电磁线用绝缘静电粉末涂料

0 引  言
电磁线是指用于制造电工产品中的线圈或绕组的绝缘电线, 又称绕组线。电磁线可以按其基本组成、导电线心和电绝缘层分类。通常根据电绝缘材料和制造方式分为漆包线、绕包线、漆包绕包和无机绝缘线。估计目前我国电磁线的生产量达到100万t, 生产和销售处于世界第一位, 预计绝缘涂料的生产量到2010年达7~ 8万t。虽然我国的电磁线基本满足国内的需要, 但在产品结构和产品质量上与先进国家相比还有一定的差距。
开发适用于环境保护要求的电磁线用绝缘材料新品种,这些材料中包括: 不含甲酚的绝缘涂料、高固体分绝缘涂料、挤出树脂、紫外光固化聚合物、水性涂料和粉末涂料等。其中粉末涂料是作为无溶剂、在涂装过程中不排放挥发性有机化合物、喷逸涂料可以回收再用等方面, 比不含甲酚的绝缘涂料、高固体分涂料、水性涂料有明显的优点; 在产品价格和树脂品种方面, 粉末涂料比紫外光固化涂料有明显的优点; 在涂膜厚度的控制、涂膜耐热性及硬度等方面, 粉末涂料比挤出树脂有明显的优点。从以上的事实说明, 这6 种环保型电磁线用绝缘产品中, 粉末涂料是最有竞争力和发展前途的品种随着我国现代化工业建设步伐的加快和出口产品的高速增长, 机电、电子、通讯、自动化控制等行业的电磁线的用量不断增加, 对产品质量的要求也不断提高, 同时在产品生产中的环境保护和提高生产效率方面也提出更严格的要求。然而目前机电行业常用的无机类氧化膜绝缘铝线的生产过程中, 还使用大量浓硫酸, 在生产工艺过程中大量挥发有刺激性的气体, 不仅对操作人员的鼻腔、呼吸道和皮肤造成一定的伤害,而且对生产车间和周围环境带来严重的腐蚀和污染。另外, 常用的大部分电磁线是使用溶剂型绝缘涂料进行涂装的, 这种绝缘涂料中有机溶剂的含量在60%以上, 在制造过程中不仅带来生产中的安全问题, 危害生产操作人员的健康; 而且在涂装过程中这些有机溶剂完全挥发到大气中, 造成环境污染和有限资源的极大浪费, 同时在使用过程中还存在着易燃易爆等安全问题。
为了克服铝线浓硫酸处理得到氧化膜绝缘涂层生产工艺和溶剂型绝缘涂料的缺点, 近几年来江苏兰陵化工集团有限公司和扬州三川实业有限公司、广州擎天实业有限公司等单位开展了电磁线用绝缘静电粉末涂料的研究和生产[ 1]。

1  开发现状
电磁线用绝缘静电粉末涂料品种按树脂品种分类可分为热塑性树脂和热固性树脂两大类, 其中目前主要研究开发和使用的还是以热固性树脂类为主, 包括环氧树脂类、聚酯环氧树脂类、聚酯树脂类、聚氨酯树脂类等。产业化容易接受的是性价比较高的环氧树脂类、聚酯环氧树脂类和聚酯树脂类绝缘静电粉末涂料。

1 1  环氧粉末涂料
电磁线用环氧绝缘静电粉末涂料是由环氧树脂、固化剂、颜料、填料和助剂组成的热固性粉末涂料。是我国最早使用的绝缘粉末涂料品种, 当时主要以流化床涂装法进行涂装, 用在电机转子、电机定子、铜排、铝排的涂装和电器元件的灌封等方面, 近年来用静电粉末涂装的比较多, 但是电磁线的涂装应用还是最近开始的[ 2]。用于电磁线的绝缘静电环氧粉末涂料中可以使用的环氧树脂以双酚A型环氧树脂为主, 还可以使用酚醛改性环氧树脂、酚醛环氧树脂和氯化或溴化环氧树脂等。可以根据不同固化条件、不同性能要求和产品价格等的要求选择不同品种的固化剂。可以选择的固化剂品种有促进双氰胺、取代双氰胺、癸二酸二酰肼、二苯基咪唑啉、酸酐类、酚羟基树脂等。从电磁线的加工来说, 对涂膜的柔韧性的要求比较高, 所以癸二酸二酰肼的效果更好一些; 对低温固化或快速固化来说, 酚羟基树脂的效果更好; 从耐热性来说, 用双氰胺和酸酐类固化剂的效果更好。不同固化剂品种配制粉末涂料之间的涂膜机械性能差别很大。

