胡道雄，段斌嘉，徐 冰，李豪磊，張艷華

（1.浙江博菲電氣股份有限公司，浙江 海寧 314400；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

無(wú)堿玻璃纖維帶作為一種重要的絕緣材料大量應(yīng)用于電機(jī)的線圈制作和繞組端部綁定，其品質(zhì)以及綁扎工藝的合理性對(duì)線圈結(jié)構(gòu)的可靠性和電暈防護(hù)能力起著重要作用。邵永斌[1]對(duì)大型發(fā)電機(jī)定子繞組的常見(jiàn)故障進(jìn)行了分析，認(rèn)為手包絕緣及端部綁扎不良是主要誘因之一。楊增杰等[2]在分析瀾滄江流域某電廠水輪發(fā)電機(jī)繞組端部的電暈起因時(shí)，發(fā)現(xiàn)線棒間斜邊墊塊外側(cè)綁扎帶存在褶皺、尖角、毛刺?？偨Y(jié)電機(jī)端部的失效原因和綁扎方式的改進(jìn)措施[3-5]，得出電機(jī)制造工藝對(duì)無(wú)堿玻璃纖維帶的3個(gè)基本要求：①綁扎牢固，以避免線圈在受到電磁力和機(jī)械振動(dòng)后出現(xiàn)松動(dòng)；②毛刺少，以達(dá)到較好的防電暈效果；③絕緣樹(shù)脂浸透性好。

玻璃纖維浸潤(rùn)劑作為決定玻璃纖維性能的關(guān)鍵因素，其功能包括使玻璃纖維集束、提高玻璃纖維的耐磨性和柔軟性、改善玻璃纖維的紡織加工工藝性能和與樹(shù)脂復(fù)合的界面性能[6]。目前常見(jiàn)的玻璃纖維浸潤(rùn)劑是由有機(jī)物和無(wú)機(jī)物組成的混合物，其組成成分主要包括成膜劑、潤(rùn)滑劑、偶聯(lián)劑和抗靜電劑。其中成膜劑是浸潤(rùn)劑的關(guān)鍵組分之一，決定著浸潤(rùn)劑的性能[7]。紡織用玻璃纖維細(xì)紗使用的浸潤(rùn)劑可分為3大類：石蠟型、淀粉型和增強(qiáng)紡織型。石蠟型浸潤(rùn)劑的成膜性好，但集束性差，石蠟干后易破裂造成表面毛絲，而且織物的熱清洗溫度高，會(huì)損失玻璃纖維的強(qiáng)度。淀粉型浸潤(rùn)劑比石蠟型浸潤(rùn)劑熱清洗溫度低，改性淀粉兼具成膜性和集束性，但這類浸潤(rùn)劑在玻纖中易發(fā)生遷移，造成纖維強(qiáng)度下降[8]。增強(qiáng)紡織型浸潤(rùn)劑在玻璃纖維制造業(yè)通常稱為硅烷型浸潤(rùn)劑，其與絕緣樹(shù)脂的結(jié)合力強(qiáng)，無(wú)需進(jìn)行熱清洗[9]，但由于成膜劑樹(shù)脂的粘接力強(qiáng)，原絲在退解時(shí)容易造成纖維撕裂，很少用于高支數(shù)的玻璃纖維細(xì)紗。

無(wú)堿玻璃纖維帶需要根據(jù)其應(yīng)用工藝的特點(diǎn)有針對(duì)性地選擇玻璃纖維原料，本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析使用不同類型浸潤(rùn)劑制造的無(wú)堿玻璃纖維及以不同類型無(wú)堿玻璃纖維為原料制得的無(wú)堿玻璃纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸潤(rùn)性、表面狀態(tài)、強(qiáng)度等特性，為無(wú)堿玻璃纖維帶的設(shè)計(jì)和選擇提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料

石蠟型、淀粉型、硅烷型無(wú)堿玻璃纖維細(xì)紗，線密度均為80支2股，捻度為110捻/米，其中硅烷型無(wú)堿玻璃纖維使用的硅烷偶聯(lián)劑類型為環(huán)氧硅烷，3種玻璃纖維均由九江聯(lián)豐玻璃纖維有限公司生產(chǎn)。YD319G3型環(huán)氧體系絕緣樹(shù)脂由浙江博菲電氣股份有限公司生產(chǎn)，黏度為130 s（23℃，涂4號(hào)杯）。

1.2 主要設(shè)備與儀器

單層高速無(wú)梭織帶機(jī)，BZD-P00084型，東莞廣野精機(jī)有限公司；單絲強(qiáng)力機(jī)，Y9021型，常州第二紡織儀器廠有限公司；萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，WD-50型，上海卓技儀器設(shè)備有限公司；AIGO數(shù)碼顯微鏡，GE-5型，北京華旗資訊數(shù)碼科技有限公司。

