CN109867909A - 环氧树脂组合物和包含该组合物的变压器 - Google Patents

Abstract

本公开内容描述了一种环氧树脂组合物和包含该组合物的变压器。根据本发明实施方案的环氧树脂组合物包括主链中具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂，并且根据一个实施方案的变压器包括在垂直方向上多层缠绕的绝缘导体，设置在绝缘导体上并分散集中电场的半导体层，以及铸在所述绝缘导体和所述半导体层上并形成所述变压器外形的绝缘体，并且所述绝缘体由包括主链中具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂的环氧树脂组合物组成。

Description

环氧树脂组合物和包含该组合物的变压器

技术领域

本发明涉及涉及一种环氧树脂组合物和包括该组合物的变压器，更具体地说，涉及一种能够大大缩短固化时间并大大减少处理时间的环氧树脂组合物，以及一种包括该组合物的变压器。

背景技术

变压器是通过使用电磁感应现象来改变交流电的电压或电流值的装置。它是电力装置中最重要的设备，用于在从电力公司向用户供应时提高传输效率，或降低传输的功率以满足消费者使用的电压。

这些变压器安装在大型电力用户的变电站或受电侧，具有数十千伏以上的额定电压，例如干式变压器、油浸式变压器和模制变压器。

这里，油浸式变压器是不适合在室内使用的变压器，因为它具有较高的额定电压，但是它使用可能造成环境污染的油作为绝缘材料并具有着火和爆炸的风险。

干式变压器为空气绝缘变压器，其着火和爆炸风险低于油浸式变压器，但其额定电压较低，作为较低容量变压器的使用受到限制。

模制变压器是一种环境友好的变压器，它用固体绝缘体将变压绕组的外部绝缘，并且不用会导致环境污染的油作为绝缘体。它使用绝缘材料如阻燃性能优异的环氧树脂作为固体绝缘体，并使着火和爆炸的风险最小化，且室外和室内安装均是可能的，并且其需求在增加。

但是，在根据相关技术的模制变压器中，为了缩短作为固体绝缘体使用的环氧组合物的处理，使用增加固化温度或增加催化剂量的方法，但在固化温度增加的情况下，由于由快速固化反应导致的固化收缩，可能在变压器中产生裂纹。

此外，即使在增加催化剂量的方法的情况下，由于快速的初始热生成而使固化速率加快，并产生与增加固化温度相同的现象。这缩短了胶凝时间，这是保持液体形式的时间的量度，由此在模塑加工中造成困难。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种环氧树脂组合物，其在抗裂性方面得到改善，并在变压器制造中能显著缩短固化时间。

此外，本发明的另一目的是提供一种环氧树脂组合物，其不需要增塑剂用于抑制裂纹。

此外，本发明的另一个目的是提供一种包括由环氧树脂组合物制成的绝缘体的变压器，其具有优异的抗裂性和可成形性，并可通过缩短固化时间显著缩短处理时间。

为实现这些目的，根据本发明的环氧树脂组合物包括在主链中具有二醇基官能团的环氧树脂，用于电绝缘和热传导的填料，用于固化环氧树脂的固化剂，和咪唑基催化剂，且在环氧主链中包括柔性(增塑的)官能团如二醇基官能团，并对固化过程中产生的应力具有抵抗性，并且在通过使用咪唑基催化剂来增加温度之后，反应速率快，从而显著缩短了环氧树脂组合物的固化时间。

另外，根据本发明的变压器包括在垂直方向上多层缠绕的绝缘导体，设置在绝缘导体上并分散集中电场的半导体层，以及铸在所述绝缘导体和所述半导体层上并形成所述变压器的外形的绝缘体，并且所述绝缘体由环氧树脂组合物组成，所述组合物包括主链中具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂。

根据如上所述的本发明，具有如下优点：可以在环氧主链中添加柔性官能团，以赋予对固化过程中产生的应力的抵抗性，并降低玻璃化转变温度，由此改善长期的耐热性。

此外，根据本发明，由于不包括用于提高抗裂性的增塑剂，所以可以促进降低加工成本的效果，并且在模塑环氧树脂组合物后，可以显著缩短固化时间，由此显著增加环氧树脂组合物的生产量。