电磁线用环氧绝缘静电粉末涂料中的颜料与填料品种除满足一般粉末涂料用颜料和填料的要求外, 还要求其具有优异的电绝缘性。有导电性或磁性的品种是不可使用的。对于耐热等级高的品种还要求耐热性好。在配方中的颜料和填料品种和用量是通过单一品种或者组合后, 通过涂膜机械性能、电击穿性能等的检验结果而确定。一般在电磁线绝缘静电粉末涂料中的颜料用量在配方量的1% ~ 5%, 主要以着色考虑而使用; 填料的用量在配方量的0~ 30%, 对不同配方体系和不同填料品种之间的用量差别很大。
在环氧绝缘静电粉末涂料中, 助剂也是不可缺少的重要组成部分, 其中包括流平剂、分散剂、脱气剂、边角覆盖力改性剂、增韧剂、松散剂等, 根据用途还添加抗氧剂、促进剂等助剂。电磁线用环氧绝缘静电粉末涂料的特点是, 由于环氧树脂和固化剂的品种较多, 配制粉末涂料的配方范围很宽, 可以配制涂膜机械性能、耐有机溶剂性能、防腐蚀性能和电绝缘性能很好的粉末涂料。缺点是涂膜的耐热性能不如其他树脂品种, 在烘烤温度和使用温度高时涂膜容易变色, 涂膜的长时间使用温度不能超过130 。

1 2  聚酯环氧粉末涂料
电磁线用聚酯环氧绝缘静电粉末涂料是由聚酯树脂、环氧树脂、颜料、填料和助剂所组成的热固性粉末涂料。这种粉末涂料已有多家企业生产和应用[ 3- 5] 。在粉末涂料配方中,聚酯树脂和环氧树脂是成膜物质, 由于聚酯树脂中的羧基与环氧树脂中的环氧基之间的交联固化使粉末涂料交联固化成膜。
聚酯树脂是由多元醇和多元酸在酸过量的条件下缩聚而成的端羧基聚酯树脂。这种树脂的酸值范围很宽一般在30~80 mgKOH /g, 树脂的软化点和熔融黏度范围也比较宽。所使用环氧树脂的环氧值一般在0. 10 ~ 0.14, 软化点在85~ 105 范围, 是含氯量低的双酚A型环氧树脂。
因为聚酯树脂和环氧树脂品种较多, 电磁线用聚酯环氧绝缘静电粉末涂料的成膜物配方范围也比较宽, 根据聚酯树脂的技术指标, 配方中聚酯树脂/环氧树脂的质量比可以是50:50、60:40、70:30、80:20等比例, 根据用户对涂膜性能的要求可以选择不同比例的配方。一般考虑涂膜的综合性能, 选择聚酯树脂/环氧树脂的质量比为50:50 的品种是比较好的,如果提高涂膜的耐热性能, 选择聚酯树脂用量多的体系比较好, 但涂膜的耐冲击性和附着力会有所下降。
电磁线用聚酯环氧绝缘静电粉末涂料中的颜料与填料品种的要求, 跟环氧粉末涂料中使用品种的要求一样。一般在聚酯环氧绝缘静电粉末涂料配方中, 颜料用量为配方量的1%~ 5%, 主要以着色考虑而使用; 填料的用量在配方量的0 ~30%, 对不同配方体系和不同填料品种之间的用量差别很大。在环氧粉末涂料中使用的大部分助剂在聚酯环氧粉末涂料中
都可以使用, 根据聚酯环氧粉末涂料的特殊要求, 还可以添加其他助剂。
从粉末涂料的优点来说, 一次涂装的涂膜厚度比较厚, 可以减少涂装道数; 然而粉末涂料熔融流平时的黏度较大, 表面张力也大, 在成膜过程中容易产生针孔, 这是粉末涂料的缺点。在溶剂型涂料中涂料的黏度很小, 表面张力也小, 成膜过程当中不容易产生针孔, 而且多道涂装以后涂膜产生针孔的几率更少, 这是溶剂型涂料的优点。在电磁线用静电绝缘粉末涂料中, 涂膜的针孔是致命的弱点, 为了克服这个缺点, 在设计粉末涂料配方时, 一定要考虑这一问题。电磁线用聚酯环氧绝缘静电粉末涂料的特点是, 粉末涂料的配方配制范围宽, 涂膜的机械性能、电绝缘性能比较好,涂料的性价比好, 涂膜的耐热性能比环氧树脂型的好一些, 但不如聚酯树脂型的粉末涂料。

