新能源汽車用高導(dǎo)熱環(huán)保型絕緣樹脂的制備與性能

王亞飛，劉 靜，方 輝，李 洋

應(yīng)用研究

新能源汽車用高導(dǎo)熱環(huán)保型絕緣樹脂的制備與性能

王亞飛1,2，劉 靜1，方 輝1，李 洋1,2

（1. 湖北長海新能源科技有限公司，武漢 436070；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

采用原位聚合的方式，在合成不飽和聚酯亞胺樹脂的過程中，混入高導(dǎo)熱納米材料，并配制成高導(dǎo)熱環(huán)保型絕緣樹脂。通過與直接物理攪拌混入高導(dǎo)熱納米材料的絕緣樹脂對比發(fā)現(xiàn)，采用原位聚合制得的絕緣樹脂固化揮發(fā)份極低，儲存穩(wěn)定，掛漆量高，粘結(jié)強度高，電氣性能優(yōu)異，導(dǎo)熱系數(shù)達到0.45W/（m·K），具有優(yōu)異的耐ATF（Automatic Transmission Fluid）油的性能，可應(yīng)用于新能源汽車驅(qū)動電機領(lǐng)域。

原位聚合 高導(dǎo)熱 耐ATF油

0 引言

隨著國家對新能源汽車產(chǎn)業(yè)的大力支持發(fā)展，新能源汽車電機用絕緣樹脂液迎來了機遇。絕緣系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠是電機安全運行和使用的重要保障。由于新能源汽車驅(qū)動電機在運行過程中通常會頻繁啟動、變速、變矩，導(dǎo)致其工作溫度高、機械振動強，這對新能源汽車電機用絕緣樹脂的性能提出了更高的要求，要求浸漬樹脂具有更高的機械強度、耐熱性能和導(dǎo)熱性能[1-2]，另一方面，新能源汽車驅(qū)動電機通常采用ATF油進行冷卻，這就要求絕緣樹脂具有優(yōu)良的耐ATF油性能，絕緣樹脂的穩(wěn)定可靠成為電機安全可靠運行的重要保障。因而在保證絕緣性能的前提下同時具備高導(dǎo)熱、高耐熱、耐ATF油性能成為研究的重點。在不飽和樹脂中引入酰亞胺基團制備不飽和聚酯亞胺樹脂，能夠有效提高其耐熱性[3-6]，由于具有更高的耐熱等級，不飽和聚酯亞胺類絕緣樹脂在歐洲風力發(fā)電機領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[7-10]。

采用原位聚合的方式，在合成不飽和聚酯亞胺的過程中混入高導(dǎo)熱納米材料，配制成環(huán)保型低揮發(fā)絕緣樹脂，進行綜合性能測試，并與采用直接物理攪拌混入高導(dǎo)熱納米材料配制的絕緣樹脂進行對比，研究不同混入方式制備的絕緣樹脂性能。

1 實驗

1.1 原材料

鄰苯二甲酸酐、順丁烯二酸酐、三丙二醇、亞胺醇，工業(yè)級；甲基丙烯酸芐基酯，工業(yè)級；過氧化二異丙苯，工業(yè)級；對苯二酚，工業(yè)級；納米三氧化二鋁，工業(yè)級；微米三氧化二鋁，工業(yè)級。

1.2 制備工藝

高導(dǎo)熱環(huán)保型絕緣樹脂的合成：在裝有溫度傳感器、攪拌器、冷凝管的四口燒瓶中，一次性加入計量的鄰苯二甲酸酐、順丁烯二酸酐、三丙二醇、亞胺醇與納米三氧化二鋁，經(jīng)過2h回流后加入微米三氧化二鋁，繼續(xù)升溫至160 ～ 200℃的常壓蒸餾4h，再經(jīng)3h減壓蒸餾，酸值低于30mgKOH/g時停止反應(yīng)，降溫至80℃以下，加入一定量的對苯二酚和甲基丙烯酸芐基酯、過氧化二異丙苯，得到高導(dǎo)熱環(huán)保型絕緣樹脂。

