風電電機槽口灌封用環(huán)氧膠的研究

程雪松

（太原工業(yè)學院，山西 太原 030008）

0 引言

風能已被全球公認為一種可以降低環(huán)境污染、減少溫室氣體排放的清潔可再生能源。目前，我國已經(jīng)發(fā)展成為風電大國，風力發(fā)電機年新增裝機容量持續(xù)世界第一，累計裝機容量已躍升為世界第一。風力發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展不僅推動了上游制造加工、新材料、模具設計的發(fā)展，也推動了風電電能傳輸?shù)母咚侔l(fā)展，拉動了產業(yè)鏈的發(fā)展。

風力發(fā)電機由葉片、轉子、定子等組成，3.0 MW的風電電機已經(jīng)成為目前的主流機型，其發(fā)展趨勢朝著單機超過6.0 MW、10.0 MW的大功率方向發(fā)展。隨著電機部件的尺寸持續(xù)加大，電機的整體尺寸越來越大，顯著地提高了運輸、裝吊、拆卸和檢修的成本，因此，提高風電電機的可靠性和穩(wěn)定性，盡量減少對電機的維護和檢修，成為降低附件與運行成本的關鍵。然而，風力發(fā)電機運行環(huán)境非常復雜，高溫、低溫、沙塵、潮氣、霧霾、鹽霧、振動、雨水、冷熱交替等惡劣環(huán)境給電機的可靠性帶來了極大的挑戰(zhàn)，對電機的使用材料及穩(wěn)定性也提出了更高的要求[1-3]。目前，風電電機的定子槽口一般采用灌封膠進行灌封保護。灌封的主要目的是對線圈端部的槽口進行防水、防潮保護，灌封膠與基材的附著力和抗開裂性直接影響到灌封的成敗。一旦槽口灌封膠出現(xiàn)脫離和裂痕，將可能導致整個風電電機絕緣失效，提高電機的維護成本，甚至可能大幅縮短電機的使用壽命[4-7]。目前，風電電機槽口灌封膠一般是采用加成型的有機硅灌封膠，具有較好的柔韌性、耐候性能和電性能[8-9]。經(jīng)過配方研究，制備出黏度適中、加工工藝性能較好的產品非常關鍵。然而，由于加成型有機硅采用的是含雙鍵的乙烯基硅油，極性基團較少，雖然通過添加增黏劑可以提高一定的附著力，但與基材的粘附力仍不夠理想（常溫下拉伸剪切強度約2.0 MPa），灌封后仍存在脫落或剝離的風險；此外，加成型有機硅采用的催化劑是貴金屬催化劑，含硫氮的雜質極易使其中毒失活，造成硫化不完全等問題，因此對施工環(huán)境條件要求較為嚴格。上述不足，導致了操作不便，成本過高，且長期使用下存在著質量風險。

環(huán)氧樹脂的分子結構中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基，可在適當?shù)幕瘜W試劑存在下，形成三維網(wǎng)絡狀固化物[10]。其較多的側鏈羥基或其他極性基團，賦予了其較高反應性和粘接性，有可能彌補上述有機硅類膠的不足。因此，本研究提出開發(fā)環(huán)氧樹脂基灌封膠的技術路線。首先通過篩選不同種類的增韌型環(huán)氧樹脂，隨后特制柔性固化劑，配合活性稀釋劑，以球型氧化鋁和針狀硅灰石粉等為填料，制備適合槽口灌封工藝的環(huán)氧膠，并研究球型氧化鋁和針狀硅灰石含量對環(huán)氧膠拉伸強度、熱導率以及硬度的影響，確定無機填料的最佳添加量，最終獲得優(yōu)化的配方，為環(huán)氧灌封膠在風電電機槽口的灌封應用提供參考。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

