新型水溶性半无机硅钢片漆的研制

赵蕾1 , 吴化军2 , 罗翠锐1 , 刘立柱1
(1. 哈尔滨理工大学材料科学与工程学院, 哈尔滨150040 ;2. 嘉兴市清河高力绝缘有限公司, 浙江嘉兴314031)

1 前言
能源是21 世纪四大支柱产业之一, 目前由于能耗的迅速增加,降低电能消耗已成为当今世界面临的重大课题。因此,对具有非常低的铁损和高磁导率的高效铁芯材料的需求量不断增加。无取向硅钢是广泛用作旋转机器和静电机器的铁芯材料。随着电机单机容量的不断增大和电机、电器的耐热等级的提高,对定子铁芯硅钢片间绝缘提出了越来越高的要求[1 ,2 ]。目前世界上发达国家在电机定子铁芯硅钢片绝缘技术方面都采用无机和半无机涂层[3 ,4 ]。而随着人们环保意识的增强,传统的溶剂型硅钢片漆产生的有机溶剂挥发而带来的安全与污染问题也逐渐显现,无毒、少污染的代用品成为各国寻找的方向[5 ]。由于水溶性硅钢片漆相对于溶剂型硅钢片漆具有成本低、无挥发污染、无火灾隐患等优点, 所以目前水溶性半无机硅钢片漆成为研究的热点。我国该项技术的研究起步较晚,落后于世界先进水平,经过近二十年的发展,取得了一定的进步,先后有多种硅钢片漆研制成功,但多数为传统的溶剂型有机硅钢片漆, 水溶性半无机硅钢片漆数量不多, 而且与进口水溶性半无机硅钢片漆相比,国产水溶性半无机硅钢片漆虽然在绝缘性、耐水性等方面达到了进口漆的水平, 但是在高纳米无机粉体含量情况下, 出现较严重的粉体沉降、集聚和结块现象, 漆液的贮存稳定性差,长时间贮存性能下降严重。因此在保证硅钢片漆性能的前提下,研制出一种能够长期稳定存储的新型水溶性半无机硅钢片漆变得迫切而重要。

2 实验
2. 1 主要原料
改性酚醛树脂:自制;桐油酸酐:自制;助溶剂:天津市凯特化学试剂有限公司; 中和剂: 天津市巴斯夫化工有限公司; 三聚氰胺树脂: 上海通和化工有限公司;纳米TiO2 :杭州万景新材料有限公司。
2. 2 制备方法
2. 2. 1 水溶性树脂的制备
按所需比例将改性酚醛树脂于反应釜中加热至全部熔化后, 向其中加入桐油酸酐, 并且于150～160℃保温反应1 h ,然后降温,当温度降至130 ℃以下后分别向其中加入助溶剂、中和剂和三聚氰胺树脂, 搅拌均匀后待用。
2. 2. 2 硅钢片漆的制备
将纳米TiO2 与分散剂充分混合后注入树脂中,于高速搅拌下(约4 000 r / min) 分散5 h ,加入稀释剂调粘度与固含量,过滤,出料。
2. 3 测试与表征
采用LND – 1 涂- 4 涂料粘度计对涂料粘度进行表征; 采用EST121 型数字超高阻、微电流测量仪对漆膜的表面电阻以及体积电阻率进行表征; 采用Pyris 6TGA 型热重分析仪对涂料的热失重进行了
表征。

3 结果与讨论
3. 1 性能测试
将所制得的硅钢片漆同哈尔滨电机厂所使用的进口硅钢片漆的测试结果进行比较,所得结果见表1。

根据表1 所比较的各项性能可以看出,新型水溶性半无机硅钢片漆同哈尔滨电机厂使用的进口水溶性半无机硅钢片漆相比,在漆膜附着力、耐水性、柔韧性和断面覆盖情况等多项性能上达到了进口漆的水平,在表面电阻率及体积电阻率等绝缘性能方面也与进口漆处于相同水平, 从而保证了在使用过程中绝缘、力学等性能的合格与稳定。
3. 2 纳米TiO2 含量对温度指数的影响
纳米TiO2 是一种微细粉末状的白色物质, 它不仅能使涂层具有一定的遮盖能力,增强漆膜本身强度及耐久性、耐候性,更主要的是纳米TiO2 具有相当高的耐高温性。对于未填加纳米TiO2 的纯树脂以及纳米TiO2 含量分别为10 %、15 %、20 %、25 %的试样分别固化后制成粉末测试样品。采用Pyris 6TGA 型热重分析仪分别进行热失重分析,升温速度: 5 ℃/ min ,实验气氛:常压空气,所得结果如图1 所示。

图1 固化样品的热失重曲线
由图1 可知, 添加了纳米TiO2 的硅钢片漆样品的初始分解温度明显高于未添加纳米TiO2 的纯树脂, 由于纳米TiO2 粒子的表面与树脂有机相极性节点存在较强的相互作用,产生的化学键及次级键对热相当稳定, 提高了树脂分子链断裂的能量, 即提高了其耐热性; 而对于不同纳米TiO2 含量的硅钢片漆样品, 10 %、15 %、20 %3 个样品的耐热性随纳米TiO2含量的增加而提高, 而25 %的样品的耐热性却低于20 %的样品, 表明纳米TiO2 含量在20 %以下时, 随着含量的增加, 粉体与树脂之间的化学键增加, 耐热性随之增加, 当含量达到20 %时耐热性为最佳, 纳米TiO2 含量达到25 %时,由于粉体过量,导致多余的粉体存在,由于空间位阻效应,使得树脂的交联度降低,高温时分子链断裂的能量减少,从而降低了体系的耐热性。
3. 3 与进口硅钢片漆进行耐热性能比较
采用Pyris 6TGA 型热重分析仪对进口水溶性半无机硅钢片漆与新型水溶性半无机硅钢片漆固化粉末样品进行了热性能分析,比较结果见图2。

图2 两种固化样品的热失重曲线
由图2 可知, 进口硅钢片的初始分解温度为305. 014 ℃, 而新型硅钢片漆的初始分解温度为392. 632 ℃, 明显高于进口硅钢片漆, 从而在耐热性能方面优于进口硅钢片漆。
3. 4 贮存稳定性
3. 4. 1 粘度的变化
将新型水溶性半无机硅钢片漆静止密封放置180 天,以15 天为单位,进行粘度测量,考察其变化。采用LND – 1 涂- 4 涂料粘度计对漆液粘度进行测量, 粘度以流出时间t 表征, t 越大, 则粘度越大, 反之则越小。180 天内漆液流出时间t 的变化见表2。

由表2 可知,180 天内,流出时间t 始终处于130s 左右, 未有明显升高或降低, 说明漆液粘度性能稳定。粘度稳定一方面是因为树脂在储存过程中未发生交联、变质等现象, 另一方面是因为储存过程中纳米TiO2 未发生集聚或结块等现象,漆液性能稳定。
3. 4. 2 其他性能的变化
漆液储存180 天后, 对其各项性能进行了测试,并与初始结果进行对比,所得结果见表3。由表3 可知, 漆液在储存180 天后, 各项性能同初始结果相比, 无论是涂覆性能、力学性能还是绝缘性能均保持稳定,这对新型水溶性半无机硅钢片漆的实际应用有着重要的意义。

4 结论
以改性酚醛树脂为漆基, 以纳米TiO2 为无机填料,经碾磨加工,得到新型水溶性半无机硅钢片漆。该漆除具备硅钢片漆的基本性能外,还具有优异的耐热性和储存稳定性,从而提高大电机的运行可靠性。