专家评论

环氧树脂在高压电机主绝缘中的应用 

陈 宗 旻

    【摘要】本文简述了高压电机主绝缘发展历史、国内外慨况。主绝缘研究重点是粉云母带粘合树脂和浸渍树脂，而这二类树脂都是环氧树脂固化体系。本文还介绍了主绝缘材料组份及制造工艺。包括粘合树脂与恫油酸酐、桐马和硼胺固化剂制备方法。最后对各种主绝缘体系提出所存在问题及今后发展方向。

    【关键词】环氧树脂  电机定子绝缘  云母带

  一，前言   

高压电机有发电机和电动机之分，从发展历史来看是随着发电容量增加发电机越造越大，对发电机技术要求也越来越高，大容量发电机的技术发展也带动了电动机技术发展。发电机产生虽有一百余年历史，但基本结构未显著变化，仅是冷却和绝缘技术进行改进，由此可知绝缘在电机中的重要性。电机的寿命主要也取决于绝缘的寿命，因此把绝缘称作电机的心脏。在电机中有许多种绝缘材料，最重要的是大型高压电机定子绕组导体的对地绝缘，又称主绝缘。主绝缘在电机绝缘系统中起着决定性作用。国内外有关科技人员一直在竞相研制或改进新的主绝缘材料，以提高主绝缘性能，使电机具有更大市场竞争力。比如德国西门子公司，1957年引进美国西屋公司VPI技术，于六十年代初建立起自已的Micalastic绝缘。七十年代作了改进，名称仍为Micalastic，属于笫二代绝缘系统。1987年又作了进一步改进，属第三代Micalastic绝缘。至今世界各大电机公司仍在不断改进各自的绝缘系统，因此主绝缘被认为是可持续发展的课题。而主绝缘材料中改进的主要内容和重点却正是环氧树脂固化体系。

  二，国内外主绝缘才既况

    1、国外主绝缘材料演变  早在1910年瑞士哈佛莱公司首先采用虫胶粘合白云母片贴制成云母箔，卷包在线圈上，加热、加压制造出高压定子线圈主绝缘。1919年美国通用电气公司用沥青代替虫胶粘贴片云母制成云母带，然后包绕在线圈上实现了连续绝缘，在绝缘处理上采用真空干燥、真空浸沥青步骤，排除了绝缘内部空隙，减少了放电破坏，使绝缘质量有较大提高。三十至五十年代各国就采用沥青真空浸渍。五十年代初美国西屋公司用不饱和聚酯树脂作浸渍树脂，用聚苯乙烯作片云母粘台剂，研制出Thermalastic热弹性绝缘。以后美国通用电气公司用改性环氧树脂粘结粉云母片混合带子用于汽轮发电机，该液压绝缘称Micapal。六十年代瑞士BBC研制出Micadur绝缘、法国Alsthom公司为lsotenex绝缘、英国EEC为Novobond多胶绝缘、曰立公司为Hipact环氧绝缘、三菱电机公司为Dialastic绝缘、富士电机公司称F树脂等。上述各公司的绝缘全部使用环氧树脂，包括西屋公司七十年代也改用了环氧树脂。

    2、国内主绝缘材料概况  我国于1962年开始研制大电机主绝缘，首先就确立以多胶模压工艺为基础，用酸性聚酯做双酚A环氧固化剂的粘合剂。以后结合我国实际需求研制出桐油酸酐(TOA)为双酚A环氧固化剂的多胶绝缘粘合剂，1965年在哈尔滨电机厂应用成功，1 966年开始在上海电机厂的定子线棒主绝缘中进行应用工作。七十年代初，TOA环氧粉云母绝缘已在全国全面替代沥青片云母绝缘。

    我国在七十年代和八十年代一直紧跟世界主绝缘材料发展的步伐。由于TOA环氧的热态机械强度与国外主绝缘材料相比还有一定差距，因此开展大量试验。较有成效的技术路线有：硼胺环氧体系、金属羧酸盐环氧、钛环氧TOA、间苯二酚甲醛缩合物环氧、双马桐油酸酐环氧等。通过各项技术测试和评定，较为成功的是桐油酸酐与双马加成物作双酚A环氧多胶粉云母带模压主绝缘。