1.3 性能測試

采用耐馳公司STA 449 F3 Jupiter熱分析儀對絕緣樹脂的固化物進行TGA測試，測定絕緣樹脂固化物的熱穩(wěn)定性，升溫速率為5℃/min。

按GB/T 15022.2-2017《電氣絕緣用樹脂基活性復(fù)合物試驗方法》測試絕緣樹脂的粘度、固化揮發(fā)分、凝膠時間、電氣強度。按JB/T 1544-2015規(guī)定測試粘結(jié)強度。按GB/T 11028-1999中扭絞線圈法測試掛漆量和粘結(jié)強度，線圈一次浸漆后計算掛漆量，二次反浸后利用萬能材料拉力機進行3點彎曲試驗，固化工藝均為160℃3h。按GB/T 29313-2012測試絕緣樹脂的導(dǎo)熱系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 原位聚合對絕緣樹脂性能的影響

為了確定混入三氧化二鋁的方式對絕緣樹脂的影響，通過固定不飽和聚酯亞胺的合成過程中組分與工藝不變，分別采用原位聚合的方式和物理攪拌混入三氧化二鋁制備絕緣樹脂Ⅰ和絕緣樹脂Ⅱ，分別測試粘度、貯存穩(wěn)定性、粘結(jié)強度和導(dǎo)熱系數(shù)。

2.1.1粘度與貯存穩(wěn)定性

納米三氧化二鋁的添加會顯著提高絕緣樹脂的粘度，其分散性越好，對絕緣樹脂的增粘效果越明顯。從表1可以看出，通過原位聚合制得的絕緣樹脂Ⅰ的粘度要高于采用物理攪拌制得的絕緣樹脂Ⅱ，表明三氧化二鋁在絕緣樹脂Ⅰ的分散性更好。

將絕緣樹脂Ⅰ和Ⅱ進行50℃下閉口貯存穩(wěn)定性試驗，其粘度增長倍數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。結(jié)果顯示，在50℃密閉貯存條件下，兩種方式制得的絕緣樹脂的粘度增長速度都非常緩慢，貯存20天后，3種自制浸漬漆的粘度增長倍數(shù)仍較小，表明兩種樹脂均具有優(yōu)異的貯存穩(wěn)定性，但是絕緣樹脂Ⅱ在20的貯存穩(wěn)定性，但是通過原位聚合制得的絕緣樹脂Ⅰ中三氧化二鋁的分散性更好，不易沉降。

表1 粘度

表2 粘度增長倍數(shù)

2.1.2掛漆量和粘結(jié)強度

新能源汽車電機在運行過程中通常需要頻繁啟動、變速、變矩，機械振動強，這就要求絕緣樹脂在浸漬過程中具有較高的掛漆量和粘結(jié)強度。較高的掛漆量能夠保障絕緣樹脂有效填充在線圈繞組中，在減少絕緣缺陷的同時，使得線圈繞組成為牢固的整體，提高可靠性，防止電機在運行過程中由于頻繁振動導(dǎo)致線圈繞組松動散開進而燒蝕失效。較高的掛漆量通常會帶來更高的粘結(jié)強度，從而進一步提升電機的可靠性和穩(wěn)定性。

從表3可以看出，絕緣樹脂Ⅰ和絕緣樹脂Ⅱ均具有較高的掛漆量，一方面由于絕緣樹脂Ⅰ和絕緣樹脂Ⅱ的粘度較大，在固化過程中附著力強，流失率較少。另一方面，由于納米材料的加入使絕緣樹脂具有觸變性，能夠進一步提高絕緣樹脂在扭絞線圈上的附著力，從而提升掛漆量。絕緣樹脂Ⅰ中三氧化二鋁的分散性更好，使得其掛漆量優(yōu)于絕緣樹脂Ⅱ，其粘結(jié)強度也高于絕緣樹脂Ⅱ。

2.1.3熱性能

圖1是為固化后的絕緣樹脂Ⅰ與絕緣樹脂Ⅱ的TGA曲線。從圖1可以看出，兩種絕緣樹脂的TGA曲線相似，其起始分解溫度較為接近，納米三氧化二鋁的添加方式對絕緣樹脂的熱性能影響較小。由于具有酰亞胺基團，兩種絕緣樹脂的起始分解溫度均較高，達到350℃以上，具有優(yōu)異的耐熱性能，能夠滿足新能源汽車電機對耐熱性的要求。

