10 kV開關(guān)柜用高性能阻燃絕緣件APG制造工藝研究

李旭培 劉洋 龔浩 宋曉光 李旭剛 孫中航

摘 要：APG制造工藝主要應(yīng)用于生產(chǎn)中高壓環(huán)氧絕緣制品，產(chǎn)品涉及10～35 kV固封極柱、支柱絕緣子等。它可以將環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)周期縮短為十幾分鐘，并較好地控制放熱效應(yīng)。本文開展了一系列10 kV開關(guān)柜用高性阻燃絕緣件APG制造工藝研究，重點(diǎn)通過(guò)原材料性能試驗(yàn)、配方體系的確認(rèn)、注射成型工藝、固化成型等方面的研究，探索出10 kV開關(guān)柜用高性能阻燃絕緣件的制備工藝。

關(guān)鍵詞：絕緣件;阻燃;APG;制造工藝

中圖分類號(hào)：TQ322.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）17-0047-03

Research on Manufacturing Process of APG for 10 kV Switchgear with High Performance Flame Retardant Insulation

LI Xupei1 LIU Yang2 GONG Hao1 SONG Xiaoguang1 LI Xugang2 SUN Zhonghang1

（1. Henan Pinggao General Electric Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467000;2. Pinggao Group Co.， Ltd.，

Pingdingshan Henan 467000）

Abstract： The APG manufacturing process is mainly used to produce medium and high voltage epoxy insulation products， the products involve 10 to 35 kV solid sealed poles， post insulators， etc. It can shorten the production cycle of epoxy resin to more than ten minutes， and better control the exothermic effect. This paper had carried out a series of research on the manufacturing process of high-performance flame-retardant insulation APG for 10 kV switchgear， focused on the preparation process of high-performance flame-retardant insulation parts for 10 kV switchgear through the research of raw material performance test， confirmation of formulation system， injection molding process and curing molding， etc.

Keywords： insulation parts;flame retardant;APG;manufacturing process

環(huán)氧樹脂自動(dòng)壓力凝膠成型技術(shù)（APG）是壓力凝膠工藝的一種形式，該工藝制備的絕緣件具有較優(yōu)的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，目前，中低壓環(huán)氧絕緣制品的制造多采用該種工藝。為制備出具備阻燃等級(jí)達(dá)到V0級(jí)別的高性能10 kV開關(guān)柜用絕緣件，本文選取開關(guān)柜中關(guān)鍵零部件觸頭盒作為主要研究對(duì)象，對(duì)其原材料的配方體系及制備工藝進(jìn)行了一系列的研究。

1 確定原材料配方體系

環(huán)氧樹脂是一類具有良好黏結(jié)、耐腐蝕、絕緣、高強(qiáng)度等性能的熱固性高分子合成材料。但是，普通型環(huán)氧樹脂的極限氧指數(shù)僅為19.8%，作為電子電器領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料使用時(shí)難以滿足實(shí)際的阻燃要求，必須進(jìn)行阻燃處理[1]。

APG工藝對(duì)環(huán)氧樹脂混合料提出了較真空澆注材料更高的技術(shù)要求，即室溫下穩(wěn)定，高溫下高反應(yīng)活性，能迅速凝膠化，短的固化周期短，抗開裂性能和溫度沖擊性能良好，對(duì)機(jī)械和電氣應(yīng)力具有很高的抵抗強(qiáng)度來(lái)滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求[2]。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，筆者選用上海某樹脂公司生產(chǎn)的牌號(hào)為206的環(huán)氧樹脂體系。

根據(jù)材料本身的特性，按照HE環(huán)氧樹脂（100份）、HH206固化劑（100份）、填料（硅微粉300～350份）、色粉（0.5份）的比例進(jìn)行混合料的配制。將稱量好的原材料依次倒入真空攪拌裝置中進(jìn)行抽真空攪拌，隨后澆注在已放置80 ℃烘箱中預(yù)熱2～3 h的專用模具中進(jìn)行試驗(yàn)樣條的制作。

1.1 試樣阻燃性能檢測(cè)

