間位芳綸絕緣紙的溫度指數(shù)研究

羅艷芝 ，汪 洋 ，李立南 ，黎 勇 ，梁 斌

（1.株洲華先材料科技有限公司，湖南 株洲 412199；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

間位芳綸絕緣紙具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、模量高、阻燃及耐化學(xué)品性能好等優(yōu)點(diǎn)，尤其是具有優(yōu)異的耐高溫性能，作為高耐熱等級絕緣系統(tǒng)中的重要材料之一，可提高電機(jī)、變壓器等承受過熱和過載能力，在一定程度上為絕緣產(chǎn)品的安全可靠性提供了保障［1］。

目前，芳綸材料的熱分析技術(shù)包括熱重分析法、差熱分析法、動態(tài)熱分析法等已被研究者進(jìn)行了較為深入的分析研究，但對芳綸材料的使用壽命及最高使用溫度研究較少。研究其使用壽命通常采用自然老化、人工加速老化等方法。采用人工加速老化的方法，可縮短試驗(yàn)周期，也可組合因素研究，所以人工加速試驗(yàn)法常用作高分子材料的壽命研究［2］。

文章通過在空氣中對間位芳綸絕緣紙進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，測定間位芳綸絕緣紙縱向拉伸性能，以其縱向拉伸性能下降至初始值50%為失效指標(biāo)，利用Arrhenius方程推算芳綸絕緣紙的使用壽命和最高使用溫度。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

利用間位芳綸短切纖維、沉析纖維混合備漿，通過網(wǎng)部脫水成形，干燥收卷，再采用高溫高壓熱軋工藝制成厚度約0.05 mm的間位芳綸絕緣紙，經(jīng)制樣后得到250mm×25mm矩形試樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

多功能紙機(jī)，自制；抗張強(qiáng)度取樣器，東莞市英特奈森精密儀器有限公司；CMT2202微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)：美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；GT-7017-EMU換氣式熱老化箱：高鐵檢測儀器（東莞）有限公司。

1.3 老化實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)條件。耐熱老化實(shí)驗(yàn)在換氣式熱老化箱中進(jìn)行，參照標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 11026.1-2003。老化箱的溫度控制在GB/T 11026.4給定的偏差范圍內(nèi)，換氣速率為5～20次/h。本實(shí)驗(yàn)采用的換氣式熱老化箱經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)檢定合格，符合GB/T 11026.4對老化烘箱的要求。

（2）實(shí)驗(yàn)方案。參照GB/T 11026.1-2012，測定電氣絕緣材料的耐熱性能，暴露溫度點(diǎn)為4個，選擇的暴露溫度最好是相等間隔，通常間隔為20 k，但不應(yīng)超過25 k。實(shí)驗(yàn)方案選取時，首先應(yīng)考慮最高暴露溫度點(diǎn)的選取與確定，最高暴露溫度點(diǎn)應(yīng)是能使測得的終點(diǎn)平均值時間大于100 h，小于500 h，取樣測試間隔時間推薦0、120、240、360、540、672、816、1008 h，最低暴露溫度點(diǎn)應(yīng)是能使測得的終點(diǎn)平均值時間不少于5000 h，取樣測試間隔時間推薦 0、504、1248、2016、3024、4032、5040、6480、7200等。本次實(shí)驗(yàn)確定暴露溫度為300、280、260和235℃。

（3）實(shí)驗(yàn)步驟。將尺寸為250 mm×25 mm矩形間位芳綸絕緣紙試樣均勻懸掛在烘箱內(nèi)，將試樣在各溫度下老化，試樣不應(yīng)接觸老化箱的室壁。每組試驗(yàn)測定10個有效試樣，試驗(yàn)采用恒速拉伸法，夾具間距180 mm，拉伸速度20 mm/min，測試結(jié)果取平均值。參照GB/T 11026.1-2012確定試樣初始性能的試樣數(shù)量應(yīng)為該性能推薦標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)量的2倍，因此確定間位芳綸絕緣紙初始抗張強(qiáng)度的試樣數(shù)量為20片，每個暴露溫度下不同老化時間測試間位芳綸絕緣紙的數(shù)量為10片。

1.4 測試與表征

老化前后的間位芳綸絕緣紙試樣均應(yīng)按照GB/T 2918-1998進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)后，參照標(biāo)準(zhǔn)ISO1924-1：1992，在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上分別對老化前后的試樣進(jìn)行抗張強(qiáng)度測試。當(dāng)間位芳綸絕緣紙老化后的抗張強(qiáng)度值下降至其初始值的50%視為失效。

2 結(jié)果與討論

2.1 老化性能

由圖1可知，在4個溫度條件下，間位芳綸絕緣紙縱向拉伸性能保持率均隨暴露時間 增加而降低，在300℃時下降速度最快，這是因?yàn)闇囟仍礁?，間位芳綸絕緣紙分子鏈發(fā)生降解及分子鏈間的作用力減弱，造成分子鏈斷裂，分子鏈間作用力降低，抗張強(qiáng)度下降。

圖1 不同溫度下間位芳綸絕緣紙的拉伸強(qiáng)度保持率隨暴露時間變化曲線

2.2 老化函數(shù)

根據(jù)GB/T 11026.1-2003 7.6.2標(biāo)準(zhǔn)，老化函數(shù)是描述絕對溫度與縱向拉伸保持率之間的關(guān)系，即Arrhenius方程，見下式（1）。

式中：τ為壽命（性能 50%老化時間，h）；α、β為常數(shù)；T為使用的絕對溫度，K。

統(tǒng)計300、280、260和235℃四個溫度點(diǎn)下溫度與壽命數(shù)據(jù)表1，并模擬出線性回歸方程，該材料的老化函數(shù)見下式（2）。

間位芳綸絕緣紙壽命對數(shù)和絕對溫度倒數(shù)回歸線性相關(guān)系數(shù)為0.99957，展現(xiàn)了良好的線性關(guān)系。通過老化函數(shù)推算得出該芳綸絕緣紙暴露20000 h時，TI（θ20000）溫度指數(shù)為 227℃，HIC（θ20000-θ2000）半差為 39℃。

3 結(jié)語

（1）間位芳綸絕緣紙縱向拉伸性能保持率隨暴露時間增加而降低。（2）基于Arrhenius方程理論，間位芳綸絕緣紙的絕對溫度倒數(shù)與暴露時間對數(shù)展現(xiàn)了良好的線性關(guān)系，并推算得出該間位芳綸絕緣紙暴露時間為20000h時，其溫度指數(shù)為227℃。