1.3 無(wú)堿玻璃纖維帶的制備

將3種無(wú)堿玻璃纖維按照相同的織帶參數(shù)加工成尺寸為0.1 mm×15 mm的無(wú)堿玻璃纖維帶，織帶參數(shù)為經(jīng)線42根，緯線密度為15根/厘米，織帶環(huán)境溫度為20℃，濕度為55%。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 絕緣樹(shù)脂浸透速率

（1）絕緣樹(shù)脂對(duì)纖維的潤(rùn)濕距離

將需要對(duì)比的兩根玻璃纖維（a、b）平行放置在玻璃臺(tái)上，間距為20 mm；用第3根玻璃纖維（c）壓在a、b上且與a、b垂直。在玻璃纖維c與a、b交叉點(diǎn)間的中點(diǎn)處滴下一滴絕緣樹(shù)脂，待絕緣樹(shù)脂滲透到交叉點(diǎn)后，觀察絕緣樹(shù)脂從交叉點(diǎn)沿a、b方向的擴(kuò)散過(guò)程，在a、b纖維上分別測(cè)量從交叉點(diǎn)到絕緣樹(shù)脂最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離。由于硅烷型玻璃纖維的浸潤(rùn)性好，本研究中c纖維均選取硅烷型玻璃纖維。測(cè)試環(huán)境溫度為20℃，濕度為55%，具體測(cè)試圖如圖1所示。

圖1 絕緣樹(shù)脂在玻璃纖維上的擴(kuò)散Fig.1 Spreading of insulating varnish on glass fiber

（2）無(wú)堿玻璃纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸透速率

在無(wú)堿玻璃纖維帶上裁取5段長(zhǎng)度為100 mm的樣品平疊在一起，并對(duì)兩端進(jìn)行固定，在中間部位滴入2 mL絕緣樹(shù)脂，記錄絕緣樹(shù)脂滲透到第5層無(wú)堿玻璃纖維帶背面時(shí)所用的時(shí)間。測(cè)試環(huán)境溫度為20℃，濕度為55%。

1.4.2 力學(xué)性能測(cè)試

按照GB/T 3916—2013，用單絲強(qiáng)力機(jī)測(cè)試單根玻璃纖維的拉斷力；按照GB/T 3923.1—2013，用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試無(wú)堿玻璃纖維帶的拉斷力；按照GB/T 1449—2005，用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

1.4.3 纖維和纖維帶的毛刺狀態(tài)

利用顯微鏡觀察單根纖維和纖維帶的表面毛刺狀態(tài)，并拍照記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 無(wú)堿玻璃纖維的形貌

圖2為3種玻璃纖維放大40倍后的顯微形貌。從圖2可以看出，石蠟型玻璃纖維束的集中度最低，通道較多，有利于絕緣樹(shù)脂的浸潤(rùn)，纖維的形態(tài)完整、平行度好；硅烷型玻璃纖維束的集中度最高，但是平行度差；淀粉型玻璃纖維束的集中度介于兩者之間，表面纖維的形態(tài)完整。從圖2還可以看出，石蠟型玻璃纖維由于成膜劑的抗剪切力小，原絲在退解時(shí)阻力最小，基本上無(wú)斷絲現(xiàn)象；硅烷型玻璃纖維的成膜劑滲透性好、粘結(jié)力強(qiáng)，導(dǎo)致原絲在退解時(shí)易因粘連而撕裂和斷絲；直鏈淀粉或改性淀粉具備較好的集束能力，而且粘結(jié)力適中。

圖2 3種玻璃纖維的微觀形貌Fig.2 Morphology of three kinds of glass fibers

2.2 無(wú)堿玻璃纖維的絕緣樹(shù)脂浸透時(shí)間

本研究測(cè)試結(jié)果顯示絕緣樹(shù)脂在硅烷型玻璃纖維上的潤(rùn)濕距離最大，為45 mm；石蠟型玻璃纖維次之，為40 mm；淀粉型玻璃纖維的擴(kuò)散距離最小，為22 mm。這是由于硅烷型浸潤(rùn)劑中的硅烷偶聯(lián)劑能改善玻璃纖維和絕緣樹(shù)脂的界面狀態(tài)，促進(jìn)絕緣樹(shù)脂對(duì)玻璃纖維的潤(rùn)濕；而石蠟型和淀粉型玻璃纖維表面的浸潤(rùn)劑均會(huì)對(duì)絕緣樹(shù)脂與玻璃纖維的潤(rùn)濕形成阻礙。