增韌型環(huán)氧樹脂，牌號分別為HyPox RM-20、HyPox RM 22、HyPox RF 1320、HyPox UA11，均為工業(yè)級，美國CVC熱固性特種材料有限公司；環(huán)氧樹脂，牌號為NPER-133L，工業(yè)級，南亞環(huán)氧樹脂（昆山）有限公司；JEf柔性環(huán)氧樹脂系列，工業(yè)級，常熟佳發(fā)化學有限責任公司；C12～C14烷基縮水甘油醚（AGE）、芐基縮水甘油醚（BGE），工業(yè)級，常州優(yōu)銳高分子材料有限公司；聚醚胺D2000，美國亨斯邁公司；1,3-環(huán)己二胺（1,3-BAC）、LKW-702環(huán)氧促進劑，工業(yè)級，大連連晟貿易有限公司；苯甲醇（BA），工業(yè)級，湖北綠色家園材料技術股份有限公司；1000目氧化鋁（α型），山東淄博耀和鋁業(yè)有限公司；針狀硅灰石粉，江西奧特科技有限公司。

NDJ-5S型數(shù)字式黏度計，上海恒平科學儀器有限公司；SM7120型高阻計，日置（上海）商貿有限公司；ZJC-100kV型絕緣材料擊穿電壓測試儀，北京中航時代儀器設備有限公司；YHS型萬能拉力機，上海益環(huán)儀器科技有限公司；YWX/Q-750型鹽霧箱，北京雅士林試驗設備有限公司。

1.2 環(huán)氧膠制備

（1）樹脂A組分的制備：將一定量的增韌型環(huán)氧樹脂加入到三口瓶中，再加入一定量的稀釋劑并攪拌，緩慢升溫至80℃，攪拌均勻，使混合樹脂呈透明澄清液體，冷卻至室溫；將混合樹脂與一定比例的氧化鋁、硅灰石和氧化鐵紅混合攪拌30 min以上，并在負壓下真空除泡，得到風電電機槽口灌封用環(huán)氧膠的A組分，外觀為鐵紅色黏稠液體。

（2）固化劑的制備：在干燥氮氣保護的反應器中依次投入20份聚醚胺D2000、10份1,3-環(huán)己二胺（1,3-BAC）和9份苯甲醇（BA），混合均勻后再加入一定份數(shù)的LKW-702促進劑，制備得到外觀為淺黃色的可室溫固化的改性胺固化劑。

1.3 施工工藝

（1）采用清洗劑將所需灌封模具清洗干凈，并在120℃下除水1 h，待用。

（2）分別將樹脂、固化劑兩個組分在40℃下恒溫保存1 h，按比例稱取樹脂和固化劑，攪拌均勻后在真空烘箱中脫泡，制得風電槽口灌封用環(huán)氧膠樣品。

（3）將制備好的環(huán)氧灌封膠緩慢灌入模具中，靜置12 h。

1.4 性能檢測

黏度按照GB/T 22314—2008檢測，測試溫度為（25±1）℃。電阻率按照GB/T 1410—2006檢測；擊穿電壓按照GB/T 1408.1—2006測試，測試樣品按照GB/T 15022.2—2007制備，樣品直徑為（φ）10 mm，厚度為1 mm。力學性能按照GB/T 2567—2008測試，結果取5個有效樣品的平均值。表干時間是指將增韌環(huán)氧樹脂與自制固化劑以及填料按照一定比例混合，填充到規(guī)定形狀的模框中，用手指接觸試樣表面，手指上無膠液粘附試樣所需要的時間。參照GB/T 13477.5—2002測定，檢測溫度為（25±1）℃，樣品質量為150 g。熱導率按照GB/T 10295—2008檢測，檢測溫度為40℃，樣品直徑（φ）為55～60 mm，厚度為5 mm。耐鹽霧性能按照GB/T 2423.17—2008測試，檢測時間為1 000 h。