    七十年代初我国开始对真空压力浸渍(VPI)工艺进行探索，鉴于当时实际情况，虽购进了进口VPI设备．但缺乏浸渍树脂和少胶粉云母带，因而寻找出一条较切合实际的所谓“多胶”VPI绝缘工艺过渡路线，该“多胶”按IEC标准考核的称谓，而在实际生产中则称“中胶”带。它使用环氧硼胺作粉云母带粘合剂，用环氧硼胺和稀释剂作浸渍树脂。该种体系既有多胶模压的优点，又有少胶VPI工艺的优点。1978年首先在上海电机厂批量用于生产。但这种过渡性路线的绝缘质量与国际水平相比仍有一定差距。八十年代初各电机厂分别引进了西屋、BBC和西门子绝缘技术，使用的全是少胶VPI绝缘工艺，因此重又掀起少胶VPI的研究热潮。

  三，主绝缘制造工艺分类及材料组份

    1、主绝缘制造工艺分类

    尽管国内外大电机厂都有各自的绝缘结构，但从工艺上可分成二大类：少胶VPI和多胶模(液)压绝缘。少胶VPI又分真空浸渍线捧法，即单根线棒浸渍成型和真空浸渍绕组法，即整个绕组浸渍简称整浸，前者用于大型发电机的定子线捧，而后者用于高压电动机。ABB公司用外压装铁芯，对三十万发电机也用整浸工艺。

    多胶模(液)压型绝缘是以环氧玻璃粉云母带包绕线捧后，然后模压固化，它是单只进行的。

    2、主绝缘材料组成

    不论主绝缘由何种工艺制造而成，最终绝缘产品由三部份组成．即粉云母、玻璃布和环氧树脂。

    (1) 粉云母  云母属硅酸盐类化合物，作为主绝缘材料主要使用白云母，因为它具有

很高的电绝缘性和较低的介质损耗正切以及抗电弧、耐电晕等性能，又具有耐高温、耐腐蚀等优良性能。片云母在自然界量很少，故利用碎云母制成粉云母纸，它是电机承受高电压的基本材料。

    (2) 玻璃布  玻璃布在粉云母带中起补强作用，它既具有适当拉伸强度，还具有与粘合剂良好的粘结性。国内玻璃布因织布工艺需要添加2～3％石蜡浸润剂，影响了玻璃布的粘结性，故而在制粉云母带前必须对玻璃布进行脱蜡处理。为了确保主绝缘优良性能必须使用电工用无碱玻璃布。

    (3) 粘合树脂和浸渍树脂

    粘合树脂是少胶粉云母带或多胶粉云母带中把粉云母纸粘贴在补强材料成为可使用的带材。浸渍树脂是供VPI工艺浸渍用。电机主绝缘对此二种树脂要求是电性能优良，主要指tanδ和△tanδ要小；机械强度高，导热性优良，能耐电、热老化；工艺性好和尽量少受环境影响。

    在主绝缘三种材料中，云母和玻璃布是无机材料，具有很好的耐热性和电气性能，因

此剩下的树脂性能对绝缘起着举足轻重的作用。国内外大公司绝缘系统的变化主要指的也是粘合树脂和浸渍树脂，因此主绝缘的改进也就是树脂性能的提高。而研究内容都离不开环氧树脂。

  四，主绝缘及材料的制造

    1、多胶模压主绝缘

    (1) 粉云母带粘合树脂制备

    a．环氧桐油酸酐粘合树脂制备

    首先制备桐油酸酐(TOA)，桐油主要成份是甘油三桐油酸酯。桐油酯学名为：十八碳三烯酸(9．11．13)。它的共轭双键很容易与顺丁烯二酸酐的双键起加成反应，因此它们的克分子比应为l：3，桐油中桐油酸仅含80％多一些，因此顺酐量还要少一些，实际生产中桐油与顺酐的重量比为3：(1～O.75)。制备工艺是将桐油升温至85 ℃左右，加入顺酐，自动放热升温至160 ℃左右，保持0.5～l小时，稍冷出料，产品为黄棕包透明粘稠液体。