附图说明

图1是示出用于制造包括根据本发明示例性实施方案的环氧树脂组合物的变压器的工艺的示意图。

图2是示出用于制备根据本发明示例性实施方案的环氧树脂组合物的方法的示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细描述上述目的、特征和优点。因此，本发明所属领域的技术人员将容易地实施本发明的技术思想。在描述本发明时，当考虑关于与本发明相关的已知技术的具体描述可能不必要地模糊本发明的要旨时，将省略其详细描述。在下文中，将参照附图详细描述根据本发明的优选实施方案。在附图中，相同的附图标记用于表示相同或相似的组件。

本发明提供一种环氧树脂组合物，其包括主链上具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂。

不同于制备由常规双酚A或双酚F作为原料合成的环氧树脂组成的环氧树脂组合物的方法，根据本发明的环氧树脂组合物不需要增加固化温度或增加催化剂的量以缩短处理时间。

就是说，在常规环氧树脂组合物中，如上所述使用固化温度升高和催化剂量增加以缩短处理时间。但是，通过该方法制造的环氧树脂组合物具有抗裂性、耐热性和成形性降低的问题。

具体而言，根据本发明的环氧树脂组合物通过使用在环氧主链中具有二醇基官能团的环氧树脂和使用咪唑基催化剂，不需要使用增塑剂来抑制裂纹。可以将固化时间缩短一半，而不会导致常规环氧树脂组合物具有的问题，因此可以显著改善生产量。

在下文中，将具体描述根据本发明的环氧树脂组合物。

根据本发明的环氧树脂组合物包括主链上具有二醇基官能团的环氧树脂，且所述环氧树脂具有300至400的每当量分子量(molecular weight per equivalent)。上述环氧树脂具有上述范围内的分子量，从而提高了环氧树脂的柔性，降低了粘度，并最终改善了环氧树脂的伸长率，因此在制备后提高了抗裂性。

另外，在根据本发明的环氧树脂组合物中，环氧树脂在主链中可以具有二醇基官能团。这样的官能团的实例可以具有至少一个选自由具有2个以上且小于6个碳原子的甲基乙二醇(methyl glycol)、乙基乙二醇(ethyl glycol)、丁基乙二醇(butyl glycol)和丙基乙二醇(propyl glycol)组成的组的重复单元。

如上所述，根据本发明的环氧树脂组合物具有的优点是：通过使用主链中具有二醇基官能团的环氧树脂，抗裂性得到改善，并且不必使用常规环氧树脂组合物中含有的增塑剂。

特别地，与包括常规增塑剂的常规环氧树脂组合物相比，本发明并未降低玻璃化转变温度，因此不会产生耐热性降低的问题。

基于环氧树脂组合物的总重量，优选环氧树脂的含量为15-25重量％。当包括的环氧树脂小于15重量％时，环氧树脂组合物的抗裂性和耐热性降低。当超过25重量％时，其成形性降低。

在根据本发明的环氧树脂组合物中，使用填料用于电绝缘和热传导。可以使用石英、熔融二氧化硅、天然二氧化硅、合成二氧化硅、天然氧化铝、合成氧化铝、三氢氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝、氮化硼、氮化铝、氮化硅、碳化硅、云母、氧化锌等作为填料。

优选包含环氧树脂组合物总重量的30-70重量％的填料，并且填料可显示出在上述范围内的适合于环氧树脂组合物的电绝缘性和导热性。

另外，根据本发明的环氧树脂组合物包括固化剂。固化剂用于固化环氧树脂。可以使用甲基四氢邻苯二甲酸酐(MeTHPA)、甲基六氢邻苯二甲酸酐(MeHHPA)和纳迪克(nadic)-甲基酸酐(NMA)等。

