程雪松

（太原工業(yè)學(xué)院，山西 太原 030008）

0 引言

風(fēng)能已被全球公認(rèn)為一種可以降低環(huán)境污染、減少溫室氣體排放的清潔可再生能源。目前，我國已經(jīng)發(fā)展成為風(fēng)電大國，風(fēng)力發(fā)電機(jī)年新增裝機(jī)容量持續(xù)世界第一，累計裝機(jī)容量已躍升為世界第一。風(fēng)力發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展不僅推動了上游制造加工、新材料、模具設(shè)計的發(fā)展，也推動了風(fēng)電電能傳輸?shù)母咚侔l(fā)展，拉動了產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉片、轉(zhuǎn)子、定子等組成，3.0 MW的風(fēng)電電機(jī)已經(jīng)成為目前的主流機(jī)型，其發(fā)展趨勢朝著單機(jī)超過6.0 MW、10.0 MW的大功率方向發(fā)展。隨著電機(jī)部件的尺寸持續(xù)加大，電機(jī)的整體尺寸越來越大，顯著地提高了運(yùn)輸、裝吊、拆卸和檢修的成本，因此，提高風(fēng)電電機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性，盡量減少對電機(jī)的維護(hù)和檢修，成為降低附件與運(yùn)行成本的關(guān)鍵。然而，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境非常復(fù)雜，高溫、低溫、沙塵、潮氣、霧霾、鹽霧、振動、雨水、冷熱交替等惡劣環(huán)境給電機(jī)的可靠性帶來了極大的挑戰(zhàn)，對電機(jī)的使用材料及穩(wěn)定性也提出了更高的要求[1-3]。目前，風(fēng)電電機(jī)的定子槽口一般采用灌封膠進(jìn)行灌封保護(hù)。灌封的主要目的是對線圈端部的槽口進(jìn)行防水、防潮保護(hù)，灌封膠與基材的附著力和抗開裂性直接影響到灌封的成敗。一旦槽口灌封膠出現(xiàn)脫離和裂痕，將可能導(dǎo)致整個風(fēng)電電機(jī)絕緣失效，提高電機(jī)的維護(hù)成本，甚至可能大幅縮短電機(jī)的使用壽命[4-7]。目前，風(fēng)電電機(jī)槽口灌封膠一般是采用加成型的有機(jī)硅灌封膠，具有較好的柔韌性、耐候性能和電性能[8-9]。經(jīng)過配方研究，制備出黏度適中、加工工藝性能較好的產(chǎn)品非常關(guān)鍵。然而，由于加成型有機(jī)硅采用的是含雙鍵的乙烯基硅油，極性基團(tuán)較少，雖然通過添加增黏劑可以提高一定的附著力，但與基材的粘附力仍不夠理想（常溫下拉伸剪切強(qiáng)度約2.0 MPa），灌封后仍存在脫落或剝離的風(fēng)險；此外，加成型有機(jī)硅采用的催化劑是貴金屬催化劑，含硫氮的雜質(zhì)極易使其中毒失活，造成硫化不完全等問題，因此對施工環(huán)境條件要求較為嚴(yán)格。上述不足，導(dǎo)致了操作不便，成本過高，且長期使用下存在著質(zhì)量風(fēng)險。

環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基，可在適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑存在下，形成三維網(wǎng)絡(luò)狀固化物[10]。其較多的側(cè)鏈羥基或其他極性基團(tuán)，賦予了其較高反應(yīng)性和粘接性，有可能彌補(bǔ)上述有機(jī)硅類膠的不足。因此，本研究提出開發(fā)環(huán)氧樹脂基灌封膠的技術(shù)路線。首先通過篩選不同種類的增韌型環(huán)氧樹脂，隨后特制柔性固化劑，配合活性稀釋劑，以球型氧化鋁和針狀硅灰石粉等為填料，制備適合槽口灌封工藝的環(huán)氧膠，并研究球型氧化鋁和針狀硅灰石含量對環(huán)氧膠拉伸強(qiáng)度、熱導(dǎo)率以及硬度的影響，確定無機(jī)填料的最佳添加量，最終獲得優(yōu)化的配方，為環(huán)氧灌封膠在風(fēng)電電機(jī)槽口的灌封應(yīng)用提供參考。

