨瑞宵 摘 要：为了改善聚酯亚胺无溶剂浸渍漆的介电性能，采用微乳化和超临界反应的方法制备纳米SiO2，并制备了一系列纳米掺杂量不同的SiO2改性聚酯亚胺浸渍漆。分别对试样进行TEM表征、介电强度测试、体积电阻率测试、介电常数测试和粘度测试，结果表明：納米SiO2与基体之间相容性较好；在掺杂质量分数为10%时击穿强度比纯漆提高5.79%，达到23.04kV/mm；体积电阻率基本保持不变；介电常数随掺杂量略有下降；随掺杂量增加粘度有较大幅度下降。 关键词：聚酯亚胺；无溶剂浸渍漆；纳米SiO2；介电性能 DOI：10.15938/j.jhust.2018.04.017 中图分类号： TM215.3 文献标志码： A 文章编号： 1007-2683（2018）04-0095-04 Abstract：In order to investigate the effect of nano doping properties of nonsolvent impregnating varnish on polyester imide， this paper adopts microemulsion method and supercritical reaction preparation of nano SiO2 and according to different proportions of polyester imide solventless impregnating varnish was doped， curing at high temperature by different doping ratios of nano composite materials. After TEM characterization， dielectric strength， volume resistivity test， dielectric constant test and viscosity test， the sample results show the nanometer SiO2 and good compatibility in the matrix； when the doping amount is 10% breakdown strength than pure paint increased 5.79% reoching 23.04kV/mm； volume resistivity unchanged； dielectric constant with the doping amount decreased， and the increase of doping amount of viscosity has decreased substantially. Keywords：polyesterimide； solventless impregnating varnish； nanoSilica； dielectric properties 0 引 言 近年来，由于我国的电机制造技术迅速发展[1]，电机也朝着高电压、大容量、高温、高频方向发展因此针对电机和电气设备、元器件等的绝缘材料也愈发成为研究的热点，浸渍漆则是电气设备较为常用的绝缘材料之一[2]。而对于采用真空压力 浸渍处理技术 的绝缘体系，真空压力浸渍漆则是这种体系的重要组成部分，为了避免在有溶剂的浸渍漆浸渍过程中易产生气孔的问题，无溶剂绝缘浸渍漆是绝缘浸渍材料发展的主要方向。由于绝缘材料的性能直接决定电气设备的使用寿命[3]，因此材料的更新换代就十分的重要。由于纳米粒子的加入可以显著改善聚合物的介电性能，热学性能以及机械性能等[4]，无机纳米/聚合物复合材料为浸渍漆的改性开辟了一条新的途径。 本文针对H9150无溶剂聚酯亚胺浸漆进行改性，是由于它具有好的耐热性、耐辐照性能、低温快固化、贮存稳定、综合性能好等特点[5]。且属于高、低压通用的H级无溶剂浸渍漆。在各电机厂的使用结果表明，该漆不论应用于普通沉浸工艺，还是真空压力浸渍工艺，均能满足H级电机绕组绝缘处理的要求，并且成本低、原料充足[6]。 1 实验部分 1.1 主要原料 聚酯亚胺无溶剂绝缘浸渍漆，厂内编号：H9150，哈尔滨庆缘电工材料股份有限公司。 甲苯，化学纯，长春化学试剂厂。 正硅酸乙酯，分析纯，上海化学试剂公司。 无水乙醇，分析纯，天津化学试剂三厂。 蒸馏水，自制。 1.2 纳米掺杂浸渍漆的制备 将无水乙醇、蒸馏水和正硅酸乙酯等经水解、蒸馏等步骤制得纳米级溶胶，然后经超临界反应生成无机纳米二氧化硅分散液[7]，在室温条件下陈化一周处理待用。本实验采用共混法制备纳米复合材料就是将陈化处理后的纳米分散液按照不同的掺杂量分别加入到装有浸渍漆的三口瓶中高速搅拌4h，慢速搅拌2h，保证混合均匀并且消除高速搅拌过程中形成的气泡。将混合后的漆按照一定的质量均匀地倾倒在涂好脱模剂的钢质胶盘中，把灌好的胶盘放在烘箱中，在140℃的下预热2h，之后升高温度到160℃固化12h，待温度降到室温后取出。 1.3 主要测试及测试仪器 击穿场强测试，采用机械工业电工材料产品中心生产HT100型击穿电压测试仪，室温条件下匀速升压（1kV/s）试样厚度为1mm。 体积电阻测试，室温条件下采用北京华晶汇科技有限公司生产ST121型数字超高阻、微电流测试仪。 介电常数测试，采用西林电桥法，测试条件分别为室温与155℃，采用上海杨高电器厂生产QS87型介损及介电常数测量系统。 粘度测试，采用美国BROOKFIELD公司生产LVDVⅢ ULTRA型流变仪，测试条件为室温25.8～26.1℃，剪切率为20S-1。 