變壓器用改性丁腈橡膠密封圈熱氧老化性能測(cè)試研究

張敬敏 高濤 聶其貴

摘 要：為提高電力變壓器線圈材料的密封安全性和耐久性，采用2種炭黑（N330、N650）和不同含量增塑劑對(duì)丁腈橡膠線圈材料進(jìn)行改性試驗(yàn)，并研究其密封性能。結(jié)果表明，添加炭黑N330時(shí)，線圈材料的交聯(lián)程度更高，在熱氧老化試驗(yàn)前后的拉伸強(qiáng)度性能較好，斷裂伸長率良好，并且耐油體積變化率低于4%，耐油性能良好。TOTM增塑劑的最佳添加量為8%～12%，此時(shí)，線圈材料的耐熱氧老化性以及耐油性較好。當(dāng)添加炭黑N330、12% TOTM增塑劑制備丁腈橡膠線圈材料時(shí)，線圈材料在極寒環(huán)境下服役1年后的綜合性能較好。

關(guān)鍵詞：線圈材料；炭黑；增塑劑；丁腈橡膠；密封性

中圖分類號(hào)：TQ333.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）11-0102-04

Study on thermal oxygen aging performance of modified nitrile rubber sealing ring for transformer

ZHANG Jingmin1，GAO Tao2，NIE Qigui3

（1.Shandong Jining Shengdi Electric Industry Group Co.，Ltd.，Jining? 277600，Shandong China;

2.State Grid Shandong Electric Power Company Weishan County Power Supply Company， Jining 277600，Shandong China;

3.State Grid Shandong Electric Power Company Electric Power Science Research Institute， Jinan 250003，China

）

Abstract：In order to improve the sealing safety and durability of power transformer coil material，the nitrile rubber coil material was modified withtwo types of carbon black （N330，N650） and plasticizers with different contents，and its sealing performance was studied.The experimental results showed that when carbon black N330 was added，the coil material had higher crosslinking degree，better tensile strength and good elongation at break before and after hot oxygen aging test，and the oil resistance volume change rate was less than 4%，indicating good oil resistance.The optimal addition range of plasticizer TOTM was 8%～12%，under this condition，the coil material hadgood heat，oxygen aging，and oil resistance.When carbon black N330 and 12% plasticizer TOTM wereadded to prepare nitrile rubber coil material，the overall performance of the coil material was better after one year of service in extremely cold environments.

Key words：coil material;carbon black;plasticizers;nitrile rubber;sealing performance

受到服役環(huán)境中低溫、油性物質(zhì)侵蝕等影響，電力變壓器的線圈材料安全性降低，性能不斷下降［1-2］。對(duì)此，許多學(xué)者進(jìn)行了研究。如對(duì)變壓器常用的丁腈橡膠和氟橡膠線圈材料的密封性能進(jìn)行研究［3］。通過添加炭黑、碳酸鈣等材料對(duì)丁腈橡膠類密封材料的性能進(jìn)行改性，并研究其耐熱密封性能［4］。在不同硫化體系條件下，對(duì)丁腈橡膠線圈材料的性能進(jìn)行研究［5］?；诖耍囼?yàn)采用2種炭黑（N330、N650）和不同含量環(huán)保性增塑劑偏苯三酸三辛酯（TOTM），對(duì)丁腈橡膠線圈材料進(jìn)行改性，制備一種可用于電力變壓器的密封線圈材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：丁腈橡膠（工業(yè)純，廣州市雙力橡膠）；炭黑N330（工業(yè)純，天津天一世紀(jì)化工）；炭黑N650（工業(yè)純，山東萬化天合新材料）；防老劑RD（工業(yè)純，廣州市雙力橡膠原料）；防老劑BLE（工業(yè)純，濟(jì)南彬琪化工）；硬脂酸（工業(yè)純，石家莊市佐松化工）；氧化鋅（AR，鄭州鑫科化工）；增塑劑TOTM（工業(yè)純，廣州和盛化工）；硫黃（工業(yè)純，上海攀仞國際貿(mào)易）；促進(jìn)劑TBzTD（工業(yè)純，高邑縣利和化工）。

