水溶性硅钢片漆的制备及新型固化剂对其性能的影响
             
    摘要：以水溶性环氧树脂为基体树脂，配以自制的新型环氧固化剂2,2-双[4-（2,4-二氨基苯氧基）苯基]丙烷(BDAPPP)，通过改变固化剂及基体树脂的配比制得水溶性硅钢片漆，并对其性能进行研究。结果表明：固化剂的用量对水溶性硅钢片漆的综合性能具有直接的影响，当固化剂的质量分数为基体树脂的14%时，制备的水溶性硅钢片漆表现出优异的性能，其拉伸剪切强度达38 MPa，介电常数为3.7，附着性达1 级，完全符合硅钢片漆的性能要求。
    关键词：环氧树脂；硅钢片漆；水溶性；制备；性能
    中图分类号：TM215.4+2 文献标志码：A 文章编号：1009-9239（2015）02-0020-05
    0 引言
    硅钢片漆是一种用于高压电机定子铁芯的绝缘材料，它决定着定子铁芯的性能。随着我国电力事业的不断发展，对大型电机的需求越来越大，硅钢片漆作为电机绝缘系统的关键材料之一，对其性能要求也越来越高。传统的硅钢片漆产品都是以有机试剂为溶剂，有机溶剂在生产和使用过程中易挥发，危及生产人员的身体健康并造成环境污染。因此，具有低VOC的水溶性硅钢片漆成为国内外的研究热点。
    目前，国内对水溶性硅钢片漆研究较多的机构主要有哈尔滨大电机研究所、哈尔滨庆缘电工材料股份有限公司、哈尔滨理工大学、嘉兴市清河高力绝缘有限公司、四川东材科技股份有限公司、兰州电机股份有限公司等。从2004 年开始，哈尔滨大电机研究所绝缘室对国产水溶性硅钢片漆展开了性能研究和工艺试验，取得了一定的成果，如牌号为S1651 的新型漆，该漆采用改性醇酸树脂为漆基，附着力为1 级，温度指数为200，电气性能良好，各项性能已达到进口漆水平，且该漆的售价为36 元/千克，比进口漆便宜，可取代进口产品，降低电机制造成本[1]。该漆主要应用于大型空冷汽轮发电机、燃气轮发电机以及各种大型交流电机。四川东材张先来等[2]公开了一种H 级水溶性硅钢片漆的发明专利，该发明解决了高无机粉体含量情况下漆液中的粉体沉降、集聚和结块问题，明显提高漆液的贮存稳定性及漆膜硬度，该漆的水溶性树脂主要由植物油改性的醇酸树脂及三聚氰胺树脂组成。哈尔滨理工大学和嘉兴清河高力绝缘有限公司联合开发了0151 水溶性半无机硅钢片漆[3]，应用试验表明，该漆用于冲片的涂层片间绝缘电阻达到9 999 MΩ，Franklin 烧损试验最大泄露电流值为0.053 9 A，其他各项性能均与国外某公司进口漆性能水平相当，完全满足大中型发电设备的技术要求。此外，他们还公布一种水溶性半无机硅钢片漆的制备方法[4]，漆料包括桐油、顺丁烯二酸酐、改性酚醛树脂、正丁醇、三聚氰胺树脂，无机填料由纳米二氧化钛构成，主要应用于大型发电机硅钢片。针对现有硅钢片漆制备方法中漆液粉体分散程度低、接触角大导致在涂覆过程中易造成涂层边缘增厚、缩边、产生桔皮、缩孔及漆膜的体积电阻较低的问题，刘立柱等[5]公开了一种以聚酯树脂为漆基的水溶性低接触角半无机硅钢片漆的制备方法。目前，关于新型水溶性硅钢片漆的研究报道仍然较少，水溶性硅钢片漆存在广阔的开发前景。
    硅钢片漆主要分为醇酸树脂型硅钢片漆、酚醛树脂型硅钢片漆、聚酯型硅钢片漆等[6-7]。醇酸树脂型和酚醛树脂型硅钢片漆是市场上较为常见的产品，但经过应用后发现，醇酸树脂由于相对分子质量较低，成膜后漆膜硬度下降，柔韧性、耐化学药品性及耐候性差。酚醛树脂固化后交联密度高、内应力大，其固化物通常存在硬度较低、质脆等缺点，且在使用过程中暴露出不耐冲击、易开裂、易疲劳等问题。环氧树脂是一种性能优良的合成树脂，具有优良的粘接性、高介电性、较好的耐热性和力学性能，由于分子内存在多种极性基团，使其附着性也特别突出[8-9]。
    选用水溶性环氧树脂作为硅钢片漆的基体树脂，以芳香族四元胺作为2,2-双[4-(2,4-二氨基苯氧基)苯基]丙烷(BDAPPP)[10-11]为固化剂，制备一种新型硅钢片漆，并对其主要性能进行研究，其反应机理如图1所示。
              