    考虑到主绝缘是玻璃布和粉云母纸和环氧树脂的复合层压制品，要经过加热加压固化的工艺。因此在粘合树脂配方设计时，在低分予环氧树脂中要加入些较高分子量的环氧树脂，通常加入l／3～1／2重量的E-20或E-12环氧树脂，否则在绝缘热压成型时树脂会大量流失而使绝缘发空。

    b．环氧桐马酸酐粘合树脂制备

    该树脂粘合剂是在环氧桐油酸酐的技术路线上发展起来的，由于加入双马来酰亚胺而提高了耐热性。双马来酰亚胺是俗称．学名是NN’二苯甲烷双马来酰亚胺，由44’二胺基二苯甲烷与顺丁烯二酸酐在二甲苯回流脱水下制备而成，它是聚酰亚胺树脂制备过程中的中问体。桐马树脂制备方法如下：先把桐油与顺酐按1：2～2.5克分子比进行加成反应，然后再加入0.5～1.0克分子的双马来酰亚胺继续反应。这二个反应都是加成放热反应，要严格控制其反应温度。反应产物即为桐马树脂，它既具有酸酐基团，又有酰亚胺基团可继续进行反应。在实际生产中桐马树脂可直接配成溶液，以后再与环氧混合后即成粘合树脂液。

    c．环氧硼胺粘合树脂制备

    上述两种粘合树脂的热态机械强度都不太高，在80～100℃时，机械强度下降都超过室温时的50 %。而环氧硼胺树脂的马丁耐热较高，使主绝缘的热态机械性能大大提高。硼胺固化剂是由一缩乙二醇、硼酸和二甲氨基乙醇克分子比l：0.8：0.4缩合面成。硼胺固化剂在E-44环氧树脂中用量为5～10phr。

    国内通常在宽1米长15米的云母带床上进行，把0.025～O.030mm玻璃布通过环氧粘合树脂漆槽浸渍后，把O.05mm粉云母纸覆在上面，再把浸过漆的玻璃布复合在上面。经过6～10米长，温度为60～120℃的烘房驱除溶剂，然后收卷，切割成25mm宽带子即成产品。多胶带中树脂含量约为38％，玻璃布约20 %，粉云母约为42％。

    (2) 主绝缘制造工艺

    将上述多胶粉云母带包绕在电机定子绕组线捧上，达到规定尺寸放入模子内，加热升温至170 ℃左右，加压保持2～6小时从模内取出即为绝缘线棒。

    2、 VPI主绝缘

    (1) 少胶粉云母带  它是目前国内推进VPI工艺的关键材料，它要满足三方面的要求：其一是满足IEC 371—3—5(1992)具体技术指标上要求。如：树脂含量为8±3 %，抗张强度大于60N／10mm宽等。其二是满足车间生产绕包工艺上要求，如柔软好包，不落粉等要求。其三是经VPl浸渍树脂处理后主绝缘性能上要求，如155 ℃tanδ值要小于O.1和△tanδ要小于0.0025等。国外少胶带主要有Isola、Cogebi、Isovoita和Micafit四家公司产品．其中Isola公司产品较好。国内有桂林电科所，上海云母厂、嘉兴绝缘材料厂和东方绝缘材料厂等产品。少胶粉云母带研制在国内已开展了近二十年历史，但至今仍没能得到较满意的产品。这有材料上问题同时也有工艺制备上问题。从材料上看，国内尚无O.04mm无碱无捻网格玻璃布生产，粉云母纸的质量也欠佳，但主要还是未能研制出较为满意的环氧粘结树脂。用环氧树脂考虑到与VPl浸渍树脂有很好的相容性．通常也不含固化剂式促进剂，这样使少胶粉带具有较长贮存朔。那么选用什幺样环氧树脂较合适呢?如选用E-5l或E-44环氧树脂，做出带予很柔软，但会发生反粘。如选用E-20或E-12环氧树脂制出带子太硬脆，不能包绕线圈，那只能选用高低分子混合环氧树脂，但这样制得少胶带仍有问题，即包绕环境温度的影响。如果在30℃房间柔软较合适的少胶带而在15℃该少胶带就很硬了。如在15 ℃房间柔较合适的少胶带而在30 ℃时一定会发生反粘。介决的办法是加入一定量的聚酯树脂，因为聚酯树脂的粘度对温度的敏感性要小碍多．但聚酯的加入将影响最终主绝缘的tanδ数值，这就不能加得太多。

