变电站组合电器用胶粘剂的制备与性能研究

林明仲，曾凡兴，付 磊，杨 洸，孙 铭

(1.国网湖北省电力有限公司 恩施供电公司，湖北 恩施 445000；2.湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040)

随着国家电网工程的快速发展，变电站作为一种电力系统中对电压和电流进行变换、接受电能及分配电能的场所，在现代化电网工程中必不可少且已呈现出以城市智慧能源共生体的全新模样融入城市。其中，变电站组合电器也逐渐朝着占地面积小、操作便捷、安全性能高等方向发展；而变电站组合电器的应用离不开环氧树脂胶黏剂。这主要是因为变电站组合电器要想具有良好的可靠性和安全性，必须保证各个元器组件的牢固，目前实际应用中的胶粘剂主要是以环氧树脂为主体所制得的胶粘剂，通过加入环氧树脂固化剂使其固化。对于变电站组合电器用胶粘剂而言，在长时间的输电工况条件下，电器及用于粘接的胶粘剂等会承受长时间的热作用。因此，除需要具有良好的强度、模量和粘接性能外，变电站组合电器用胶粘剂还需要具有良好的热力学性能(玻璃化转变温度)；而目前环氧树脂胶粘剂的组分对胶粘剂试样力学性能(抗拉强度等)和热力学性能(玻璃化转变温度)的影响规律并不清楚。在此基础上，本文研究了不同胶粘剂成分配比试样的力学性能和热力学性能，并考察了乙烯-醋酸乙烯共聚物加入量对EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂弯曲强度和玻璃化转变温度的影响，这有助于对高性能变电站组合电器用胶粘剂的开发与应用提供参考。

1 材料与方法

实验原料包括环氧树脂(Ts)、甲基环己二胺(HTDA) 高温固化剂、SD-180型发烟二氧化硅(增稠剂)、AQUATIX 8421型乙烯醋酸-乙烯共聚物(EVA，粒径0.28 mm、熔流率24 g/10 min)。实验设备包括ZYMC-450型材料均质机。

制备4种不同组分的环氧树脂胶粘剂(T、TH、THS和THSE5)。

(1)T(Ts)，将Ts在均质机中搅拌5 min后转入钢质模具中，室温固化48 h后置于烘箱中进行“58 ℃/24h+118 ℃/2 h|的固化处理，冷却后脱模加工：

(2)TH(高温固化的Ts)，在Ts中加入质量分数10.92%的HTDA，其他工艺与T相同；

(3)THS(添加发烟二氧化硅的高温固化Ts)，在Ts中加入质量分数10.92%的HTDA和质量分数1%的发烟二氧化硅，其他工艺与T相同；

(4)THSE5(EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂)，在Ts中加入质量分数10.92%的HTDA+质量分数1%的发烟二氧化硅+5%EVA，其他工艺与T相同。

在制备EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的过程中，调整EVA的添加量，并制备THSE10和THSE15，其中EVA的质量分别占10%和15%。

将环氧树脂试样加工成图1所示尺寸，并在MTS-810型万能材料试验机上进行室温拉伸性能测试，拉伸速率为2 mm/min，结果取10根试样的平均值，引伸计为钢研纳克检测技术股份有限公司生产的YYJ-5/10-L型电子引伸计；弯曲性能测试试样加工成45 mm×15 mm×2 mm，弯曲性能测试采用HY-10080电子万能材料试验机进行，拉伸速率为4 mm/min，结果取10根试样的平均值；热学测试试样加工成40 mm×8 mm×2 mm，采用TA-800型动态热力学分析仪进行测试。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Tensile specimen size