主要設(shè)備：RD1020型電子天平（深圳市榮達(dá)儀器）；CREE-6015型開煉機(jī)（東莞市科銳儀器）；LR-LHY-382型無轉(zhuǎn)子硫化儀（東莞市立人儀器）；30T型平板硫化機(jī)（邢臺(tái)市三重星機(jī)械）；W101-1型真空干燥箱（江西龍中機(jī)械設(shè)備）；JITAI-S10KN型電子多功能試驗(yàn)機(jī)（北京吉泰科儀檢測(cè)設(shè)備）；PCT-08型熱氧老化箱（蘇州江凱機(jī)械設(shè)備）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 線圈材料配合比

試驗(yàn)以丁腈橡膠（NBR）為主要原料制備線圈材料，在基礎(chǔ)配合比的基礎(chǔ)上，采用2種炭黑（N330、N375）、不同增塑劑（TOTM）含量進(jìn)行改性，其中，線圈材料基礎(chǔ)配合比見表1［6-7］。

1.2.2 線圈材料的制備

（1）按照表1中的基礎(chǔ)配合比情況，用電子天平稱取適量的線圈原材料，備用；

（2）將適量的丁腈橡膠加入到開煉機(jī)中，進(jìn)行塑煉破膠，直到丁腈橡膠將輥軸均勻包裹，其中，開煉機(jī)的輥距小于1 mm；

（3）向開煉機(jī)中加入適量的防老化劑RD、BLE，并按照試驗(yàn)需要加入不同含量的增塑劑TOTM，等待一段時(shí)間后，繼續(xù)加入適量的硬脂酸、氧化鋅以及促進(jìn)劑TBzTD，進(jìn)行混煉處理；

（4）分多次向開煉機(jī)中加入適量的炭黑N330或N650，每次加入炭黑后需等待一段時(shí)間，直到吃粉完成后，在左右3/4進(jìn)行割刀；

（5）將適量的硫黃添加到開煉機(jī)中，在左右進(jìn)行3次割刀。然后將輥距調(diào)小，進(jìn)行薄通處理6次，再提高輥距，進(jìn)行排氣處理，最后出片；

（6）將出片后的材料在室溫環(huán)境下停放12 h，獲得混煉膠。然后在170 ℃、12 MPa的條件下，通過平板硫化機(jī)將混煉膠硫化成型；

（7）設(shè)置真空干燥箱為恒溫200 ℃，將硫化處理后的試樣放到其中，再次進(jìn)行硫化處理4 h。之后在室溫環(huán)境下放置12 h，裁樣，備用，獲得線圈材料試樣。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 硫化性能

通過無轉(zhuǎn)子流變儀對(duì)混煉膠進(jìn)行測(cè)試，分析其170 ℃×15 min硫化曲線情況。

1.3.2 拉伸試驗(yàn)

通過拉力機(jī)以500 mm/min的速度，對(duì)試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，分析材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率。

1.3.3 熱氧老化性能

將線圈材料試樣在恒溫100 ℃環(huán)境下放置72 h，進(jìn)行熱氧老化試驗(yàn)，并在熱氧老化前后，使用試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣性能進(jìn)行測(cè)試。

1.3.4 耐油性能

在恒溫100 ℃環(huán)境下，將線圈材料試樣在903 # 油中浸泡72 h。通過測(cè)試材料在耐油試驗(yàn)中的體積變化情況，分析材料的耐油性能［8］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同炭黑種類的影響