2.3 無(wú)堿玻璃纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸透時(shí)間

3種無(wú)堿玻璃纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸透時(shí)間測(cè)試結(jié)果顯示，硅烷型、淀粉型和石蠟型無(wú)堿玻璃纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸透時(shí)間分別為2.1、22、28 min。由于硅烷型浸潤(rùn)劑中的硅烷偶聯(lián)劑能改善玻璃纖維和絕緣樹(shù)脂的界面狀態(tài)，促進(jìn)絕緣樹(shù)脂對(duì)玻璃纖維帶的潤(rùn)濕，絕緣樹(shù)脂在其厚度方向的潤(rùn)濕效果也較好，浸透時(shí)間最短；雖然石蠟型纖維在縱向的通道較多，但這一優(yōu)勢(shì)特性對(duì)絕緣樹(shù)脂在纖維帶厚度方向的浸透沒(méi)有促進(jìn)作用，而相對(duì)石蠟混合烷烴的分子結(jié)構(gòu)，淀粉富羥基的特點(diǎn)具有更強(qiáng)的極性，對(duì)絕緣樹(shù)脂的親和性更高，所以淀粉型纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸透時(shí)間比石蠟型纖維帶的短。

2.4 無(wú)堿玻璃纖維帶的毛刺狀態(tài)

圖3(a)～(c)分別為3種玻璃纖維帶放大40倍后的表面形貌。從圖3可以看出，毛刺主要出現(xiàn)在玻璃纖維帶的側(cè)邊、緯線彎折處。石蠟型和硅烷型玻璃纖維帶的毛刺較多，淀粉型玻纖帶的毛刺較少；石蠟型玻璃纖維帶的毛刺呈現(xiàn)短、粗的特點(diǎn)，硅烷型玻璃纖維帶的毛刺則更細(xì)更長(zhǎng)。分析認(rèn)為，石蠟型玻璃纖維的成膜劑比較硬，因此彎折時(shí)會(huì)出現(xiàn)因破裂引起玻纖表面的毛刺。淀粉型和硅烷型玻璃纖維的成膜劑韌性優(yōu)于石蠟型玻璃纖維的成膜劑，硅烷型玻璃纖維帶緯線彎折時(shí)易出現(xiàn)毛刺的原因是退解時(shí)的斷絲在彎折時(shí)從纖維束中脫離。

圖3 玻璃纖維帶的表面形貌Fig.3 Surface morphology of glass fibers

2.5 無(wú)堿玻璃纖維帶的強(qiáng)度

2.5.1 無(wú)堿玻璃纖維在織帶過(guò)程中的強(qiáng)度損失

無(wú)堿玻璃纖維帶的拉斷力并不等于經(jīng)線方向上單根纖維的拉斷力之和，定義經(jīng)向玻璃纖維在織帶過(guò)程中的強(qiáng)度損失率S如式（1）所示。

式（1）中：F帶為無(wú)堿玻璃纖維帶的平均拉斷力；F玻為單根無(wú)堿玻璃纖維的平均拉斷力；n為經(jīng)向玻璃纖維的數(shù)量，本研究中n=42。

表1為不同類型玻璃纖維及玻璃纖維帶的強(qiáng)度。

表1 玻璃纖維及纖維帶的強(qiáng)度數(shù)據(jù)Tab.1 Strength data of glass fiber and glass fiber ribbon process

從表1可以看出，硅烷型玻璃纖維的拉斷力最大，達(dá)到16.00 N，石蠟型玻璃纖維次之，淀粉型玻璃纖維的最小。這是由于硅烷型玻璃纖維的成膜劑滲透性好、粘結(jié)力強(qiáng)，而對(duì)于淀粉型玻璃纖維，由于拉絲過(guò)程中淀粉發(fā)生了遷移，導(dǎo)致淀粉在玻璃纖維中分布不均勻，使得其拉斷力減小。石蠟型玻璃纖維在織帶過(guò)程的強(qiáng)度損失率最低，為7.8%，硅烷型玻璃纖維帶的強(qiáng)度損失率最高，為15.1%，這是由于織帶過(guò)程中玻璃纖維束間會(huì)相互摩擦，而石蠟的潤(rùn)滑性好，所以石蠟型玻璃纖維在摩擦環(huán)境下的強(qiáng)度損失最低。

2.5.2 無(wú)堿玻璃纖維帶/絕緣樹(shù)脂復(fù)合材料的強(qiáng)度情況

復(fù)合材料的損傷和破壞由纖維、基體和界面上的缺陷與載荷狀況共同決定[10]。無(wú)堿玻璃纖維帶繞包在線圈表面時(shí)一般以疊繞方式進(jìn)行，相鄰兩圈的重疊率大多為帶寬度的50%，也可能多層疊包。無(wú)堿玻璃纖維帶在電機(jī)運(yùn)行中主要承受振動(dòng)引起的層間剪切力，考慮到電機(jī)的浸漆工藝大多包括預(yù)烘、浸漆、固化3個(gè)階段，本研究對(duì)玻璃纖維帶進(jìn)行130℃/2 h預(yù)烘處理后，疊加15層并浸漬絕緣樹(shù)脂，然后熱壓成型得到復(fù)合材料，最后測(cè)試復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度。

