10 kV開關柜用高性能阻燃絕緣件APG制造工藝研究

李旭培 劉洋 龔浩 宋曉光 李旭剛 孫中航

摘 要：APG制造工藝主要應用于生產中高壓環氧絕緣制品，產品涉及10～35 kV固封極柱、支柱絕緣子等。它可以將環氧樹脂的生產周期縮短為十幾分鐘，并較好地控制放熱效應。本文開展了一系列10 kV開關柜用高性阻燃絕緣件APG制造工藝研究，重點通過原材料性能試驗、配方體系的確認、注射成型工藝、固化成型等方面的研究，探索出10 kV開關柜用高性能阻燃絕緣件的制備工藝。

關鍵詞：絕緣件;阻燃;APG;制造工藝

中圖分類號：TQ322.4文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）17-0047-03

Research on Manufacturing Process of APG for 10 kV Switchgear with High Performance Flame Retardant Insulation

LI Xupei1 LIU Yang2 GONG Hao1 SONG Xiaoguang1 LI Xugang2 SUN Zhonghang1

（1. Henan Pinggao General Electric Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000;2. Pinggao Group Co.， Ltd.，

Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The APG manufacturing process is mainly used to produce medium and high voltage epoxy insulation products， the products involve 10 to 35 kV solid sealed poles， post insulators， etc. It can shorten the production cycle of epoxy resin to more than ten minutes， and better control the exothermic effect. This paper had carried out a series of research on the manufacturing process of high-performance flame-retardant insulation APG for 10 kV switchgear， focused on the preparation process of high-performance flame-retardant insulation parts for 10 kV switchgear through the research of raw material performance test， confirmation of formulation system， injection molding process and curing molding， etc.

Keywords： insulation parts;flame retardant;APG;manufacturing process

環氧樹脂自動壓力凝膠成型技術（APG）是壓力凝膠工藝的一種形式，該工藝制備的絕緣件具有較優的尺寸穩定性和機械強度，目前，中低壓環氧絕緣制品的制造多采用該種工藝。為制備出具備阻燃等級達到V0級別的高性能10 kV開關柜用絕緣件，本文選取開關柜中關鍵零部件觸頭盒作為主要研究對象，對其原材料的配方體系及制備工藝進行了一系列的研究。

1 確定原材料配方體系

環氧樹脂是一類具有良好黏結、耐腐蝕、絕緣、高強度等性能的熱固性高分子合成材料。但是，普通型環氧樹脂的極限氧指數僅為19.8%，作為電子電器領域的基礎材料使用時難以滿足實際的阻燃要求，必須進行阻燃處理[1]。

APG工藝對環氧樹脂混合料提出了較真空澆注材料更高的技術要求，即室溫下穩定，高溫下高反應活性，能迅速凝膠化，短的固化周期短，抗開裂性能和溫度沖擊性能良好，對機械和電氣應力具有很高的抵抗強度來滿足產品的技術要求[2]。通過市場調研，筆者選用上海某樹脂公司生產的牌號為206的環氧樹脂體系。

根據材料本身的特性，按照HE環氧樹脂（100份）、HH206固化劑（100份）、填料（硅微粉300～350份）、色粉（0.5份）的比例進行混合料的配制。將稱量好的原材料依次倒入真空攪拌裝置中進行抽真空攪拌，隨后澆注在已放置80 ℃烘箱中預熱2～3 h的專用模具中進行試驗樣條的制作。

1.1 試樣阻燃性能檢測

采用垂直燃燒測試儀，按照《塑料燃燒性能的測定 水平法和垂直法》（GB/T 2408—2008）中垂直燃燒檢測方法，樣條厚度為13 mm，對混合料的阻燃性能進行檢測，測試結果取5個有效樣條測試值的平均值。樣條阻燃性能檢測結果如表1所示。

試驗數據表明，該牌號環氧樹脂混合料的阻燃等級可達到V0級別，阻燃性能滿足使用要求。

1.2 試樣機械性能檢測

采用電子拉力機、沖擊強度，按《樹脂澆鑄體性能試驗方法》（GB/T 2567—2008）對樣條的拉伸強度、彎曲強度、沖擊強度等機械性能進行了檢測，測試結果如表2所示。

由表2試驗數據可知，澆注體的拉伸強度及彎曲強度隨著硅微粉添加量的增加呈先升后降的趨勢。這是由于硅微粉添加量比較小時，它能夠均勻分散在澆注體中起到物理交聯點的作用，對固化物的力學性能起到補強作用;當硅微粉添加量超過一定比例時，硅微粉易形成局部團聚現象，在澆注體受到外力作用時，局部應力過大，易形成裂紋，導致拉伸強度降低[3]。隨著硅微粉用量的增加，澆注體的沖擊強度呈下降的趨勢。從試驗數據來看，材料配比為100∶100∶330∶0.5的材料配方，其機械性能最佳。

1.3 材料配方體系的確定

通過上述試樣的阻燃性能、機械性能的檢測，綜合考慮各項試驗結果，本文確定將材料配比100∶100∶330∶0.5作為后續生產使用的材料配方體系。

2 APG制造過程工藝研究

2.1 模具設計

在模具設計時，應考慮環氧樹脂注入時排氣的問題，模具注料口應設置在易于氣體排出的位置，一般選擇在模具型腔的最低位置;澆注模具型腔表面應力求光滑，不應有砂眼，由于環氧樹脂屬于強機性材料，對于模具的黏附力高，若在模具的制造過程中不控制拔模斜度和型腔光潔度，則APG成型后的脫模會較為困難，極易導致拉裂等機械損傷[4-5]。