2 结果与分析

图2为环氧树脂胶粘剂的拉伸强度测试结果。

图2 环氧树脂胶粘剂试样的拉伸强度Fig.2 Tensile strength of epoxy adhesive sample

由图1可知，对于环氧树脂Ts，10组试样的拉伸强度平均值为65.74 MPa，标准差为1.20；对于高温固化的环氧树脂Ts，10组试样的拉伸强度平均值为80.47 MPa，标准差为1.66；对于添加发烟二氧化硅的高温固化环氧树脂Ts，10组试样的拉伸强度平均值为74.51 MPa，标准差为1.61；对于THSE5(EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂)，10组试样的拉伸强度平均值为58.07 MPa，标准差为0.56。由此可见，在环氧树脂Ts中加入高温固化剂有助于提升环氧树脂的拉伸强度；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的拉伸强度会有所减小。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的拉伸强度在几组试样中是最低的，但降幅不大。

图3为环氧树脂胶粘剂的拉伸模量测试结果。由图3可知，对于环氧树脂Ts，10组试样的拉伸模量平均值为3.20 GPa，标准差为0.11；对于高温固化的环氧树脂Ts，10组试样的拉伸模量平均值为2.75 GPa，标准差为0.07；对于添加发烟二氧化硅的高温固化环氧树脂Ts，10组试样的拉伸模量平均值为2.58 GPa，标准差为0.08；对于THSE5(EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂)，10组试样的拉伸模量平均值为2.22 GPa，标准差为0.03。由此可见，在环氧树脂Ts中加入高温固化剂会降低环氧树脂的拉伸模量；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的拉伸模量进一步减小。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的拉伸模量在几组试样中是最低的。

图3 环氧树脂胶粘剂试样的拉伸模量Fig.3 Tensile modulus of epoxy adhesive sample

图4为环氧树脂胶粘剂的断裂伸长率测试结果。

图4 环氧树脂胶粘剂试样的断裂伸长率Fig.4 Elongation at break of epoxy resin adhesive sample

由图4可知，对于环氧树脂Ts，10组试样的断裂伸长率平均值为3.74%，标准差为0.12；对于高温固化的环氧树脂Ts，10组试样的断裂伸长率平均值为6.88%，标准差为0.46；对于添加发烟二氧化硅的高温固化环氧树脂Ts，10组试样的断裂伸长率平均值为7.69%，标准差为1.08；对于THSE5(EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂)，10组试样的断裂伸长率平均值为3.90%，标准差为0.13。由此可见，在环氧树脂Ts中加入高温固化剂会提高环氧树脂的断裂伸长率；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的断裂伸长率进一步增大。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的断裂伸长率有所减小，但仍然高于Ts。

图5为环氧树脂胶粘剂的弯曲强度测试结果。

由图5可知，对于环氧树脂Ts，10组试样的弯曲强度平均值为94.39MPa，标准差为3.09；对于高温固化的环氧树脂Ts，10组试样的弯曲强度平均值为133.06 MPa，标准差为8.58；对于添加发烟二氧化硅的高温固化环氧树脂Ts，10组试样的弯曲强度平均值为125.86 MPa，标准差为6.52；对于THSE5(EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂)，10组试样的弯曲强度平均值为99.28 MPa，标准差为1.11。由此可见，在环氧树脂Ts中加入高温固化剂会提高环氧树脂的弯曲强度；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的弯曲强度有所减小。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的弯曲强度进一步减小，但仍然高于Ts。

图5 环氧树脂胶粘剂试样的弯曲强度Fig.5 Bending strength of epoxy adhesive sample

图6为环氧树脂胶粘剂的弯曲模量测试结果。

图6 环氧树脂胶粘剂试样的弯曲模量Fig.6 Bending modulus of epoxy adhesive sample

由图6可知，对于环氧树脂Ts，10组试样的弯曲模量平均值为2.19 GPa，标准差为0.18；对于高温固化的环氧树脂Ts，10组试样的弯曲模量平均值为1.55 GPa，标准差为0.15；对于添加发烟二氧化硅的高温固化环氧树脂Ts，10组试样的弯曲模量平均值为2.00 GPa，标准差为0.20；对于THSE5(EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂)，10组试样的弯曲模量平均值为2.14 GPa，标准差为0.25。由此可见，在环氧树脂Ts中加入高温固化剂会降低环氧树脂的弯曲模量；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的弯曲模量有所增大。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的弯曲模量进一步增加，但仍然略低于Ts。

