耐高溫絕緣層壓材料現(xiàn)狀及發(fā)展建議

1、我國耐高溫絕緣層壓材料現(xiàn)狀及發(fā)展建議劉 鋒，許自貴，趙 平（四川東材企業(yè)集團(tuán)公司，四川 綿陽 621000）摘要：本文介紹了我國耐高溫絕緣層壓材料現(xiàn)狀以及現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)的F級以上絕緣層壓材料的性能特點，和耐熱性評定的方法,并對耐高溫絕緣層壓材料產(chǎn)品的發(fā)展提出了一些建議，以期拋磚引玉，供用戶和有關(guān)人員參考。關(guān)鍵詞：耐高溫 絕緣層壓材料 現(xiàn)狀 發(fā)展建議The current status & advice on development of insulating laminates with high temperature rating in ChinaLiu feng， Xu zi-g

2、ui，Zhao ping (Sichuan Dongfang insulating material CO., LTD，Shichuan Mianyang，612000)Abstract: This paper introduces the current status of development of high temperature rating insulating laminates in China, and the properties, characteristic and method for evaluating the temperature index of insul

3、ating laminates with temperature index rating above F-class under industrial production. It also presents some advice on development and production, hope be of certain help to manufacturers and users.Key words: High temperature ratingInsulating laminatescurrent statusadvice on development中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識

4、碼：A 文章編號：1009-9239（2005）06-005651 前言 近年來，隨著干式變壓器行業(yè)的高速發(fā)展和電機(jī)行業(yè)（高速機(jī)車牽引電機(jī)、大電機(jī)、特種電機(jī)）向小型化、輕量化、高效能化的發(fā)展，對耐高溫絕緣材料（本文所指耐高溫絕緣材料是指長期工作溫度在155以上的F、H、C級以及更高溫度等級的絕緣材料）的需求日益增加。絕緣材料行業(yè)自1980年代以來也先后開發(fā)了數(shù)種類型的F、H和C級絕緣層壓材料以滿足電機(jī)、電器工業(yè)的需求。然而也有一部分企業(yè)以好充次在市場推出了一些實際上并沒有達(dá)到高耐溫等級的絕緣層壓材料，甚至在一些地區(qū)還出現(xiàn)了以3240層壓板冒充H級層壓板的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象嚴(yán)重擾亂了正常的市場秩序，

5、有的產(chǎn)品甚至在干式變壓器行業(yè)產(chǎn)生了及其惡劣的影響，干擾了我國電機(jī)、電器工業(yè)、絕緣材料行業(yè)的正常發(fā)展。因此本文試圖對我國耐高溫絕緣層壓材料現(xiàn)狀以及現(xiàn)有工業(yè)化生產(chǎn)的F級以上絕緣層壓材料的性能特點和耐熱性評定方法作一個簡單的介紹，并對耐高溫絕緣層壓材料產(chǎn)品的發(fā)展提出了一些建議，以期拋磚引玉，供用戶和有關(guān)人員參考。2 耐高溫絕緣層壓材料的基本特點和評定方法2.1 什么是絕緣材料的耐熱性所謂耐熱性，就是指材料對熱作用的抵抗能力， 即在高溫下，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外觀形狀和性能保持不變的能力。嚴(yán)格地講，又分為短期耐熱性和長期耐熱性。短期耐熱性是材料短暫地處于高溫下軟化變形及一些性能指標(biāo)的變化情況，常用熱變形溫度

6、，馬丁耐熱溫度，熱彈性、熱穩(wěn)定性，軟化點、和熱態(tài)性能(如熱態(tài)彎曲強(qiáng)度、熱態(tài)擊穿電壓等)來表示絕緣材料的短期耐熱性，對高分子材料又常量用熔點(Tm)、玻璃化溫度(Tg)、熱分解溫度(Td)來表示。短期的耐熱性通常稱謂耐熱性。長期耐熱性是指材料長時間處于高溫?zé)嶙饔孟拢男阅茈S時間發(fā)生不可逆變壞的情形。所以又稱熱老化性能。通常用熱壽命、溫度指數(shù) (TI)等表示。也可直接用熱失重來表示。熱壽命是按規(guī)定的熱老化試驗方法，材料達(dá)到失效的叫問。TI是對應(yīng)于絕緣材料熱壽命上給定時間(通常為200000小時)的攝氏溫度值。 因此耐熱性特別是長期耐熱性反映了材料的本質(zhì)性能。耐熱性本身不但是一個衡量材料的重要指標(biāo)

