无溶剂绝缘防腐防水涂料的研发

无溶剂绝缘防腐防水涂料的研发
袁田1,肖仁杰2,王利伟3(1.中国电力科学研究院有限公司,北京100192;2.国网湖北省电力有限公司,武汉430077;3.河北陇能电力科技有限公司,河北邯郸057150)

目前,对主变压器(以下简称主变)低压侧进行绝缘化,国外有代表性的是以美国3M公司生产的绝缘包覆带(类似橡皮泥)对裸露部分进行绝缘防护,国内一般要求采用全绝缘管母,就是在铜管母周围加上足够厚度的环氧树脂类的绝缘材料,使得母线直接接地,不会出现短路故障。现行的主变中低压侧绝缘化改造主要采取冷缩和热缩护套、硅橡胶自粘带、硅橡胶绝缘盒进行防护,提高变电站的运行可靠性,但普遍存在易开裂、密封状态差、容易进水受潮、存在间隙和容易被击穿等隐患。主变中低压侧绝缘防护一直在进行反复维修,但始终存在隐患。
由于以上防护材料存在某种性能上或应用方式上的不足,这就需要开发具有耐老化、易维护、绝缘好、防腐防水好、附着力好、机械性能优良和易施工等特点的新型绝缘防护材料,以满足主变中低压侧绝缘防护的要求。
本文采用低黏度聚天门冬氨酸树脂、助剂、功能性填料、颜料等制备出无溶剂绝缘防腐防水涂料的基料A组分,以脂肪族异氰酸酯(HDI三聚体)作为固化剂B组分,制备了能满足电力行业在主变中低压侧的全绝缘化和防腐防水要求的新型绝缘防护涂料。

1 实验部分
1. 1 主要原料
聚天门冬氨酸树脂NHQ520:工业级,广州齐翔合成材料有限公司;聚天门冬氨酸树脂F321:工业级,深圳飞扬骏研新材料股份有限公司;脂肪族异氰酸酯NX – 100:工业级,武汉仕全兴;分散剂EFKA5065:工业级,原埃夫卡;消泡剂HX2080:工业级,华夏化工集团;消泡剂FT-301VF:工业级,苏州菲特兄弟新材料有限公司;消泡剂BYK-054、流平剂BYK-333:工业级,毕克化学;4A型分子筛干燥剂:工业级,郑州富龙新材料科技有限公司;氧化铁黑4330:工业级,拜耳乐;十溴二苯乙烷、三氧化二锑:工业级,济南金盈泰化工有限公司;阻燃剂NP-430、NP-520:工业级,广东江门市高端化工科技有限公司;氢氧化铝(平均粒径1 μm)、氧化铝(平均粒径1 μm):工业级,中国铝业山东分公司;氧化锌(平均粒径1 μm)、纳米氮化铝(平均粒径50 nm)、纳米氮化硼(平均粒径50 nm)、高导热绝缘复合粉(CW001:平均粒径500 nm):工业级,上海超威纳米科技有限公司;β-七甲基三硅氧烷基-乙基三甲氧基硅烷、含氟聚倍半硅氧烷(F-POSS):工业级,石家庄戴克科技有限公司;偶联剂KH-560:工业级,湖北新蓝天新材料股份有限公司;甲基硅油(300 mPa·s):工业级,宜昌科林硅材料有限公司;紫外线吸收剂B75:工业级,巴斯夫。
1. 2 基本配方
制备无溶剂绝缘防腐防水涂料的基础配方如表1所示。
无溶剂绝缘防腐防水涂料基础配方
1. 3 制备工艺
A组分:将树脂、导热填料、阻燃剂、消泡剂、分散剂、KH-560、憎水剂、流平剂、紫外线吸收剂、4A型分子筛及颜料加入调漆缸中,1 000 r/min分散30 min,然后用三辊研磨机研磨至细度50 μm以下得到A组分。
B组分:按包装规格,过滤分装即可。
1. 4 涂膜制备和性能测试
将A、B组分按质量比4∶1的比例混合,然后按表2中的要求和方法制备样板或样片后测试性能。无溶剂绝缘防腐防水涂料技术指标及检测方法如表2所示。
技术指标及检测方法
技术指标及检测方法
2 结果与讨论
2. 1 聚天门冬氨酸树脂的选择
