高溫高壓下的絕緣膠接體系研究

夏文干　楊潔

摘要：敘述了在溫度155～175 ℃，14 MPa壓力下使用的絕緣膠接體系研究情況，實物電子線圈中線與線間絕緣電阻值、線與屏蔽層間絕緣電阻值都大于108 Ω，該體系已應用在石油測井儀。

關鍵詞：高溫；高壓；絕緣膠

油井工作狀況的監控，依賴于油井測試儀，早期測試儀完全靠進口，價格昂貴，其后國內有幾家單位開始研究不同品種的油井測試儀。井下工作條件比較惡劣，為高溫、高壓和高濕，目前測井儀最高使用溫度為175 ℃，壓力為14 MPa，有的電子觸頭直接浸于泥漿中，有的雖不與泥漿直接接觸，但浸入高溫高壓的硅油中。應研究生產單位的要求，我們曾研究生產過2種上述使用條件下的電子組合灌封膠，其性能與國外灌封膠一樣，達到了使用要求。本文敘述了另外一種大型測井儀電子線圈、漆包線與漆包線膠接、漆包線線組與屏蔽層膠接的絕緣體系。在該體系研究成功之前，該測井儀的研究者們曾查閱大量資料后，選用了能耐200 ℃的某膠，生產了10套儀器，全部失敗，原因排查后最終確定為線圈絕緣問題。我們經過試驗研究，絕緣體系研究成功，已分別用于175 ℃和155 ℃級測井儀，其性能達到國外同類產品水平。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與性能測試方法

1.1.1 試驗材料

本研究全部采用國產材料，它們是四官能環氧樹脂、三官能環氧樹脂、雙酚A環氧樹脂、液體羧基丁腈橡膠、端環氧基丁腈橡膠、液態甲基四氫苯酐、2-乙基-4-甲基咪唑、消泡劑、電子級活性硅微粉、氧化鋁粉、聚四氟乙烯粉、單組分室溫硫化硅橡膠、硅油、偶聯劑、無堿玻璃纖維絲束、應力緩沖劑（外購）和應力緩沖劑（自制）。

1.1.2 性能測試方法

膠粘劑的玻璃化轉變溫度采用DSC法測試。

高溫高壓下絕緣膠的體積電阻率和表面電阻，因沒有相關國家標準，故結合實際情況，以產品電子線圈測試線與線、線與屏蔽層電阻。

1.2 環氧樹脂

不同官能度的環氧樹脂，在固化劑、促進劑和增韌劑相同的情況下，固化后，絕緣性能也不一樣。表1列出了試驗結果。從表1可見，官能度較高，無論在熱空氣還是熱硅油中絕緣性能都更好，這可能與膠的耐熱性有關。經玻璃化轉變溫度測試，前者為220 ℃，后者為203 ℃。環氧樹脂中的氯含量對膠的絕緣性能影響很大，特別是在高溫情況下，表2列出2種環氧樹脂的絕緣性能。

1.3 固化劑

高溫絕緣膠一般用酸酐作固化劑，但也有用咪唑類和芳香胺做固化劑的。表3列出了固化劑的絕緣性能。從表3可見，酸酐性能最好，芳胺次之，2-乙基-4-甲基咪唑最差，完全不能用于高溫絕緣膠。

1.4 增韌劑

增韌劑品種和用量直接影響膠固化后的玻璃化轉變溫度和絕緣性能。以端環氧基液體丁腈橡膠為例，分別為不加、加入5質量份（以下同）、10份、15份，其膠固化后的玻璃化轉變溫度分別為226 ℃、222 ℃、200 ℃和180 ℃。膠固化后的絕緣性能也不一樣。表4列出了相關絕緣電阻值。

從表4可見，增韌劑用量直接影響絕緣性能，不用增韌劑，膠的玻璃化轉變溫度雖高，但較脆，固化后由于漆包線與膠的線脹系數相差大于1個數量級，熱脹冷縮的應力作用產生微裂紋，降低了絕緣性能。隨著增韌劑用量增加，絕緣性能達到一個最大值，后迅速降低，這是因為熱脹冷縮應力雖然緩解，但膠的耐熱性降低，膠大分子鏈活動加劇，絕緣性能同樣降低。