7、，它也與其他指標(biāo)密切相關(guān)，在一定程度上影響和規(guī)定著其他一些性能指標(biāo)。耐熱性好的材料，熱態(tài)下的機(jī)電性能和耐污染腐蝕性能好，經(jīng)過長期熱老化機(jī)電性能下降的幅度也小。2.2耐高溫絕緣層壓材料的基本特點和評定方法如上所述耐高溫絕緣層壓材料的基本特點也可用短期耐熱性和長期耐熱性來表述。短期耐熱性及指耐高溫絕緣層壓材料短暫地處于高溫下的熱變形溫度，馬丁耐熱溫度、熱穩(wěn)定性，和熱態(tài)性能(如熱態(tài)彎曲強(qiáng)度、熱態(tài)擊穿電壓等)等，一般認(rèn)為作為F、H、C級以及更高溫度等級的絕緣層壓材料其熱變形溫度應(yīng)該在250以上，熱態(tài)機(jī)械強(qiáng)度保持率在其長期使用溫度條件下達(dá)到50%甚至更高。耐高溫絕緣層壓材料長期耐熱性的評定 必須在規(guī)定溫

8、度下按照規(guī)定的老化試驗方法來進(jìn)行評定，過去國內(nèi)外長期沿用的試驗方法是常規(guī)老化法（CA），但常規(guī)老化試驗要一年左右的時間，要消耗大量的人力和物力，這對新型絕緣材料的推廣應(yīng)用是不利的。為了減少試驗時間國際上對于快速老化評定方法的研究已進(jìn)行了40余年，國內(nèi)已報道的快速法有30多種,經(jīng)過長期的理論分析及試驗驗證目前最常實用的是熱重點斜法（TPS）。TPS采用統(tǒng)計數(shù)學(xué)的方法在熱重分析（TG）,與CA之間建立了定量的關(guān)系式,具有較好的重復(fù)性與實用性。因此要判定耐高溫絕緣層壓材料的溫度指數(shù)必須采用CA或TPS對其進(jìn)行了老化評定，絕緣材料生產(chǎn)廠在向用戶推薦耐高溫絕緣層壓材料時應(yīng)提供有關(guān)的熱老化評定報告。3 耐

9、高溫層壓材料的樹脂體系和性能特點頁：2正文二級標(biāo)題的編號和標(biāo)題，黑體大字，頂格。如果還有三級標(biāo)題，請用3.1.1、3.1.2,3.1.3等來編號標(biāo)題，頂格。一般不要再用四級標(biāo)題，三級標(biāo)題以下的段落要編號請用（1），（2），（3）等來編號，縮進(jìn)兩格。3.1耐高溫層壓材料的常用樹脂體系高分子聚合物是耐高溫絕緣層壓材料的基礎(chǔ)物質(zhì)，各類耐高溫絕緣層壓材料的耐熱性主要取決于聚合物的耐熱性。表1列出了常用的制備玻璃布層壓板的常用基體樹脂的特點及其使用溫度。表1制備玻璃布層壓板的常用基體樹脂及其特性樹脂種類特 性最高使用溫度（）三聚氰胺樹脂阻燃性好，耐電弧性優(yōu)異100130酚醛樹脂機(jī)械、電氣性能較好1051

10、30聚酯樹脂機(jī)械、電氣性能較好130155環(huán)氧樹脂機(jī)械、電氣性能優(yōu)異130180聚酯亞胺樹脂機(jī)械、電氣性能、耐熱性能較好150170聚胺-酰亞胺樹脂優(yōu)異機(jī)械、電氣性能、耐輻射性，高溫下機(jī)械、介電性能保持率高。180200聚酰亞胺樹脂優(yōu)異的機(jī)械、電氣性能，特別是高溫、高輻射劑量下能夠長期保持其機(jī)械、電氣性能。180220二苯醚樹脂良好的耐高溫、耐輻射性，較高的性能價格比。180有機(jī)硅樹脂優(yōu)異的耐高低溫性、耐老化性以及良好的耐水性。180苯并噁嗪樹脂耐熱性好、耐磨、耐化學(xué)性優(yōu)異，無鹵阻燃、熱態(tài)機(jī)械強(qiáng)度保持率高。150200氰酸酯樹脂高耐熱、低介損，具有優(yōu)異的耐輻射、耐水性、耐化學(xué)藥品性。18022

