填料改性絕緣漆導(dǎo)熱性研究

張凱 唐陽 朱宏 王曉梅

（中國船舶重工集團(tuán)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(dǎo)熱系數(shù)一般在O.2 w／m·k左右，這使得絕緣材料在絕緣的同時(shí)，在一定程度上阻礙了電機(jī)由于高速旋轉(zhuǎn)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(jī)的壽命。因此，在保持甚至提高絕緣材料機(jī)、電、耐熱性能的同時(shí)提高其導(dǎo)熱性是一個(gè)值得研究的課題[1]。

提高絕緣層的導(dǎo)熱性是改進(jìn)電機(jī)絕緣重要措施之一，提高絕緣導(dǎo)熱性之關(guān)鍵，首先是選擇熱導(dǎo)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(shí)性（整體性），絕緣層內(nèi)的空氣隙，除能發(fā)生局部放電，加速絕緣的電老化外，還能降低絕緣層的導(dǎo)熱性。本文主要研究使用填料改性絕緣漆的導(dǎo)熱性[2,3]。

2 試驗(yàn)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(lián)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(guī)定，采用4號杯進(jìn)行

導(dǎo)熱系數(shù)采用美國生產(chǎn)EKO HC-074導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，測試的65℃的導(dǎo)熱系數(shù)。

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(lián)劑，用2～5倍的丙酮稀釋，調(diào)節(jié)PH值為7～9，用超聲波充分分散30 min，加入純硅粉充分?jǐn)嚢瑁缓髮囟壬?00～120℃，在高速分散機(jī)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(tài)下把經(jīng)烘干脫水的硅粉加入到溶有偶聯(lián)劑和分散劑的7122-5樹脂中，再在高速均質(zhì)分散機(jī)上分散2 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 樹脂基體的影響

圖1 不同基體樹脂導(dǎo)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(jié)果就是低的熱導(dǎo)率。我們在環(huán)氧樹脂中分別引入不飽和聚酯樹脂和亞胺基團(tuán)，圖1是三種物質(zhì)的導(dǎo)熱率對比，由圖中可見通過改變分子結(jié)構(gòu)的辦法來提高樹脂導(dǎo)熱性是有限的[4]。

3.2 填料種類的影響

表1 非金屬填料導(dǎo)熱率

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

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

表2 不同填料7122-5絕緣漆導(dǎo)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(shí)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(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)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(lián)劑發(fā)生了反應(yīng)，填料表面在改性后由親水性變?yōu)橛H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(jī)介質(zhì)中，表現(xiàn)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(shù)據(jù)采用7122-5樹脂。 由圖中可以看出，由于填料出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，未經(jīng)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(guān)，一般溫度條件下，若固液間親和作用強(qiáng)，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(dǎo)熱率的影響

表面改性的方式有：偶聯(lián)劑的表面處理和填料表面共聚接枝等。與華中科技大學(xué)已經(jīng)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(shí)現(xiàn)的硅烷偶聯(lián)劑的表面改性方式。因?yàn)楣柰榕悸?lián)劑是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅化合物。在它的分子中，同時(shí)具有能與無機(jī)材料結(jié)合的反應(yīng)性基團(tuán)和與有機(jī)材料 ( 如合成樹脂等 )結(jié)合的反應(yīng)性基團(tuán)。所以經(jīng)過表面改性后的填料親油性較強(qiáng)，加入樹脂中，樹脂粘度變化很緩慢。在填充量為30%時(shí)，粘度為65 s，仍能滿足使用工藝要求。關(guān)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(jìn)一步研究。填料的添加量與填料表面的改性有很大關(guān)系，能否在更大的添加量下不改變樹脂的粘度有待進(jìn)一步的研究[7]。

由圖4中可以看出，經(jīng)過表面改性的填料含量從20%開始，導(dǎo)熱率有顯著提高，這說明在填料含量為20%時(shí)，已經(jīng)形成了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，熱流可以快速傳播，當(dāng)填料含量為30%時(shí)，導(dǎo)熱率可達(dá)到0.35 W/(m·K)。由于未經(jīng)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(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)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(guān)系，能否在更大的添加量下不改變樹脂的粘度有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

在7122-5樹脂中，添加改性硅粉30%（質(zhì)量比）時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)熱絕緣材料在高壓電機(jī)上的應(yīng)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(xiàn)狀與發(fā)展[J]，絕緣材料，2003, (3): 37-39

[3] 王德中主編. 環(huán)氧樹脂生產(chǎn)與應(yīng)用[M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2001.

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

[5] 張立群, 耿海平. 導(dǎo)熱高分子材料的研究和開發(fā)進(jìn)展[J].合成橡膠工業(yè), 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(fù)旦大學(xué)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2006.