1.5 填料

填料對膠的絕緣性能也不可忽視。在相同配方條件下，分別加入聚四氟乙烯粉和活性硅微粉，膠的絕緣性能列于表5。

若將膠從室溫逐漸升溫至155 ℃，保溫1 h，再升溫至175 ℃，保溫1 h，在這2點溫度下，添加PTFE粉的膠的線與線絕緣電阻值分別為0.4×108 Ω和0.2×108 Ω，線與屏蔽層的絕緣電阻值分別為0.2×108 Ω和0.05×108 Ω。分析前者可能與聚四氟乙烯有較大的線脹系數有關，與膠粘附性差，熱脹冷縮導致膠產生微裂紋，從而絕緣性能下降。若再反復多次，有可能絕緣性能繼續下降，特別是在潮濕環境中。活性硅微粉與膠附著力好，反復3次，絕緣性能基本無變化。

在另外一種測井儀絕緣膠中，實驗了活性硅微粉與氧化鋁粉對膠絕緣性能的影響，2者比較也以活性硅微粉為佳。室溫和175 ℃下，添加活性硅微粉的絕緣電阻值為∞和7 MΩ，添加氧化鋁粉的體系分別為∞和3 MΩ。

1.6 消泡劑

由于絕緣膠在高溫高壓下應用，若膠中含氣泡，從低溫到高溫膠的體積發生變化，產生應力變化，從而影響到測井儀測井曲線的準確性，因此使用消泡劑是有必要的。

1.7 應力緩沖劑

高溫高壓下應用的絕緣膠與一般的絕緣膠顯著不同，它既要求在高溫下有足夠的剛性，以承受巨大的壓力，不至于變形影響儀器的使用，又要求絕緣膠在反復的高低溫作用下，不至于自身產生微裂紋，還要求它與耐高溫漆包線漆附著力適當，不使漆與銅導線分離產生裂紋而影響絕緣。經我們反復試驗，這是本研究的關鍵點之一。表6列出了3種緩沖劑對絕緣性能的影響。從表6可見應力緩沖劑的應用，使產品絕緣性能顯著提高。單組分硅橡膠作為應力緩沖劑，雖然絕緣性能很好，但是反復試驗，它使膠層產生氣泡，消除不掉，而且它不耐硅油，用戶結論不能用。外購應力緩沖劑雖然耐硅油，同樣也使膠層產生氣泡不能用。我們自己研制了應力緩沖劑較好地解決了問題。

2 膠接工藝

2.1 膠粘劑配制

膠粘劑甲組分為環氧樹脂、增韌劑、消泡劑、活性硅微粉、偶聯劑，乙組分為固化劑、固化促進劑，甲/乙質量比為7/3。甲組分樹脂等120 ℃加熱2 h混合均勻，抽真空脫泡備用，乙組分稱量備用，操作現場配膠。

2.2 應力緩沖劑使用

繞制好的線圈清洗干凈，室溫刷緩沖劑，使其能濕潤漆包線每一處，晾置，加熱干燥，降溫至60 ℃。

2.3 涂膠

將膠攪勻，刷一薄層至線圈上，纏繞一層玻璃纖維絲束，使其剛好滲透膠為好，再刷一層膠，依次進行，直至設計要求的尺寸（注意排除氣泡），膠接上銅箔屏蔽層，用耐熱壓敏膠帶扎緊。

2.4 固化

155 ℃級線圈，從室溫逐漸升溫至80 ℃保溫1 h，再升溫至120 ℃保溫1 h，再升溫至150 ℃保溫6 h，自然冷卻至室溫。

175 ℃級線圈，80 ℃、120 ℃固化同155 ℃級線圈，后升溫至160 ℃保溫4 h，自然冷卻至室溫。

3 同類膠比較

用國內某耐溫200 ℃膠與本膠分別制作線圈，其絕緣性能測試結果見表7。