1 實驗

1.1 試劑和儀器

增韌型環(huán)氧樹脂，牌號分別為HyPox RM-20、HyPox RM 22、HyPox RF 1320、HyPox UA11，均為工業(yè)級，美國CVC熱固性特種材料有限公司；環(huán)氧樹脂，牌號為NPER-133L，工業(yè)級，南亞環(huán)氧樹脂（昆山）有限公司；JEf柔性環(huán)氧樹脂系列，工業(yè)級，常熟佳發(fā)化學(xué)有限責(zé)任公司；C12～C14烷基縮水甘油醚（AGE）、芐基縮水甘油醚（BGE），工業(yè)級，常州優(yōu)銳高分子材料有限公司；聚醚胺D2000，美國亨斯邁公司；1,3-環(huán)己二胺（1,3-BAC）、LKW-702環(huán)氧促進(jìn)劑，工業(yè)級，大連連晟貿(mào)易有限公司；苯甲醇（BA），工業(yè)級，湖北綠色家園材料技術(shù)股份有限公司；1000目氧化鋁（α型），山東淄博耀和鋁業(yè)有限公司；針狀硅灰石粉，江西奧特科技有限公司。

NDJ-5S型數(shù)字式黏度計，上海恒平科學(xué)儀器有限公司；SM7120型高阻計，日置（上海）商貿(mào)有限公司；ZJC-100kV型絕緣材料擊穿電壓測試儀，北京中航時代儀器設(shè)備有限公司；YHS型萬能拉力機(jī)，上海益環(huán)儀器科技有限公司；YWX/Q-750型鹽霧箱，北京雅士林試驗設(shè)備有限公司。

1.2 環(huán)氧膠制備

（1）樹脂A組分的制備：將一定量的增韌型環(huán)氧樹脂加入到三口瓶中，再加入一定量的稀釋劑并攪拌，緩慢升溫至80℃，攪拌均勻，使混合樹脂呈透明澄清液體，冷卻至室溫；將混合樹脂與一定比例的氧化鋁、硅灰石和氧化鐵紅混合攪拌30 min以上，并在負(fù)壓下真空除泡，得到風(fēng)電電機(jī)槽口灌封用環(huán)氧膠的A組分，外觀為鐵紅色黏稠液體。

（2）固化劑的制備：在干燥氮氣保護(hù)的反應(yīng)器中依次投入20份聚醚胺D2000、10份1,3-環(huán)己二胺（1,3-BAC）和9份苯甲醇（BA），混合均勻后再加入一定份數(shù)的LKW-702促進(jìn)劑，制備得到外觀為淺黃色的可室溫固化的改性胺固化劑。

1.3 施工工藝

（1）采用清洗劑將所需灌封模具清洗干凈，并在120℃下除水1 h，待用。

（2）分別將樹脂、固化劑兩個組分在40℃下恒溫保存1 h，按比例稱取樹脂和固化劑，攪拌均勻后在真空烘箱中脫泡，制得風(fēng)電槽口灌封用環(huán)氧膠樣品。

（3）將制備好的環(huán)氧灌封膠緩慢灌入模具中，靜置12 h。

1.4 性能檢測

黏度按照GB/T 22314—2008檢測，測試溫度為（25±1）℃。電阻率按照GB/T 1410—2006檢測；擊穿電壓按照GB/T 1408.1—2006測試，測試樣品按照GB/T 15022.2—2007制備，樣品直徑為（φ）10 mm，厚度為1 mm。力學(xué)性能按照GB/T 2567—2008測試，結(jié)果取5個有效樣品的平均值。表干時間是指將增韌環(huán)氧樹脂與自制固化劑以及填料按照一定比例混合，填充到規(guī)定形狀的?？蛑?，用手指接觸試樣表面，手指上無膠液粘附試樣所需要的時間。參照GB/T 13477.5—2002測定，檢測溫度為（25±1）℃，樣品質(zhì)量為150 g。熱導(dǎo)率按照GB/T 10295—2008檢測，檢測溫度為40℃，樣品直徑（φ）為55～60 mm，厚度為5 mm。耐鹽霧性能按照GB/T 2423.17—2008測試，檢測時間為1 000 h。