11、0表1中所列的樹脂種類和最高使用溫度只是根據(jù)樹脂的基本特性提供的參考，不同的參考文獻(xiàn)、教科書介紹的耐熱性數(shù)據(jù)不同，這是由于同一類樹脂的改性方法、結(jié)構(gòu)組成、制備加工和熱老化性能的測試方法有所差異所致，因此要具體確定耐高溫絕緣層壓材料的溫度指數(shù)，還必須經(jīng)過嚴(yán)格認(rèn)真的耐熱性評定。3.2常用耐高溫層壓材料的性能特點下面按照常用的耐高溫樹脂體系分別對常用耐高溫層壓材料的性能特點作簡單的介紹3.2.1 F級層壓玻璃布板的種類及性能 目前作為F級絕緣層壓材料的樹脂體系主要是環(huán)氧樹脂體系和苯并噁嗪樹脂體系，以及其它樹脂（如聚酯亞胺樹脂、環(huán)氧改性的間苯二酚樹脂等）體系。其中環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的機(jī)械、電氣性能，粘合

12、性強(qiáng)，收縮率小，耐熱性能良好，化學(xué)穩(wěn)定性好。隨著環(huán)氧樹脂的種類以及固化劑的不同可以制成不同耐熱等級的玻璃布層壓板。F級環(huán)氧玻璃布層壓板主要采用環(huán)氧樹脂為主體，芳香族二元胺為固化劑的體系。苯并噁嗪樹脂是近年來開發(fā)的一種新型耐熱樹脂體系，它和環(huán)氧樹脂一樣具有很強(qiáng)的分子可設(shè)計性，可根據(jù)所選用的原材料不同合成具有不同性能特點的FC級的絕緣樹脂，且材料來源廣泛，固化過程中無小分子放出，固化工藝性好。其絕緣層壓產(chǎn)品具有很高的熱態(tài)機(jī)械強(qiáng)度保持率。目前我國F級絕緣層壓材料的主流產(chǎn)品主要有以下幾種：F級高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃布層壓板、F級高強(qiáng)度無鹵阻燃層壓玻璃布板和按照IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的EPGC203、EPGC204環(huán)氧

13、玻璃布層壓板等。其主要特點和用途如表2所示，主要性能指標(biāo)如表3所示。表2 F級層壓玻璃布板的主要品種與特點產(chǎn)品名稱性 能 特 點EPGC203 環(huán)氧板具有優(yōu)異的的機(jī)械性能和電氣性能，尤其是受潮后仍然保持了極好的電器性能。EPGC204環(huán)氧板與EPGC203相同，但具有阻燃性。F級無鹵阻燃板具有高的熱態(tài)機(jī)械強(qiáng)度保持率及高的性價比，耐磨性、耐腐蝕性好，無鹵阻燃。高強(qiáng)度環(huán)氧板具有優(yōu)異的機(jī)械性能和電氣性能。3.2.2 H級層壓玻璃布板的種類及性能自1970年代以來我國就開始了H級絕緣層壓材料的生產(chǎn)，最早問世的產(chǎn)品是3253聚胺-酰亞胺玻璃布層壓板，隨后又有有機(jī)硅玻璃布層壓板等產(chǎn)品先后投入市場。聚胺-酰

14、亞胺玻璃布層壓板具有高表3 F級玻璃布層壓板的性能產(chǎn)品名稱性 能EPGC203 環(huán)氧板EPGC204環(huán)氧板 F級無鹵阻燃板高強(qiáng)度環(huán)氧板密度g/cm31.71.91.71.91.71.91.71.9彎曲強(qiáng)度 (Mpa)常態(tài)340340400340熱態(tài)170170250170拉伸強(qiáng)度MPa300300300300沖擊強(qiáng)度（kJ/m2）37373737粘合力 (N)6500650065006500垂直燃燒性(級)FV0FV0絕緣電阻(M)常 態(tài) 1.0×1061.0×1061.0×1061.0×106浸水后5.0×1045.0×1041.0

15、×1021.0×102介質(zhì)損耗因數(shù)(1MHz)0.040.040.050.05 介電常數(shù)5.55.55.55.5垂直層向介電強(qiáng)度(2mm板，MV/m)20202020平行層向擊穿電壓 (kV)35353035有高的耐熱性，優(yōu)異的物理、機(jī)械性能及耐輻射性能。但由于原材料成本較高，市場推廣受到了一定的限制。有機(jī)硅玻璃布層壓板雖然具有較好的耐熱性、耐老化性以及良好的耐水性。但由于機(jī)械加工性差，材料成本高也逐步退出了市場。而H級絕緣層壓材料的高速發(fā)展是在1990年代末，隨著高速電力機(jī)車、非包封式干式變壓器的發(fā)展，絕緣材料行業(yè)相繼開發(fā)了改性二苯醚玻璃布層壓板、H級無鹵阻燃高強(qiáng)度玻璃布