    (2) VPI浸渍树脂

    它是决定主绝缘性能的组份。国内外通常都采用二类技术路线，一种是纯环氧树脂路线，主要组份是高纯虔低分子量双酚A环氧树脂和酸酐体系，如果存在室温浸渍的话还要加入环氧稀释刺，如丁基环氧醚或新戊二醇缩水甘油醚。另一种是聚酯改性环氧树脂体系，如环氧酸酐聚酯苯乙烯树脂或环氧有机金属盐苯乙烯树脂。本文作者曾在“第四次全国环氧应用技术学术交流会”和第二次技术论文交流会上宣读过“少胶VPI绝缘用F级浸渍树脂SDll48研制”和“VPI浸渍树脂研制与实践”二篇论文。因此本文不再赘述。

    (3) 主绝缘制造

    用包带机把少胶粉云母带绕包在线圈上，绝缘厚度视电机电压等级品定，如1OKV线圈约为2.6mm，包好云母带线圈去VPl处理。处理工艺如下：先把线圈在130℃预热六小时，然后抽真空达l33Pa(1乇)时，保持二小时，输入浸渍树脂后加压至5×1O5(5大气压)保持三小时，放空后在130℃固化五小时，150℃后固化十四小时。

    3、多胶VPl主绝缘

    国际上在七十年代初各大电机制造公司对大中型电动机都采用了少胶VPI整浸工艺来制备主绝缘。国内也立即开始攻关，鉴于当时国内条件都认识到要研制仿国产的少胶粉云母带和浸渍树脂并非易事，因此利用当时的多胶粉云母带和多胶粘合剂技术开展实验室工作。经科研人员努力在上海电机厂车间进行试生产，得到主绝缘各项指标性能都还不错，这样就大批量投入生产应用，至今二十多年已整浸了上万台电机定子线圈，以后国内大厂也部采用了这过渡技术路线——多胶VPI主绝缘。

    多胶VPI主绝缘采用的粉云母带是环氧硼胺树脂体系，树脂含量比多胶模压用粉云母带要少一些，为32～38％，浸渍树脂也是环氧硼胺固化剂加环氧稀释剂而成。

  五、结束语

    1、高压电机主绝缘材料重点研究对象是粘合树脂和浸渍树脂，即环氧树脂固化体系。对主绝缘不断研究及改进促进了环氧树脂应用技术的进步。如八十年代出现的IO树脂，耐热性达H级，它是异氰酸酯和环氧树脂的产物。又如九十年代出现的C级无溶剂树脂，它是三官能团环氧和甲基纳狄克酸酐的混合物。

    2、国内模压多胶主绝缘具中国特色，它的粘合树脂环氧TOA(桐马)国外是没有的。与国外同类产品相比并不逊色，热态机械性能虽稍差些，但电性能却相当优良，关于这一点外国专家也不得不表示钦佩。

    3、国内多胶VPI主绝缘也具有中国特色，目前国内我们大批使用的整浸电机用户反应良好，返修率下降。多胶VPI绝缘使定子整体性和耐潮性显著改善，但与国外少胶VPI绝缘相比，还有一段差距，因此我们正在加紧努力。

涂料消光原理及其应用

金  超    李伟善    杨新宏

近几年以来，我国的涂料工业方兴未艾，涂料总产量也跃居世界的前列，形成了一个与此相关的产业群体，积极推动着传统涂装领域的技术革命和发展。在这期间高光泽的亮光涂料以其色泽鲜艳、明亮等优点深受消费者的喜爱，并在相当长的时间内一统着涂料市场。但是，随着人们生活水平的不断提高，一方面消费者感觉到了高光泽的亮光涂料成膜后反光比较严重，对人的眼睛有害；另一方面消费者的审美观念越来越倾向于休闲、时尚和个性化。再加上我国汽车和家电行业蓬勃发展的需求。这些因素就导致了人们对具有柔和外观的低光泽涂料的需求急剧增加。同时，也使得如何生产具有消光性能的涂料成为涂料设计师们必须考虑的问题。