2  聚酯粉末涂料
电磁线用聚酯绝缘静电粉末涂料是由聚酯树脂、固化剂、颜料、填料和助剂等组成的热固性粉末涂料。在粉末涂料中的成膜物质是热固性端羧基聚酯树脂和环氧基或羟烷基酰胺固化剂, 它是决定电磁线粉末涂料的涂膜机械性能和电性能等性能的最关键因素。虽然颜料和填料的品种和用量的作用没有像成膜物质聚酯树脂和固化剂那么重要, 但是在某种情况下对涂膜的耐冲击性、杯突、弯曲等机械性能, 硬度、电性能等也有一定的影响, 甚至有时也起到决定性的作用。另外助剂在配方中的用量很少, 但是对粉末涂料的带电性能、熔融流动性、反应活性, 涂膜的外观和边角覆盖力等性能有时也起到决定性的影响。
在聚酯树脂的选择上, 能用于聚酯粉末涂料的聚酯树脂品种很多, 从聚酯树脂的结构来说, 聚酯树脂合成时选用的多元醇和多元羧酸的品种不同时, 聚酯树脂的化学结构也不同,它们之间的物理和化学性能差别也很大; 从聚酯树脂的酸值来说, 其范围在20~ 50 mgKOH /g; 再从熔融黏度、软化点和玻璃化温度范围来说其范围也很宽。又从聚酯树脂/固化剂(质量)配比来说, 以异氰脲酸三缩水甘油酯( TGIC) 为例, 有96 /4~ 90 /10的范围。聚酯树脂的结构、酸值、软化点、熔融黏度、反应活性和玻璃化温度等参数对粉末涂料和涂膜性能有很大的影响。在聚酯粉末涂料中可用的固化剂有异氰脲酸三缩水甘油酯( TGIC)、羟烷基酰胺( HAA )、多环氧化合物等。根据粉末涂料的涂膜性能要求可以选择相应的聚酯树脂与固化剂的匹配体系。电磁线用聚酯绝缘静电粉末涂料的特点是, 聚酯树脂与固化剂的配方范围比较宽, 涂膜的机械性能好, 涂膜的耐热性能比上述的粉末涂料品种明显好, 在200 烘烤10 h后涂膜的机械性能和电绝缘性能仍很好, 因此涂装的适应性也比较好, 使用范围也宽。

