流变测量学在绝缘材料检验领域的应用

张大鹏，倪苗苗

（哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

前言

随着我国电机制造技术的不断提高，绝缘材料日益繁多，对于绝缘材料绝缘性能的要求逐步提高，检测手段也随之不断地提升。目前，流变测量技术已经成为绝缘材料性能检测的重要手段之一。

流变学是在20世纪后半页发展起来的，它是力学、化学与材料和工程科学之间的新兴边缘科学。流变学是研究材料流动与变形的科学。非牛顿流体的流变性质及其运动规律是非牛顿流动力学的基础内容，它又称流体的流变学，同时也是现代流体力学的一个重要分支。非牛顿流体力学的研究已应用于各工业领域及自然现象分析，是化学、生物学、食品工程、石油工程、冶金工程、化学工程等当代科学发展中的前沿方向之一[1]。流变测量学主要是描述在外力作用下物体形变的性能技术。流变测量学可以表征材料的分子量、分子量分布、配方、微观聚集等状态；指导预测加工挤出、吹膜、输送、流平等工艺，从而了解绝缘材料的模量、使用温度、尺寸稳定性、储存稳定性等性能。

1 流变测量学的测试流体

要想良好地反映材料性能,首先要了解需要测量的流体 ｡ 流体通常按照粘度的变化特性分成牛顿流体和非牛顿流体 ｡ 而非牛顿流体又可以分为假塑性流体､有屈服值的假塑性流体和胀流性流体(又称震凝性流体)｡

1.1 牛顿流体

粘度不受剪切速率变化的影响，符合该规律的所有液体，称作“牛顿流体”。牛顿流体是理想情况下的流体，现实中不具备这种“理想”流动特性的液体。但是根据Deborah数[2]的概念，在特定的剪切应力或剪切速率下，液体可以表现出“牛顿流动”特性。该理论常用来进行绝缘材料性能检测中的近似测试和粗略测量试验。

牛顿流体的动力粘度公式为:

其中η为动力粘度值，τ为剪切应力，D为剪切速率，ν为流速，y为间隙高度。

图1通过流动曲线和粘度曲线的不同，表示了牛顿流体和非牛顿流体不同的流动行为。

1.2 非牛顿流体

非牛顿流体是指不具备“牛顿流体”特性的流体。根据剪切应力和粘度的变化情况，可以分为假塑性流体和胀流性流体（又称震凝性流体）。

假塑性流体是随剪切应力增大而剪切速率变稀的流体。造成流体出现假塑性的原因，是因为许多看起来均匀的流体，都是由几种组分构成的。例如，形状不规则的颗粒或某种液体的液滴分散在另一种液体中；另一方面，聚合物溶液中的聚合物分子具有缠绕或环状的长分子链。静止时，所有这些物质将维持内部的不规则次序，因此具有相当高的内部阻力（即较高的粘度）阻碍流动，如图2所示。随着剪切速率的增大，悬浮在液体中的棒状颗粒将顺着流动方向沿纵长轴取向。熔体或溶液中的链状分子沿驱动方向解缠绕、拉伸和取向。排列后的颗粒或分子线团可以更容易地彼此相互滑过。球形颗粒变形为橄榄状，即直径更小的椭圆体，能够产生弹性形变的血球细胞。又如悬浮在血浆中的硬币状的红血球细胞，可变形成小直径的椭圆体，使其易于以更高流速通过细血管。剪切还能使原流体中的颗粒聚集形成的不规则团块破碎，使这类流体在给定的剪切应力下流的更快，如图2所示。对于大部分流体而言，剪切变稀作用是可逆的，但常滞后一些时间[3]。

图1 各种常见的流动行为

图2 处于静止与流经管道时的分散体系

由于绝缘工艺的要求，基本上现在使用的三聚氰胺醇酸浸渍漆、环氧酯浸渍漆、有机硅浸渍漆、F级环氧无溶剂浸渍树脂、聚酯亚胺无溶剂浸渍树脂、H级聚酯亚胺浸渍漆、H级不饱和聚酯亚胺浸渍树脂、醇酸晾干覆盖漆、醇酸灰瓷漆、环氧酯灰瓷漆、环氧酯晾干红瓷漆、硅钢片胶粘剂等绝缘材料都是假塑形流体。

胀流性流体是随剪切应力增大而剪切速率变稠的流体。胀流性液体很少见，因为这种流体会使生产条件复杂化，所以在工业生产中会制定配方以减少胀流性的发生。

2 流变测量学的测试参数

在流变测试中，试验参数往往起到重要的作用，不同的测试参数直接影响着流变测试的准确和误差。流变测量学的测试参数与六个独立的参数有关，即：

“S”表征为流体的物理化学性质。这种性质是影响流变测量的主要因素，即该流体是悬浮液、乳浊液、聚合物等。“T”表征为测试流体的温度。温度变化对于流变测量影响很大。“p”表征为测试流体受到压力。压力压缩流体使其减小分子之间的距离，增大分子间阻力。“γ”表征为测试流体受到剪切速率。该参数是影响许多流体粘度变化的决定性因素。“t”表征为时间。主要是指某些流体随时间的变化，其粘度值也会根据剪切历史及剪切现象而有所变化。“E”表征为电场。涉及一系列悬浮液，电场强度对于这类流体的流动行为具有强烈的影响。这类悬浮液可称为“电-粘流体（EVF）”，也可称为“电流变液（ERF）”，含有微细的分散电介质颗粒，在电场中易极化。这类EVF的粘度是电场变化的函数，随着电压变化[4]。以上六种参数相互之间不存在任何联系，但在流变测试中都会影响最后的测量结果。

