乙二胺與聚醚胺D230固化劑對變壓器用環(huán)氧灌封膠的影響

趙圣尉 陶玉春 寇紅軍

（第七一五研究所，杭州，310023 ）

環(huán)氧樹脂以耐熱、耐腐蝕、電絕緣以及其機械性能，被廣泛用于電子產(chǎn)品的灌注上，同時起到了減震、防塵等作用。灌封不僅可以提高產(chǎn)品的使用性能，還能穩(wěn)定電子元件參數(shù)[1]。不同的配方帶來的環(huán)氧樹脂效果各有偏差，干式變壓器主要用堿性類固化劑、酸酐類固化劑的配方，主要效果為耐高溫，但不耐水解。本文探討堿性固化劑中，多胺類和聚醚胺類不同配比的兩種固化劑對變壓器灌封膠的影響。

1 原理與實驗

1.1 原理

乙二胺是多胺類固化劑，是該類固化劑中分子量最小的，NH2CH2CH2NH2，易吸水，在空氣中易揮發(fā)，粘度1.54 mm2/s。由于分子鏈短，兩端的氨基極性很強，與環(huán)氧反應劇烈，反應后穩(wěn)定性好。

D230屬于聚醚胺類固化劑，是該類固化劑中分子量最小的，NH2（CHCH3CH2O）2.5CH2CHCH3NH2。因此，它雖然屬于高分子，卻擁有小分子的流動性，粘度9.5 mm2/s，總胺值8.1～8.7 meq/g。伯胺占比97%以上。同時，由于 D230自帶飽和醚鍵，在環(huán)氧反應后不會被酸堿等水解，提高了穩(wěn)定型。同時由于D230是聚合物，位于端基的氨基活性相對于乙二胺的活性要降低很多。而且聚醚胺上端基的二級氫活性相對于一級氫要低一個數(shù)量級。這就使得環(huán)氧反應之后，增加了韌性。聚合反應先從一級氫開始，通過化學反應式計算（圖1～2），可以大概算出固化相同環(huán)氧樹脂所使用的兩種固化劑的份量。

圖1 乙二胺與環(huán)氧E-51一級反應原理方程式

圖2 聚醚胺D230與環(huán)氧E-51一級反應原理方程式

1.2 實驗

原料采用環(huán)氧樹脂（E-51）、乙二胺、D230聚醚胺、活性硅微粉（HGH-12）、增塑劑（DOP），由于工業(yè)上常用環(huán)氧值和氫值來計算固化劑的配料，根據(jù)一級二級化學反應方程式原理，得出一個配比范圍。根據(jù)計算結果進行了配方正交實驗，如表1所示，每組試驗樣本5個。

表1 正交試驗配方表

由于硅微粉作為填料不與其他成分反應，在配料中所占的比例大體相同。因此在正交試驗中，乙二胺和D230的用量不同，填料的分量也不同。乙二胺的變量增加不明顯，故而填料的用量基本不變；而D230的變量范圍較大，填料的用量范圍相應的增大，但固化劑和填料的配比相同。

首先將100份環(huán)氧樹脂加熱到70 ℃預熱1 h，再將硅微粉和DOP、固化劑按一定比例混合攪拌均勻，制得有一定黏度的膠體，脫泡處理后灌注到變壓器中，灌注過程中趕出氣泡，在常溫下固化，由于兩種固化劑的反應速率不同，因而固化時間不同，固化后放置24 h以上，進行測試。

2 實驗結果與討論

反應過程中，發(fā)現(xiàn)乙二胺反應劇烈，放熱大（反應過程中溫度＞100℃），這些釋放的熱量反過來會加劇反應的發(fā)生，從而引起爆聚現(xiàn)象，因此配置該配方的環(huán)氧樹脂時，要控制好量，不可一次性配膠過多。在配制過程中，乙二胺容易揮發(fā)潮解，而且揮發(fā)毒性大，因此配制時，時間不宜過長，以免吸水潮解。D230反應相當溫和，反應溫度＜100℃，基本不會產(chǎn)生爆聚現(xiàn)象，且其分子量較大，不會揮發(fā)和水解，因此在配制過程中，D230的操作較容易，且無毒。