2 結果與討論

2.1 增韌環(huán)氧樹脂討論

風電電機槽口徑灌封和固化后，需進行高、低溫沖擊或高、低溫-浸水性能評估，因此，增韌樹脂的選擇極其重要。本研究主要從樹脂特性、起始黏度以及環(huán)氧當量等方面對增韌型環(huán)氧樹脂進行篩選。關鍵的影響因素包括：①樹脂的特性（如增韌類型和彈性體含量等）會對灌封膠的抗開裂性有影響；②彈性體含量過低會增加膠開裂的風險，但含量過高又會降低膠的耐熱性；③樹脂的起始黏度過低會加速填料的沉降，縮短灌封膠的貯存期，且在施工過程中會造成溢膠，而樹脂的起始黏度過高又會提高灌封膠的黏度，增加施工難度；④環(huán)氧當量會影響樹脂與固化劑的使用量，也會對施工時間和膠的黏度造成影響。因此，開發(fā)合適的環(huán)氧樹脂膠要注意多功能的協(xié)同。

表1對比了不同增韌型環(huán)氧樹脂的性質。

表1 不同增韌型環(huán)氧樹脂的性質Tab.1 Properties of different toughened epoxy resin

按照起始黏度的差異，這些樹脂可以劃分為高、中、低黏度3大類：①高黏度，室溫下黏度大于10 000 mPa·s，如 HyPox RM 22、HyPox RF 1320、HyPox UA11、NPER-133L和JEf-0251樹脂；②中等黏度，室溫下黏度為5 000～10 000 mPa·s，如HyPox RM-20、JEf-0240、JEf-0242和JEf-0243樹脂；③低黏度，室溫下黏度小于 5 000 mPa·s，如 JEf-0211、JEf-0212、JEf-0213及JEf-0310樹脂。因為風電電機槽口灌封用膠的使用黏度要求在3 000～6 000 mPa·s，所以應該選用中等黏度的增韌型環(huán)氧樹脂為產品的主體樹脂比較適宜，其中HyPox RM-20、JEf-0240、JEf-0242和JEf-0243的黏度較為理想。同時，考慮到JEf-0242和JEf-0243樹脂的黏度偏大，且環(huán)氧當量較小，因此最終選定HyPox RM-20和JEf-0240樹脂。

2.2 稀釋劑討論

環(huán)氧稀釋劑在產品中的主要作用有：①調整灌封膠黏度，使產品的黏度符合相關工藝要求；②改善產品的流動性和滲透性；③延緩固化反應速率，降低固化物收縮率；④抑制灌封膠表面產生孔洞；⑤提高環(huán)氧膠對填料的浸潤性及填料的添加量等。C12烷基縮水甘油醚（AGE稀釋劑）是一種單官能度、無色透明且低毒無刺激性的活性稀釋劑，其分子結構內含有大量的烷基鏈和醚鍵，對非極性材料表面具有極好的潤濕性，其固化物也具有較好的柔韌性。芐基縮水甘油醚（BGE稀釋劑）是一種單官能度且無色透明、低毒穩(wěn)定的活性稀釋劑，其含有耐熱性較好的芳環(huán)，有利于提高灌封膠的耐熱性。因此，在開發(fā)風電電機槽口灌封用環(huán)氧膠時，AGE和BGE稀釋劑都是較理想的稀釋劑。

圖1顯示了AGE和BGE兩種稀釋劑添加量對HyPox RM-20和JEf-0240兩類增韌型環(huán)氧樹脂黏度的影響。從圖1可以看出，兩種稀釋劑的加入起到了明顯的降低黏度的作用，并且都是在添加量為15份左右出現(xiàn)拐點。結合考慮稀釋劑對灌封膠耐熱性能和反應速度的影響，添加量應控制在15份以下為宜。

圖1 不同稀釋劑添加量與黏度關系曲線Fig.1 Relationship between different amount of diluents and viscosity

