耐高温绝缘层压材料现状及发展建议[业界材料]

1、我国耐高温绝缘层压材料现状及发展建议刘 锋，许自贵，赵 平（四川东材企业集团公司，四川 绵阳 621000）摘要：本文介绍了我国耐高温绝缘层压材料现状以及现有工业化生产的F级以上绝缘层压材料的性能特点，和耐热性评定的方法,并对耐高温绝缘层压材料产品的发展提出了一些建议，以期抛砖引玉，供用户和有关人员参考。关键词：耐高温 绝缘层压材料 现状 发展建议The current status & advice on development of insulating laminates with high temperature rating in ChinaLiu feng， Xu zi-gui，Z

2、hao ping (Sichuan Dongfang insulating material CO., LTD，Shichuan Mianyang，612000)Abstract: This paper introduces the current status of development of high temperature rating insulating laminates in China, and the properties, characteristic and method for evaluating the temperature index of insulatin

3、g laminates with temperature index rating above F-class under industrial production. It also presents some advice on development and production, hope be of certain help to manufacturers and users.Key words: High temperature ratingInsulating laminatescurrent statusadvice on development中图分类号： 文献标识码：A

4、文章编号：1009-9239（2005）06-0056兰花书屋1 前言 近年来，随着干式变压器行业的高速发展和电机行业（高速机车牵引电机、大电机、特种电机）向小型化、轻量化、高效能化的发展，对耐高温绝缘材料（本文所指耐高温绝缘材料是指长期工作温度在155以上的F、H、C级以及更高温度等级的绝缘材料）的需求日益增加。绝缘材料行业自1980年代以来也先后开发了数种类型的F、H和C级绝缘层压材料以满足电机、电器工业的需求。然而也有一部分企业以好充次在市场推出了一些实际上并没有达到高耐温等级的绝缘层压材料，甚至在一些地区还出现了以3240层压板冒充H级层压板的现象。这些现象严重扰乱了正常的市场秩序，有

5、的产品甚至在干式变压器行业产生了及其恶劣的影响，干扰了我国电机、电器工业、绝缘材料行业的正常发展。因此本文试图对我国耐高温绝缘层压材料现状以及现有工业化生产的F级以上绝缘层压材料的性能特点和耐热性评定方法作一个简单的介绍，并对耐高温绝缘层压材料产品的发展提出了一些建议，以期抛砖引玉，供用户和有关人员参考。2 耐高温绝缘层压材料的基本特点和评定方法2.1 什么是绝缘材料的耐热性所谓耐热性，就是指材料对热作用的抵抗能力， 即在高温下，材料内部结构，外观形状和性能保持不变的能力。严格地讲，又分为短期耐热性和长期耐热性。短期耐热性是材料短暂地处于高温下软化变形及一些性能指标的变化情况，常用热变形温度，

6、马丁耐热温度，热弹性、热稳定性，软化点、和热态性能(如热态弯曲强度、热态击穿电压等)来表示绝缘材料的短期耐热性，对高分子材料又常量用熔点(Tm)、玻璃化温度(Tg)、热分解温度(Td)来表示。短期的耐热性通常称谓耐热性。长期耐热性是指材料长时间处于高温热作用下，它的性能随时间发生不可逆变坏的情形。所以又称热老化性能。通常用热寿命、温度指数 (TI)等表示。也可直接用热失重来表示。热寿命是按规定的热老化试验方法，材料达到失效的叫问。TI是对应于绝缘材料热寿命上给定时间(通常为200000小时)的摄氏温度值。 因此耐热性特别是长期耐热性反映了材料的本质性能。耐热性本身不但是一个衡量材料的重要指标，

7、它也与其他指标密切相关，在一定程度上影响和规定着其他一些性能指标。耐热性好的材料，热态下的机电性能和耐污染腐蚀性能好，经过长期热老化机电性能下降的幅度也小。2.2耐高温绝缘层压材料的基本特点和评定方法如上所述耐高温绝缘层压材料的基本特点也可用短期耐热性和长期耐热性来表述。短期耐热性及指耐高温绝缘层压材料短暂地处于高温下的热变形温度，马丁耐热温度、热稳定性，和热态性能(如热态弯曲强度、热态击穿电压等)等，一般认为作为F、H、C级以及更高温度等级的绝缘层压材料其热变形温度应该在250以上，热态机械强度保持率在其长期使用温度条件下达到50%甚至更高。耐高温绝缘层压材料长期耐热性的评定 必须在规定温度