表3 掛漆量和粘結(jié)強度

圖1 熱失重曲線對比

表4 熱失重數(shù)據(jù)

2.1.4 導(dǎo)熱系數(shù)

隨著新能源汽車驅(qū)動電機逐漸向高功率密度化和小型輕量化發(fā)展，電機運行過程中單位體積內(nèi)產(chǎn)生的熱量急劇升高，過高的溫升可能會導(dǎo)致絕緣過早老化失效，造成電機燒蝕。一般來說，每超過額定溫度2℃，電子器件的可靠性降低10%；絕緣材料的溫度每提升6℃，絕緣老化速度提升一倍。提高絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)，能夠顯著提升電機的散熱能力，降低溫升，從而提升絕緣系統(tǒng)的壽命。由表5可以看出，絕緣樹脂Ⅰ的導(dǎo)熱系數(shù)顯著高于絕緣樹脂Ⅱ，說明納米三氧化二鋁在絕緣樹脂Ⅰ中分散性更優(yōu)，能夠有效形成導(dǎo)熱“通道”，有助于降低新能源驅(qū)動電機的溫升，從而提升電機的可靠性和壽命。

2.1.5 其他常規(guī)性能

由表6可以看出，采用不同方式加入納米三氧化二鋁制得的絕緣樹脂Ⅰ和絕緣樹脂Ⅱ均具有良好的工藝性和電氣性能，固化揮發(fā)份極低，環(huán)保優(yōu)勢明顯，能夠滿足新能源汽車驅(qū)動電機的使用要求。

表5 導(dǎo)熱系數(shù)

2.2 耐ATF油性能

目前主流新能源汽車驅(qū)動電機通常采用ATF油冷型電機，絕緣材料會在高低溫條件下與ATF油長期接觸，極端條件下ATF油中會含有少量的水，這就要求絕緣樹脂具有良好的耐ATF油性能。

將采用絕緣樹脂Ⅰ制備的澆鑄片和扭絞線圈浸泡在含有99.5%ATF油和0.5%水的混合溶劑中進行冷熱沖擊試驗，每個試驗周期包括155℃40 h和-45 ℃8 h，共進行8個周期，測試冷熱沖擊前后的外觀、電氣強度、體積電阻率和粘結(jié)強度。

表6 凝膠時間、體積電阻率和電氣強度

表7 耐ATF油試驗

由表7可以看出，經(jīng)過8個周期的冷熱沖擊試驗，樣件在試驗前后的性能基本沒有變化，具有良好的耐ATF油性能，能夠滿足新能源汽車ATF油冷型驅(qū)動電機的使用要求。

3 結(jié)論

本文采用原位聚合的方式制備含有納米三氧化二鋁的新能源汽車電機用高導(dǎo)熱環(huán)保型絕緣樹脂，并與采用物理攪拌混入納米三氧化二鋁的絕緣樹脂進行對比，經(jīng)對比研究，主要結(jié)論如下：

1）采用原位聚合制備的絕緣樹脂中三氧化二鋁的分散性更好，具有更好的貯存穩(wěn)定性，掛漆量和粘結(jié)強度優(yōu)勢顯著。

2）采用原位聚合制備的絕緣樹脂的耐熱性與采用物理攪拌制備的絕緣樹脂相當，但導(dǎo)熱系數(shù)顯著高于后者，達到0.45 W/（m·K）。

3）采用原位聚合制備的絕緣樹脂具有優(yōu)異的耐ATF油性能，在經(jīng)歷8個周期的冷熱沖擊試驗后，電氣強度和機械性能均未發(fā)生明顯變化。

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Preparation and properties of high thermal conductivity and environmental protection insulating resin for new energy vehicles

Wang Yafei1,2, Liu Jing1

(1. Hubei Greatsea New Power Technology Co., Ltd., Wuhan 436070, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TQ225.24

A

1003-4862（2022）10-0044-04

2021-12-10

王亞飛（1990-），男，工程師。研究方向：絕緣化工材料。E-mail：465400187@qq.com