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    關(guān)鍵詞：納米TiO2；聚酰胺酰亞胺樹(shù)脂；復(fù)合材料；耐電暈

Study of corona resistant composite insulating material LI Qiang-jun1,2, JIANG Qi-bin1, Li Feng1 ,Cai Binfen1，XIE Da-rong2，LIU Bin2
1. Zhuzhou Times New Material Technology CO.,LTD, Zhuzhou 412007,China
2.Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
Abstract: This paper introduces a corona-resistant composite insulating material. The insulating material is a three-layer enameled nanocomposite magnet wire, which is prepared by polyesterimide enamel, polyamideimide enamel and corona-resistant nano-TiO2/polyamideimide enamel that is prepared by using in-situ polymerization. The experimental results show that the new type nanocomposite magnet wire has high insulation property, excellent flexibility and corona resistance,can greatly increase insulation life of inverter-fed motors.

Keyword: TiO2 nanoparticles, Polyamideimide resin, composites material, corona resistant.

1、前言

    隨著我國(guó)電機(jī)工業(yè)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了愈來(lái)愈精密和高性能的電機(jī)、電器元件，電機(jī)、電器制造等技術(shù)和產(chǎn)品。其中采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）技術(shù)的PWM（Pulse Width Modulation）型變頻器以其良好的輸出波形、優(yōu)異的性?xún)r(jià)比在交流變頻電機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。但采用這種技術(shù)的變頻器提供的脈沖波，有著高聳的尖峰（高電壓峰值）波峰和陡峭的上升時(shí)間，加上可變化的或極高的頻率（最高達(dá)到20KHz），從而對(duì)漆包線絕緣體系產(chǎn)生極大的破壞，很容易發(fā)生匝間擊穿而縮短漆包線的使用壽命。研究表明，交流變頻電機(jī)中絕緣結(jié)構(gòu)的過(guò)早失效是導(dǎo)致電機(jī)損壞的根本原因［1-3］。變頻電機(jī)的電壓輸出是具有極快上升沿和極快下降沿的脈沖，一般在10～100ns，電壓上升率dU/dt 達(dá)6600V/μs，遠(yuǎn)大于工頻正弦的0.15V/μs，所產(chǎn)生的交變尖峰電壓，在運(yùn)行中將導(dǎo)致電機(jī)絕緣層發(fā)生局部放電，逐漸腐蝕絕緣層；另外，變頻電源中含有較大的諧波電壓分量，這些諧波電壓產(chǎn)生的附加損耗轉(zhuǎn)化為熱能，也大大加速了電機(jī)絕緣的老化［4］。在高耐熱性能的絕緣材料中均勻分散一些納米無(wú)機(jī)物，如TiO2、Al2O3 和ZnO，應(yīng)用在交流變頻電機(jī)中，可以大幅度提高絕緣材料的抗高頻脈沖尖峰電壓和耐電暈等方面性能［5-6］。
本文以納米TiO2 為無(wú)機(jī)填料，聚酰胺酰亞胺樹(shù)脂為基體，采用原位插層聚合法制備了納米TiO2/聚酰胺酰亞胺的復(fù)合絕緣漆，并按照聚酯亞胺底漆、納米無(wú)機(jī)復(fù)合絕緣漆和聚酰胺酰亞胺面漆工藝涂制三涂層的復(fù)合漆包線。在高頻脈沖電壓條件下，研究了復(fù)合漆包線的耐電暈性能和各項(xiàng)常規(guī)性能。

2、試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)原材料

    二苯甲烷二異氰酸酯，煙臺(tái)萬(wàn)華化工廠；偏苯三甲酸酐，江蘇正丹集團(tuán)；N-甲基吡咯烷酮，濮陽(yáng)邁奇精細(xì)化工有限公司；甲酸，德國(guó)巴斯夫公司；納米TiO2，金紅石相，德國(guó)德固薩公司，以上產(chǎn)品均為工業(yè)級(jí)。

2.2 檢測(cè)儀器

    常規(guī)性能：采用GB 6109.11-1990 “200 級(jí)聚酯亞胺/聚酰胺酰亞胺復(fù)合漆包銅圓線”檢測(cè)復(fù)合漆包線的常規(guī)性能。FTIR 分析：北京第二光學(xué)儀器廠產(chǎn)WQJ-410 型傅立葉變換紅外光譜儀；耐電暈性能：上海申發(fā)檢測(cè)儀器廠產(chǎn)JMG-3 高頻脈沖耐壓試驗(yàn)儀；微觀粒徑分布：荷蘭菲利浦公司CM-10 透射電子顯微鏡。

2.3 耐電暈漆包線的制備

    對(duì)定量的納米TiO2 進(jìn)行多次表面包裹處理后放置于三口瓶中，然后加入N-甲基吡咯烷酮和偏苯三甲酸酐，保溫?cái)嚢柚镣耆�溶解�?0℃以下加入甲酸，攪拌均勻后加入二苯甲烷二異氰酸酯，然后升溫至中控粘度合格，得到粘度合適的均勻納米TiO2/聚酰胺酰亞胺漆包線漆。采用模具法涂線工藝，在規(guī)定的工藝參數(shù)條件下，分別涂上聚酯亞胺底漆、納米TiO2/聚酰胺酰亞胺漆包線漆、聚酰胺酰亞胺面漆，制成三涂層結(jié)構(gòu)的耐電暈復(fù)合漆包線。