8、下按照规定的老化试验方法来进行评定，过去国内外长期沿用的试验方法是常规老化法（CA），但常规老化试验要一年左右的时间，要消耗大量的人力和物力，这对新型绝缘材料的推广应用是不利的。为了减少试验时间国际上对于快速老化评定方法的研究已进行了40余年，国内已报道的快速法有30多种,经过长期的理论分析及试验验证目前最常实用的是热重点斜法（TPS）。TPS采用统计数学的方法在热重分析（TG）,与CA之间建立了定量的关系式,具有较好的重复性与实用性。因此要判定耐高温绝缘层压材料的温度指数必须采用CA或TPS对其进行了老化评定，绝缘材料生产厂在向用户推荐耐高温绝缘层压材料时应提供有关的热老化评定报告。3 耐高

9、温层压材料的树脂体系和性能特点页：2正文二级标题的编号和标题，黑体大字，顶格。如果还有三级标题，请用3.1.1、3.1.2,3.1.3等来编号标题，顶格。一般不要再用四级标题，三级标题以下的段落要编号请用（1），（2），（3）等来编号，缩进两格。3.1耐高温层压材料的常用树脂体系高分子聚合物是耐高温绝缘层压材料的基础物质，各类耐高温绝缘层压材料的耐热性主要取决于聚合物的耐热性。表1列出了常用的制备玻璃布层压板的常用基体树脂的特点及其使用温度。表1制备玻璃布层压板的常用基体树脂及其特性树脂种类特 性最高使用温度（）三聚氰胺树脂阻燃性好，耐电弧性优异100130酚醛树脂机械、电气性能较好10513

10、0聚酯树脂机械、电气性能较好130155环氧树脂机械、电气性能优异130180聚酯亚胺树脂机械、电气性能、耐热性能较好150170聚胺-酰亚胺树脂优异机械、电气性能、耐辐射性，高温下机械、介电性能保持率高。180200聚酰亚胺树脂优异的机械、电气性能，特别是高温、高辐射剂量下能够长期保持其机械、电气性能。180220二苯醚树脂良好的耐高温、耐辐射性，较高的性能价格比。180有机硅树脂优异的耐高低温性、耐老化性以及良好的耐水性。180苯并噁嗪树脂耐热性好、耐磨、耐化学性优异，无卤阻燃、热态机械强度保持率高。150200氰酸酯树脂高耐热、低介损，具有优异的耐辐射、耐水性、耐化学药品性。180220

11、表1中所列的树脂种类和最高使用温度只是根据树脂的基本特性提供的参考，不同的参考文献、教科书介绍的耐热性数据不同，这是由于同一类树脂的改性方法、结构组成、制备加工和热老化性能的测试方法有所差异所致，因此要具体确定耐高温绝缘层压材料的温度指数，还必须经过严格认真的耐热性评定。3.2常用耐高温层压材料的性能特点下面按照常用的耐高温树脂体系分别对常用耐高温层压材料的性能特点作简单的介绍3.2.1 F级层压玻璃布板的种类及性能 目前作为F级绝缘层压材料的树脂体系主要是环氧树脂体系和苯并噁嗪树脂体系，以及其它树脂（如聚酯亚胺树脂、环氧改性的间苯二酚树脂等）体系。其中环氧树脂具有优异的机械、电气性能，粘合性

12、强，收缩率小，耐热性能良好，化学稳定性好。随着环氧树脂的种类以及固化剂的不同可以制成不同耐热等级的玻璃布层压板。F级环氧玻璃布层压板主要采用环氧树脂为主体，芳香族二元胺为固化剂的体系。苯并噁嗪树脂是近年来开发的一种新型耐热树脂体系，它和环氧树脂一样具有很强的分子可设计性，可根据所选用的原材料不同合成具有不同性能特点的FC级的绝缘树脂，且材料来源广泛，固化过程中无小分子放出，固化工艺性好。其绝缘层压产品具有很高的热态机械强度保持率。目前我国F级绝缘层压材料的主流产品主要有以下几种：F级高强度环氧玻璃布层压板、F级高强度无卤阻燃层压玻璃布板和按照IEC标准生产的EPGC203、EPGC204环氧玻

