10 kV开关柜用高性能阻燃绝缘件APG制造工艺研究

李旭培 刘洋 龚浩 宋晓光 李旭刚 孙中航

摘 要：APG制造工艺主要应用于生产中高压环氧绝缘制品，产品涉及10～35 kV固封极柱、支柱绝缘子等。它可以将环氧树脂的生产周期缩短为十几分钟，并较好地控制放热效应。本文开展了一系列10 kV开关柜用高性阻燃绝缘件APG制造工艺研究，重点通过原材料性能试验、配方体系的确认、注射成型工艺、固化成型等方面的研究，探索出10 kV开关柜用高性能阻燃绝缘件的制备工艺。

关键词：绝缘件;阻燃;APG;制造工艺

中图分类号：TQ322.4文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）17-0047-03

Research on Manufacturing Process of APG for 10 kV Switchgear with High Performance Flame Retardant Insulation

LI Xupei1 LIU Yang2 GONG Hao1 SONG Xiaoguang1 LI Xugang2 SUN Zhonghang1

（1. Henan Pinggao General Electric Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000;2. Pinggao Group Co.， Ltd.，

Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The APG manufacturing process is mainly used to produce medium and high voltage epoxy insulation products， the products involve 10 to 35 kV solid sealed poles， post insulators， etc. It can shorten the production cycle of epoxy resin to more than ten minutes， and better control the exothermic effect. This paper had carried out a series of research on the manufacturing process of high-performance flame-retardant insulation APG for 10 kV switchgear， focused on the preparation process of high-performance flame-retardant insulation parts for 10 kV switchgear through the research of raw material performance test， confirmation of formulation system， injection molding process and curing molding， etc.

Keywords： insulation parts;flame retardant;APG;manufacturing process

環氧树脂自动压力凝胶成型技术（APG）是压力凝胶工艺的一种形式，该工艺制备的绝缘件具有较优的尺寸稳定性和机械强度，目前，中低压环氧绝缘制品的制造多采用该种工艺。为制备出具备阻燃等级达到V0级别的高性能10 kV开关柜用绝缘件，本文选取开关柜中关键零部件触头盒作为主要研究对象，对其原材料的配方体系及制备工艺进行了一系列的研究。

1 确定原材料配方体系

环氧树脂是一类具有良好黏结、耐腐蚀、绝缘、高强度等性能的热固性高分子合成材料。但是，普通型环氧树脂的极限氧指数仅为19.8%，作为电子电器领域的基础材料使用时难以满足实际的阻燃要求，必须进行阻燃处理[1]。

APG工艺对环氧树脂混合料提出了较真空浇注材料更高的技术要求，即室温下稳定，高温下高反应活性，能迅速凝胶化，短的固化周期短，抗开裂性能和温度冲击性能良好，对机械和电气应力具有很高的抵抗强度来满足产品的技术要求[2]。通过市场调研，笔者选用上海某树脂公司生产的牌号为206的环氧树脂体系。

根据材料本身的特性，按照HE环氧树脂（100份）、HH206固化剂（100份）、填料（硅微粉300～350份）、色粉（0.5份）的比例进行混合料的配制。将称量好的原材料依次倒入真空搅拌装置中进行抽真空搅拌，随后浇注在已放置80 ℃烘箱中预热2～3 h的专用模具中进行试验样条的制作。

1.1 试样阻燃性能检测

采用垂直燃烧测试仪，按照《塑料燃烧性能的测定 水平法和垂直法》（GB/T 2408—2008）中垂直燃烧检测方法，样条厚度为13 mm，对混合料的阻燃性能进行检测，测试结果取5个有效样条测试值的平均值。样条阻燃性能检测结果如表1所示。

试验数据表明，该牌号环氧树脂混合料的阻燃等级可达到V0级别，阻燃性能满足使用要求。

1.2 试样机械性能检测

采用电子拉力机、冲击强度，按《树脂浇铸体性能试验方法》（GB/T 2567—2008）对样条的拉伸强度、弯曲强度、冲击强度等机械性能进行了检测，测试结果如表2所示。

由表2试验数据可知，浇注体的拉伸强度及弯曲强度随着硅微粉添加量的增加呈先升后降的趋势。这是由于硅微粉添加量比较小时，它能够均匀分散在浇注体中起到物理交联点的作用，对固化物的力学性能起到补强作用;当硅微粉添加量超过一定比例时，硅微粉易形成局部团聚现象，在浇注体受到外力作用时，局部应力过大，易形成裂纹，导致拉伸强度降低[3]。随着硅微粉用量的增加，浇注体的冲击强度呈下降的趋势。从试验数据来看，材料配比为100∶100∶330∶0.5的材料配方，其机械性能最佳。

1.3 材料配方体系的确定

通过上述试样的阻燃性能、机械性能的检测，综合考虑各项试验结果，本文确定将材料配比100∶100∶330∶0.5作为后续生产使用的材料配方体系。

2 APG制造过程工艺研究

2.1 模具设计

在模具设计时，应考虑环氧树脂注入时排气的问题，模具注料口应设置在易于气体排出的位置，一般选择在模具型腔的最低位置;浇注模具型腔表面应力求光滑，不应有砂眼，由于环氧树脂属于强机性材料，对于模具的黏附力高，若在模具的制造过程中不控制拔模斜度和型腔光洁度，则APG成型后的脱模会较为困难，极易导致拉裂等机械损伤[4-5]。