3、結(jié)果與討論

3.1 紅外光譜分析

圖1 復(fù)合絕緣漆的紅外光譜圖

圖1 為復(fù)合絕緣漆的紅外光譜圖，在圖1 中1720cm-1 和1778cm-1 是酰亞胺五元環(huán)的最強(qiáng)吸收峰和特征吸收峰，1670cm-1 是酰胺的羰基吸收峰，3352cm-1 是仲酰胺的N-H 吸收峰，這些吸收峰表明合成的樹(shù)脂為聚酰胺酰亞胺結(jié)構(gòu)。

3.2 透射電鏡觀察

圖2 納米TiO2 在基體樹(shù)脂中的分散狀態(tài)
圖2 為納米TiO2 在聚酰胺酰亞胺漆包線漆中的微觀分散圖。從電鏡照片中可以看出微粒的粒徑分布在50~160nm 范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)分析后得到微粒的平均粒徑約為85nm，它的分散狀態(tài)應(yīng)屬于納米級(jí)超微細(xì)顆粒。

3.3 電磁線的性能檢測(cè)

    試制漆包線的銅線規(guī)格為ф1.4mm，檢測(cè)結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出這種添加無(wú)機(jī)填料的復(fù)合漆包線常規(guī)物理機(jī)械性能相當(dāng)，而耐電暈性能卻有著大幅度地提高。
表1 耐電暈復(fù)合漆包線性能結(jié)果

序號(hào) 檢測(cè)項(xiàng)目

標(biāo)準(zhǔn)要求
(GB6109.11-90)
檢測(cè)結(jié)果

1． 表 面 質(zhì) 量 光滑均勻 光滑均勻
2． 漆 膜 厚 度 ≥0.069mm 0.090
3． 伸 長(zhǎng) 率 ≥32% 36.7%
4． 回 彈 性 ≤34° 26°
5． 耐 溶 劑 性 ≥2H 3H
6． 卷 繞 試 驗(yàn) Ø≤1d，不開(kāi)裂 不開(kāi)裂
7． 急 拉 斷 試 驗(yàn) 不開(kāi)裂 未開(kāi)裂
8． 軟化擊穿溫度 ＞2min(320℃) ＞2min(320℃)
9． 熱沖(250℃/30min) ≤2d 1d
10． 漆膜連續(xù)性（3KV/30m） ≯5 個(gè)孔 0
11．
耐電暈性能（90℃，
20KHz， 400ns，3KV）
≥50h 80h
注：耐電暈性能由上海電器科學(xué)研究所電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)室檢測(cè)。

3.4 柔韌性

    衡量復(fù)合電磁線絕緣漆的特性時(shí)，柔韌性等物理機(jī)械特性也非常重要，因?yàn)樗�直接反映電磁線的使用水平。在制備耐電暈納米無(wú)機(jī)復(fù)合漆包線的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，這種漆包線漆膜的柔韌性特別不同于普通線，即使當(dāng)它的漆膜達(dá)到1mm 的厚度，也不發(fā)生開(kāi)裂，甚至將漆膜對(duì)折起來(lái)也不開(kāi)裂，表現(xiàn)出像塑料一樣的塑性。

3.5 耐電暈性能

    聚酰胺酰亞胺樹(shù)脂是目前高耐熱等級(jí)的有機(jī)絕緣材料之一，它可長(zhǎng)期工作在200~260℃，用這樣優(yōu)良的電工絕緣材料制造的復(fù)合漆包線，其工頻擊穿電壓能夠達(dá)到10kV，而在溫度為90℃、頻率為20KHz、上升沿時(shí)間為400ns、電壓為3KV 的高頻脈沖電壓條件下的絕緣壽命2個(gè)多小時(shí)，而用納米TiO2 填充的聚酰胺酰亞胺復(fù)合漆包線，在同等條件下其絕緣壽命為80 小時(shí)。這是因?yàn)榧{米無(wú)機(jī)化合物引入到復(fù)合漆包線中，增加了對(duì)局部放電降解的阻力，消除了局部放電的產(chǎn)生。而這種納米無(wú)機(jī)物又是一種導(dǎo)電率和熱穩(wěn)定性較好的材料，它有助于擴(kuò)散電荷積累并且熱傳導(dǎo)性較高，能迅速耗散本身的介質(zhì)發(fā)熱，有效地達(dá)到了抗高頻脈沖電壓和耐電暈性能的要求。

4、結(jié)論

    采用原位插層聚合法制備了納米TiO2/聚酰胺酰亞胺復(fù)合漆包線漆，與聚酯亞胺漆和聚酰胺酰亞胺漆配合使用涂制成三涂層結(jié)構(gòu)的復(fù)合漆包線。此復(fù)合漆包線具有高耐熱性能、良好的機(jī)械性能和優(yōu)良的耐電暈性能，在溫度為90℃、頻率為20KHz、上升沿時(shí)間為400ns、電壓為3KV 的高頻脈沖電壓條件下的絕緣壽命為普通聚酰胺酰亞胺漆包線的30~40 倍。