13、璃布层压板等。其主要特点和用途如表2所示，主要性能指标如表3所示。表2 F级层压玻璃布板的主要品种与特点产品名称性 能 特 点EPGC203 环氧板具有优异的的机械性能和电气性能，尤其是受潮后仍然保持了极好的电器性能。EPGC204环氧板与EPGC203相同，但具有阻燃性。F级无卤阻燃板具有高的热态机械强度保持率及高的性价比，耐磨性、耐腐蚀性好，无卤阻燃。高强度环氧板具有优异的机械性能和电气性能。3.2.2 H级层压玻璃布板的种类及性能自1970年代以来我国就开始了H级绝缘层压材料的生产，最早问世的产品是3253聚胺-酰亚胺玻璃布层压板，随后又有有机硅玻璃布层压板等产品先后投入市场。聚胺-酰亚

14、胺玻璃布层压板具有高表3 F级玻璃布层压板的性能产品名称性 能EPGC203 环氧板EPGC204环氧板 F级无卤阻燃板高强度环氧板密度g/cm31.71.91.71.91.71.91.71.9弯曲强度 (Mpa)常态340340400340热态170170250170拉伸强度MPa300300300300冲击强度（kJ/m2）37373737粘合力 (N)6500650065006500垂直燃烧性(级)FV0FV0绝缘电阻(M)常 态 1.01061.01061.01061.0106浸水后5.01045.01041.01021.0102介质损耗因数(1MHz)0.040.040.050.05

15、 介电常数5.55.55.55.5垂直层向介电强度(2mm板，MV/m)20202020平行层向击穿电压 (kV)35353035有高的耐热性，优异的物理、机械性能及耐辐射性能。但由于原材料成本较高，市场推广受到了一定的限制。有机硅玻璃布层压板虽然具有较好的耐热性、耐老化性以及良好的耐水性。但由于机械加工性差，材料成本高也逐步退出了市场。而H级绝缘层压材料的高速发展是在1990年代末，随着高速电力机车、非包封式干式变压器的发展，绝缘材料行业相继开发了改性二苯醚玻璃布层压板、H级无卤阻燃高强度玻璃布层压板等质优价廉的H级绝缘层压材料，满足了市场的需要。下面着重介绍改性二苯醚的技术发展情况。二苯醚

16、树脂是一类重要的耐高温热固性树脂，60年代由美国西屋电器公司首先开发成功，用于制造H级绝缘材料，随后日本和中国相继有商品问世，取得了广泛的应用。无论是甲氧基二苯醚还是聚二苯醚树脂均可于一定温度下在傅氏催化剂（AlCl3、SnCl4、十二烷基二苯醚磺酸等）作用下逐步缩聚成不溶不熔性聚合物，缩聚过程中不断有甲醇和水脱出，但这一过程需要较高的温度且时间较长，放出的甲醇和水不易排除，因此在作为耐高温复合材料基体树脂使用时，其成型工艺性极差，固化物交联密度低，难以形成有实际价值的产品。必须将其进行改性，以提高交联密度、获得较好成型工艺性，使其具有工业化生产的可操作性。自上世纪80年代以来，国内大专院校、

17、绝缘材料生产厂在二苯醚树脂改性方面作了大量的工作，华东理工大学焦杨声教授采用的苯酚改性二苯醚树脂的技术路线，率先实现了工业化生产。苯酚改性后的二苯醚树脂具有成本低、固化温度低等特点近年来被广泛地应用于玻璃布层压板的制备，由于该技术路线采用六次甲基四胺作为固化催化剂，层压制品存在着后处理时间长，固化时仍有大量小分子放出，制品空隙率较大、热态机械强度保持率较低、平行层向耐电压低等缺陷。近年来随着开环聚合技术的发展，一些高等院校及我公司先后开展了将开环聚合技术应用于二苯醚改性的研究工作，利用开环聚合，固化时无小分子放出、热态机械性能好的特点，对二苯醚进行改性，不采用六次甲基四胺作为固化催化剂，提高了

18、改性二苯醚树脂的热稳定性，克服了苯酚改性二苯醚树脂的上述缺陷。采用开环聚合技术制得的改性二苯醚树脂耐热性明显优于苯酚改性二苯醚树脂，两种树脂的热失重数据对比如表4所示。同时在一些大专院校也进行了氨基二苯醚树脂的合成技术研究和稀丙基化改性二苯醚树脂等进一步提高二苯醚树脂的耐热性和成型加工性的研究，经过改性后的二苯醚树脂可以制备耐热性达C级的绝缘材料。但是由于没有解决原材料的成本问题和工业化的生产技术，上述改性方法目前还没有工业化生产及应用的报道。如上所述，目前我国H级绝缘层压材料的主流产品主要有以下几种，3253聚胺-酰亚胺玻璃布层压板、改性双马来酰亚胺玻璃布层压板、H级高强度无卤阻燃玻璃布层压