优选基于环氧树脂组合物的总重量包含10至20重量％的固化剂，并且环氧树脂的固化反应可以在上述范围内完成。

在根据本发明的环氧树脂组合物中，咪唑基催化剂的固化速率在低温初始模塑过程中慢，随后在高的成形温度下其固化速率高，由此改善整体固化速率。

可以使用1-咪唑、1-乙烯基咪唑、1-乙基咪唑、2-甲基咪唑、1-苄基-苯基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑和1-氰基乙基-2-乙基-4-甲基咪唑等作为咪唑基化剂。

优选基于环氧树脂组合物的总重量包含0.001-0.1重量％的咪唑基催化剂。如果催化剂含量小于0.001重量％，则不能缩短固化速率。如果超过0.1重量％，存在的问题是在初始模塑过程中固化速率大大增加，从而降低抗裂性。

另外，本发明提供了一种变压器，其包含：

在垂直方向上多层缠绕的绝缘导体；

设置在绝缘导体上并分散集中电场的半导体层；和

铸在绝缘导体和半导体层上并形成变压器的外形的绝缘体，

所述绝缘体由环氧树脂组合物组成，所述环氧树脂组合物包括主链中具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂。

图1是示出根据本发明示例性实施方案的变压器的示意图。

参考图1，制造根据本发明的变压器，包括绝缘体形成步骤、固化步骤和脱模步骤。绝缘体形成步骤通过将熔融的绝缘体30放置在对应的间隔部分，即在半导体层20、绝缘导体10和模具(IS，OS)之间形成。

在半导体层20和绝缘导体10与模具(IS和OS)之间熔融的绝缘体通过固化步骤固化并经历脱模步骤，所述脱模步骤取下模具以获得完成的变压器。

这里，变压器包括绝缘导体10、半导体层20和绝缘体30。如上所述，绝缘体30由环氧树脂组合物组成，所述环氧树脂组合物包括主链中具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂。

绝缘导体10可以由变压器的水平方向(变压器的厚度方向)上的单层构成，并且绝缘导体10可以包括导电部分和在导电部分上缠绕的绝缘膜或无纺织物的绝缘涂层。

半导体层20设置在绝缘导体10的至少上部或下部的层的绝缘导体10上，以均匀地分散集中电场。

半导体层20是由与炭黑混合的聚合物树脂形成的层。由于聚合物树脂具有电绝缘性且炭黑具有导电性，所以它由通过混合这些材料而具有半导电性的层制成。

如上所述，绝缘体30包括在主链中具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂，从而不必使用增塑剂用于抑制裂纹。可以将固化时间缩短一半，而不会导致常规环氧树脂组合物具有的问题，因此可以大大改善生产量。

作为参考，变压器具体指的是模制变压器，并且模制变压器可以命名为干式变压器或浇铸树脂变压器。

实施例1：环氧树脂组合物的制备

将主链中具有二醇基官能团的环氧树脂置于第一真空预混器100中，将固化剂和催化剂置于第二真空预混器200中，然后将填料在第一预混合器和第二真空预混合器中预先搅拌并在静态混合器300中混合。

之后，将在静态混合器中混合的混合物在真空烘箱400中注入包括线圈的模具中。注入后，将其消泡约1小时，然后移至固化炉中并在80℃至130℃进行固化约23小时。此时，固化时间可以根据固化炉的规格改变温度。

此时，使用乙二醇环氧树脂作为在主链中具有二醇基官能团的环氧树脂并混合至基于环氧树脂组合物的总重量计22.01重量％。

另外，基于环氧树脂组合物的总重量，混合作为固化剂的纳迪克-甲基酸酐(NMA)至13.43重量％；并使用1-甲基咪唑作为催化剂，且混合至0.06重量％，以及使用二氧化硅作为填料且混合至64.50重量％。

下表1示出了根据本发明中使用的咪唑基催化剂的温度的凝胶时间。

[表1]

如上表1所示，可以看出，在根据本发明的环氧树脂组合物中使用的咪唑基催化剂在低温下具有长的凝胶时间，在高温下具有短的凝胶时间。

就是说，在根据本发明的环氧树脂组合物中使用的咪唑基催化剂对于初始模塑过程是有利的，并且所述环氧树脂组合物的固化时间可以缩短一半。

实施例2：由包括环氧树脂组合物的绝缘体制成的模制变压器的制备。

将上述实施例1中制备的环氧树脂组合物以熔融态注入半导体层和绝缘导体和模具之间中以形成绝缘体，然后使熔融的绝缘体固化并取出模具以制备包括绝缘导体、半导体层和绝缘体的模制变压器。

