高介电常数、低介质损耗绝缘漆研制及性能研究

刘农强，操婧婷

（ 武汉理工大学，湖北 武汉 430070 ）

高介电常数、低介质损耗绝缘漆研制及性能研究

刘农强，操婧婷

（ 武汉理工大学，湖北 武汉 430070 ）

概述介电常数和介质损耗对于电机性能的影响，从原材料着手研制高介电常数、低介质损耗的无溶剂绝缘漆DF-201X。将其与进口产品和普通产品进行水平试验，验证其优异的电性能。最后以DF-201X为例，通过正交实验法，发现温度和配比对于绝缘漆固化后性能的重要性，得到最优配比和固化工艺。

介电常数；介质损耗；无溶剂绝缘漆

0 引言

电机转子及定子的绝缘在电动机构造中起到了至关重要的作用，一般而言电机制造企业并不会对其介电常数及介质损耗进行检测，但在一些特殊场合下，我们需要通过电机的绝缘处理使其具有高介电常数及低介质损耗。高介电材料具有良好的储存电能和均匀电场的作用，在电子、电机、电缆行业中都有非常重要的应用。随着信息、电子和电力工业的快速发展和绝缘技术的成熟，密度小、介电常数高、损耗低的电介质材料已经成为当今的热点。本文从配方及工艺上对现有产品进行改进，并研究配方、工艺与介电常数和介质损耗之间的关系。

1 概述

电动机是一种旋转式电动机器，它将电能转变为机械能，主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子。在定子绕组旋转磁场的作用下，定子绕组有效边中有电流通过并受磁场的作用而使其转动，见图1。

图1 电机定子和转子示意

2 现状

2.1 电介质及介电常数

电介质与电导体不同，电导体中存在着大量可自由移动的带电粒子(如电子等)，在外加电场的作用下，带电粒子的定向移动即形成电流。理想的电介质中不存在可自由移动的带电粒子，在外加电场的作用下，电介质的表面会形成一些束缚电荷，束缚电荷构建起的内建电场具有抵抗外加电场的作用。从物质材料的导电性来说，有导体、半导体和绝缘体三类划分，但从严格的意义上来说，并没有哪一种物体是绝对不导电的，只是三类材料的导电机理与导电性有比较大的差异而已。理想的电介质是不导电的，因而电介质也是电绝缘的。组成电介质的原子或分子中的正负电荷束缚得很紧，在一般条件下不能相互分离，因此在电介质内部能作自由运动的电荷(电子)极少。实际电介质中存在的微弱导电性是由多种机理构成的，包括杂质缺陷、体内电导、表面电导等。

有关电介质微弱导电性机理的详细研究是电介质物理学研究的范畴，应用中通常从宏观上将其归结为电介质的漏电损耗。当外电场超过某个极限值时，电介质会被击穿从而失去绝缘介电性能。一般来说，电介质的存在方式有3种情况：固态、气态和液态。例如空气即是一种常态为气态的电介质；纯净水是一种常态为液态的电介质；大量的绝缘材料是常态为固态的电介质。

2.2 脂环族环氧树脂

经过五十多年的研究发展，脂环族环氧树脂已经比较成熟。但是在脂环族环氧树脂的生产和使用方面，我国还落后很多，很多产品还是空白。脂环族环氧树脂一般应用范围比较窄，且因成本较高，尚没有应用在电机绝缘行业的先例。从结构上来看，脂环族环氧树脂分子结构中的环氧基不是来自环氧丙烷，而是环氧基直接连接在脂环上，所以，脂环族环氧树脂与双酚A型环氧树脂相比较，具有以下特点：

（1）热稳定性良好。脂环族环氧树脂的环氧基并不是连接在链状结构上，而是直接连接在脂环上，能形成紧密的刚性分子结构，固化后交联密度增大，因而热变形温度较高，可达300℃以上，是一种良好的热固型结构材料。