综合考虑上述因素，笔者设计出一种APG浇注模具，注料口设置在模具型腔的最底部。模具型腔的粗糙度为0.8μm，拔模斜度为1.5°。同时，为了保证型腔内部表面的致密性和抗腐蚀能力，对型腔表面进行氮化处理。

2.2 APG浇注工艺过程

2.2.1 模具温度设置。APG技术的独特之处是通过连续对环氧树脂混合料加以恒定的压力，达到强化补缩的目的。在室温（25 ℃）条件下，环氧树脂混合料系统的适用期为1～2 d;在40～45 ℃下，其适用期为6～8 h;而在高温（140～160 ℃）条件下，配方体系具有高反应活性，在短时间内即快速凝胶。模具温度高于环氧树脂混合料体系的温度约80～100℃左右，使固化反应的凝胶过程自模具中间壁开始向中间环氧树脂混合料扩散[6]。

为了满足APG材料的高反应特性及高效率成型特点，笔者将模具温度设置为145 ℃，同时模具及配套模具零部件需要提前预热2 h。

2.2.2 环氧树脂混合料配制。较好的流动性是APG工艺对环氧树脂体系在混合料配制工序中的要求，在混合料配制过程中，必须对原材料进行脱气处理。将环氧树脂、固化剂、硅微粉和色粉按照100∶100∶330∶0.5的比例称量好，倾倒在搅拌脱气混料装置中。为了便于后续的混料均匀，环氧树脂及固化剂倾倒时分2～3次，确保倾倒重量偏差不超过0.2 kg，硅微粉倾倒时尽量保持两边均衡，用脱脂棉纱将搅拌桨上部残留的新材料擦入筒体内。

用脱脂棉纱蘸无水乙醇，清理环氧树脂搅拌脱气混料装置盖子观察窗上的残留物，确保观察窗明亮干净，检查环氧树脂搅拌脱气混料装置盖子与罐口接触的部位是否干净，如果有残留物，用铲刀将残留物清除。

刚开始搅拌时，设置变频器为5～10 r/min。搅拌5～10 min，直到从观察窗看到大部分硅微粉溶入树脂中。将变频器调至35 r/min，高速搅拌2 min左右，直至从观察窗看到硅微粉完全溶入树脂中，开启抽真空装置2 h，保证最后混合料真空度小于150 Pa。

2.2.3 注射成型。为了避免热交换，减少环氧树脂凝胶过程中嵌件周围由于温度差异出现的应力集中开裂，嵌件需要提前放置在烘箱中进行预热，烘箱温度设置为（145±5）℃，预热时间为2 h。

若模具及嵌件温度达到注射要求，利用混料罐的加压系统，将混料罐内的环氧树脂混合体系（已经过真空脱气处理）通过注料管注射到模具型腔内。为了保证一定生产周转时间内，环氧树脂混合料体系注射料的黏度增长率不大于10%，使得APG工艺参数稳定，笔者在生产过程中将环氧树脂混料体系的温度设置为40 ℃，经过称量成品的10 kV触头盒，获悉环氧树脂的材料用量约为7 kg。根据用料量，笔者初步采用注料时间3.5 min、注料压力0.2 MPa、保压时间11～14 min、保压压力0.15 MPa的工艺参数进行注射生产。在试制过程中，保压时间为14 min时，样品在模具上拉裂，保压时间11 min时，产品不能成型。注料时间为3 min，保压时间为12～13 min生产出的制品性能最佳。

2.2.4 产品后固化。本次APG浇注工艺探索，所选用的环氧树脂为双酚A型环氧樹脂，固化剂为酸酐型。环氧树脂本身均为线型结构的热塑性高聚物，必须经过固化剂作用才能变成不溶的坚固体型网状结构的巨大分子高聚物。固化作用第一次完成在模具内，二次固化需要在固化炉内完成。若固化温度不够，高分子材料的链条交联不够，内应力释放不充分影响样品的机械性能及电气性能;若固化温度过高，链条交联过度，样品呈先质脆的特征。考虑到材料本身的特性，笔者将固化炉温度设置为130～140 ℃，固化时间为10 h。

3 结论

本研究确定了一种10 kV开关柜用触头盒APG制造用阻燃材料体系，并分析了APG生产工艺。试验数据表明，采用该配方工艺生产的10 kV触头盒制品机械性能和电气性能可靠，阻燃性能可达到V0级别，制品可应用在10 kV开关柜中。

参考文献：

[1]熊燕兵.环氧树脂无卤阻燃及其应用研究[D].北京：北京理工大学，2006.

[2]陈晓丽，史鸿威，龚浩，等.浇注式互感器APG制造工艺分析[J].绝缘材料，2014（3）：55-57.

[3]曾亮，朱伟，高敬民，等.无机填料对环氧树脂灌封胶性能影响[J].绝缘材料，2014（3）：13-16.

[4]杨欣可，卢健，宋晓光，等.一种12 kV双真空管固封极柱的制造及试验[J].信息与交流，2015（10）：60-61.

[5]徐向前.环氧树脂压力注射成型工艺（APG）的推广应用[J].华通技术，1998（4）：19-27.

[6]邱鹤年.环氧树脂真空浇注技术工艺链的组成[C]//第十三次全国环氧树脂应用技术学术交流会.2009.