2 結(jié)果與討論

2.1 增韌環(huán)氧樹脂討論

風(fēng)電電機(jī)槽口徑灌封和固化后，需進(jìn)行高、低溫沖擊或高、低溫-浸水性能評估，因此，增韌樹脂的選擇極其重要。本研究主要從樹脂特性、起始黏度以及環(huán)氧當(dāng)量等方面對增韌型環(huán)氧樹脂進(jìn)行篩選。關(guān)鍵的影響因素包括：①樹脂的特性（如增韌類型和彈性體含量等）會對灌封膠的抗開裂性有影響；②彈性體含量過低會增加膠開裂的風(fēng)險，但含量過高又會降低膠的耐熱性；③樹脂的起始黏度過低會加速填料的沉降，縮短灌封膠的貯存期，且在施工過程中會造成溢膠，而樹脂的起始黏度過高又會提高灌封膠的黏度，增加施工難度；④環(huán)氧當(dāng)量會影響樹脂與固化劑的使用量，也會對施工時間和膠的黏度造成影響。因此，開發(fā)合適的環(huán)氧樹脂膠要注意多功能的協(xié)同。

表1對比了不同增韌型環(huán)氧樹脂的性質(zhì)。

表1 不同增韌型環(huán)氧樹脂的性質(zhì)Tab.1 Properties of different toughened epoxy resin

按照起始黏度的差異，這些樹脂可以劃分為高、中、低黏度3大類：①高黏度，室溫下黏度大于10 000 mPa·s，如 HyPox RM 22、HyPox RF 1320、HyPox UA11、NPER-133L和JEf-0251樹脂；②中等黏度，室溫下黏度為5 000～10 000 mPa·s，如HyPox RM-20、JEf-0240、JEf-0242和JEf-0243樹脂；③低黏度，室溫下黏度小于 5 000 mPa·s，如 JEf-0211、JEf-0212、JEf-0213及JEf-0310樹脂。因為風(fēng)電電機(jī)槽口灌封用膠的使用黏度要求在3 000～6 000 mPa·s，所以應(yīng)該選用中等黏度的增韌型環(huán)氧樹脂為產(chǎn)品的主體樹脂比較適宜，其中HyPox RM-20、JEf-0240、JEf-0242和JEf-0243的黏度較為理想。同時，考慮到JEf-0242和JEf-0243樹脂的黏度偏大，且環(huán)氧當(dāng)量較小，因此最終選定HyPox RM-20和JEf-0240樹脂。

2.2 稀釋劑討論

環(huán)氧稀釋劑在產(chǎn)品中的主要作用有：①調(diào)整灌封膠黏度，使產(chǎn)品的黏度符合相關(guān)工藝要求；②改善產(chǎn)品的流動性和滲透性；③延緩固化反應(yīng)速率，降低固化物收縮率；④抑制灌封膠表面產(chǎn)生孔洞；⑤提高環(huán)氧膠對填料的浸潤性及填料的添加量等。C12烷基縮水甘油醚（AGE稀釋劑）是一種單官能度、無色透明且低毒無刺激性的活性稀釋劑，其分子結(jié)構(gòu)內(nèi)含有大量的烷基鏈和醚鍵，對非極性材料表面具有極好的潤濕性，其固化物也具有較好的柔韌性。芐基縮水甘油醚（BGE稀釋劑）是一種單官能度且無色透明、低毒穩(wěn)定的活性稀釋劑，其含有耐熱性較好的芳環(huán)，有利于提高灌封膠的耐熱性。因此，在開發(fā)風(fēng)電電機(jī)槽口灌封用環(huán)氧膠時，AGE和BGE稀釋劑都是較理想的稀釋劑。

圖1顯示了AGE和BGE兩種稀釋劑添加量對HyPox RM-20和JEf-0240兩類增韌型環(huán)氧樹脂黏度的影響。從圖1可以看出，兩種稀釋劑的加入起到了明顯的降低黏度的作用，并且都是在添加量為15份左右出現(xiàn)拐點。結(jié)合考慮稀釋劑對灌封膠耐熱性能和反應(yīng)速度的影響，添加量應(yīng)控制在15份以下為宜。

圖1 不同稀釋劑添加量與黏度關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between different amount of diluents and viscosity

2.3 固化劑討論

目前應(yīng)用較為廣泛的環(huán)氧固化劑是分子量較低、分子鏈段較短的脂肪胺改性固化劑，具有固化速度快、固化物強(qiáng)度高、可潮濕環(huán)境下固化的優(yōu)點。但是，固化速度快會導(dǎo)致交聯(lián)密度大，固化物性脆且收縮率大，不太適用于風(fēng)電電機(jī)的灌封。本研究通過聚醚胺D2000引入分子柔順性較好的長鏈醚鍵，再加入反應(yīng)活性較高的脂環(huán)胺1,3-環(huán)己二胺（1,3-BAC）和LKW-702促進(jìn)劑以調(diào)節(jié)固化反應(yīng)速度，制備出可在室溫條件下固化、能滿足風(fēng)電電機(jī)灌封工藝要求的柔性固化劑，其具有黏度小、毒性低、耐白化和操作方便的特點。