2.1.1 硫化特性

試驗(yàn)的主要原料是丁腈橡膠（NBR），因此，該混煉膠的硫化過程為丁腈橡膠線性大分子結(jié)構(gòu)中的活性點(diǎn)與添加的硫黃等交聯(lián)劑進(jìn)行反應(yīng)，從原本的線性大分子結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻宦?lián)結(jié)構(gòu)［9］。因此，試驗(yàn)對(duì)兩種炭黑（N330、N650）改性方式的線圈材料混煉膠進(jìn)行測(cè)試，分析其硫化性能，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)炭黑N330以及炭黑N650對(duì)線圈材料進(jìn)行改性時(shí)，各材料的焦燒時(shí)間（t10）差別較小，并且正硫化時(shí)間（t90）比較接近，因此，硫化速率（t90-t10）的數(shù)值差別不大。這表明，在線圈材料混煉膠硫化速率方面，炭黑的種類的作用效果較小。

然而，在混煉膠的交聯(lián)程度（MH-ML）方面，2種炭黑改性方式下的最低轉(zhuǎn)矩ML差別較小，最高轉(zhuǎn)矩MH存在一定差異。由表2可得，經(jīng)過炭黑N330改性的線圈材料混煉膠的交聯(lián)程度較大。這表明，在線圈材料的改性過程中，隨著炭黑粒徑的增大，材料交聯(lián)程度降低。綜上，當(dāng)使用炭黑N330進(jìn)行改性時(shí)，材料的交聯(lián)程度更高。

2.1.2 耐熱氧老化

耐熱氧老化性能結(jié)果如圖1所示。

由圖1（a）可知，在熱氧老化試驗(yàn)前，經(jīng)過炭黑N330、N650改性的線圈材料的拉伸強(qiáng)度分別為23.3、16.2 MPa，而在熱氧老化試驗(yàn)后，2種炭黑N330、N650改性方式的線圈材料拉伸強(qiáng)度均降低，分別為19.8、14.1 MPa，降低幅度分別是15.0%、13.0%。在經(jīng)熱氧老化試驗(yàn)后，線圈材料的拉伸強(qiáng)度降低，但炭黑種類對(duì)拉伸強(qiáng)度降幅的影響差別較小。這說明在熱氧老化試驗(yàn)前后，經(jīng)過炭黑N330改性的線圈材料具備較好的拉伸強(qiáng)度。

由圖1（b）可知，在斷裂伸長率方面，在經(jīng)過熱氧老化試驗(yàn)之后，炭黑N330和炭黑N650改性線圈材料的斷裂伸長率均出現(xiàn)下降的變化。在熱氧老化試驗(yàn)前，經(jīng)過炭黑N330、N650改性的線圈材料斷裂伸長率分別為362%、379%；而在熱氧老化試驗(yàn)后，經(jīng)過炭黑N330、N650改性的線圈材料斷裂伸長率分別降至258%、286%，降幅分別為28.7%、24.5%。由此可見，與炭黑650改性相比，添加炭黑N330改性的線圈材料的耐熱氧老化性能較低，但差別較小。

2.1.3 耐油性能

分別為2種炭黑N330、N650改性方式的線圈材料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在耐油試驗(yàn)后，經(jīng)過炭黑N330、N650改性的線圈材料體積變化率分別為3.6%、3.8%。這表明，2種炭黑改性的線圈材料的耐油體積變化程度均較小，密封性較好，其中，炭黑N650改性的線圈材料的耐油性能優(yōu)于炭黑N330改性的線圈材料。

2.2 不同增塑劑含量的影響

試驗(yàn)制備的線圈材料以丁腈橡膠為主要材料。由于丁腈橡膠耐低溫性較差，通常添加增塑劑提高其耐低溫性［14］。為此，試驗(yàn)選擇在線圈材料中添加炭黑N330，并加入不同含量的增塑劑TOTM。并在保證材料在低溫環(huán)境不開裂的情況下，研究不同增塑劑含量對(duì)其密封性能的影響。

