CN113066603A

CN113066603A - 一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带及其制造方法

Info

Publication number: CN113066603A
Application number: CN202110330600.4A
Authority: CN
Inventors: 付强; 高洪军; 范寿孝; 黄程伟; 张秋寒; 冯超; 姜禹; 管少博; 杨程皓
Original assignee: HARBIN INSTITUTE OF LARGE ELECTRICAL MACHINERY; Harbin Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: HARBIN INSTITUTE OF LARGE ELECTRICAL MACHINERY; Harbin Electric Machinery Co Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2021-07-02

Abstract

本发明公开一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带及其制造方法。耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带由一层或两层耐高温高导热玻璃丝布补强材料、一层耐高温胶黏剂层和一层粉云母纸层复合组成。本发明开发的耐高温高导热绝缘材料将使我国发电制造业走在世界前列，与现有技术相比，利用本发明方法制造的耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带具有良好的包扎工艺性能，云母带柔软、服贴、不分层。本发明利用耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带制备的定子线棒，各项技术指标达到国外先进水平。

Description

一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带的制造方法。

背景技术

大中型发电机是国家经济发展的动力来源，随着发电机容量不断增大，绝缘材料的耐热级不断提高，从50～60年代A级(90℃)绝缘发展到70～80年代B级(130℃)绝缘，80年代末期又发展到F级绝缘(155℃)，每一次耐热级的提高都是一场绝缘材料的结构性改变，但是绝缘材料的导热性一直没有提高。定子绕组主绝缘导热性能提高后，在保持电机体积、额定电压和电机温升不变的基础上，能进一步提高机组的容量，提高了整机的经济技术指标，因此发电机主绝缘材料又有了新的发展要求，迫切需要提高定子绕组主绝缘材料的导热性能。另外国内外许多电厂的发电机组运行时间将要或已达到使用年限，在机组更新改造时保持其体积、额定电压、定子主绝缘厚度不变，利用高导热(High thermalconductive,HTC)绝缘能提高机组容量，减少了机组改造费用和提高了机组的经济效益，因此HTC绝缘在旧机组增容改造方面也有着广阔的市场前景。

国外高导热VPI绝缘材料的研究进展显著，已经开始应用在大型空冷或氢冷发电机的样机上。由于国内一直以多胶模压绝缘体系为主，20世纪末期国内开始研究高导热多胶主绝缘材料，研究历史尽管较短，但是涉足此方向的高校、企业及科研单位较多。国内电机定子线棒的主绝缘的绝缘结构由环氧桐马酸酐胶粘剂、云母纸与玻璃丝布复合构成，其中胶粘剂、云母、玻璃丝布的导热系数分别为0.17W/(m·k)～0.22w/(m·k)、0.3W/(m·k)～0.6W/(m·k)、0.8W/(m·k)～1.2W/(m·k)，由于胶粘剂的导热系数最低，因此大部分研究人员的研究方向主要集中在提高绝缘胶粘剂的导热性能。1997年桂林电器科学研究所、申请单位、绝缘材料厂和合作单位开始联合立项研究，研究的重点方向是首先制造高导热胶粘剂，然后利用高导热胶粘剂将云母纸与玻璃丝布复合在一起，制造出高导热多胶粉云母带。从三合一的普通多胶粉云母带到四合一的高导热多胶粉云母带的生产过程中，由于加入高导热填料，给云母带的研制和生产及绝缘热压固化成型工艺带来了一系列问题，其中存在的根本性问题(云母带中云母含量减少)一直无法解决，经过20多年的发展一直无法应用。

另外，提高高导热多胶绝缘材料的耐热性能，能进一步提高绝缘材料的应用范围。大型空冷发电机由于使用自然空气冷却方式，比氢冷和水冷方式能节省大量资金、减轻机组检修程序和工作量，是目前发电设备制造企业的热点研究方向。大型空冷发电机使用耐高温的高导热多胶绝缘材料，能进一步提高定子绕组的使用寿命和运行稳定性。因此开发耐高温高导热多胶绝缘材料已到刻不容缓的地步。

发明内容

本发明的目的是为了保证电机定子线棒主绝缘电气性能稳定的同时提高其导热性能和耐热性能，提供一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带的制造方法，本方法可靠性好，解决了国内在耐高温高导热绝缘材料研究中一直存在的电气性能低、包扎工艺性差问题。本发明的技术方案为：由耐高温高导热玻璃丝布层(1)、耐高温胶黏剂层(2)和粉云母纸层(3)复合而成，耐高温高导热玻璃丝布层(1)中的玻璃丝布为电工无碱玻璃丝布，粉云母纸层(3)的材料为煅烧型高电压白云母纸，其云母定量在100g/m²～200g/m²之间，高温胶黏剂层(2)的粘接材料为多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料。