（2）耐侯性好。脂环族环氧树脂的分子结构中不含苯环，具有良好的耐侯性能和抗紫外辐射。双酚A型环氧树脂的分子结构中含有苯环，故耐侯性与抗紫外辐射的性能较差。

（3）电绝缘性能优异。脂环族环氧树脂具有良好的介电性能，无论是从比电阻还是从介质损耗角正切值看，均比双酚A型环氧树脂优秀。

（4）工艺性能好。脂环族环氧树脂的粘度较小，只要与适当的固化剂混合后，在稍高于室温下则成为水稀状或粘度较低的低共熔物。因此，在浇注和压制制件时作业较为方便，这一点，尤其是对大部件的制件加工时，更显得重要。另外，由于脂环族环氧树脂具有粘度小的特点，还可以将它作为良好的环氧树脂活性稀释剂。

（5）安全性高。脂环族环氧树脂对有机酸和酸酐的反应活性比对胺类的反应活性大，因此，在酸性固化剂中便能充分固化。这样一来就避免了使用毒性大、挥发性大的胺类固化剂，对操作人员而言较为安全。

3 实验

3.1 主要试验材料

DF-201无溶剂绝缘漆，上海宝庆通用电工有限公司；UP-850不饱和聚酯绝缘漆，上海宝庆通用电工有限公司；DF-201X无溶剂绝缘漆，上海宝庆通用电工有限公司；ELANZ 3131无溶剂绝缘漆，ELANTAS艾伦塔斯；R139S环氧树脂，日本三井；06E环氧树脂，上海锦瑞化工有限公司；184环氧树脂，上海锦瑞化工有限公司；甲基六氢苯酐，嘉兴清洋化工有限公司等。

3.2 主要试验仪器

示差扫描量热仪NETZSCH DSC 200 F3 1台，耐驰科学仪器商贸有限公司；WY2852D Q表1个，上海无仪电子设备有限公司；WY916D-38介质损耗测试装置1台，上海无仪电子设备有限公司；250μH电感器1只，上海无仪电子设备有限公司；烘箱1台；制样模具（自制）2套，见图2；搅拌器若干，742非硅脱模剂等。

图2 测试介电常数模具

3.3 配方设计

考虑到需求较高的介电常数及低介质损耗，因此设计使用脂环族环氧树脂06E184及低氯离子含量的双酚A环氧树脂R139S组成A组分；而甲基六氢苯酐及促进剂组成B组分。通过A组分的环氧值计算酸酐的理论用量，每100gA组份需配合酸酐固化剂约100g，故参考配方如表1所示：

表1 设计DF-201X 配方参数

3.4 平行试验

平行进行四组试验。A：DF-201X（固化 工 艺：130 ℃，1h；150 ℃，2h）；B：ELANZ 3131无溶剂绝缘漆（固化工艺：130℃，1h；150℃，2h）；C： DF-201无溶剂绝缘漆（固化工艺：130℃，1h；150℃，2h）；D：UP-850不饱和聚酯绝缘漆（固化工艺：130℃，1h；150℃，2h）。依据GB1409-2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频(包括米波波长在内)下电容率和介质损耗因数的推荐方法》，A、B、C、D分别固化出10个试样并测试数据取平均值，测试结果如表2所示：

表2 四组样品数据对比

由表2可知，DF-201X介电常数比ELANZ 3131高，而介质损耗略高于3131，故其电性能基本与高介电常数绝缘漆3131相近，而且在介电常数方面还优于3131。这是由于脂环族环氧树脂含有环己烷基团而不含双键，具有工艺性好、耐热性高、固化收缩小、电性能好等特点，且在合成工艺上与普通双酚A型环氧树脂不同，其游离氯离子含量一般小于100ppm，远远低于普通环氧树脂，因此提供了优异的电性能。

而普通产品DF-201以及UP-850相对于DF-201X、3131而言介电常数低，损耗角大。这是由于树脂中游离氯离子含量较大，从而导致绝缘性能以及介电性能不佳。此外，由于UP-850主要成分是不饱和聚酯，成分复杂且含有10%挥发分，其介电常数低于DF-201，电性能远远不如前3个样品。

3.5 耐热性能测试

选取DF-201无溶剂绝缘漆、ELANZ高介电常数绝缘漆3131两个样品与DF-201X进行对比，固化工艺为：80℃，1h；130℃，1h；150℃，1h。试验结果如图3所示：