16、層壓板等質(zhì)優(yōu)價廉的H級絕緣層壓材料，滿足了市場的需要。下面著重介紹改性二苯醚的技術(shù)發(fā)展情況。二苯醚樹脂是一類重要的耐高溫?zé)峁绦詷渲?0年代由美國西屋電器公司首先開發(fā)成功，用于制造H級絕緣材料，隨后日本和中國相繼有商品問世，取得了廣泛的應(yīng)用。無論是甲氧基二苯醚還是聚二苯醚樹脂均可于一定溫度下在傅氏催化劑（AlCl3、SnCl4、十二烷基二苯醚磺酸等）作用下逐步縮聚成不溶不熔性聚合物，縮聚過程中不斷有甲醇和水脫出，但這一過程需要較高的溫度且時間較長，放出的甲醇和水不易排除，因此在作為耐高溫復(fù)合材料基體樹脂使用時，其成型工藝性極差，固化物交聯(lián)密度低，難以形成有實際價值的產(chǎn)品。必須將其進(jìn)行改性，以提

17、高交聯(lián)密度、獲得較好成型工藝性，使其具有工業(yè)化生產(chǎn)的可操作性。自上世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)大專院校、絕緣材料生產(chǎn)廠在二苯醚樹脂改性方面作了大量的工作，華東理工大學(xué)焦楊聲教授采用的苯酚改性二苯醚樹脂的技術(shù)路線，率先實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。苯酚改性后的二苯醚樹脂具有成本低、固化溫度低等特點近年來被廣泛地應(yīng)用于玻璃布層壓板的制備，由于該技術(shù)路線采用六次甲基四胺作為固化催化劑，層壓制品存在著后處理時間長，固化時仍有大量小分子放出，制品空隙率較大、熱態(tài)機(jī)械強(qiáng)度保持率較低、平行層向耐電壓低等缺陷。近年來隨著開環(huán)聚合技術(shù)的發(fā)展，一些高等院校及我公司先后開展了將開環(huán)聚合技術(shù)應(yīng)用于二苯醚改性的研究工作，利用開環(huán)聚合，固

18、化時無小分子放出、熱態(tài)機(jī)械性能好的特點，對二苯醚進(jìn)行改性，不采用六次甲基四胺作為固化催化劑，提高了改性二苯醚樹脂的熱穩(wěn)定性，克服了苯酚改性二苯醚樹脂的上述缺陷。采用開環(huán)聚合技術(shù)制得的改性二苯醚樹脂耐熱性明顯優(yōu)于苯酚改性二苯醚樹脂，兩種樹脂的熱失重數(shù)據(jù)對比如表4所示。同時在一些大專院校也進(jìn)行了氨基二苯醚樹脂的合成技術(shù)研究和稀丙基化改性二苯醚樹脂等進(jìn)一步提高二苯醚樹脂的耐熱性和成型加工性的研究，經(jīng)過改性后的二苯醚樹脂可以制備耐熱性達(dá)C級的絕緣材料。但是由于沒有解決原材料的成本問題和工業(yè)化的生產(chǎn)技術(shù)，上述改性方法目前還沒有工業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用的報道。如上所述，目前我國H級絕緣層壓材料的主流產(chǎn)品主要有以下

19、幾種，3253聚胺-酰亞胺玻璃布層壓板、改性雙馬來酰亞胺玻璃布層壓板、H級高強(qiáng)度無鹵阻燃玻璃布層壓板和改性二苯醚玻璃布層壓板、高強(qiáng)度二苯醚玻璃布層壓板等。其主要特點和主要性能指標(biāo)如表5所示。表4 熱失重數(shù)據(jù)對比（升溫速度5/min、N2中）失重率（%）5101522253035404550溫度（）開環(huán)聚合二苯醚樹脂250353357385407426438450465475苯酚改性二苯醚樹脂325381421469502536575605660675表5 H級玻璃布層壓板的性能及特點序號指標(biāo)名稱3253板改性雙馬來酰亞胺板高強(qiáng)度二苯醚板苯酚改性二苯醚板無鹵阻燃板2彎曲強(qiáng)度（MPa）常 態(tài)400