2.1 固化劑對變壓器中環(huán)氧樹脂低溫開裂的影響

變壓器對于低溫的環(huán)境試驗要求是-40 ℃下放置24 h。對于灌封環(huán)氧膠來說，由于固化反應前固化劑分子中有多個活潑氫，當端胺基上某個活潑氫反應后，另一個活潑氫活性大幅降低，成為二級氫。環(huán)氧基團優(yōu)先與一級氫反應，再與二級氫反應，從而形成交聯(lián)點。交聯(lián)點密度越低，固化后內(nèi)應力越少，如果沒有交聯(lián)點，則無法固化。隨著固化劑用量的增加，反應放熱劇烈，這樣一方面會造成熱應力局部集中，另一方面加速分子的熱運動，使交聯(lián)速度加快，交聯(lián)度增加，固化物線性收縮率增大，其抗裂性能也隨之下降[2]。在環(huán)氧灌注膠固化過程中，一旦發(fā)生凝膠，生成的網(wǎng)狀結構對環(huán)氧分子鏈的運動造成約束，由體積收縮造成的應力得不到松弛，產(chǎn)生收縮應力[3]。所以，這些作用力導致灌封膠會有一定的開裂機率。表2表示開裂情況，若每組中有一個樣品出現(xiàn)開裂或表面微小裂縫，則在相應的選項上打√，若沒有，則在不開裂上打√。

表2 對比開裂表

通過對比發(fā)現(xiàn)，使用D230聚醚胺的環(huán)氧比乙二胺的抗開裂性能高。由于聚醚胺分子中存在醚健，聚合反應后大大增加了其韌性。而乙二胺分子的R基中只有碳氫鍵，因而反應后的韌性低，內(nèi)應力大，在遇到不規(guī)則結構或內(nèi)外溫差大時容易出現(xiàn)開裂；另一方面，乙二胺由于分子鏈短，端基活性強，反應速率高，反應放熱劇烈，易造成局部熱應力集中，容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，而聚醚胺反應溫和，不會出現(xiàn)這類現(xiàn)象。

2.2 固化劑對變壓器高溫絕緣性能的影響

常溫下環(huán)氧樹脂絕緣，但變壓器工作時會產(chǎn)生高溫，隨著溫度的升高，環(huán)氧的絕緣值會下降。所以在測量該樣品時，按變壓器的檢驗標準，將灌封好的變壓器放入烘箱加溫，測量105℃下4 h每組樣品的平均絕緣值。通過絕緣的對比，雖然乙二胺的絕緣值高于聚醚胺，但兩種固化劑都能滿足變壓器的絕緣要求（105℃環(huán)境4 h，絕緣值大于2 MΩ）。聚醚胺的絕緣值略低的原因是該分子中的醚鍵增加了柔性基團所致。

圖3 各組高溫絕緣情況

2.3 固化劑對變壓器擊穿電壓的影響

由于變壓器工作時使用的是交流電，測試完直流電的絕緣后，對兩種灌封膠的交流電抗擊穿效果進行試驗。采用高壓2000 V的交流電進行試驗，實驗結果見表3，6組樣品都通過了高壓擊穿試驗。

表3 擊穿電壓試驗表

3 結論

環(huán)氧灌封膠對變壓器的影響主要通過上述幾個試驗來完成。實驗數(shù)據(jù)的對比結果表明，兩種灌封膠都能滿足其作為變壓器灌封的需求。多胺類的固化劑絕緣效果更好；聚醚胺類固化劑的抗開裂性能更佳。而對于變壓器的工藝以及使用效果來說，灌封膠的低溫開裂是一個比較容易出現(xiàn)的問題，因此，聚醚胺類固化劑更適合用于變壓器灌封。