图7为环氧树脂胶粘剂的玻璃化转变温度测试结果。

图7 环氧树脂胶粘剂试样的玻璃化转变温度Fig.7 Glass transition temperature of epoxy resin adhesive sample

由图7可知，对于环氧树脂Ts，10组试样的玻璃化转变温度平均值为86.70 ℃，标准差为0.88；对于高温固化的环氧树脂Ts，10组试样的玻璃化转变温度平均值为124.46 ℃，标准差为0.68；对于添加发烟二氧化硅的高温固化环氧树脂Ts，10组试样的玻璃化转变温度平均值为123.79 ℃，标准差为0.07；对于THSE5(EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂)，10组试样的玻璃化转变温度平均值为118.69 ℃，标准差为1.43。由此可见，在环氧树脂Ts中加入高温固化剂会增大环氧树脂的玻璃化转变温度；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的玻璃化转变温度略有减小。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的玻璃化转变温度进一步减小，但仍然略高于Ts。

进一步研究了EVA加入量对EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样弯曲强度和玻璃化转变温度的影响，结果如图8和图9所示。

图8 EVA加入量对EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样弯曲强度的影响Fig.8 Effect of EVA addition on bending strength of EVA epoxy self-healing adhesive sample

图9 EVA加入量对EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样玻璃化转变温度的影响Fig.9 Effect of EVA addition on glass transition temperature of EVA epoxy self-healing adhesive sample

由图8可见，当EVA加入量为5%时，10组试样的弯曲强度平均值为100.28 MPa，标准差为1.09；当EVA加入量为10%时，10组试样的弯曲强度平均值为78.73 MPa，标准差为3.33；当EVA加入量为15%时，10组试样的弯曲强度平均值为58.56 MPa，标准差为2.64。由此可见，随着EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样中EVA质量分数的增加，试样的弯曲强度逐渐减小；当EVA加入量为5%时，试样具有最大的弯曲强度。

由图9可见，当EVA加入量为5%时，10组试样的玻璃化转变温度平均值为118.69 ℃，标准差为1.32；当EVA质量分数为10%时，10组试样的玻璃化转变温度平均值为118.62 ℃，标准差为1.13；当EVA质量分数为15%时，10组试样的玻璃化转变温度平均值为119.75 ℃，标准差为0.77。由此可见，随着EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样中EVA质量分数的增加，试样的玻璃化转变温度变化较小或基本无变化，即EVA质量分数对EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样热力学性能影响较小。

3 结语

(1)在环氧树脂Ts中加入高温固化剂有助于提升环氧树脂的拉伸强度、断裂伸长率；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的拉伸强度会有所减小、断裂伸长率有所增大。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的拉伸强度在几组试样中是最低的；

(2)在环氧树脂Ts中加入高温固化剂会降低环氧树脂的拉伸模量、弯曲模量；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的拉伸模量进一步减小，弯曲模量有所增大。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的拉伸模量和弯曲模量在几组试样中是最低的；

(3)在环氧树脂Ts中加入高温固化剂会提高环氧树脂的弯曲强度、玻璃化转变温度；添加发烟二氧化硅后环氧树脂的弯曲强度、玻璃化转变温度有所减小。而加入EVA的EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂的弯曲强度、玻璃化转变温度进一步减小，但仍然高于Ts；

(4)随着EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样中EVA质量分数的增加，试样的弯曲强度逐渐减小。当EVA质量分数为5%时，试样具有最大的弯曲强度；随着EVA-环氧树脂自愈合胶粘剂试样中EVA质量分数的增加，试样的玻璃化转变温度变化较小或基本无变化。