加成型有機硅浸漬漆的應(yīng)用

有機硅浸漬漆是一類以硅氧鍵為主鏈結(jié)構(gòu)、以有機基團為側(cè)基的高分子材料。它具有卓越的阻燃、防水、耐電暈、熱氧化穩(wěn)定性和絕緣性能。除具有上述普通縮合型有機硅浸漬漆特點之外,加成型有機硅浸漬漆還具有不含有機溶劑、固化過程中無低分子物放出的優(yōu)點,是一種很有發(fā)展前景的新型絕緣品種?？捎糜诮恢绷麟姍C、浸漬型干式變壓器、電源變壓器等電氣設(shè)備的浸漬絕緣處理 。

在國外,著名牽引電機制造商對于干線高速機車牽引電機已普遍采用加成型無溶劑有機硅浸漬漆。早在20世紀70年代已研制出在200~220℃連續(xù)工作的無溶劑硅樹脂,90年代各國在車輛電機中大批量使用,最有代表性的是乙烯基-苯基-甲基有機硅樹脂。交流變頻牽引電機絕緣采用的是H62A/B雙組分加成型無溶劑有機硅樹脂體系的絕緣結(jié)構(gòu) 。

在國內(nèi),為適應(yīng)鐵路高速、重載發(fā)展的需要,著名的電力機車制造商之間展開了廣泛的技術(shù)合作,并先后引進了交-直電力機車、交傳機車和動車的設(shè)計和制造技術(shù)。牽引電機及其絕緣系統(tǒng)作為機車的心臟部件與核心技術(shù),被納入核心技術(shù)引進的重要范疇。其中采用最多的就是無溶劑有機硅浸漬漆。1987年,成功研制出國內(nèi)單機功率最大的8K型電力機車TAO649D型直流牽引電機,其絕緣系統(tǒng)采用了220℃級有機硅絕緣體系,其浸漬漆為16633單組分無溶劑有機硅浸漬樹脂;2003年引進了一套全新的C級有機硅絕緣系統(tǒng),浸漬樹脂就是3551加成型無溶劑有機硅樹脂,該絕緣系統(tǒng)已成功應(yīng)用在出口哈薩克斯坦的KZ4A型交流傳動機車牽引電機上;而2005年從西門子引進的DJ4機車牽引電機是采用了H62A/B雙組分無溶劑有機硅樹脂為浸漬漆的C級絕緣體系;同年與龐巴迪公漬樹脂就是3551加成型無溶劑有機硅樹脂,該絕緣系統(tǒng)已成功應(yīng)用在出口哈薩克斯坦的KZ4A型交流傳動機車牽引電機上;而2005年從西門子引進的DJ4機車牽引電機是采用H62A/B雙組分無溶劑有機硅樹脂為浸漬漆的C級絕緣體系;成功研制出用于低地板電車交流牽引電機,也是采用220℃級有機硅絕緣體系,其浸漬漆為H62雙組分有機硅無溶劑浸漬樹脂。

通過南車集團的幾次技術(shù)引進可以認為,C級無溶劑有機硅浸漬樹脂將是重載機車交流變頻牽引電機和高速動車變頻牽引電機C級絕緣系統(tǒng)的首選方向 。

加成型有機硅浸漬漆通常由基礎(chǔ)樹脂(聚甲基苯基乙烯基硅氧烷)、交聯(lián)劑(聚甲基苯基氫硅氧烷)、活性黏度調(diào)節(jié)劑(其分子組成基本同基礎(chǔ)樹脂)、催化劑(過渡金屬如鉑、鎳、銠等的配合物)、抑制劑組成。其固化機理是交聯(lián)劑中的Si-H基和基礎(chǔ)樹脂中的Si-CHCH2基發(fā)生硅氫加成而固化成膜 。

基礎(chǔ)樹脂:聚甲基苯基乙烯基硅氧烷是加成型有機硅浸漬漆的基礎(chǔ)樹脂,它屬一類低分子的預(yù)聚物,摩爾質(zhì)量分布較窄,黏度較低,較適合于浸漬處理工藝。根據(jù)漆膜的性能要求,聚甲基苯基乙烯基硅氧烷中Si-CHCH2含量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。Si-CHCH2含量太低,交聯(lián)密度小,漆膜固化性能差,強度不夠;反之,則交聯(lián)密度過大,漆膜變脆,伸長率變小、耐老化性能不好 。

交聯(lián)劑:聚甲基苯基氫硅氧烷是加成型有機硅浸漬漆的交聯(lián)劑,其分子中的Si-H在鉑催化劑作用下能與基礎(chǔ)樹脂中的Si-CHCH2進行加成反應(yīng)而使浸漬漆固化成膜。在配制加成型有機硅浸漬漆時,應(yīng)注意交聯(lián)劑中硅氫基與基礎(chǔ)樹脂中Si-CHCH2的量之比,只有使它們相匹配,才能得到性能最佳的浸漬漆。考慮到乙烯基的充分利用和硅氫鍵的損耗,一般Si-H基稍過量為宜 。

活性黏度調(diào)節(jié)劑:活性黏度調(diào)節(jié)劑又名活性稀釋劑 , 是一類聚甲基苯基乙烯基硅氧烷 , 其作用是為了調(diào)節(jié)浸漬漆的黏度 。

催化劑:

元素周期表中第Ⅷ族過渡金屬的配合物對Si-H基和Si-CHCH2基的加成反應(yīng)幾乎都有催化效果,但在加成型有機硅浸漬漆中通常都采用各種形式的鉑及其化合物和配合物作催化劑 。