透射电镜测试，采用日本电子公司，JEM2100型透射电子显微镜。 2 结果与分析 2.1 TEM测试 为了研究经纳米改性后材料的性能与其微观结构的关系，采用TEM测试来观察材料的内部微观结构并且对纳米SiO2的结构形态和粒度进行测定。图1、2为纳米SiO2掺质量分数为10%的聚酯亚胺漆TEM图。 图1（a）是放大倍数为20000倍的掺杂后聚酯亚胺漆的TEM图。图中深色部分为无机纳米粒子，浅色部分为聚酯亚胺基体，从图中可以看出颗粒状不规则的纳米粒子被基体树脂包围，聚集成亚微米二次结构，松散的分散在基体中，纳米粒子较好的分散在聚酯亚胺漆中。 图1（b）为图1（a）中圆圈位置的放大图，放大倍数为200000倍，从图中可以看出不规则形状的深色颗粒为纳米SiO2，并且颗粒粒径大小大约50～70nm左右。从图中还可以看出纳米粒子与基体的界面之间结构十分清晰，颗粒状不规则纳米粒子之间被基体树脂隔离，说明纳米粒子与浸渍漆基体之间的相容性很好。 2.2 介电强度测试结果分析 介电强度是指复合材料在一定环境和温度下，单位厚度的材料所能承受的最大击穿电压[8]。图2击穿场强随无机納米掺杂量变化的关系曲线。 从图2中可以看出，随着纳米SiO2掺杂量的增加，介电强度呈先增大后减小的趋势，在纳米SiO2掺杂质量分数为10%的时候达到极值23.04kV/mm，比纯漆介电强度提高5.79%。在纳米SiO2掺杂质量分数10%以下时，由于引入的纳米粒子在体系中形成了均匀分布的载流子陷阱结构，起到了均化内电场的作用，缩短了载流子的平均自由程，使载流子的动能变小，并且无机物的引入还对基体材料构成屏蔽保护，从而提高了材料的击穿场强。另一方面，纳米粒子的添加增强了材料的耐热性，也就减缓了热击穿的进程[9]。 当掺杂质量分数大于10%后，随着掺杂量的增加，击穿场强明显降低，这是由于随着纳米粒子含量增加，引入的纳米粒子在体系中逐渐形成了不均匀分布，导致载流子陷阱结构的不均匀分布，使得内电场不均匀，在外加电场下局部场强过高引起电击穿。 2.3 体积电阻率测试结果分析 体积电阻率ρv，就是单位体积的绝缘材料对通过电流的阻抗作用，是显示绝缘材料介电性能的重要参数[10]。图3为不同掺杂量下体积电阻率的变化曲线。 从图3中可以看到，体积电阻率在掺杂前后的变化不大，未掺杂前的电阻率为10.94×1012Ω·m，这就说明纳米掺杂没有改变基体材料的优良绝缘性，可能是由于基体与纳米粒子之间的结合比较好，纳米掺杂虽然引入了非均相结构会导致电导增加，但纳米粒子对于载流子运动的阻隔作用也会使电导减小[11]，所以总的电导基本不随掺杂量变化。 2.4 高温、室温介电常数测试结果分析 图4为纳米SiO2掺杂量不同的聚酯亚胺浸渍漆分别在高温和室温下介电常数随无机纳米掺杂量变化关系图。 从图4中可以看出，在室温下纯聚酯亚胺浸渍漆的介电系数为3.05，随掺杂量的增加，复合材料的介电系常数呈整体减小趋势但下降并不明显，在掺杂质量分数为10%～20%下降较为明显。当温度为155℃时，纯聚酯亚胺浸渍漆介电系数为4.23，且介电系数随着SiO2掺杂量的增加，呈先增大后减小的趋势，极值为4.68，出现在纳米SiO2掺杂质量分数2%左右。 室温时复合材料的介电系数随掺杂量下降，可能是因为聚合物分子与纳米颗粒之间以及纳米颗粒之间都存在着较强的相互作用，导致极性基团随外加电场的取向概率减小，因此介电常数呈下降的趋势；而在高温时材料的介电比在室温时略有提高，是由于在高温时链段活动容易，极化概率增加，转向极化容易。而介电常数在掺杂质量分数为2%时最大，可能是由于掺杂量低，纳米颗粒之间的相互作用尚未很好的建立起来。 2.5 黏度测试结果分析 黏度是浸渍漆重要的指标，因为只有黏度适当才能实现浸渍漆对工件的充分渗透。图5为纳米SiO2掺杂量与浸渍漆黏度的关系图。 从图中可以看出随着掺杂量的增加体系黏度呈下降趋势，且下降程度明显。纯漆的黏度为374.41MPa·s，掺杂质量分数20%时黏度下降到85.58MPa·s。低黏度的浸渍漆有利于在浸渍电机的过程中更好的渗透到绝缘结构的内层，有利于提高绝缘结构的整体性。本实验使用的H9150是以苯乙烯为为活性稀释剂，因为苯乙烯对多数含不饱和双键的聚合物有很好的反应活性，但由于聚苯乙烯的耐热等级低仅为105℃，远低于H级要求[12]，因此加入纳米SiO2时可以减少活性稀释剂的加入量，并且有利于提高浸渍漆的耐热等级。 3 结 论 本文采用纳米SiO2对无溶剂浸渍漆H9150进行改性，经固化成型，得到不同掺杂量的复合材料，经测试分析得出如下结论： 1）从TEM中可以看出，通过微乳化和超临界反应制备的纳米SiO2粒子在聚酯亚胺中分散均匀，粒径在50～70nm； 2）掺杂纳米SiO2有利于提高聚酯亚胺介电强度，随纳米SiO2掺杂量的升高，介电强度先增大后减小，掺杂质量分数为10%时达到极大值23.04kV/mm，比纯聚酯亚胺提高5.79%； 3）掺杂纳米SiO2对聚酯亚胺浸渍漆体积电阻率影响不大； 4）室温下复合材料的介电系数随纳米SiO2掺杂量的升高呈下降趋势；155℃时，介电系数先增大后减小，当纳米SiO2掺杂质量分数为2%时，出现极大值4.68； 5）随纳米SiO2掺杂量的升高，聚酯亚胺浸渍漆粘度呈下降趋势，纯漆的粘度为374.41MPa·s，掺杂质量分数为20%时，聚酯亚胺浸渍漆的黏度为85.58MPa·s。 参 考 文 献： [1] 李冰， 彭丹. 无溶剂绝缘浸渍硅树脂的应用研究进展[J]. 山东科学， 2016（4）： 44-49. 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