一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带的制造方法，其使用如上所述的耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带，其特征在于包括如下步骤：

1)高导热填料进行表面活化处理：将表面活化剂与溶剂制备成溶液，然后加入高导热填料，搅拌10min～30min，混合液在120℃进行烘干处理，得到表面活化的高导热填料；

2)耐高温胶粘剂为多面体低聚倍半硅氧烷POSS与环氧杂化材料，其中POSS为10～300份，环氧体系为100份，环氧体系与POSS进行共混，共混时间为30min～24h；

3)高导热填料表面活化处理后与耐高温胶粘剂复合制备成耐高温高导热粘接材料，由电工无碱玻璃丝布再与高导热粘接材料复合制备成耐高温高导热玻璃丝布，其中高导热填料在电工无碱玻璃丝布上相互连接形成导热通道，耐高温高导热玻璃丝布相较于电工无碱玻璃丝布，其厚度不变；

4)高温高导热玻璃丝布涂敷耐高温胶黏剂材料，与粉云母纸复合成耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带，此云母带的厚度相较于电工无碱玻璃丝布与粉云母纸的厚度之和不变；

5)由耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带制作的定子线棒主绝缘导热率不小于0.35W/m-1k-1，主绝缘工作温度在180℃～200℃。

在上述耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带的制造方法中，所述多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料中，多面体低聚倍半硅氧烷POSS为具有笼状结构的R_nSi_nO_1.5n，其中n＝6，8，12，R基团是氢原子、卤原子、羟基、C_1-20烷基、烯基、炔基、芳基、脂环基、烷氧基中的一种基团，R中含有1-3个环氧基。

技术效果

多面体低聚倍半硅氧烷POSS具有Si-O-Si六面体笼型纳米结构的杂化材料，具有化学性质稳定、热稳定性好、耐氧化、耐候等优点，其表面的有机官能团具有极好的聚合物相容性，将POSS引入聚合物分子链段，可以实现在纳米尺度上设计和制备新型有机/无机纳米复合材料。使用POSS杂化材料改性环氧体系胶黏剂，即可降低环氧树脂内应力，又能增加环氧树脂韧性、提高其耐热性能，POSS/环氧体系具有良好的耐酸、碱、盐、耐潮湿、耐水、耐油和耐化工大气腐蚀等性能。

在耐高温高导热多胶绝缘材料研究中还存在着根本性问题，即添加高导热添料后云母带增厚而云母纸厚度没有变化，致使云母含量减少(云母是绝缘材料中起到主要电气性能的材料)导致绝缘击穿强度和耐电老化性能下降。因此本发明将更改国内耐高温高导热绝缘材料的研究方向，将导热填料先与耐高温玻璃丝布复合在一起，使复合玻璃丝布厚度几乎无变化，然后复合玻璃丝布与云母纸复合成耐高温高导热云母带，使云母带的厚度几乎无变化，保证了耐高温高导热云母带中云母含量不变，而导热填料在玻璃丝布上相互连接成导热通道能提高云母带的导热性能。

本发明开发的耐高温高导热绝缘材料将使我国发电制造业走在世界前列，提高我国发电制造业、绝缘材料制造业创新能力，为我国掌握耐高温高导热绝缘制造关键核心技术奠定基础，力争在此方面的工作逐步赶上并超过国外的步伐。与现有技术相比，本发明制造的耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带具有良好的包扎工艺性能，如云母带柔软、服贴、不分层。本发明利用耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带制备的定子线棒，各项技术指标达到国外先进水平，具体实现如下效果：

1)线棒绝缘导热性能不小于0.35W/(m·k)；2)线棒介电损耗值tanδ0.2U_N(U_N为线棒额定电压)＜1.0％，tanδ0.6U_N-tanδ0.2U_N＜0.5％；

3)热态介质损耗(0.6U_N，155℃)＜5.0％；4)定子线圈击穿电压大于5.5U_N；5)定子线圈2U_N电老化寿命均大于1000h，3U_N电老化寿命均大于10h。6)定子线圈主绝缘工作温度在180℃～200℃。

本发明可推广到24kV及以上更高耐压级的火电、水电或核电定子线棒主绝缘结构上，具有广泛的应用前景，为水电百万、火电百万、核电百万机组的定子线圈制造奠定了可靠的技术基础。

