變電站組合電器用膠粘劑的制備與性能研究

林明仲，曾凡興，付 磊，楊 洸，孫 銘

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 恩施供電公司，湖北 恩施 445000；2.湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430040)

隨著國家電網(wǎng)工程的快速發(fā)展，變電站作為一種電力系統(tǒng)中對電壓和電流進行變換、接受電能及分配電能的場所，在現(xiàn)代化電網(wǎng)工程中必不可少且已呈現(xiàn)出以城市智慧能源共生體的全新模樣融入城市。其中，變電站組合電器也逐漸朝著占地面積小、操作便捷、安全性能高等方向發(fā)展；而變電站組合電器的應(yīng)用離不開環(huán)氧樹脂膠黏劑。這主要是因為變電站組合電器要想具有良好的可靠性和安全性，必須保證各個元器組件的牢固，目前實際應(yīng)用中的膠粘劑主要是以環(huán)氧樹脂為主體所制得的膠粘劑，通過加入環(huán)氧樹脂固化劑使其固化。對于變電站組合電器用膠粘劑而言，在長時間的輸電工況條件下，電器及用于粘接的膠粘劑等會承受長時間的熱作用。因此，除需要具有良好的強度、模量和粘接性能外，變電站組合電器用膠粘劑還需要具有良好的熱力學(xué)性能(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)；而目前環(huán)氧樹脂膠粘劑的組分對膠粘劑試樣力學(xué)性能(抗拉強度等)和熱力學(xué)性能(玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)的影響規(guī)律并不清楚。在此基礎(chǔ)上，本文研究了不同膠粘劑成分配比試樣的力學(xué)性能和熱力學(xué)性能，并考察了乙烯-醋酸乙烯共聚物加入量對EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑彎曲強度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響，這有助于對高性能變電站組合電器用膠粘劑的開發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

實驗原料包括環(huán)氧樹脂(Ts)、甲基環(huán)己二胺(HTDA) 高溫固化劑、SD-180型發(fā)煙二氧化硅(增稠劑)、AQUATIX 8421型乙烯醋酸-乙烯共聚物(EVA，粒徑0.28 mm、熔流率24 g/10 min)。實驗設(shè)備包括ZYMC-450型材料均質(zhì)機。

制備4種不同組分的環(huán)氧樹脂膠粘劑(T、TH、THS和THSE5)。

(1)T(Ts)，將Ts在均質(zhì)機中攪拌5 min后轉(zhuǎn)入鋼質(zhì)模具中，室溫固化48 h后置于烘箱中進行“58 ℃/24h+118 ℃/2 h|的固化處理，冷卻后脫模加工：

(2)TH(高溫固化的Ts)，在Ts中加入質(zhì)量分數(shù)10.92%的HTDA，其他工藝與T相同；

(3)THS(添加發(fā)煙二氧化硅的高溫固化Ts)，在Ts中加入質(zhì)量分數(shù)10.92%的HTDA和質(zhì)量分數(shù)1%的發(fā)煙二氧化硅，其他工藝與T相同；

(4)THSE5(EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑)，在Ts中加入質(zhì)量分數(shù)10.92%的HTDA+質(zhì)量分數(shù)1%的發(fā)煙二氧化硅+5%EVA，其他工藝與T相同。

在制備EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的過程中，調(diào)整EVA的添加量，并制備THSE10和THSE15，其中EVA的質(zhì)量分別占10%和15%。

將環(huán)氧樹脂試樣加工成圖1所示尺寸，并在MTS-810型萬能材料試驗機上進行室溫拉伸性能測試，拉伸速率為2 mm/min，結(jié)果取10根試樣的平均值，引伸計為鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的YYJ-5/10-L型電子引伸計；彎曲性能測試試樣加工成45 mm×15 mm×2 mm，彎曲性能測試采用HY-10080電子萬能材料試驗機進行，拉伸速率為4 mm/min，結(jié)果取10根試樣的平均值；熱學(xué)測試試樣加工成40 mm×8 mm×2 mm，采用TA-800型動態(tài)熱力學(xué)分析儀進行測試。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Tensile specimen size

2 結(jié)果與分析

圖2為環(huán)氧樹脂膠粘劑的拉伸強度測試結(jié)果。

圖2 環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的拉伸強度Fig.2 Tensile strength of epoxy adhesive sample

由圖1可知，對于環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的拉伸強度平均值為65.74 MPa，標準差為1.20；對于高溫固化的環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的拉伸強度平均值為80.47 MPa，標準差為1.66；對于添加發(fā)煙二氧化硅的高溫固化環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的拉伸強度平均值為74.51 MPa，標準差為1.61；對于THSE5(EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑)，10組試樣的拉伸強度平均值為58.07 MPa，標準差為0.56。由此可見，在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑有助于提升環(huán)氧樹脂的拉伸強度；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的拉伸強度會有所減小。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的拉伸強度在幾組試樣中是最低的，但降幅不大。

圖3為環(huán)氧樹脂膠粘劑的拉伸模量測試結(jié)果。由圖3可知，對于環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的拉伸模量平均值為3.20 GPa，標準差為0.11；對于高溫固化的環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的拉伸模量平均值為2.75 GPa，標準差為0.07；對于添加發(fā)煙二氧化硅的高溫固化環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的拉伸模量平均值為2.58 GPa，標準差為0.08；對于THSE5(EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑)，10組試樣的拉伸模量平均值為2.22 GPa，標準差為0.03。由此可見，在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑會降低環(huán)氧樹脂的拉伸模量；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的拉伸模量進一步減小。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的拉伸模量在幾組試樣中是最低的。

圖3 環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的拉伸模量Fig.3 Tensile modulus of epoxy adhesive sample