此时，固化根据本发明的环氧树脂组合物作为绝缘体所需的时间为12小时或以下。

对比例1：由双酚A和叔胺制成的常规环氧树脂组合物

以与上述实施例1中相同的方式制备环氧树脂组合物，不同之处在于：使用以每1摩尔环氧官能团具有170-190重量的液体双酚A作为主要材料制备的环氧树脂，和聚丙二醇(PPG)作为增塑剂，甲基四氢邻苯二甲酸酐(MeTHPA)作为固化剂，聚丙二醇作为增塑剂，为叔胺的苄基二甲基胺(BDMA)作为催化剂。

实验实施例1：性能分析

分析由根据本发明的环氧树脂组合物制成的绝缘体和由常规环氧树脂组合物制成的绝缘体的物理性能，其结果示于下表2中。

[表2]

如表2所示，可以看出，与由对比例1的环氧树脂组合物制成的绝缘体相比，由实施例1的环氧树脂组合物制成的绝缘体的总体凝胶时间显著缩短。可以看出，特别是在140℃的凝胶时间非常短，为8分钟。

另外，可以看出，与由常规环氧树脂组合物制成的绝缘体相比，由根据本发明的实施例1的环氧树脂组合物制成的绝缘体具有提高的挠曲强度和挠曲伸长率，并且因为未使用增塑剂，玻璃化转变温度未降低。

在上述本发明中，在不偏离本发明的技术思想的范围内，对于本发明所属领域的技术人员来说，各种替换、变化和修改都是可能的，并且因此不限于上面提到的实施例和附图。

Claims (10)

1.一种环氧树脂组合物，所述环氧树脂组合物包含：

在主链中具有二醇基官能团的环氧树脂；

用于电绝缘和热传导的填料；

用于固化所述环氧树脂的固化剂；和

咪唑基催化剂。

2.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物，其中基于环氧树脂组合物的总重量计，它包含15-25重量％的环氧树脂，30-70重量％的填料，10-20重量％的固化剂和0.001-0.1重量％的咪唑基催化剂。

3.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物，其中所述环氧树脂具有300至400的每当量分子量。

4.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物，其中所述二醇基官能团选自乙基乙二醇、甲基乙二醇、丁基乙二醇和丙基乙二醇。

5.根据权利要求1所述的环氧树脂组合物，其中所述咪唑基催化剂选自1-咪唑、1-乙烯基咪唑、1-乙基咪唑、2-甲基咪唑、1-苄基-2-苯基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑和1-氰基乙基-2-乙基-4-甲基咪唑。

6.一种变压器，所述变压器包含：

在垂直方向上多层缠绕的绝缘导体；

设置在绝缘导体上并分散集中电场的半导体层；和

铸在绝缘导体和半导体层上并形成变压器的外形的绝缘体，

其中所述绝缘体由环氧树脂组合物组成，所述环氧树脂组合物包含主链中具有二醇基官能团的环氧树脂、填料、固化剂和咪唑基催化剂。

7.根据权利要求6所述的变压器，其中基于环氧树脂组合物的总重量计，它包含15-25重量％的环氧树脂，30-70重量％的填料，10-20重量％的固化剂和0.001-0.1重量％的咪唑基催化剂。

8.根据权利要求6所述的变压器，其中所述环氧树脂具有300至400的每当量分子量。

9.根据权利要求6所述的变压器，其中所述二醇基官能团选自乙基乙二醇、甲基乙二醇、丁基乙二醇和丙基乙二醇。

10.根据权利要求6所述的变压器，其中所述咪唑基催化剂选自1-咪唑、1-乙烯基咪唑、1-乙基咪唑、2-甲基咪唑、1-苄基-2-苯基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑和1-氰基乙基-2-乙基-4-甲基咪唑。