高性能芳纶绝缘拉杆用树脂配方及性能研究

陈燕梅，侯 梅，张银锋，谢瑞广

(西安超码复合材料有限公司，西安 710025)

高性能芳纶绝缘拉杆用树脂配方及性能研究

陈燕梅，侯 梅，张银锋，谢瑞广

(西安超码复合材料有限公司，西安 710025)

本文研究了双酚A、双酚F环氧树脂配方体系基础性能，对比分析了两种树脂配方浇注体的力学性能、电气性能和耐热性能，从试验数据得出双酚F配方体系改善了树脂配方耐热性能，却没有降低树脂工艺性能；并使用显微镜和SEM电镜观察绝缘拉杆复合材料结构，并其进行了各种性能测试。

绝缘复合材料；芳纶纤维；RTM；力学性能；电气性能

1 引 言

高性能芳纶绝缘拉杆应用于电力行业SF6组合电气设备的重要部件，目前国内大多高等级高压断路器和GIS必须使用国外有机纤维绝缘复合材料，因此严重制约国内高电压等级组合电气设备发展[1]。以SF6气体作为绝缘介质，电压等级在110 kV及以上，需具有优良电气绝缘性能和机械强度的GIS大都采用芳纶复合材料。为了降低产品结构重量和体积，目前设计都向轻量化，高性能发展，为了满足上述要求就需采用新型纤维材料和高玻璃化温度树脂基体，其结构特点是细而长，在运行中受很大的拉伸载荷或者扭转载荷及瞬时的操作过电压冲击。由于开关设备在整个电网中是关键设备，更换操作比较复杂而且困难，因此要求设备具有超长寿命。

芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺” (缩写为PPTA，商品名Kevlar)，是一种新型高性能有机纤维，具有密度低、强度高、耐高温、热稳定性好、良好的绝缘性和抗老化性能、生命周期长等优异性能[2]。环氧树脂具有良好的机械性能、电性能和粘接性能，是电气设备绝缘材料的重要基体之一。芳纶纤维增强的绝缘拉杆与传统玻璃纤维绝缘拉杆相比，其有诸多优点：(1)重量轻，强度高；(2)产品变形量小；(3)电气性能优越，耐SF6；(4)疲劳强度高，刚度高；(5)可靠性高。

本文采用K49为增强材料[2]，通过化学改性处理[3]提高纤维界面活性，以芳纶/聚酯编织布增强环氧树脂基复合材料为主，聚酯表面毡增强环氧树脂富胶层为内外防腐层，结合树脂传递模塑(RTM)工艺[4]，获得机械性能、电性能和热性能优异的绝缘拉杆。

2 试 验

2.1 试验原材料

树脂体系：双酚A环氧树脂 CYD-128，蓝星化工新材料股份有限公司；

双酚F环氧树脂EP862，HEXION

多官能团环氧AG-80，上海树脂厂；

多官能团环氧TDE-85，天津合成材料研究所；

酸酐类固化剂：甲基四氢苯酐(MeTHPA)，嘉兴市东方化工厂；

促进剂：2，4咪唑，利安隆博华(天津)医药化学有限公司。

增强材料：芳纶纤维(K49)和聚酯纤维(600D)编织成径向断裂强度≥2 600 N/5 cm，纬向断裂强度≥1 200 N/5 cm，厚度0.4±0.05 mm方格布。

2.2 主要仪器

分析天平，测试浇注体吸水率；

WE-30型液压式万能材料试验机，测试浇注体力学性能；

NETZSCH同步热分析仪，测试浇注体耐热性能；

蔡司Axioskop 40显微镜和JEOL JSM-6460LV扫描电子显微镜，观察绝缘拉杆切断面；

BDJC-50KV电气强度测试仪，测试绝缘拉杆电气强度。

PISTON 4000 RTM注射机，真空浸渍设备。

2.3 试样制备及性能测试

2.3.1 树脂配方体系性能试验

TG试验：浇注体粉末样品8～10 mg，温度范围：0～800 ℃；

以双酚A、双酚F环氧树脂基体分别作为1、2号配方，按照一定配比称重、搅拌、真空脱气，脱气后流入涂有脱模剂的干净模具中，按相同固化制度升温固化，冷却脱模，切割成固定尺寸试样。