圖4為環(huán)氧樹脂膠粘劑的斷裂伸長率測試結(jié)果。

圖4 環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的斷裂伸長率Fig.4 Elongation at break of epoxy resin adhesive sample

由圖4可知，對于環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的斷裂伸長率平均值為3.74%，標準差為0.12；對于高溫固化的環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的斷裂伸長率平均值為6.88%，標準差為0.46；對于添加發(fā)煙二氧化硅的高溫固化環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的斷裂伸長率平均值為7.69%，標準差為1.08；對于THSE5(EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑)，10組試樣的斷裂伸長率平均值為3.90%，標準差為0.13。由此可見，在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑會提高環(huán)氧樹脂的斷裂伸長率；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的斷裂伸長率進一步增大。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的斷裂伸長率有所減小，但仍然高于Ts。

圖5為環(huán)氧樹脂膠粘劑的彎曲強度測試結(jié)果。

由圖5可知，對于環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的彎曲強度平均值為94.39MPa，標準差為3.09；對于高溫固化的環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的彎曲強度平均值為133.06 MPa，標準差為8.58；對于添加發(fā)煙二氧化硅的高溫固化環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的彎曲強度平均值為125.86 MPa，標準差為6.52；對于THSE5(EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑)，10組試樣的彎曲強度平均值為99.28 MPa，標準差為1.11。由此可見，在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑會提高環(huán)氧樹脂的彎曲強度；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的彎曲強度有所減小。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的彎曲強度進一步減小，但仍然高于Ts。

圖5 環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的彎曲強度Fig.5 Bending strength of epoxy adhesive sample

圖6為環(huán)氧樹脂膠粘劑的彎曲模量測試結(jié)果。

圖6 環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的彎曲模量Fig.6 Bending modulus of epoxy adhesive sample

由圖6可知，對于環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的彎曲模量平均值為2.19 GPa，標準差為0.18；對于高溫固化的環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的彎曲模量平均值為1.55 GPa，標準差為0.15；對于添加發(fā)煙二氧化硅的高溫固化環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的彎曲模量平均值為2.00 GPa，標準差為0.20；對于THSE5(EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑)，10組試樣的彎曲模量平均值為2.14 GPa，標準差為0.25。由此可見，在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑會降低環(huán)氧樹脂的彎曲模量；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的彎曲模量有所增大。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的彎曲模量進一步增加，但仍然略低于Ts。

圖7為環(huán)氧樹脂膠粘劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測試結(jié)果。

圖7 環(huán)氧樹脂膠粘劑試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Fig.7 Glass transition temperature of epoxy resin adhesive sample

由圖7可知，對于環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度平均值為86.70 ℃，標準差為0.88；對于高溫固化的環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度平均值為124.46 ℃，標準差為0.68；對于添加發(fā)煙二氧化硅的高溫固化環(huán)氧樹脂Ts，10組試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度平均值為123.79 ℃，標準差為0.07；對于THSE5(EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑)，10組試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度平均值為118.69 ℃，標準差為1.43。由此可見，在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑會增大環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度略有減小。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進一步減小，但仍然略高于Ts。

進一步研究了EVA加入量對EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣彎曲強度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 EVA加入量對EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣彎曲強度的影響Fig.8 Effect of EVA addition on bending strength of EVA epoxy self-healing adhesive sample

圖9 EVA加入量對EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的影響Fig.9 Effect of EVA addition on glass transition temperature of EVA epoxy self-healing adhesive sample

由圖8可見，當(dāng)EVA加入量為5%時，10組試樣的彎曲強度平均值為100.28 MPa，標準差為1.09；當(dāng)EVA加入量為10%時，10組試樣的彎曲強度平均值為78.73 MPa，標準差為3.33；當(dāng)EVA加入量為15%時，10組試樣的彎曲強度平均值為58.56 MPa，標準差為2.64。由此可見，隨著EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣中EVA質(zhì)量分數(shù)的增加，試樣的彎曲強度逐漸減小；當(dāng)EVA加入量為5%時，試樣具有最大的彎曲強度。

由圖9可見，當(dāng)EVA加入量為5%時，10組試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度平均值為118.69 ℃，標準差為1.32；當(dāng)EVA質(zhì)量分數(shù)為10%時，10組試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度平均值為118.62 ℃，標準差為1.13；當(dāng)EVA質(zhì)量分數(shù)為15%時，10組試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度平均值為119.75 ℃，標準差為0.77。由此可見，隨著EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣中EVA質(zhì)量分數(shù)的增加，試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化較小或基本無變化，即EVA質(zhì)量分數(shù)對EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣熱力學(xué)性能影響較小。

3 結(jié)語

(1)在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑有助于提升環(huán)氧樹脂的拉伸強度、斷裂伸長率；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的拉伸強度會有所減小、斷裂伸長率有所增大。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的拉伸強度在幾組試樣中是最低的；

(2)在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑會降低環(huán)氧樹脂的拉伸模量、彎曲模量；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的拉伸模量進一步減小，彎曲模量有所增大。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的拉伸模量和彎曲模量在幾組試樣中是最低的；

(3)在環(huán)氧樹脂Ts中加入高溫固化劑會提高環(huán)氧樹脂的彎曲強度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；添加發(fā)煙二氧化硅后環(huán)氧樹脂的彎曲強度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有所減小。而加入EVA的EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑的彎曲強度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度進一步減小，但仍然高于Ts；

(4)隨著EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣中EVA質(zhì)量分數(shù)的增加，試樣的彎曲強度逐漸減小。當(dāng)EVA質(zhì)量分數(shù)為5%時，試樣具有最大的彎曲強度；隨著EVA-環(huán)氧樹脂自愈合膠粘劑試樣中EVA質(zhì)量分數(shù)的增加，試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化較小或基本無變化。