聚天门冬氨酸树脂对涂层性能有决定性影响,NHQ520聚天门冬氨酸树脂具有相容性好、黏度低、施工活化期长、涂膜硬度高和丰满性好等优点,但涂膜的柔韧性差。因此,本研究用柔韧性好的F321聚天门冬氨酸树脂与NHQ520树脂配合使用来调节柔韧性。在基础配方不变情况下,NHQ520树脂与F321树脂的配比对涂膜的柔韧性、附着力、邵氏硬度和介电强度的影响如表3所示。
从表3可以看出,随着F321用量的增加,涂膜的柔韧性和附着力逐渐变好,邵氏硬度和介电强度逐渐变小。F321树脂分子结构为脂肪族类的聚天冬氨酸树脂,具有较好的柔顺性,NHQ520树脂由于分子结构中—NH—基团为冠状侧链烷基,及其邻位上的甲基位阻效应,妨碍了成膜后的分子链的自由旋转,导致涂膜内应力大,附着力和柔韧性差[2],但同时NHQ520树脂分子中含有六元环状结构使形成的涂膜刚性较强和致密度较高,所以使涂膜的硬度和介电强度较高。综合考虑,选择m(NHQ520)∶m(F321)=60∶40比较合适。
NHQ520与F321质量比对涂膜的柔韧性、附着 力、邵氏硬度和介电强度的影响
2. 2 消泡剂的选择
无溶剂涂料一般黏度较大,因此在制备和使用时易混入气泡,为获得良好的漆膜外观效果,必须加入少量消泡剂进行消泡。本实验在基础配方不变的基础上选用不同种类的消泡剂来实现涂膜良好的外观效果。选择了特殊改性丙烯酸酯类化合物消泡剂BYK-054和FT-301VF,含有机硅的消泡剂HX2080,根据以上消泡剂的特点相互搭配,每种消泡剂的添加量为A组分的0. 5%,设计3种方案进行实验筛选:方案1为BYK-054和FT-301VF,方案2为BYK-054和HX2080,方案3为FT-301VF和HX2080,对比3种方案下的涂膜外观效果选取最优的消泡方案,具体对比结果如表4所示。
3种方案消泡效果的对比
由表4可以看出,方案1和方案3都不能满足消泡要求,方案2可制得表面平整光滑的涂膜外观,能满足外观的使用要求。因此本实验的最佳消泡方案为方案2。
2. 3 阻燃剂的选择
由于本实验的产品应用在电力行业,为了保障电力系统的使用安全,故要求该产品具有良好的阻燃性能。本实验在基础配方不变及阻燃剂的添加量为配方总量30%的基础上,通过选用不同类型的阻燃剂,筛选出同时具有最佳阻燃效果和黏度在4 500 mPa·s以下的阻燃剂。选取的4种类型的阻燃剂分别为:(1)具有特殊氮磷结构的无卤环保阻燃剂NP-430;(2)复配型无卤环保阻燃剂NP-520;(3)无机阻燃剂氢氧化铝;(4)十溴二苯乙烷和三氧化二锑以质量比为2∶1的复配物。阻燃效果和对涂料体系黏度影响的对比如表5所示。
4种类型阻燃剂的阻燃效果和对涂料体系黏度影响的对比
由表5可以看出,在加入量相同的情况下,NP-520 和复配物都可以达到最高的FV-0 级的阻燃要求,NP-430的阻燃效果次之,氢氧化铝的阻燃效果最差。在黏度方面,加入氢氧化铝的黏度最小,加入复配物的黏度最大,加入NP-520和NP-430的黏度居中且相差不大。通过对阻燃效果、环保性和涂料体系黏度的综合考虑,阻燃剂NP-520 是最佳的选择方案。
2. 4 导热填料的选择
由于该实验的产品在应用中一般要求涂覆厚度在1 mm以上,为了保证被涂覆物具有良好的散热性,因此该产品应具有良好的导热性和绝缘性。本实验在基础配方不变及导热填料的添加量为总配方量的17%的基础上,通过选用不同种类的绝缘导热填料,筛选出同时具有最佳导热效果和合适的喷涂黏度的绝缘导热填料。选取的5种绝缘导热填料分别为:氧化铝、氧化锌、氮化铝、氮化硼和高导热绝缘复合粉。具体的导热效果和对涂料体系黏度的影响如表6所示。
5种绝缘导热填料的导热效果和对涂膜绝缘性及涂料体系黏度影响的对比