本文就涂料的消光问题和获取涂料消光性能所采取的措施及其发展趋势予以综述。

一，光泽及光泽的影响因素

    1. 光泽和光泽的测定

    光线投射到物体的表面会发生光线的反射，物体表面对光线的反射能力称为光泽。不同物体表面的光泽不一样，衡量物体表面对光线反射能力的大小，称为光泽度。光泽度用百分数表示。物体表面的光泽度越高，它反射光线的能力就越强，亮度也就越高。光泽度的大小通过光电光泽仪进行测定。根据光泽度的大小，可以将涂料分为亮光、亚光、无光等几种。

    涂料光泽度的分类(以600的反射光泽划分为例)：

        无光涂料：  光泽度  ＜ 10 ％；

        亚光涂料：  光泽度   15～60；

        亮光涂料：  光泽度  ＞ 60 ％。

    2. 影响光泽的因素

      ① 涂膜表面的粗糙度

     物体表面光泽和物体表面的粗糙程度紧密相关。光线射到物体表面上时，一部分会被物体吸收，一部分会发生反射和散射，还有部分会发生折射。物体表面的粗糙度越小，则被反射的光线越多，光泽度越高。相反，如果物体表面凹凸不平，被散射的光线增多，导致光泽度降低。

     人视觉能感受到的光亮物体表面的粗糙度(h)，利用微表面理论知识，可以根据公式：h ＝ λ／cosa算出来，式中入为人射光的波长；a为入射角。例如人射角取60O时，可以算出h=1.1μm，当物体表面粗糙度h大于1.1μm时，会表现凹凸不平，光泽度降低。

      ② 涂膜的成膜过程

     涂料涂刷在物体表面上后，通过溶剂的挥发而固化成膜。涂料涂膜的形成过程对涂膜的表面粗糙程度和光泽至关重要。在湿膜阶段，溶剂的挥发速率受溶剂在涂膜表面的扩散控制，当溶剂的各组分挥发速率差别不大时，有可能得到高光泽的表面；反之，当溶剂的各组分在湿膜阶段的挥发速率不相同时，它会使聚合物分子倾向于形成卷曲，甚至析出，变成大小不一的颗粒或团状物，涂膜表面呈现出凹凸不平。在干膜阶段，溶剂的挥发速率主要受溶剂在涂抹整体里的扩散控制，也会对涂膜表面的粗糙程度产生影响。此外，在涂膜的形成过程中，随溶剂的挥发，涂膜会变薄并收缩，涂料中的一些悬浮的重粒子就会在涂膜表面重新排列，造成涂膜表面的不平整。

      ③ 颜料、细料的粒度和分布

     涂料中颜(填)料的颗粒大小和粒度分布是影响涂膜光泽的重要因素之一。人们在研究中发现，当颜料颗粒的直径小于O.3μm时，才可以获得高光泽的涂膜。原因为：分散在涂料中的颜料颗粒在制成一定厚度的涂膜，并干燥后，仅有最上层的颜料颗粒局部地上突，颗粒直径小于O.3μm的颜料离子所造成的涂膜表面粗糙度不会超过O.1μm。当颜料的平均颗粒直径在3～5μm之间时，可以得到消光效果较好的涂膜。

除以上三个因素可以影响涂膜表面的光泽外，颜料的体积浓度(PVC)，颜料的分散性以及涂膜表面结构和表面反射特性等因素也会影响涂膜表面的光泽。其中，随颜料的PVC增大，涂膜表面的光泽度先是降低，在颜料的极限体积浓度(CPVC)处出现极小值，然后伴随着PVC的增大，光泽度也变大。当颜料种类和用量确定后，分散越好，涂膜表面的光泽度越高。

二，涂料的消光问题

  消光就是利用一定的方法使涂膜表面的光泽度降下来。

  1. 消光原理

  结合涂膜表面光泽产生的机理和影响光泽的因素，人们认为消光就是采用各种手段，破坏涂膜的光滑性，增大涂膜的表面微观粗糙度，降低涂膜表面对光线的反射。可以分为物理消光和化学消光两种方式。物理消光的原理为：，加入消光剂，使涂料在成膜过程，表面产生凹凸不平，增大对光的散射和减少反射。化学消光是靠在涂料中引入一些例如聚丙烯接枝物质类能吸收光线的结构或基团来获得低光泽。