風(fēng)電電機(jī)灌封工藝包括混膠、脫泡和灌膠3個工藝，要求操作時間在60～120 min為宜。本產(chǎn)品設(shè)計采用的稀釋劑為單官能度環(huán)氧稀釋劑，對表干時間有延遲，考慮填料和其他助劑對反應(yīng)速度的影響，樹脂和固化劑混合物的表干時間應(yīng)小于60 min才能滿足灌封工藝要求。圖2為添加不同LKW-702含量的固化劑與灌封膠表干時間的關(guān)系。

圖2 不同促進(jìn)劑添加量與表干時間關(guān)系Fig.2 Relationship between amount of accelerator and surface drying time

從圖2可以看出，LKW-702對于兩種灌封膠的表干時間都有較明顯的促進(jìn)作用，隨著促進(jìn)劑添加量的增加，表干時間從400 min縮短至50 min以下。HyPox RM-20增韌樹脂與固化劑配合，促進(jìn)劑添加量大于2.0份后，表干時間小于60 min；JEf-0240增韌樹脂與固化劑配合，促進(jìn)劑添加量大于2.5份后，表干時間小于60 min。這可能是由于兩種樹脂不同的結(jié)構(gòu)及官能團(tuán)分布導(dǎo)致與固化劑的反應(yīng)速度不相同。

2.4 無機(jī)填料討論

在環(huán)氧灌封膠中添加填料可提高其綜合性能，對膠性能影響極大，如降低環(huán)氧灌封膠的固化收縮率，提高環(huán)氧膠的導(dǎo)熱系數(shù)，提高環(huán)氧膠的機(jī)械強(qiáng)度及降低產(chǎn)品成本等[11-12]。降低環(huán)氧灌封膠的固化收縮率一般選用填料為球型硅微粉和針狀硅灰石；提高環(huán)氧灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)一般選用導(dǎo)熱率較高的填料，如氮化硼、氧化鋁等；提高環(huán)氧灌封膠的機(jī)械強(qiáng)度一般選用硅微粉等。從配方設(shè)計原則和成本以及對膠綜合性能的影響來看，球型氧化鋁和硅灰石是最為理想的無機(jī)填料。本研究重點探討導(dǎo)熱性較好的球型氧化鋁和針狀硅灰石兩種填料對環(huán)氧灌封膠性能的影響。

2.4.1 氧化鋁含量的影響

氧化鋁（Al2O3）通常有球型、片狀等不同的形貌，其中球型氧化鋁常被應(yīng)用在對成本要求較高但對導(dǎo)熱系數(shù)要求不高的環(huán)氧灌封膠中。風(fēng)電電機(jī)環(huán)氧灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)要求大于0.6 W/(m·K)即可，因此球型的氧化鋁比較符合產(chǎn)品技術(shù)要求。圖3是不同氧化鋁添加量下，環(huán)氧灌封膠基本性能的檢測數(shù)據(jù)。

圖3 氧化鋁含量對環(huán)氧灌封膠性能的影響Fig.3 Effect of Al2O3contents on the properties of epoxy pouring sealant

由圖3可知，隨著球型氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，環(huán)氧灌封膠的硬度與導(dǎo)熱系數(shù)都逐漸提高。所以盡管增韌樹脂不同，但只有當(dāng)球型氧化鋁的添加量均超過40%時，產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)才能滿足大于0.6 W/(m·K)的要求。

2.4.2 硅灰石含量的影響

硅灰石屬于單鏈硅酸鹽，通常呈片狀、放射狀或纖維狀，主要用作陶瓷、水泥、橡膠、塑料等復(fù)合材料的填料，具有提高環(huán)氧灌封膠機(jī)械強(qiáng)度、改善并提高產(chǎn)品絕緣性能和降低產(chǎn)品成本的作用。圖4是不同硅灰石添加量下，環(huán)氧灌封膠基本性能的檢測數(shù)據(jù)。由圖4可知，隨著針狀硅灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，環(huán)氧灌封膠的硬度和拉伸強(qiáng)度都相應(yīng)提高。但是硅灰石的添加量對膠導(dǎo)熱系數(shù)的提高無明顯效果。

圖4 硅灰石含量對環(huán)氧灌封膠性能的影響Fig.4 Effect of wollastonite contents on the properties of epoxy pouring sealant