    1· 实验
    1.1主要原料与仪器
    2,2- 双[4-(2,4- 二氨基苯氧基) 苯基] 丙烷(BDAPPP)，自制；水性环氧树脂，上海EMST有限公司；消泡剂、偶联剂，广州中杰化工科技有限公司；分散剂，国药集团。
    砂磨机，上海微特电机有限公司；YP0051A型柔韧性测试仪、YP0046A型附着性测试仪，上海亚培实业有限公司；TH2828s 型自动元件分析仪，常州市同惠电子有限公司；CMI-200 薄膜厚度测试仪，英国OXFORD INSTRMENTS；CZ-8000 型伺服控制拉力试验机，东莞众志检测仪器有限公司。
    1.2 试验过程
    水溶性硅钢片漆的制备：将一定比例的水溶性环氧树脂与固化剂2,2-双[4-(2,4-二氨基苯氧基)苯基]丙烷(BDAPPP)及其它添加剂混合后转移至砂磨机中，加入一定量的氧化锆珠研磨至涂膜固化后漆膜表面平整即可。固化工艺为：50 ℃/0.5 h+100 ℃/0.5 h+180 ℃/0.5 h。固化剂BDAPPP是一种芳香族四元胺，其用量可以通过公式(1)计算出：
    W=(M/Hn) × E (1)
    式（1）中，W代表每100 g 环氧树脂所需胺类固化剂的质量，g；M指胺类固化剂分子量；Hn为固化剂分子中氨基上的活泼氢原子数；E 是环氧树脂的环氧值。试验所用水溶性环氧树脂的环氧当量为450 ~550 g/mol，由环氧值=100/环氧当量，计算出其环氧值为0.18~0.22 mol/g，计算出试验中BDAPPP 的用量应为10~12.22 g。一般情况下固化剂的实际用量与理论用量会存在偏差，为此进行配方设计试验，在其他添加剂用量不变的情况下，改变固化剂与基体树脂的比例，如表1所示。
                
    2· 结果与讨论
    2.1 力学性能
    定子铁芯是由若干涂覆绝缘漆的硅钢片粘合而成，在电机运行过程中，铁芯不可避免地受到震动，可能造成铁芯松动等问题，从而影响电机正常运行。具有胶黏性的硅钢片漆可以避免普通硅钢片漆需要加入胶黏剂粘合的麻烦，而通过本身具有的胶黏性粘合在一起制成铁芯。因此，对于水溶性硅钢片漆来说，其力学性能是评价体系性能的一个重要指标。
    按照GB/T 7124—2008 的测试方法，对表1 中5个配方的力学性能进行测试，结果如表2 所示。由表2 可知，随着固化剂用量的增加，固化物的力学性能随之增大，当BDAPPP的质量分数为基体树脂的14%时，固化物的拉伸剪切强度及形变最大，之后随着BDAPPP用量的继续加大，拉伸剪切强度及形变下降。这是由于当BDAPPP 用量小于基体树脂的14%时，由于固化剂用量过少，体系中环氧树脂未能完全固化，导致固化物质脆，表现出较低的拉伸剪切强度和形变；当固化剂BDAPPP 用量过高时，由于体系中存在过量的未反应的固化剂，使得固化物中存在缝隙，形成脆点，导致固化物的力学性能下降。因此，当BDAPPP用量为基体树脂的14%时，制得的水溶性硅钢片漆具有最好的力学性能，拉伸剪切强度可达38.4 MPa，满足硅钢片漆的使用要求。
              
    2.2 电学性能
    采用TH2828s 型自动元件分析仪对硅钢片漆漆膜进行介电性能测试，测试频率为20 Hz~1 MHz，最小分辨率为1 mHz。测试结果的特征值如表3 所示，连续数据曲线如图2~3所示。


              
              
    由表3 可以看出，以BDAPPP 为固化剂制备的水溶性硅钢片漆具有良好的电学稳定性，随着频率的增大，其电容值和介质损耗均在较小范围内变动，各配方的介电常数为4~6，表现出较好的介电性能。
    2.3 附着性
    附着性表示涂层与基板的结合力和结合程度。涂层的附着性受到基体的表面状态、涂料的种类、烘烤温度等的影响。在实际生产过程中，需对硅钢片进行纵剪分条、连续冲片、焊接等工序，附着性不良的硅钢片漆膜容易脱落，严重影响绝缘效果，急剧增加涡流损耗，甚至造成电击穿等不良后果。另外，脱落的漆膜积聚后又会擦伤其他部位，引起高速冲床的冲压故障。因此，水溶性硅钢片漆需要具有良好的附着性、冲片性及焊接性。
    按照GB/T 9286—1998 采用百格法对水溶性硅钢片漆漆膜进行附着性测试，结果如表4所示。
              
    由表4 可知，当BDAPPP 的质量分数小于基体树脂的10%时，漆膜的附着性较差，这是由于固化剂用量过少，体系中环氧树脂未能完全固化，造成结构上的缺陷，当BDAPPP 的质量分数大于10%时，漆膜的附着性均能达到1 级，符合硅钢片漆的性能要求。
    2.4 柔韧性
    柔韧性是指物体在受力变形后不易折断的性能。硅钢片在存储和运输过程中会受到不同程度的弯曲，因此要求其表面的绝缘漆膜必须具有良好的柔韧性。按照GB/T 1731—1993 对漆膜的柔韧性进行测试，结果如表5 所示。从表5 可以看出，当BDAPPP 的质量分数大于10%时，制备的漆膜具有良好的柔韧性。
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