2.2.1 耐熱氧老化

耐熱氧老化性能結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可知，隨著線圈材料中添加的增塑劑TOTM含量不斷增多，線圈材料在熱氧老化試驗(yàn)后的拉伸強(qiáng)度變化率不斷提高。由圖3（b）可知，當(dāng)線圈材料中的增塑劑TOTM含量增多時(shí)，線圈材料在熱氧老化試驗(yàn)前后的斷裂伸長率變化率呈現(xiàn)出先降低后升高的變化。當(dāng)增塑劑TOTM的含量在8%～16%時(shí)，線圈材料在熱氧老化試驗(yàn)前后的斷裂伸長變化率較低。這表明，當(dāng)增塑劑TOTM的含量在8%～16%時(shí)，線圈材料的耐熱氧老化性較好。

2.2.2 耐油性能

試驗(yàn)對(duì)添加不同含量增塑劑TOTM的線圈材料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)線圈材料中添加的增塑劑TOTM含量不斷增多時(shí)，線圈材料在耐油試驗(yàn)前后的體積變化率不斷上升。當(dāng)線圈材料中添加的增塑劑TOTM含量為4%時(shí)，耐油體積變化率為5.5%；當(dāng)增塑劑TOTM含量增加到20%時(shí)，耐油體積變化率上升至9.8%，對(duì)比4%TOTM時(shí)增幅為78.2%。綜上，增塑劑TOTM的添加會(huì)降低線圈材料的耐油性能，因此，當(dāng)添加的增塑劑TOTM含量小于或等于12%時(shí)，材料的耐油性能良好。

2.3 實(shí)際應(yīng)用效果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)選擇炭黑N330以及12%增塑劑TOTM對(duì)丁腈橡膠線圈材料進(jìn)行改性，制備一種用于電力變壓器的密封線圈材料。為研究該材料的實(shí)際應(yīng)用效果，試驗(yàn)對(duì)線圈材料在極寒環(huán)境下服役1年時(shí)間前后的性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，試驗(yàn)制備的電力變壓力線圈材料在極寒環(huán)境下服役1年時(shí)間前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較接近。同時(shí)，在楊氏模量方面，經(jīng)過極寒環(huán)境下服役1年后，線圈材料的楊氏模量有一定程度降低，但彈性依然較好。在極寒環(huán)境服役1年的過程中，線圈材料會(huì)受到低溫、磨損、油浸等影響，由于該線圈材料以丁腈橡膠為主要材料基體，油性介質(zhì)會(huì)不斷進(jìn)入到丁腈橡膠的分子鏈中，引起材料溶脹，出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，從而發(fā)生表面裂紋，性能下降。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在經(jīng)過極寒環(huán)境服役1年時(shí)間后，該線圈材料的性能依舊保持良好。

3 結(jié)語

（1）試驗(yàn)以丁腈橡膠為主要材料制備了一種電力變壓器線圈材料，添加炭黑N330時(shí)，線圈材料的交聯(lián)程度更高;

（2）提高炭黑的粒徑，可以增強(qiáng)線圈材料的耐熱氧老化性能。但添加炭黑N330時(shí)材料在耐熱氧老化試驗(yàn)前后的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率較高;

（3）兩種炭黑改性的線圈材料的耐油性能均較好，密封性良好;

（4）當(dāng)添加的增塑劑TOTM在8%～12%時(shí)，線圈材料的耐熱氧老化性能、耐油性能較好，此時(shí)，該線圈材料具備良好的密封性能;

（5）試驗(yàn)以炭黑N330、12%增塑劑TOTM制備丁腈橡膠線圈材料，該材料在極寒環(huán)境下服役1年后依然具備良好的綜合性能，密封性良好。

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收稿日期：2023-06-20；修回日期：2023-09-20

作者簡(jiǎn)介：張敬敏（1978-），男，高級(jí)工程師，主要從事電氣自動(dòng)化、電網(wǎng)設(shè)備檢修與電工材料檢測(cè)研究；E-mail：858656188@qq.com。

引文格式：張敬敏，高 濤，聶其貴.變壓器用改性丁腈橡膠密封圈熱氧老化性能測(cè)試研究［J］.粘接，2023，50（11）：102-105.