綜上所述，該風(fēng)電電機(jī)灌封用環(huán)氧膠的力學(xué)性能都隨著兩種填料含量的增加而提高。但隨著填料含量的增加，硬度和拉伸強(qiáng)度的提升效果減弱。這可能因為填料含量較低時，對環(huán)氧膠主要起補(bǔ)強(qiáng)作用，但當(dāng)添加量超過一定值后，填料分散困難，易發(fā)生團(tuán)聚，使得總體的補(bǔ)強(qiáng)效果反而變差。

2.5 與風(fēng)電用有機(jī)硅灌封膠性能對比

在上述對原材料及配方分析的基礎(chǔ)上，制備了高性能環(huán)氧灌封膠，并與目前進(jìn)口風(fēng)電用有機(jī)硅灌封膠[13]進(jìn)行性能對比，數(shù)據(jù)如表2所示，其中環(huán)氧膠1為HyPox RM-20/AGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧化鋁/硅灰石/鐵紅，環(huán)氧膠2為JEf-0240/BGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧化鋁/硅灰石/鐵紅。

表2 自制環(huán)氧膠與進(jìn)口有機(jī)硅膠的性能對比Tab.2 Performance comparison of self-made and import pouring sealant

從表2可知，本研究開發(fā)的風(fēng)電環(huán)氧灌封膠，在性能和操作工藝時間上與目前進(jìn)口風(fēng)電有機(jī)硅灌封膠相當(dāng)，但是其拉伸、剪切強(qiáng)度比進(jìn)口有機(jī)硅灌封膠高。這充分說明環(huán)氧灌封膠與基材具有更好的粘接性，有利于提高灌封膠在風(fēng)電電機(jī)運(yùn)輸（顛簸導(dǎo)致的局部振動）中，以及在高低溫劇烈變化等復(fù)雜使用環(huán)境中的可靠性。因為該環(huán)氧樹脂膠來源廣泛，所以相比有機(jī)硅灌封膠具有成本優(yōu)勢。

2.6 耐環(huán)境性能評估

風(fēng)電電機(jī)長期在高濕度、溫度變化大的惡劣環(huán)境中使用，對于所采用的灌封膠要求具有極好的耐環(huán)境沖擊性。采用本研究制得的環(huán)氧膠對風(fēng)電電機(jī)模卡進(jìn)行灌封實驗和耐環(huán)境適用性實驗，相關(guān)檢測條件及數(shù)據(jù)見表3，其中環(huán)氧膠1為HyPoxRM-20/AGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧 化 鋁/硅 灰石/鐵 紅 ，環(huán) 氧 膠 2為 JEf-0240/BGE/(D2000/1,3-BAC/BA/LKW-702)/氧化鋁/硅灰石/鐵紅。由表3可以看出，經(jīng)過耐環(huán)境實驗評估后，環(huán)氧膠無形變、開裂和剝離等不良變化，說明環(huán)氧膠與基材粘接良好且能耐受溫度變化，能滿足風(fēng)電電機(jī)灌封的要求。

表3 自制環(huán)氧灌封膠和有機(jī)硅膠耐環(huán)境性實驗前后對比Tab.3 Properties of self-made and import pouring sealant before and after environmental test

3 結(jié)論

針對進(jìn)口類有機(jī)硅基灌封膠的不足，設(shè)計了制備風(fēng)電電機(jī)槽口灌封用環(huán)氧膠的技術(shù)路線。通過篩選，得到了HyPox RM-20和JEf-0240兩種增韌環(huán)氧樹脂，優(yōu)化得到可室溫固化的柔性固化劑，并對稀釋劑、促進(jìn)劑、氧化鋁及硅灰石的添加量對灌封膠性能的影響進(jìn)行研究，最終制得了風(fēng)電電機(jī)槽口灌封用環(huán)氧膠。試驗表明，當(dāng)環(huán)氧樹脂與固化劑的比例為5∶1，稀釋劑的用量為15份，填料選用球型氧化鋁和針狀硅灰石時，制備出的環(huán)氧灌封膠表干時間小于60 min，邵氏A硬度和拉伸強(qiáng)度比進(jìn)口類有機(jī)硅灌封膠有較明顯的提高，綜合性能優(yōu)良，工藝性能和技術(shù)指標(biāo)都能滿足使用要求，并在力學(xué)性能與成本方面比進(jìn)口有機(jī)硅灌封膠更具優(yōu)勢。