19、板和改性二苯醚玻璃布层压板、高强度二苯醚玻璃布层压板等。其主要特点和主要性能指标如表5所示。表4 热失重数据对比（升温速度5/min、N2中）失重率（%）5101522253035404550温度（）开环聚合二苯醚树脂250353357385407426438450465475苯酚改性二苯醚树脂325381421469502536575605660675表5 H级玻璃布层压板的性能及特点序号指标名称3253板改性双马来酰亚胺板高强度二苯醚板苯酚改性二苯醚板无卤阻燃板2弯曲强度（MPa）常 态40048050040040018022802803202002503冲击强度（简支梁，缺口，kJ/m2

20、） 50504230374拉伸强度（MPa）3203203005平行层向剪切强度（MPa）28306粘合强度（N）650040007吸水率（%）0.10.10.10.40.18相对介电常数5.55.55.55.55.591MHz损耗因素0.030.050.050.050.05垂直燃烧性(级)FV010平行层向绝缘电阻（M）常 态1.01071.01071.01071.01061.010718021.01051.01051.01051.0105浸水24h后1.01025.01025.01021.01025.010211平行层向击穿电压（kv）35353522303.2.3 C级层压玻璃布板的种类

21、及性能根据有关文献资料报道能够用作C级及其以上耐热等级绝缘材料的高分子材料有以下几种聚酰亚胺树脂、聚芳酰胺树脂、聚恶二唑树脂等含有芳杂环基团的树脂和聚四氟乙烯树脂、氰酸酯树脂等。这些树脂或因原材料来源困难，或因成型加工性较差、成型温度太高，成本太高等原因，目前很少有批量的工业化生产。我公司“八五”期间承担的国家重点科技攻关项目“双马型聚酰亚胺航空工装模具材料及C级板、管复合材料的开发”的研制成功为绝缘行业提供了首个C级层压玻璃布板，其典型性能指标如表6所示。表6双马型聚酰亚胺玻璃布层压板的性能指 标 名 称指 标密度g/cm31.71.9弯曲强度（Mpa）常态400200200冲击强度 （简支

22、梁，无缺口kJ/m2）150介电常数 1MHz5.5损耗因数 1MHz0.03平行层向绝缘电阻（）常态11010浸水后1108介电强度（90，油中，MV/m）0.5mm-1.0mm201.1mm-2.0mm182.1mm-3.0mm16页：4正文二级标题的编号和标题，黑体大字，顶格。如果还有三级标题，请用3.2.1、3.2.2,3.2.3等来编号标题，顶格。一般不要再用四级标题，三级标题以下的段落要编号请用（1），（2），（3）等来编号，缩进两格。4发展有中国特色的耐高温绝缘层压材料的几点建议4.1尽快制定耐高温绝缘层压材料的国家标准目前作为F级绝缘层压材料的主流产品高强度环氧玻璃布层压板、F

23、级高强度无卤阻燃层压玻璃布板和作为H级绝缘层压材料的主流产品改性二苯醚玻璃布层压板生产技术已十分成熟，在大型电机、发电机上和变压器行业的应用技术也日益广泛，但由于没有一个规范的国家标准，各生产厂家技术水平参差不齐，企业标准的技术指标也有一定的差异，给用户在选用材料时带来了一定的困惑。尤其是对改性二苯醚玻璃布层压板而言，开发二苯醚板较早的生产厂家，二苯醚玻璃布层压板技术水平已达到了聚胺-酰亚胺玻璃布层压板的技术水平，而一些小企业的二苯醚玻璃布层压板根本达不到H级玻璃布层压板的最基本技术要求，因此市场上以好充次的产品给许多用户带来了较大的损失，造成了二苯醚玻璃布层压板生产混乱、鱼龙混杂的局面。使得本来性能优异、价格适中二苯醚层压制品在非包封式干式变压器行业中名声非常差。究其原因并不是我国的二苯醚层压玻璃布板的质量确实不能满足干式变压器行业的需求，而是没有一个规范的技术标准，这样就让伪劣产品有了可乘之机。因此本着规范耐高温绝缘层压材料的生产、市场