2.3 固化劑討論

目前應用較為廣泛的環(huán)氧固化劑是分子量較低、分子鏈段較短的脂肪胺改性固化劑，具有固化速度快、固化物強度高、可潮濕環(huán)境下固化的優(yōu)點。但是，固化速度快會導致交聯(lián)密度大，固化物性脆且收縮率大，不太適用于風電電機的灌封。本研究通過聚醚胺D2000引入分子柔順性較好的長鏈醚鍵，再加入反應活性較高的脂環(huán)胺1,3-環(huán)己二胺（1,3-BAC）和LKW-702促進劑以調節(jié)固化反應速度，制備出可在室溫條件下固化、能滿足風電電機灌封工藝要求的柔性固化劑，其具有黏度小、毒性低、耐白化和操作方便的特點。

風電電機灌封工藝包括混膠、脫泡和灌膠3個工藝，要求操作時間在60～120 min為宜。本產品設計采用的稀釋劑為單官能度環(huán)氧稀釋劑，對表干時間有延遲，考慮填料和其他助劑對反應速度的影響，樹脂和固化劑混合物的表干時間應小于60 min才能滿足灌封工藝要求。圖2為添加不同LKW-702含量的固化劑與灌封膠表干時間的關系。

圖2 不同促進劑添加量與表干時間關系Fig.2 Relationship between amount of accelerator and surface drying time

從圖2可以看出，LKW-702對于兩種灌封膠的表干時間都有較明顯的促進作用，隨著促進劑添加量的增加，表干時間從400 min縮短至50 min以下。HyPox RM-20增韌樹脂與固化劑配合，促進劑添加量大于2.0份后，表干時間小于60 min；JEf-0240增韌樹脂與固化劑配合，促進劑添加量大于2.5份后，表干時間小于60 min。這可能是由于兩種樹脂不同的結構及官能團分布導致與固化劑的反應速度不相同。

2.4 無機填料討論

在環(huán)氧灌封膠中添加填料可提高其綜合性能，對膠性能影響極大，如降低環(huán)氧灌封膠的固化收縮率，提高環(huán)氧膠的導熱系數(shù)，提高環(huán)氧膠的機械強度及降低產品成本等[11-12]。降低環(huán)氧灌封膠的固化收縮率一般選用填料為球型硅微粉和針狀硅灰石；提高環(huán)氧灌封膠的導熱系數(shù)一般選用導熱率較高的填料，如氮化硼、氧化鋁等；提高環(huán)氧灌封膠的機械強度一般選用硅微粉等。從配方設計原則和成本以及對膠綜合性能的影響來看，球型氧化鋁和硅灰石是最為理想的無機填料。本研究重點探討導熱性較好的球型氧化鋁和針狀硅灰石兩種填料對環(huán)氧灌封膠性能的影響。

2.4.1 氧化鋁含量的影響

氧化鋁（Al2O3）通常有球型、片狀等不同的形貌，其中球型氧化鋁常被應用在對成本要求較高但對導熱系數(shù)要求不高的環(huán)氧灌封膠中。風電電機環(huán)氧灌封膠的導熱系數(shù)要求大于0.6 W/(m·K)即可，因此球型的氧化鋁比較符合產品技術要求。圖3是不同氧化鋁添加量下，環(huán)氧灌封膠基本性能的檢測數(shù)據(jù)。

圖3 氧化鋁含量對環(huán)氧灌封膠性能的影響Fig.3 Effect of Al2O3contents on the properties of epoxy pouring sealant

由圖3可知，隨著球型氧化鋁質量分數(shù)的提高，環(huán)氧灌封膠的硬度與導熱系數(shù)都逐漸提高。所以盡管增韌樹脂不同，但只有當球型氧化鋁的添加量均超過40%時，產品的導熱系數(shù)才能滿足大于0.6 W/(m·K)的要求。

2.4.2 硅灰石含量的影響

硅灰石屬于單鏈硅酸鹽，通常呈片狀、放射狀或纖維狀，主要用作陶瓷、水泥、橡膠、塑料等復合材料的填料，具有提高環(huán)氧灌封膠機械強度、改善并提高產品絕緣性能和降低產品成本的作用。圖4是不同硅灰石添加量下，環(huán)氧灌封膠基本性能的檢測數(shù)據(jù)。由圖4可知，隨著針狀硅灰石質量分數(shù)的增加，環(huán)氧灌封膠的硬度和拉伸強度都相應提高。但是硅灰石的添加量對膠導熱系數(shù)的提高無明顯效果。