图3 DF-201、ELANZ3131、DF-201X耐热性能DSC测试

DF-201无溶剂绝缘漆的玻璃化转变温度Tg=111.9℃，ELANZ高介电常数绝缘漆3131玻璃化转变温度Tg=139.8℃，由于脂环族环氧树脂的环氧基不是连接在链状结构上，而是直接连接在脂环上，能形成紧密的刚性分子结构，固化后交联密度增大，可提供极高的耐热温度，因此DF-201X的玻璃化转变温度Tg可高达156℃，其高于进口的ELANZ绝缘漆3131，并且远远高出普通无溶剂绝缘漆DF-201。可见DF-201X绝缘漆的耐热等级具有明显优势，可应用于耐高温的绝缘领域。

3.6 固化工艺条件对于绝缘漆介电常数及介质损耗的影响

影响绝缘漆介电常数和介质损耗的因素主要考虑有以下三点：A、固化温度/℃；B、固化时间/min；C、固化配比；如表3所示，设计3因素4水平。

表3 正交试验3因素4水平

可选取L16（45）的正交表，有2空列，可以作为试验误差以衡量试验的可靠性，测试结果如表4所示。

表4 DF-201X正交试验表

采用表4中的数据分别对介电常数以及介质损耗进行正交数据处理。例如对介电常数而言，参照表5所示：（A）固化温度kA1=

（2.0145+2.2154+2.1018+2.2011）/4=2.133，kA2～kA4以此类推；极差R=k(max)- k（min），R越大表示试验因素的水平变化对试验指标的影响越大，因素越重要。而优水平则由具体产品的性能要求而定，本试验中介电常数高、介质损耗低的绝缘材料为优，即对于介电常数，分别在三因素中使得k值最大的水平为最优；对于介质损耗则恰好相反。经分析正交试验结果如下：

（1）如表5所示，温度和配比对介电常数影响大，最优组合是145℃，45min，甲：乙=100：90。可知固化温度越高，固化后介电常数越大，且固化时间为45min为宜，时间过短固化不完全，时间过长则对性能提高无进一步帮助。

（2）如表6所示，对介电损耗而言，各因素影响不大，主要是由原材料的特性决定，温度和时间对其会产生一定的影响，但差别不大，考虑到成本因素，其最优组合为115℃，30min，甲：乙=100：90。

（3）综合介电常数和介质损耗的结果，以145℃为固化温度，固化时间为45min，配比为甲：乙=100：90为综合最优方案。

表5 介电常数结果分析

表6 介电损耗结果分析

4 结语

通过选用脂环族环氧树脂、低氯离子含量双酚A环氧树脂等进行配方设计，成功研制出高介电常数、低介质损耗的无溶剂绝缘漆DF-201X。其电性能接近同类型进口产品ELANZ 3131无溶剂绝缘漆，在介电常数方面甚至还优于进口产品。

将DF-201X与现有DF-201、UP-850对比，可见其具备比普通产品更高的介电常数以及更低的介质损耗。

通用正交试验，以DF-201X为例，研究表明，温度和配比对于绝缘漆的介电常数和介质损耗影响较大，并得到最优固化工艺---固化温度：145℃，固化时间：45min，配比：甲：乙=100：90。

DF-201X的玻璃化转变温度Tg可达到156℃，远远高出DF-201以及ELANZ 3131，可广泛应用于耐高温绝缘领域。

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[4]胡玉明，吴义良.固化剂[M]，北京：化学工业出版社，2004：23-24.

The Development and Performance Research of High Dielectric Constant and Low Dielectric Loss Insulating Varnish

Liu Nongqiang, Cao Jingting
(Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

This paper outlines the influence of dielectric constant and dielectric loss for motor performance and starting from the raw materials to develop the high dielectric constant and low dielectric loss insulating varnish DF - 201X. Compared with the imported products and ordinary products, this product verifies its excellent performance. Finally take DF - 201X for example, through the orthogonal experiment method, find the importance of the temperature and the matching for insulating paint after curing performance.

Dielectric constant; Low dielectric loss; Solventless varnish

TM211

A

1674-2796（2016）01-0001-05

2015-12-02

刘农强（1988—），男，大学本科，工程师，主要从事绝缘漆及相关材料的开发与应用工作。