采用垂直燃燒測(cè)試儀，按照《塑料燃燒性能的測(cè)定 水平法和垂直法》（GB/T 2408—2008）中垂直燃燒檢測(cè)方法，樣條厚度為13 mm，對(duì)混合料的阻燃性能進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果取5個(gè)有效樣條測(cè)試值的平均值。樣條阻燃性能檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該牌號(hào)環(huán)氧樹脂混合料的阻燃等級(jí)可達(dá)到V0級(jí)別，阻燃性能滿足使用要求。

1.2 試樣機(jī)械性能檢測(cè)

采用電子拉力機(jī)、沖擊強(qiáng)度，按《樹脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》（GB/T 2567—2008）對(duì)樣條的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度等機(jī)械性能進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，澆注體的拉伸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度隨著硅微粉添加量的增加呈先升后降的趨勢(shì)。這是由于硅微粉添加量比較小時(shí)，它能夠均勻分散在澆注體中起到物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，對(duì)固化物的力學(xué)性能起到補(bǔ)強(qiáng)作用;當(dāng)硅微粉添加量超過(guò)一定比例時(shí)，硅微粉易形成局部團(tuán)聚現(xiàn)象，在澆注體受到外力作用時(shí)，局部應(yīng)力過(guò)大，易形成裂紋，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度降低[3]。隨著硅微粉用量的增加，澆注體的沖擊強(qiáng)度呈下降的趨勢(shì)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，材料配比為100∶100∶330∶0.5的材料配方，其機(jī)械性能最佳。

1.3 材料配方體系的確定

通過(guò)上述試樣的阻燃性能、機(jī)械性能的檢測(cè)，綜合考慮各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，本文確定將材料配比100∶100∶330∶0.5作為后續(xù)生產(chǎn)使用的材料配方體系。

2 APG制造過(guò)程工藝研究

2.1 模具設(shè)計(jì)

在模具設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)氧樹脂注入時(shí)排氣的問(wèn)題，模具注料口應(yīng)設(shè)置在易于氣體排出的位置，一般選擇在模具型腔的最低位置;澆注模具型腔表面應(yīng)力求光滑，不應(yīng)有砂眼，由于環(huán)氧樹脂屬于強(qiáng)機(jī)性材料，對(duì)于模具的黏附力高，若在模具的制造過(guò)程中不控制拔模斜度和型腔光潔度，則APG成型后的脫模會(huì)較為困難，極易導(dǎo)致拉裂等機(jī)械損傷[4-5]。

綜合考慮上述因素，筆者設(shè)計(jì)出一種APG澆注模具，注料口設(shè)置在模具型腔的最底部。模具型腔的粗糙度為0.8μm，拔模斜度為1.5°。同時(shí)，為了保證型腔內(nèi)部表面的致密性和抗腐蝕能力，對(duì)型腔表面進(jìn)行氮化處理。

2.2 APG澆注工藝過(guò)程

2.2.1 模具溫度設(shè)置。APG技術(shù)的獨(dú)特之處是通過(guò)連續(xù)對(duì)環(huán)氧樹脂混合料加以恒定的壓力，達(dá)到強(qiáng)化補(bǔ)縮的目的。在室溫（25 ℃）條件下，環(huán)氧樹脂混合料系統(tǒng)的適用期為1～2 d;在40～45 ℃下，其適用期為6～8 h;而在高溫（140～160 ℃）條件下，配方體系具有高反應(yīng)活性，在短時(shí)間內(nèi)即快速凝膠。模具溫度高于環(huán)氧樹脂混合料體系的溫度約80～100℃左右，使固化反應(yīng)的凝膠過(guò)程自模具中間壁開始向中間環(huán)氧樹脂混合料擴(kuò)散[6]。

為了滿足APG材料的高反應(yīng)特性及高效率成型特點(diǎn)，筆者將模具溫度設(shè)置為145 ℃，同時(shí)模具及配套模具零部件需要提前預(yù)熱2 h。

2.2.2 環(huán)氧樹脂混合料配制。較好的流動(dòng)性是APG工藝對(duì)環(huán)氧樹脂體系在混合料配制工序中的要求，在混合料配制過(guò)程中，必須對(duì)原材料進(jìn)行脫氣處理。將環(huán)氧樹脂、固化劑、硅微粉和色粉按照100∶100∶330∶0.5的比例稱量好，傾倒在攪拌脫氣混料裝置中。為了便于后續(xù)的混料均勻，環(huán)氧樹脂及固化劑傾倒時(shí)分2～3次，確保傾倒重量偏差不超過(guò)0.2 kg，硅微粉傾倒時(shí)盡量保持兩邊均衡，用脫脂棉紗將攪拌槳上部殘留的新材料擦入筒體內(nèi)。