圖4 硅灰石含量對環(huán)氧灌封膠性能的影響Fig.4 Effect of wollastonite contents on the properties of epoxy pouring sealant

綜上所述，該風電電機灌封用環(huán)氧膠的力學性能都隨著兩種填料含量的增加而提高。但隨著填料含量的增加，硬度和拉伸強度的提升效果減弱。這可能因為填料含量較低時，對環(huán)氧膠主要起補強作用，但當添加量超過一定值后，填料分散困難，易發(fā)生團聚，使得總體的補強效果反而變差。

2.5 與風電用有機硅灌封膠性能對比

在上述對原材料及配方分析的基礎上，制備了高性能環(huán)氧灌封膠，并與目前進口風電用有機硅灌封膠[13]進行性能對比，數(shù)據(jù)如表2所示，其中環(huán)氧膠1為HyPox RM-20/AGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧化鋁/硅灰石/鐵紅，環(huán)氧膠2為JEf-0240/BGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧化鋁/硅灰石/鐵紅。

表2 自制環(huán)氧膠與進口有機硅膠的性能對比Tab.2 Performance comparison of self-made and import pouring sealant

從表2可知，本研究開發(fā)的風電環(huán)氧灌封膠，在性能和操作工藝時間上與目前進口風電有機硅灌封膠相當，但是其拉伸、剪切強度比進口有機硅灌封膠高。這充分說明環(huán)氧灌封膠與基材具有更好的粘接性，有利于提高灌封膠在風電電機運輸（顛簸導致的局部振動）中，以及在高低溫劇烈變化等復雜使用環(huán)境中的可靠性。因為該環(huán)氧樹脂膠來源廣泛，所以相比有機硅灌封膠具有成本優(yōu)勢。

2.6 耐環(huán)境性能評估

風電電機長期在高濕度、溫度變化大的惡劣環(huán)境中使用，對于所采用的灌封膠要求具有極好的耐環(huán)境沖擊性。采用本研究制得的環(huán)氧膠對風電電機模卡進行灌封實驗和耐環(huán)境適用性實驗，相關檢測條件及數(shù)據(jù)見表3，其中環(huán)氧膠1為HyPoxRM-20/AGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧 化 鋁/硅 灰石/鐵 紅 ，環(huán) 氧 膠 2為 JEf-0240/BGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧化鋁/硅灰石/鐵紅。由表3可以看出，經(jīng)過耐環(huán)境實驗評估后，環(huán)氧膠無形變、開裂和剝離等不良變化，說明環(huán)氧膠與基材粘接良好且能耐受溫度變化，能滿足風電電機灌封的要求。

表3 自制環(huán)氧灌封膠和有機硅膠耐環(huán)境性實驗前后對比Tab.3 Properties of self-made and import pouring sealant before and after environmental test

3 結論

針對進口類有機硅基灌封膠的不足，設計了制備風電電機槽口灌封用環(huán)氧膠的技術路線。通過篩選，得到了HyPox RM-20和JEf-0240兩種增韌環(huán)氧樹脂，優(yōu)化得到可室溫固化的柔性固化劑，并對稀釋劑、促進劑、氧化鋁及硅灰石的添加量對灌封膠性能的影響進行研究，最終制得了風電電機槽口灌封用環(huán)氧膠。試驗表明，當環(huán)氧樹脂與固化劑的比例為5∶1，稀釋劑的用量為15份，填料選用球型氧化鋁和針狀硅灰石時，制備出的環(huán)氧灌封膠表干時間小于60 min，邵氏A硬度和拉伸強度比進口類有機硅灌封膠有較明顯的提高，綜合性能優(yōu)良，工藝性能和技術指標都能滿足使用要求，并在力學性能與成本方面比進口有機硅灌封膠更具優(yōu)勢。