树脂浇注件性能(拉伸、弯曲、压缩性能)测试参照国标GB/T2568-1995、GB/T2569-1995、GB/T2570-1995进行。

2.3.2 绝缘复合材料制备及性能试验

将2号树脂配方与混编布制成内径40 mm，外径55 mm，长800 mm的绝缘拉杆，性能测试按照所列标准进行。

3 试验结果与讨论

3.1 树脂配方体系性能研究

3.1.1 树脂配方体系胶液粘度研究

在RTM成型过程中，胶液粘度大，不利于树脂浸润纤维，容易夹带气泡，在成型时影响复合材料界面性能，且注射过程困难；若粘度小，注射过程相对容易，但纤维浸渍树脂太少，树脂在复合材料制品中不能有效传递载荷。两种胶液在60 ℃粘度随时间变化曲线见图1-2。

图1 1号配方胶液粘度曲线Fig.1 Viscosity curve of formula 1

图2 2号配方胶液粘度曲线Fig.2 Viscosity curve of formula 2

由图1可见，1号配方胶液150 min前基本没有发生反应，此后胶液逐渐加快反应， 600 min后，黏度增大到238.4 mPa·s，仍可继续使用；2号配方胶液初始粘度比1号配方低，黏度曲线随时间增长速度缓慢，且呈匀速增大趋势，至10 h达到152.3 mPa·s，后续没有出现胶液反应加快现象，芳纶纤维与环氧树脂的亲和性差，黏度增长过快不利于树脂配方胶液浸润纤维，并且这种宽范围粘度平坦区曲线，显示出该树脂体系良好的工艺特性。

3.1.2 树脂配方体系DSC曲线分析

在RTM成型过程中，在一定注射温度下需树脂配方体系有长期存放时间，对配方体系进行DSC(升温速率为5 ℃/min)分析，见图3-4。

从图中可看出，2种树脂配方在较宽温度范围内均有较为缓慢的单一放热峰，在升温速率为5 ℃/min 下，2号树脂体系各组分反应起始温度和终止温度都比1号配方体系高，且2号配方放热峰温度和放热量分别比1号配方高出11.33 ℃、1 152.484 mJ，2号配方的反应温度区域也比1号配方宽11.99 ℃，树脂配方胶液更适合室温长期存放。

图3 1号配方胶液DSC曲线Fig.3 DSC curve of formula 1

图4 2号配方胶液DSC曲线Fig.4 DSC curve of formula 2

3.1.3 树脂配方体系固化物耐热性能

使用热分析仪对固化后树脂配方进行热失重(TG)分析，升温速度为10 ℃/min，在N2气氛保护下进行，同时对热失重曲线进行微分(DTG)分析，研究树脂配方固化物耐热性及在高温下的热稳定性。结果见图5-6。

通过热失重曲线可以看出，1号配方的起始分解温度为364.5 ℃，2号配方的分解起始温度为363.9 ℃，两者相近。最大热失重温度分别发生在401 ℃和407.7 ℃，热失重比重分别为13.52%和13.36%。说明两者的耐热性相当，都能满足使用要求。

图5 1号配方热失重曲线Fig.5 TG curve of formula 1

图6 2号配方热失重曲线Fig.6 TG curve of formula 2

3.1.4 树脂配方体系浇注体性能

从表1可看出， 2号树脂配方浇注体物理性能、力学性能、电性能及耐热性能稍优于1号树脂配方，这是由于双酚F环氧树脂结构上的亚甲基比双酚A环氧树脂亚丙基有更大旋转自由度，且双酚F环氧树脂亚甲基位阻比双酚A环氧树脂亚丙基小，与固化剂反应时，双酚F环氧树脂的环氧基反应活性高，固化物交联密度高，使固化物的刚性、热变形温度、机械性能、电绝缘性能和耐化学性能都有所提高，因而优选2号树脂配方制作绝缘复合材料试样。