3  聚氨酯粉末涂料
电磁线用聚氨酯绝缘静电粉末涂料是由聚酯树脂、封闭型多异氰酸酯固化剂、颜料、填料和助剂组成的热固性粉末涂料。聚酯树脂是由多元羧酸和多元醇在醇过量的条件下缩聚而成的端羟基聚酯树脂, 羟基值范围在25~ 60 m gKOH /g 的不同软化点和熔融黏度的聚酯树脂。封闭型多异氰酸酯固化剂是多异氰酸酯用封闭剂封闭或者自封闭的固化剂体系。从粉末涂料的涂膜外观的平整性考虑, 无封闭剂的固化剂体系是更理想的。
在电磁线用聚氨酯绝缘静电粉末涂料配方中, 上述粉末涂料品种中使用的大部分颜料、填料和助剂都可以使用, 同时还考虑聚氨酯粉末涂料的特殊性, 需要添加解封闭剂的促进剂等助剂。
电磁线用聚氨酯绝缘静电粉末涂料的特点是, 涂膜机械性能和电绝缘性能好外, 由于这种粉末涂料固化机理的特殊性, 比其他粉末涂料涂膜的平整性好, 在涂膜的存在下电磁线之间可以直接进行焊接的特点, 对电磁线断头的焊接比较方便。由于聚氨酯粉末涂料用固化剂原材料的价格比较贵, 用量较多, 涂料的成本比其他品种贵很多, 推广应用带来一定困难, 处于实验室研究阶段, 还没有国内产业化应用的报道。
据有关资料报道, 绝缘静电粉末涂料在美国ETI( E lecti􀀁sta tic Techno logy Inc ) 研制成功后, 与W estinghous 公司和3M公司合作后成功地用于变压器线圈上。在我国也已经成功地产业化应用。从我国产业政策上鼓励无污染、资源节约型产品的推广应用。如上所述, 电磁线用绝缘静电粉末涂料与溶剂型绝缘漆比较, 粉末涂料是在生产中不使用有机溶剂, 是无溶剂产品; 在涂装过程中也不存在有机溶剂的排放, 喷逸的粉末涂料回收再用, 涂料的利用率在95%以上, 是资源节约型的新产品。与浓硫酸氧化的氧化铝线的处理工艺比较, 没有对大气和地下水的环境污染, 生产速度快, 涂膜后加工性能好等优点。因此, 电磁线用绝缘静电粉末涂料, 在今后部分替代溶剂型绝缘漆和氧化膜工艺方面有很大的潜在市场。特别是金属导线的直径在1.6 mm 以上的粗线的涂装方面, 比溶剂型绝缘漆有很大的优势。

4  今后的发展趋势
目前, 我国电磁线用绝缘静电粉末涂料还处于刚刚起步阶段, 只有少数几个厂家应用或试用。其主要问题在粉末涂料的树脂品种上, 有些品种还没有工业化; 在涂膜的耐热性能上还达不到180 以上的高档品种耐温要求; 涂膜容易出现针孔问题还没有完全有效地得到解决, 今后电磁线用绝缘静电粉末涂料的发展趋势如下。
( 1)在粉末涂料的配方的设计上, 通过特殊流平剂等助剂的添加和高效的分散工艺, 克服粉末涂料涂膜中的针孔等问题, 提高涂膜的外观平整度, 保证涂膜击穿电压的稳定性;
( 2)在粉末涂料的品种上, 用耐高温的有机硅树脂或聚苯硫醚树脂等改性现有粉末涂料用树脂品种, 提高成膜物的耐温级别, 满足180 以上耐温级别的要求;
( 3)开发耐高温性能好的聚氟乙烯粉末涂料等新型粉末涂料品种, 满足电磁线耐高温级别的要求;
( 4)在粉末涂料制造方面, 开发薄涂型粉末涂料, 使一次涂装涂膜厚度控制在30 􀀁m 左右, 通过2~ 3次涂装来避免涂膜产生针孔的问题;
( 5)在涂装方法上, 通过摩擦静电喷涂的施工方法改进涂膜外观的平整性和涂膜厚度的均匀性, 还克服容易出现涂膜针孔等问题; 同时采用红外线烘烤固化方法, 提高固化速度,改进涂膜外观的平整性和缩孔问题。
随着新产品的宣传和电磁线行业的推广应用, 随着产品品种的增多和质量的提高, 涂装工艺的改进和涂装速度的提高, 电磁线用静电粉末涂料的使用领域不断扩大, 产品的用量会迅速增多, 电磁线用绝缘静电粉末涂料的发展前景是美好的。

参考文献
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[ 2] 􀀁 广州擎天实业有限公司. 一种电磁线专用绝缘粉末涂料及其制备方法: 中国, 101457117 [ P] . 2009- 06- 17.
[ 3 ] 􀀁 扬州三川实业有限公司. 电磁线用绝缘粉末涂料: 中国,200410014489. 4 [ P] . 2006- 08 – 16.
[ 4] 􀀁 江苏兰陵化工集团有限公司. 电磁线和漆包线用静电粉末涂料及其制备工艺: 中国, 1908096[ P] . 2007- 02- 07.
[ 5] 􀀁 金顺玉. 电磁线用静电粉末涂料的研究与应用[ J] . 现代涂料与涂装, 2009, 12 ( 6 ): 14- 16.