目前主要使用均相催化劑,這類催化劑是將氯鉑酸溶于異丙醇等溶劑中。其中使用較普遍的是氯鉑酸與鏈烯烴、環(huán)烷烴、醇、醛、醚等形成的配合物,因為這種催化劑比非均相催化劑具有更高的活性和選擇性;但大部分活性較高,使浸漬漆凝膠化過快,安全操作時間太短。若以鉑計,鉑催化劑用量的最低限度應(yīng)為基礎(chǔ)樹脂與交聯(lián)劑總質(zhì)量的1.0×10-7;但考慮到因體系不純而使鉑中毒的可能性,實際用量一般為(1~20)×10-6。鉑催化劑用量過高,既不經(jīng)濟,又增加抑制劑的用量。除了可溶性鉑外,在加成型有機硅浸漬漆催化劑中也有使用其它金屬催化劑的報道,如鈷、釘、銠等,這些催化劑尚處于研究階段,不一定適用于工業(yè)化生產(chǎn)。例如,銠的價格比鉑高10倍左右,盡管用量可能低,但仍不夠經(jīng)濟。由于催化劑在反應(yīng)中要經(jīng)歷數(shù)以萬次的位置轉(zhuǎn)移,而且體系黏度會迅速增大,因此,催化劑在有機硅浸漬漆中的溶解度很重要;其次,催化劑的催化速度也要適當(dāng) 。

抑制劑:基礎(chǔ)樹脂、交聯(lián)劑和催化劑混合之后可以在室溫下發(fā)生加成反應(yīng)。為了使浸漬漆能夠在常溫下穩(wěn)定貯存并能重復(fù)使用。要求有機硅浸漬漆在一定溫度以下幾乎不反應(yīng),而達到一定溫度后再迅速反應(yīng)。抑制反應(yīng)的方法通常是加入抑制劑。抑制劑能與鉑催化劑形成如下平衡:催化劑+抑制劑催化劑·抑制劑當(dāng)溫度高時,平衡趨向左方,有利于催化加成反應(yīng)。有效的抑制劑可以讓浸漬漆放置相當(dāng)長的時間,只有加熱到一定溫度才失效。抑制劑分兩類,一類是作為添加劑加入膠料中,與鉑作用阻滯其活性;另一類是事先制成具有抑制性配合物(復(fù)合催化劑),從而抑制鉑的催化活性。使用較普遍的抑制劑是相容性好的炔醇類化合物、含氮化合物、有機過氧化物等,加入量一般為基礎(chǔ)膠質(zhì)量的1%~5% 。

隨著人們對有機硅材料研究的不斷深入,其優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域被專家學(xué)者密切關(guān)注,得到了廣泛的認可。熱固性有機硅樹脂是有機硅材料分類中一個重要的分支,它的主體骨架是聚硅氧烷結(jié)構(gòu)。硅氧鍵具有很高的鍵能(443.7kg/mol)和很高的離子化傾向(51%),具有突出的熱氧化穩(wěn)定性能 。

有機硅浸漬漆是以有機硅樹脂為漆基的絕緣材料,是高度交聯(lián)結(jié)構(gòu)的熱固性聚硅氧烷體系,由含Si-CH=CH2和Si-H基團的聚甲基苯基硅氧烷在鉑催化作用下發(fā)生加成反應(yīng)而交聯(lián)固化合成有機硅浸漬漆。該浸漬漆在VPI(真空壓力浸漬)工藝上有著很好的優(yōu)勢。目前國內(nèi)引進了一套全新的C級有機硅絕緣系統(tǒng),浸漬樹脂采用3551加成型無溶劑有機硅樹脂,通過幾次技術(shù)引進和分析可以確認,C級無溶劑有機硅浸漬樹脂將是重載機車交流變頻牽引電機和高速動車變頻牽引電機絕緣系統(tǒng)的首選方向。在應(yīng)用過程中研究含Si-CH=CH2與含Si-H的聚甲基苯基硅氧烷的合理加成配比及其對浸漬漆性能的影響是非常必要的 。

與縮合型液體有機硅浸漬漆相比,加成型有機硅浸漬漆具有漆樣自身不含有機溶劑不污染環(huán)境、在固化過程中不產(chǎn)生副產(chǎn)物、收縮率小、能深層固化、生產(chǎn)周期短且效率高等優(yōu)點。此外,在應(yīng)用工藝上加成型有機硅浸漬漆還具有浸漬應(yīng)用工藝和后處理工序簡便、容易實現(xiàn)自動化,并可節(jié)約能耗和勞動力的優(yōu)勢,能夠滿足目前電機制造過程中普遍采用的真空壓力浸漬(VPI)絕緣處理工藝的要求,并得到無氣隙的整體性能優(yōu)良的絕緣結(jié)構(gòu) 。

(1)通過氯硅烷的水解縮聚合成了加成型無溶劑有機硅樹脂,用FT-IR和GC-MS對其進行表征,證明所合成的樹脂為含有Si-CH=CH2的甲基苯基有機硅樹脂 。

(2)對浸漬漆固化后進行TG-DTG檢測并對硬度、吸水率和電性能的表征,證明含Si-CH=CH2和Si-H基團的聚甲基苯基硅氧烷以質(zhì)量比為2.2∶1配制時,有機硅浸漬漆的性能比較優(yōu)越 。