20、480500400400180±22802803202002503沖擊強(qiáng)度（簡支梁，缺口，kJ/m2） 50504230374拉伸強(qiáng)度（MPa）3203203005平行層向剪切強(qiáng)度（MPa）28306粘合強(qiáng)度（N）650040007吸水率（%）0.10.10.10.40.18相對介電常數(shù)5.55.55.55.55.591MHz損耗因素0.030.050.050.050.05垂直燃燒性(級)FV010平行層向絕緣電阻（M）常 態(tài)1.0×1071.0×1071.0×1071.0×1061.0×107180±21.0×1

21、051.0×1051.0×1051.0×105浸水24h后1.0×1025.0×1025.0×1021.0×1025.0×10211平行層向擊穿電壓（kv）35353522303.2.3 C級層壓玻璃布板的種類及性能根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料報道能夠用作C級及其以上耐熱等級絕緣材料的高分子材料有以下幾種聚酰亞胺樹脂、聚芳酰胺樹脂、聚惡二唑樹脂等含有芳雜環(huán)基團(tuán)的樹脂和聚四氟乙烯樹脂、氰酸酯樹脂等。這些樹脂或因原材料來源困難，或因成型加工性較差、成型溫度太高，成本太高等原因，目前很少有批量的工業(yè)化生產(chǎn)。我公司“八五”期間承擔(dān)的國

22、家重點科技攻關(guān)項目“雙馬型聚酰亞胺航空工裝模具材料及C級板、管復(fù)合材料的開發(fā)”的研制成功為絕緣行業(yè)提供了首個C級層壓玻璃布板，其典型性能指標(biāo)如表6所示。表6雙馬型聚酰亞胺玻璃布層壓板的性能指 標(biāo) 名 稱指 標(biāo)密度g/cm31.71.9彎曲強(qiáng)度（Mpa）常態(tài)400200±200沖擊強(qiáng)度 （簡支梁，無缺口kJ/m2）150介電常數(shù) 1MHz5.5損耗因數(shù) 1MHz0.03平行層向絕緣電阻（）常態(tài)1×1010浸水后1×108介電強(qiáng)度（90，油中，MV/m）0.5mm-1.0mm201.1mm-2.0mm182.1mm-3.0mm16頁：4正文二級標(biāo)題的編號和標(biāo)題，黑體大

23、字，頂格。如果還有三級標(biāo)題，請用3.2.1、3.2.2,3.2.3等來編號標(biāo)題，頂格。一般不要再用四級標(biāo)題，三級標(biāo)題以下的段落要編號請用（1），（2），（3）等來編號，縮進(jìn)兩格。4發(fā)展有中國特色的耐高溫絕緣層壓材料的幾點建議4.1盡快制定耐高溫絕緣層壓材料的國家標(biāo)準(zhǔn)目前作為F級絕緣層壓材料的主流產(chǎn)品高強(qiáng)度環(huán)氧玻璃布層壓板、F級高強(qiáng)度無鹵阻燃層壓玻璃布板和作為H級絕緣層壓材料的主流產(chǎn)品改性二苯醚玻璃布層壓板生產(chǎn)技術(shù)已十分成熟，在大型電機(jī)、發(fā)電機(jī)上和變壓器行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)也日益廣泛，但由于沒有一個規(guī)范的國家標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)廠家技術(shù)水平參差不齊，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)也有一定的差異，給用戶在選用材料時帶來了一定的困惑。尤其是對改性二苯醚玻璃布層壓板而言，開發(fā)二苯醚板較早的生產(chǎn)廠家，二苯醚玻璃布層壓板技術(shù)水平已達(dá)到了聚胺-酰亞胺玻璃布層壓板的技術(shù)水平，而一些小企業(yè)的二苯醚玻璃布層壓板根本達(dá)不到H級玻璃布層壓板的最基本技術(shù)要求，因此市場上以好充次的產(chǎn)品給許多用戶帶來了較大的損失，造成了二苯醚玻璃布層壓板生產(chǎn)混亂、魚龍混雜的局面。使得本來性能優(yōu)異、價格適中二苯醚層壓制品在非包封式干式變壓器行業(yè)中名聲非常差。究其原因并不是我國的二苯醚層壓玻璃布板的質(zhì)量確實不能滿足干式變壓器行業(yè)的需求，而是沒有一個規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣就讓偽劣產(chǎn)品有了可乘之機(jī)。因此本著規(guī)