用脫脂棉紗蘸無(wú)水乙醇，清理環(huán)氧樹脂攪拌脫氣混料裝置蓋子觀察窗上的殘留物，確保觀察窗明亮干凈，檢查環(huán)氧樹脂攪拌脫氣混料裝置蓋子與罐口接觸的部位是否干凈，如果有殘留物，用鏟刀將殘留物清除。

剛開始攪拌時(shí)，設(shè)置變頻器為5～10 r/min。攪拌5～10 min，直到從觀察窗看到大部分硅微粉溶入樹脂中。將變頻器調(diào)至35 r/min，高速攪拌2 min左右，直至從觀察窗看到硅微粉完全溶入樹脂中，開啟抽真空裝置2 h，保證最后混合料真空度小于150 Pa。

2.2.3 注射成型。為了避免熱交換，減少環(huán)氧樹脂凝膠過(guò)程中嵌件周圍由于溫度差異出現(xiàn)的應(yīng)力集中開裂，嵌件需要提前放置在烘箱中進(jìn)行預(yù)熱，烘箱溫度設(shè)置為（145±5）℃，預(yù)熱時(shí)間為2 h。

若模具及嵌件溫度達(dá)到注射要求，利用混料罐的加壓系統(tǒng)，將混料罐內(nèi)的環(huán)氧樹脂混合體系（已經(jīng)過(guò)真空脫氣處理）通過(guò)注料管注射到模具型腔內(nèi)。為了保證一定生產(chǎn)周轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)，環(huán)氧樹脂混合料體系注射料的黏度增長(zhǎng)率不大于10%，使得APG工藝參數(shù)穩(wěn)定，筆者在生產(chǎn)過(guò)程中將環(huán)氧樹脂混料體系的溫度設(shè)置為40 ℃，經(jīng)過(guò)稱量成品的10 kV觸頭盒，獲悉環(huán)氧樹脂的材料用量約為7 kg。根據(jù)用料量，筆者初步采用注料時(shí)間3.5 min、注料壓力0.2 MPa、保壓時(shí)間11～14 min、保壓壓力0.15 MPa的工藝參數(shù)進(jìn)行注射生產(chǎn)。在試制過(guò)程中，保壓時(shí)間為14 min時(shí)，樣品在模具上拉裂，保壓時(shí)間11 min時(shí)，產(chǎn)品不能成型。注料時(shí)間為3 min，保壓時(shí)間為12～13 min生產(chǎn)出的制品性能最佳。

2.2.4 產(chǎn)品后固化。本次APG澆注工藝探索，所選用的環(huán)氧樹脂為雙酚A型環(huán)氧樹脂，固化劑為酸酐型。環(huán)氧樹脂本身均為線型結(jié)構(gòu)的熱塑性高聚物，必須經(jīng)過(guò)固化劑作用才能變成不溶的堅(jiān)固體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的巨大分子高聚物。固化作用第一次完成在模具內(nèi)，二次固化需要在固化爐內(nèi)完成。若固化溫度不夠，高分子材料的鏈條交聯(lián)不夠，內(nèi)應(yīng)力釋放不充分影響樣品的機(jī)械性能及電氣性能;若固化溫度過(guò)高，鏈條交聯(lián)過(guò)度，樣品呈先質(zhì)脆的特征?？紤]到材料本身的特性，筆者將固化爐溫度設(shè)置為130～140 ℃，固化時(shí)間為10 h。

3 結(jié)論

本研究確定了一種10 kV開關(guān)柜用觸頭盒APG制造用阻燃材料體系，并分析了APG生產(chǎn)工藝。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用該配方工藝生產(chǎn)的10 kV觸頭盒制品機(jī)械性能和電氣性能可靠，阻燃性能可達(dá)到V0級(jí)別，制品可應(yīng)用在10 kV開關(guān)柜中。

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