由表6可以看出,添加氧化铝和氧化锌的涂料体系黏度较小且比较接近,添加高导热绝缘复合粉的涂料体系黏度稍高于添加氧化锌的黏度,添加氮化铝和氮化硼的涂料体系黏度都较大且黏度相差不大。主要是因为黏度大小和所用导热填料的吸油量有关,氧化铝和氧化锌的平均粒径为1 μm,高导热绝缘复合粉的平均粒径为500 nm,氮化硼和氮化铝的平均粒径为50 nm。其次高导热绝缘复合粉、氧化铝和氧化锌在形状上属于球形,氮化硼在形状上属于片层结构,结构比较疏松,氮化铝的粒径小,比表面积大,故在吸油量上高导热绝缘复合粉、氧化铝和氧化锌小于氮化硼和氮化铝。因此在施工性上添加氧化铝和氧化锌的最好,添加高导热绝缘复合粉次之,添加氮化铝和氮化硼施工性最差。
由表6可知,在涂膜的导热系数方面,添加氮化铝和氮化硼的导热系数较好,添加高导热绝缘复合粉的虽然没有氮化铝和氮化硼导热系数高但比较接近,添加氧化铝和氧化锌的涂膜的导热系数较低,且不满足技术要求。这是因为氧化铝、氧化锌、氮化铝、氮化硼和高导热绝缘复合粉等材料本身的导热系数分别为30 W(/ m·K)、29 W(/ m·K)、320 W(/ m·K)、300 W(/ m·K)、400 W(/ m·K)。从涂膜的介电强度来看这5种导热填料都具有较好的绝缘性。
由表6 可知涂膜耐水30 d 后,添加氮化铝涂膜的导热系数和介电强度衰减的较大,添加氮化硼和高导热绝缘复合粉的涂膜衰减较小,添加氧化铝和氧化锌的涂膜衰减也较小,但大于氮化硼和高导热绝缘复合粉的涂膜。这是因为氮化铝和水有很高的反应活性,在水中和空气中极易潮解形成氢氧化铝从而降低其热导率和绝缘性,同时也因极少量的氧在氮化铝晶格中会产生极大的声子散射从而降低其热导率。而氧化铝和氧化锌不存在这样的水解现象,故涂膜的导热系数和介电强度衰减的不大。高导热绝缘复合粉中含有一定量的氮化硼且氮化硼为片层结构具有较好的阻水效果,故其性能保持的较好。通过对施工性、导热性、绝缘性和耐水性等综合考虑,选用高导热绝缘复合粉为最佳的绝缘导热填料。
2. 5 憎水剂的选择
聚天门冬氨酸聚脲涂层本身的憎水性不好,而水汽是引起电力设施故障的主要因素,故需要涂层具有较好的憎水性来满足使用要求。为了能使涂层达到较好的憎水效果选择了3种较好憎水助剂,憎水效果如表7所示。
3种憎水助剂的效果对比
由表7可知,老化前3种助剂都可以达到憎水性的最高等级HC1级,都可以满足技术要求。在经过1 000 h人工老化后,甲基硅油憎水性丧失得最严重,F-POSS 和β-七甲基三硅氧烷基-乙基三甲氧基硅烷的憎水性都为HC2级,仍可以满足使用要求,但F-POSS价格较高且不易买到,故最佳的憎水助剂选择β-七甲基三硅氧烷基-乙基三甲氧基硅烷。

3 实验配方及产品性能
根据上述试验确定最终的实验配方如表8 所示,最终制备的涂料的性能测试结果如表9所示。
经过对聚天门冬氨酸树脂、消泡剂、阻燃剂、导热填料及憎水剂的筛选,平衡了涂料的黏度、阻燃性、导热性、绝缘性、憎水性和机械性能,所制备的涂料性能也满足了其他相应的技术指标要求。
无溶剂绝缘防腐防水涂料配方
无溶剂绝缘防腐防水涂料最终测试性能
4 结语
经过试验对比选择了树脂m(NHQ520)∶m(F321)为60∶40 的比例,消泡剂选择了BYK-054 和HX-2080,阻燃剂选择了NP-520,导热填料选择了CW001,憎水剂选择了β-七甲基三硅氧烷基-乙基三甲氧基硅烷,最终制成了符合技术指标要求的无溶剂绝缘防腐防水涂料,可广泛应用于电力行业变压器低压侧绝缘化改造,随着国家电网对电力系统绝缘化改造的升级,该涂料具有很好的应用前景。