綜合考慮上述因素，筆者設計出一種APG澆注模具，注料口設置在模具型腔的最底部。模具型腔的粗糙度為0.8μm，拔模斜度為1.5°。同時，為了保證型腔內部表面的致密性和抗腐蝕能力，對型腔表面進行氮化處理。

2.2 APG澆注工藝過程

2.2.1 模具溫度設置。APG技術的獨特之處是通過連續對環氧樹脂混合料加以恒定的壓力，達到強化補縮的目的。在室溫（25 ℃）條件下，環氧樹脂混合料系統的適用期為1～2 d;在40～45 ℃下，其適用期為6～8 h;而在高溫（140～160 ℃）條件下，配方體系具有高反應活性，在短時間內即快速凝膠。模具溫度高于環氧樹脂混合料體系的溫度約80～100℃左右，使固化反應的凝膠過程自模具中間壁開始向中間環氧樹脂混合料擴散[6]。

為了滿足APG材料的高反應特性及高效率成型特點，筆者將模具溫度設置為145 ℃，同時模具及配套模具零部件需要提前預熱2 h。

2.2.2 環氧樹脂混合料配制。較好的流動性是APG工藝對環氧樹脂體系在混合料配制工序中的要求，在混合料配制過程中，必須對原材料進行脫氣處理。將環氧樹脂、固化劑、硅微粉和色粉按照100∶100∶330∶0.5的比例稱量好，傾倒在攪拌脫氣混料裝置中。為了便于后續的混料均勻，環氧樹脂及固化劑傾倒時分2～3次，確保傾倒重量偏差不超過0.2 kg，硅微粉傾倒時盡量保持兩邊均衡，用脫脂棉紗將攪拌槳上部殘留的新材料擦入筒體內。

用脫脂棉紗蘸無水乙醇，清理環氧樹脂攪拌脫氣混料裝置蓋子觀察窗上的殘留物，確保觀察窗明亮干凈，檢查環氧樹脂攪拌脫氣混料裝置蓋子與罐口接觸的部位是否干凈，如果有殘留物，用鏟刀將殘留物清除。

剛開始攪拌時，設置變頻器為5～10 r/min。攪拌5～10 min，直到從觀察窗看到大部分硅微粉溶入樹脂中。將變頻器調至35 r/min，高速攪拌2 min左右，直至從觀察窗看到硅微粉完全溶入樹脂中，開啟抽真空裝置2 h，保證最后混合料真空度小于150 Pa。

2.2.3 注射成型。為了避免熱交換，減少環氧樹脂凝膠過程中嵌件周圍由于溫度差異出現的應力集中開裂，嵌件需要提前放置在烘箱中進行預熱，烘箱溫度設置為（145±5）℃，預熱時間為2 h。

若模具及嵌件溫度達到注射要求，利用混料罐的加壓系統，將混料罐內的環氧樹脂混合體系（已經過真空脫氣處理）通過注料管注射到模具型腔內。為了保證一定生產周轉時間內，環氧樹脂混合料體系注射料的黏度增長率不大于10%，使得APG工藝參數穩定，筆者在生產過程中將環氧樹脂混料體系的溫度設置為40 ℃，經過稱量成品的10 kV觸頭盒，獲悉環氧樹脂的材料用量約為7 kg。根據用料量，筆者初步采用注料時間3.5 min、注料壓力0.2 MPa、保壓時間11～14 min、保壓壓力0.15 MPa的工藝參數進行注射生產。在試制過程中，保壓時間為14 min時，樣品在模具上拉裂，保壓時間11 min時，產品不能成型。注料時間為3 min，保壓時間為12～13 min生產出的制品性能最佳。

2.2.4 產品后固化。本次APG澆注工藝探索，所選用的環氧樹脂為雙酚A型環氧樹脂，固化劑為酸酐型。環氧樹脂本身均為線型結構的熱塑性高聚物，必須經過固化劑作用才能變成不溶的堅固體型網狀結構的巨大分子高聚物。固化作用第一次完成在模具內，二次固化需要在固化爐內完成。若固化溫度不夠，高分子材料的鏈條交聯不夠，內應力釋放不充分影響樣品的機械性能及電氣性能;若固化溫度過高，鏈條交聯過度，樣品呈先質脆的特征。考慮到材料本身的特性，筆者將固化爐溫度設置為130～140 ℃，固化時間為10 h。

3 結論

本研究確定了一種10 kV開關柜用觸頭盒APG制造用阻燃材料體系，并分析了APG生產工藝。試驗數據表明，采用該配方工藝生產的10 kV觸頭盒制品機械性能和電氣性能可靠，阻燃性能可達到V0級別，制品可應用在10 kV開關柜中。

參考文獻：

[1]熊燕兵.環氧樹脂無鹵阻燃及其應用研究[D].北京：北京理工大學，2006.

[2]陳曉麗，史鴻威，龔浩，等.澆注式互感器APG制造工藝分析[J].絕緣材料，2014（3）：55-57.

[3]曾亮，朱偉，高敬民，等.無機填料對環氧樹脂灌封膠性能影響[J].絕緣材料，2014（3）：13-16.

[4]楊欣可，盧健，宋曉光，等.一種12 kV雙真空管固封極柱的制造及試驗[J].信息與交流，2015（10）：60-61.

[5]徐向前.環氧樹脂壓力注射成型工藝（APG）的推廣應用[J].華通技術，1998（4）：19-27.

[6]邱鶴年.環氧樹脂真空澆注技術工藝鏈的組成[C]//第十三次全國環氧樹脂應用技術學術交流會.2009.