測(cè)得石蠟型、淀粉型、硅烷型無(wú)堿玻璃纖維帶多層復(fù)合材料的平均彎曲強(qiáng)度分別253.72、266.55、464.54 MPa。硅烷型玻璃纖維帶的多層復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度顯著高于石蠟型和淀粉型玻璃纖維帶的復(fù)合材料，這是因?yàn)楣柰樾筒ＡЮw維的浸潤(rùn)劑中含有硅烷偶聯(lián)劑，可以通過(guò)與玻纖和樹(shù)脂的界面反應(yīng)促進(jìn)樹(shù)脂和玻璃纖維的界面結(jié)合。多層復(fù)合材料的彎曲破壞需經(jīng)歷彈性變形、纖維脫粘、纖維拔出3個(gè)階段，在玻璃纖維和樹(shù)脂體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，硅烷偶聯(lián)劑的界面作用能顯著提升材料的力學(xué)性能。淀粉型玻璃纖維帶在復(fù)合前的拉斷力只達(dá)到石蠟型玻璃纖維帶的73.2%，但其與絕緣樹(shù)脂復(fù)合后復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度超過(guò)了石蠟型玻璃纖維帶/絕緣樹(shù)脂復(fù)合材料。這是由于雖然淀粉型玻璃纖維的拉斷力小，但是其纖維的形態(tài)更完整，故其與絕緣樹(shù)脂復(fù)合后強(qiáng)度有所提高。

2.6 無(wú)堿玻璃纖維帶的選材原則探討

（1）絕緣樹(shù)脂浸透速率優(yōu)先原則

從絕緣樹(shù)脂對(duì)無(wú)堿玻璃纖維帶的浸透速率角度考慮，應(yīng)該優(yōu)先選擇硅烷型玻璃纖維，尤其是采用刷膠浸漬工藝時(shí)，不僅可以得到更高的樹(shù)脂含量，還可以顯著節(jié)省工時(shí)。為了兼顧防電暈?zāi)芰?，可以采用硅烷型玻璃纖維作為經(jīng)紗，淀粉型玻璃纖維作為緯紗。

（2）防電暈?zāi)芰?yōu)先原則

從無(wú)堿玻璃纖維帶的防電暈?zāi)芰11]角度考慮，由于淀粉型玻璃纖維帶在織帶過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺最少，可以減小線圈表面因毛刺產(chǎn)生的電暈現(xiàn)象，應(yīng)該作為防電暈復(fù)合材料的首選原料。

（3）強(qiáng)度優(yōu)先原則

在石蠟型、淀粉型和硅烷型3種無(wú)堿玻璃纖維帶中，硅烷型無(wú)堿玻璃纖維帶的拉斷力和層壓浸漬絕緣樹(shù)脂復(fù)合后的彎曲強(qiáng)度都是最高的，所以在嚴(yán)苛動(dòng)載環(huán)境下，應(yīng)該優(yōu)選硅烷型玻璃纖維帶以保證繞包結(jié)構(gòu)的剛度。在一般工況下，由于石蠟型無(wú)堿玻璃纖維帶與硅烷型無(wú)堿玻璃纖維帶的拉斷力相差不大，選擇石蠟型無(wú)堿玻璃纖維帶可以保證較大綁扎力的同時(shí)節(jié)省成本。

3 結(jié)論

（1）在織帶參數(shù)相同的條件下，石蠟型、淀粉型和硅烷型3種無(wú)堿玻璃纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸透速率、毛刺狀態(tài)和機(jī)械強(qiáng)度不同。硅烷型無(wú)堿玻璃纖維帶的絕緣樹(shù)脂浸透速率最高，與絕緣樹(shù)脂復(fù)合后的彎曲強(qiáng)度也最高；淀粉型無(wú)堿玻璃纖維在織帶過(guò)程中產(chǎn)生的毛刺最少；石蠟型無(wú)堿玻璃纖維在織帶過(guò)程中的強(qiáng)度損失最少。

（2）無(wú)堿玻璃纖維帶的設(shè)計(jì)可以根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)，按照絕緣樹(shù)脂浸透速率優(yōu)先原則選擇硅烷型玻璃纖維；按照防電暈優(yōu)先原則選擇淀粉型玻璃纖維；按照強(qiáng)度優(yōu)先原則，在一般工況下選擇石蠟型玻璃纖維，在嚴(yán)苛動(dòng)載工況下選擇硅烷型玻璃纖維。