表1 两种树脂配方体系浇注体性能Table 1 Properties of two kinds of cured resin formulas

3.2 绝缘拉杆性能试验

吸水率属于绝缘拉杆的一个重要参数，胶液对纤维优良的浸润性对于降低吸水率尤为重要，而吸水率对其电气性能又有着很大影响，绝缘拉杆吸水后，其介电损耗升高，局部缺陷增多，导致易被击穿，本文中的绝缘拉杆不管是室温还是高温条件下，吸水率均能满足不超过0.3%的使用要求。

绝缘拉杆弯曲性能达到200.25 MPa，满足高性能绝缘拉杆弯曲性能大于200 MPa性能要求，这是由于高性能径向纤维提供了足够的强度和韧性。

绝缘拉杆径向电气性能达到11.35 kV/mm，满足径向电气性能达到10 kV/mm的技术指标。

从表2中可看出，绝缘拉杆试样各项性能都达到技术指标，表明经改性后芳纶纤维界面活性提高，与树脂界面性能良好。

表2 绝缘拉杆性能试验Table 2 The property of insulated pole

图7中浅色不连续部分为纤维束，深色连续部分为树脂，纤维束间的树脂均匀、连贯。起承力作用的经向纤维相对比较整齐、平直，能够提供较高弯曲强度，起支撑和固定作用的纬向纤维与树脂能够充分浸润，保证了纤维结构的完整性。

从图8可看出芳纶纤维内部被树脂胶液充分渗透，不存在微小的纤维区，整个区域没有内部微小缺陷，树脂与纤维完全粘合，绝缘拉杆表现出优异得的机械性能和电气性能。调控RTM工艺参数可使纤维束能完全被树脂浸润。

从上述纤维内部的浸润性能、轴向电气强度及吸水率可以看出，只要芳纶纤维束内部能够充分浸润，芳纶布经纬线设计合理就能够满足高电压等级绝缘拉杆电气性能要求。

图7 显微镜下复合材料结构图Fig.7 The structure of composite material under microscope

图8 复合材料断面SEM照片Fig.8 The SEM photos of composite material section

4 结 语

(1) 通过树脂配方体系性能试验得出2号树脂配方要优于1号配方， 2号树脂在60 ℃经过10 h，粘度不大于150 mPa·s，且反应温度区域比较宽，能长时间存放，满足RTM成型工艺条件； 2号树脂配方浇注体拉伸强度达到51.63 MPa，玻璃化温度为149.3 ℃。

(2) 绝缘拉杆试样性能试验满足技术指标，通过显微镜和SEM绝缘拉杆断面结构图，可以看出胶液在芳纶纤维束内部的浸润情况，调控RTM的工艺参数，可使纤维束能够完全被树脂浸润，更好的发挥力学性能。

(3) 芳纶纤维高性能特性及编织结构设计合理性，使绝缘拉杆弯曲强度达到了200 MPa以上，径向电气性能达到了11.35 kV/mm，吸水率最高为0.27%。

[1] 张显友．陈伟．高压电器耐SF6新型绝缘材料的研究进展[J]．绝缘材料通讯，2000(2)：2l-24．

[2] 崔健．芳纶纤维在胶管胶布制品中的应用[J]．特种橡胶制品，2006，27(6)：32-34．

[3] 赵稼祥．美国Kevlar布性能测试分析[J]．纤维复合材料，1994，11(2)：32-39．

[4] 王汝敏，郑水蓉．聚合物基复合材料及工艺 [M]．北京：科学出版社，2004.

The Research of Resin Formulation and Performance of High-performance Aramid Fiber Insulated Pole

CHEN Yanmei,HOU Mei，ZhANG Yinfeng，XIE Ruiguang

(Xi’an ChaoMa Composites company，Xi’an 710025)

The basic property of bisphenol A 、bisphenol F epoxy resin system was studied in this paper，two kinds of cured resin formulation of mechanical properties, electrical properties and heat resistance properties was contrasted and analyzed,，the conclusion was obtained from the test data that bisphenol F improved heat-resisting performance of resin formulation system，yet the technology property of resin was not reduced，the structure of insulated pole composite material was observed by means of microscope and SEM electron microscope，furthermore various function measurement of composite material was carried through.

insulated composite materia；aramid fibe；RTM；mechanical property；electrical properties

2016-09-22)

陈燕梅(1986-)，女，陕西人，硕士，工程师。研究方向：复合材料应用。E-mail：137984143@qq.com.