   2. 消光方法

    ① 消光剂

    在现今的涂料行业，人们普遍采用的是加入消光剂的方法。主要有以下几类：

  (1)  金属皂

    金属皂是早期人们常用的一种消光剂，它主要是一些金属硬脂酸盐，像硬脂酸铝、硬脂酸锌、硬脂酸钙、硬脂酸镁等等。其中硬脂酸铝应用的最多。金属皂的消光原理是基于它和涂料成份的不相容性，它以非常细的颗粒悬浮在涂料中，成膜时则分布在涂膜的表面，使涂膜表面产生微观粗糙度，降低涂膜表面光的反射而达到消光目的。

   (2)  蜡

    蜡是使用较早应用较为广泛的一种消光剂，它属于有机悬浮型消光剂。在涂料施工完毕后，随溶剂的挥发，涂膜中的蜡析出，以微细的结晶悬浮在涂膜表面，形成一层散射光线的粗糙面而起到消光作用。蜡作为消光剂的特点是使用简便，并且可以赋予涂膜良好的手感和耐水、耐湿热、防沾污性。但蜡层在涂膜表面形成后也会阻止溶剂的挥发和氧气的渗人，影响涂膜的干燥和复涂。今后的发展趋势是合成高分子蜡与二氧化硅并用，使其获得最佳消光效果。

   (3) 功能型细料

    体质颜料，如硅藻土．高岭土．气相二氧化硅等都是专用作消光剂的功能细料，它属于无机填充型消光剂。在涂膜干燥时，它们的微小颗粒会在涂膜表面形成微粗糙面，减少光线的反射获得消光外观。这类消光剂的消光效果要受到很多因素的制约。以二氧化硅为例，它在用作消光剂时，其颗粒的孔体积、平均粒径及粒经分布、干膜厚度以及颗粒表面是否经过处理等因素，都会影响到它的消光效果。实验表明较大的孔体积、粒径分布均匀并且粒径大小和干膜厚度相匹配的二氧化硅，其消光性能较为优良。

     除以上三类常用的消光剂外，有些干性油，如：桐油也可以在涂料中做为消光剂使用。它主要是利用桐油中共轭双键的高反应活性，使涂膜底面不同的氧化交联速度使涂膜表面产生凹凸不平而达到消光效果。

     涂料为获得低光泽，消光剂起了不可替代的作用。但它在使用过程中，仍存在着诸多缺陷等待改进，如消光剂的选取和使用条件较为苛刻；消光剂的价格偏高，国内用的消光剂多数需从国外进口，像美国GRACE公司的SY—L01D．ED40．ED30，德国DEGUSSA公司的JS一100、TK一900、HK一125，英国CROSFIELD公司的GASIL．HP340等产品，这就使得低光泽涂料的价格也随之上涨；国内生产的消光剂因多含有环眯类物质，因此所得涂膜易泛黄，耐烘烤性差。如何生产性能优良价位适中的消光剂，仍是涂料工作者需要解决的问题之一。

    ③ 消光树脂

    树脂是涂料必不可少的一种成份，因此就有人合成出消光用树脂，利用它和其它树脂作用成膜获得低光泽。可以避免使用消光剂，降低涂料成本。国外已有相应的产品上市，国内的辜继先和姜其斌等人也都对此做了研究，并先后合成出丙烯酸系消光树脂，用在粉末涂料中，效果颇佳，并消除了涂膜易泛黄，耐烘烤性差等缺陷。它的机理：一是利用消光树脂中官能团和涂料组成中的固化剂与另外树脂固化温度的不同，产生先后固化，使涂膜表面产生不均匀收缩，从而破坏涂膜表面的光滑性，产生消光。G9010消光树脂就是利用此机理获得消光。二是增大两种树脂之间的表面张力差，使涂膜收缩不均匀产生微粗糙度。姜其斌合成的消光树脂就是有此原因才产生消光效果。三是在合成树脂中引入相容性差的单体，涂料成膜使这些单体会促使合成树脂从涂膜中部分析出，从而增大涂膜表面的微观粗糙度，获得低光泽。

三，展望

    低光泽涂料在未来的涂料市场中会越来越引起人们的关注，这就使得消光问题愈加重要。合成性能优良的改性消光剂(如用高分子蜡表面处理的二氧化硅等)和合成消光树脂无疑将成为人们研究的重点。