填料改性絕緣漆導熱性研究

張凱 唐陽 朱宏 王曉梅

（中國船舶重工集團公司七一二研究所，武漢430064）

1 前言

絕緣材料大多是絕熱的，其導熱系數一般在O.2 w／m·k左右，這使得絕緣材料在絕緣的同時，在一定程度上阻礙了電機由于高速旋轉和電沖擊造成的熱量的散失，熱量的聚集又會加快絕緣的老化速度，從而縮短電機的壽命。因此，在保持甚至提高絕緣材料機、電、耐熱性能的同時提高其導熱性是一個值得研究的課題[1]。

提高絕緣層的導熱性是改進電機絕緣重要措施之一，提高絕緣導熱性之關鍵，首先是選擇熱導率較高的絕緣材料，其次是選擇最佳的絕緣工藝，以消除空隙，提高絕緣層的密實性（整體性），絕緣層內的空氣隙，除能發生局部放電，加速絕緣的電老化外，還能降低絕緣層的導熱性。本文主要研究使用填料改性絕緣漆的導熱性[2,3]。

2 試驗部分

2.1 材料

7122-5 樹脂 湖北長海絕緣化工有限公司

硅烷偶聯劑Z-603 潤濕分散劑：912

2.2 測試方法

粘度 按GB/T 1981-1989中附條13規定，采用4號杯進行

導熱系數采用美國生產EKO HC-074導熱系數測定儀，測試的65℃的導熱系數。

2.3 填料分散

2.3.1 硅粉的表面處理

取純硅粉重量的0.5%～1.0%的硅烷偶聯劑，用2～5倍的丙酮稀釋，調節PH值為7～9，用超聲波充分分散30 min，加入純硅粉充分攪拌，然后將溫度升至100～120℃，在高速分散機上分散20 min，烘干待用。

2.3.2 填料改性絕緣漆制備方法

在攪拌狀態下把經烘干脫水的硅粉加入到溶有偶聯劑和分散劑的7122-5樹脂中，再在高速均質分散機上分散2 h。

3 結果與討論

3.1 樹脂基體的影響

圖1 不同基體樹脂導熱率

聚合物的熱傳遞則主要依靠分子或者原子做熱振動來傳遞，顯然，這樣的熱傳遞過程的最終結果就是低的熱導率。我們在環氧樹脂中分別引入不飽和聚酯樹脂和亞胺基團，圖1是三種物質的導熱率對比，由圖中可見通過改變分子結構的辦法來提高樹脂導熱性是有限的[4]。

3.2 填料種類的影響

表1 非金屬填料導熱率

通過查詢相關資料，得知表1中常用無機填料的導熱率。為較大幅度地提高樹脂導熱性，我們通過試驗探索了在有機高分子樹脂體系中加入導熱性好的納米無機填料的可行性。

表 2是幾種填料經過表面處理后在含量為30%的導熱率，由此可以說明我們在絕緣漆中加入無機填料對提高絕緣漆的導熱率是可行的[5]。

表2 不同填料7122-5絕緣漆導熱率

3.3 填料表面處理的影響

圖2 填料分散TEM圖

圖2為硅粉含量在25%時的TEM分析圖。由圖2中可以看出，圖2(A)中填料在樹脂基體中出現了團聚現象，圖 2(B) 填料改性后的分散性有很大程度的提高，原因是硅粉表面和硅烷偶聯劑發生了反應，填料表面在改性后由親水性變為親油性，表面能大大降低，在改性后比改性前更容易分散在有機介質中，表現出在樹脂基體中具有良好的分散[6]。

3.4 填料含量的影響

圖3中數據采用7122-5樹脂。 由圖中可以看出，由于填料出現團聚現象，未經處理的填料對粘度影響較大。固液懸浮體的粘度與顆粒表面和液體潤濕親和作用有關，一般溫度條件下，若固液間親和作用強，則粘度低；若親和作用弱，則粘度高。

圖3 填料對樹脂粘度的影響

圖4 填料含量對導熱率的影響

表面改性的方式有：偶聯劑的表面處理和填料表面共聚接枝等。與華中科技大學已經開展了納米填料改性以及分散工藝的合作。目前我們采用較易實現的硅烷偶聯劑的表面改性方式。因為硅烷偶聯劑是一種具有特殊結構的有機硅化合物。在它的分子中，同時具有能與無機材料結合的反應性基團和與有機材料 ( 如合成樹脂等 )結合的反應性基團。所以經過表面改性后的填料親油性較強，加入樹脂中，樹脂粘度變化很緩慢。在填充量為30%時，粘度為65 s，仍能滿足使用工藝要求。關于填料表面共聚接枝的改性方法、填料分散工藝，以及如何降低更大添加量下的粘度有待進一步研究。填料的添加量與填料表面的改性有很大關系，能否在更大的添加量下不改變樹脂的粘度有待進一步的研究[7]。

由圖4中可以看出，經過表面改性的填料含量從20%開始，導熱率有顯著提高，這說明在填料含量為20%時，已經形成了導熱網絡結構，熱流可以快速傳播，當填料含量為30%時，導熱率可達到0.35 W/(m·K)。由于未經處理的填料在樹脂中不能均勻分散，有的顆粒可能被樹脂包覆，不能形成互穿網絡結構，所以導熱率變化不明顯。填料的添加量與填料表面的改性有很大關系，能否在更大的添加量下不改變樹脂的粘度有待進一步的研究。

4 結論

在7122-5樹脂中，添加改性硅粉30%（質量比）時，導熱率從 0.18 W/(m·K)增加至 0.35 W/(m·K)，而粘度為65 s，仍能滿足使用工藝要求。

[1] 周健, 黃祖洪. 高導熱絕緣材料在高壓電機上的應用意義及前景[J]. 絕緣材料通訊，1999, 6:3841.

[2] 陳宗旻. 真空壓力浸漬樹脂現狀與發展[J]，絕緣材料，2003, (3): 37-39

[3] 王德中主編. 環氧樹脂生產與應用[M]，北京：化學工業出版社, 2001.

[4] 儲九榮, 張曉輝, 徐傳鑲. 導熱高分子材料的研究與應用[J]. 高分子材料科學與工程. 2000，16(4):17-21.

[5] 張立群, 耿海平. 導熱高分子材料的研究和開發進展[J].合成橡膠工業, 1998，21(1): 57-62.

[6] 何曼君, 陳維孝, 董西俠. 高分子物理[M]，修訂版，上海: 復旦大學出版社，2000.

[7] 張穎. 納米SiO2的表面改性及其分散性研究[D]. 太原: 太原理工大學材料科學與工程學院，2006.