3 流变测量学在绝缘材料检验领域的主要测试方法

3.1 福特杯测量方法

福特杯（又称 4号杯）测量方法是现阶段主要应用在工厂企业的流变测量测试方法。其优点为操作简单、试验快捷、成本便宜，针对于粘度值要求不严苛的绝缘材料。

在绝缘领域中，三聚氰胺醇酸浸渍漆、环氧酯浸渍漆、有机硅浸渍漆、F级环氧无溶剂浸渍树脂、聚酯亚胺无溶剂浸渍树脂、H级聚酯亚胺浸渍漆、H级不饱和聚酯亚胺浸渍树脂、醇酸晾干覆盖漆、醇酸灰瓷漆、环氧酯灰瓷漆、环氧酯晾干红瓷漆、硅钢片胶粘剂等绝缘材料都是使用福特杯法来测量绝缘材料的粘度值。

福特杯法测量方法缺点为：测量的数据不够精确，测量过程受环境影响因素多，测量数据只是相对值。

3.2 相对旋转粘度计测量方法

相对旋转粘度计是利用任何可读的标量，例如时间、距离、角度等，与标准粘度样品的比率。因此，相对旋转粘度计的计算公式为：

其中：Sη为标准粘度值，SS为标准可读的标量，、Uη为未知可读的标量。

相对旋转粘度计的优点为容易操作、测量快捷、清洗方便、性价比高。当用旋转粘度计进行测量时，流体本身的粘弹性对于剪切会有不同的响应，如图 3所示。

图3 黏性液体和弹性液体对于剪切的不用响应

在绝缘领域中，酚醛丁腈橡胶胶粘剂、53311ES-1粘接胶、无溶剂室温固化胶、HDJ-138涂刷浸渍胶、HEC56102室温固化涂刷胶、HEC51103水轮机发电机现场用高强度中温固化胶等绝缘材料都是用相对旋转粘度计来测量的。

相对旋转粘度计测量的缺点为：非牛顿流体只是相对值，转子和测试条件必须相同，当温度发生变化时，粘度读数略有误差。

3.3 绝对旋转粘度计测量方法

绝对旋转粘度计是利用测量扭矩的绝对值来标称材料的绝对粘度值，同时还可以反映温度对于粘度计的影响。绝对旋转粘度计优点为绝对值读数，粘度数值可以标定，并且可以控制多种温度下同一材料的测量，测试方法多样，试样量少，可由计算机控制。

以同轴圆筒测量转子(DIN 53108)系统为例，如图4所示。

图4 标准的或“传统的”HAAKE设计试样的同轴圆筒测量转子系统

在绝缘领域中，VPI无溶剂浸渍工艺中利用绝对旋转粘度计来测量并检测液体酸酐粘度，以反映其在工艺生产及日常储存时的情况。

绝对旋转粘度计的缺点为测试设备价格昂贵，测试日常保养不易，测量用的转子清洗不便。

3.4 可视流变测量方法

可视流变测量方法是现在新兴的一种流变测量方法。可视流变是将流变仪与显微镜相结合，利用可视流变技术可以观察液体在震动、剪切、旋转等状态下分子变化情况。它能有效地观察到试样在剪切应力作用下，液体分子发生的变化[6]。图5为可视流变仪在测试过程的效果图。

图5 可视流变显微下照片

4 流变测量学在绝缘领域的展望

随着新绝缘材料的研发，越来越多的绝缘材料检测都采用了流变测量学的测量测试方法。由此可见，流变测量学已经成为测量、测试绝缘材料性能的重要手段之一。流变测量学作为现代绝缘材料测试的基础方法之一，应该得到行业的大力提倡，并且完善测量规范，统一测试步骤，改良测试方法，以促进流变测量学测量测试技术的不断发展和进步，同时促进绝缘材料性能的全面提升。

[1]丁鹏, 闫相祯. 非牛顿流体力学简介及发展[C].第二届全国力学史与方法论学术研讨会论文集,2005.

[2]朱照宣, 流变学中的 Deborah数[J]. 力学与实践.北京: 力学与实践杂志编辑部, 2008(04): 64-64.

[3]Gebhard Schramm. A practical approach to rheology and rheometry[M]. Thermo Fisher Scientific, 2009.

[4]Brnes H A, Hutton J F, Walters K. An introduction to rheology[M]. Elsevier Applied Science, 1989.

[5]Collyer A, Utracki L A, Gleissle W. Speed or stress-controlled rheomety[M]. Elsevier Applied Science, 1990.

[6]J G G Dobbe, M R Hardeman, G J Streekstra, C A Grimbergen. Validation and application of an automated rheoscope for measuring red blood cell deformability distributions in different species[J].Biorheology, 2004(2): 65-77.