附图说明

图1为玻璃丝布的结构示意图。

图2为耐高温高导热玻璃丝布的结构示意图。

图3为两层耐高温高导热玻璃丝布的云母带结构示意图。

图4为一层耐高温高导热玻璃丝布的云母带结构示意图。

具体实施方式

本实施方式制得的耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带，由耐高温高导热玻璃丝布层1、耐高温胶黏剂层2和粉云母纸层3复合而成，如图3与图4所示：耐高温高导热玻璃丝布层1中的玻璃丝布为电工无碱玻璃丝布；粉云母纸层3的材料为煅烧型高电压白云母纸，其云母定量在100g/m²～200g/m²之间；耐高温胶黏剂层2的粘接材料为多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料。

高导热填料进行表面活化处理：高导热填料、表面活化剂及溶剂的质量百分比为100％：0.5％～1.0％：100％，表面活化剂与溶剂制备成溶液，然后加入高导热填料，搅拌10min～30min，混合液在120℃进行烘干处理，得到表面活化的高导热填料；高导热填料表面活化处理后与耐高温胶粘剂复合制备成耐高温高导热粘接材料，由玻璃丝布再与粘接材料复合制备成耐高温高导热玻璃丝布；然后玻璃丝布涂敷耐高温粘接材料，与云母纸复合成耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带。

高导热粘接材料中的高导热填料由下面一种或两种材料构成：BN、AlN、Si₃N₄、Al₂O₃、MgO、ZnO、SrTiO₃、TiO₂、SiO₂、C、BeO。

高导热粘接材料中的高导热填料的粒径由0.1μm～10μm，其颗粒由单一粒径或多种粒径的颗粒组成。

多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料中，多面体低聚倍半硅氧烷POSS为具有笼状结构的RnSinO_1.5n，其中其中n＝6，8，12，R基团是氢原子、卤原子、羟基、C1-C20烷基、烯基、炔基、芳基、脂环基、烷氧基中的一种基团，R中含有一个或多个环氧基。

多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料中，环氧体系由下面一种材料构成：环氧桐油酸酐树脂、环氧桐马酸酐树脂或环氧酚醛树脂。

多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料中，各组分用量为：POSS为10～300份，环氧体系为100份，环氧体系与POSS进行共混，共混时间为30min～24h。

高导热填料表面活化剂为下面一种材料：硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂。

表面活化的高导热填料与耐高温粘接材料按照质量比为30％～200％：100％进行混合，搅拌30min～60min后，得到高导热粘接材料。

玻璃丝布结构如图1所示，高导热粘接材料与玻璃丝布复合后制作成的耐高温高导热玻璃丝布如图2所示。

当耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带含两层所述无碱玻璃丝布时，粉云母纸层处在两层所述无碱玻璃丝布的中间，如图3所示。

当耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带含一层所述无碱玻璃丝布时，高导热玻璃丝布粘接在云母纸一侧，云母纸另一侧表面需要涂敷隔离层，如图4所示。

耐高温高导热玻璃丝布单面补强云母纸时，该隔离层的原料组分组成和质量配比包括：含氢硅油树脂100份、P22铂络合物催化剂0.5～0.9份、以及溶剂235～1920份；含氢硅油树脂中氢的质量百分比含量为0.03％～1.6％；将含氢硅油树脂溶解在溶剂中，混合均匀，再加入P22铂络合物催化剂搅拌均匀，即制得隔离剂。

由耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带制作的定子线棒主绝缘导热率不小于0.35W/(m·K)。

取本实施方法制得的耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带，在包扎工艺试验中云母带柔软、服贴、不分层。采用热压工艺制作单边绝缘厚度为3.5mm的标准铝排线棒，线棒额定电压U_N＝15kV，其主绝缘导热率不小于0.35W/(m·K)，主绝缘工作温度在180℃～200℃，常态介质损耗值0.2U_N下tanδ小于1％，线棒击穿电压达到5.5U_N。标准铝排线棒耐电老化试验，3.0U_N电压下寿命大于10h，2.0U_N电压下寿命大于1000h。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带，其特征是：由耐高温高导热玻璃丝布层(1)、耐高温胶黏剂层(2)和粉云母纸层(3)复合而成，耐高温高导热玻璃丝布层(1)中的玻璃丝布为电工无碱玻璃丝布，粉云母纸层(3)的材料为煅烧型高电压白云母纸，其云母定量在100g/m²～200g/m²之间，高温胶黏剂层(2)的粘接材料为多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料。

2.一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带的制造方法，其使用如权利要求1所述的耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带，其特征在于包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种耐高温高导热多胶环氧玻璃丝粉云母带的制造方法，其特征是：所述多面体低聚倍半硅氧烷POSS/环氧杂化材料中，多面体低聚倍半硅氧烷POSS为具有笼状结构的R_nSi_nO_1.5n，其中n＝6，8，12，R基团是氢原子、卤原子、羟基、C_1-20烷基、烯基、炔基、芳基、脂环基、烷氧基中的一种基团，R中含有1-3个环氧基。