新型脂环族环氧树脂和硅橡胶材料性能对比研究

2022-04-27曾向君王婷婷张福增徐永生

电瓷避雷器 2022年2期

曾向君，王婷婷，张福增，徐永生，卢威，肖微

(南方电网科学研究院有限责任公司，广州 510663)

0 引言

绝缘子是电网中用量最大的器件之一。虽然绝缘子结构简单，成本较低，但其对于电网的安全稳定、高效运行起到了至关重要的作用，任何一个绝缘子出现故障都有可能危及到整个电力系统[1-2]。

硅橡胶绝缘子具有优异的加工成型性能、良好的耐老化性能、憎水性及憎水迁移性，从而在电力系统中得到了广泛应用，尤其在我国，使用更加普遍[3-6]。但是硅橡胶材质柔软，抗撕裂强度较差，因而在我国西北高风沙地区使用时容易发生伞裙舞动搭边，出现撕裂伞裙甚至破坏护套等现象。另一方面，硅橡胶绝缘子在安装运行时护套极易受到损伤而破坏其芯棒同护套间的密封性，影响、限制其使用寿命[7-11]。

传统环氧树脂绝缘子的电气机械性能和加工工艺性能都十分优良，可作结构性绝缘材料，做成整体绝缘子，已有几十年的成功使用经验。如：双酚环氧树脂绝缘子和绝缘套管，干式变压器等。其主要的特点是重量轻，加工成本低，抗冲击能力强，易于加工成为较复杂的绝缘结构等；但另一方面，由于双酚环氧树脂的耐漏电起痕和电蚀损性能、耐老化性能较差，难于用于室外[12-16]。脂环族环氧树脂具有非常优异的耐电弧性、耐漏电痕迹性等电气特性。与目前应用最为广泛的硅橡胶绝缘材料相比，脂环族环氧树脂材料制成的绝缘子具有非常好的机械性能，可以用作结构材料，但其憎水性与有机硅橡胶相比却差了很多。为此，研究者开发了新型憎水性脂环族环氧树脂。新型憎水性脂环族环氧树脂材料实际上是在普遍使用的脂环族环氧树脂材料中加入了具有某种特殊流变性能的添加剂而制成具有憎水性和憎水迁移性的产品[17-20]。但目前尚缺乏对该新型脂环族环氧树脂材料性能研究的报道。

本研究旨在通过试验研究该新型憎水性脂环族环氧树脂材料的电气性能，通过对该新型环氧树脂和普通硅橡胶进行憎水性、憎水迁移性、耐漏电起痕性能、介电性能、缺陷扩展性能等对比试验，评估该新型脂环族环氧树脂材料应用于户外绝缘的可行性与能力。研究成果为脂环族环氧树脂户外绝缘子的应用提供技术参考。

1 试验样品及方法

1.1 试验样品

将某厂家生产的新型脂环族环氧树脂按照试验标准的要求制备成不同尺寸、不同形状的样品。对试品的表面进行清洁处理，用无水乙醇清洗表面，然后用自来水清洗，晾干后放置于防尘容器中，在实验室的标准环境下保存24 h。

1.2 憎水性及憎水迁移性试验

憎水性的测量：任取脂环族环氧树脂和硅橡胶试品各3个，每个试品上选取5个不同的位置，利用测量仪测量静态接触角。

憎水性迁移特性：将脂环族环氧树脂和硅橡胶试品表面涂污，污秽分别选择硅藻土和高岭土，沉积在绝缘子表面涂层中的可溶盐用NaCl来代替，灰密分别为0.5 mg/cm2、1.0 mg/cm2、1.5 mg/cm2，盐密为0.1 mg/cm2。污秽涂刷完成后的96 h内测量试品表面水珠的静态接触角。同样，每个试品上取5个不同的位置进行测量。

憎水性的丧失及恢复特性：在实验室标准环境下，各另取5片清洁试品放置于盛水的容器内浸泡96 h，试品应完全被水浸没。然后取出试品，用滤纸吸干残余水分，各任取3片试品测量其静态接触角和HC值，另外两个试品仅测量其HC值，每个试品的测量工作在10 min内完成。完成测量后，测量憎水性恢复至原始憎水性分级水平的时间。数量为5片，每次测量取5片试品的水珠静态接触角的平均值，以保证结果的准确性。

1.3 耐漏电起痕和电蚀损试验

测量材料耐漏电起痕和电蚀损性能的试验按照国标GB/T 19519-2014《标称电压高于1 000 V的架空线路用复合绝缘子-定义、试验方法及验收准则》进行[21]。选取5片脂环族环氧树脂试品，尺寸为长100 mm，宽45 mm，厚度6 mm。清洗干净后放入漏电起痕试验机中，安装时保证上下电极间至少65%的面积应为待试样。同时，选取普通硅橡胶材料的试片进行漏电起痕特性的对比。普通硅橡胶试片由国内某公司提供，分别为不同批次的产品。

1.4 介电性能试验

为了对比研究环氧树脂材料和硅橡胶材料的介电性能，对二者进行介电性能测试。试验仪器为宽频介电谱仪，试样厚度为2 mm，频率测试范围为107～10-1Hz。

1.5 力学缺陷扩展性能试验

见图1，硅橡胶采用长条试样，样品为哑铃型样品，中部宽度4 mm。用刀片在试样中部预割不同长度的裂纹，然后使用游标卡尺测量裂纹的准确长度。使用万能材料试验机拉伸试样，获得拉伸过程中的力-位移曲线。拉伸试验机以200 mm/min位移速度进行拉伸。脂环族环氧树脂采用摆锤冲击的方法测量发生断裂所需要的能量，试验所用的试样尺寸为80×10×6.7 mm的矩形试样，试样带有2 mm深V型缺口。共制作了10个试样进行试验。

图1 试验样品Fig.1 Test sample

2 试验结果

2.1 憎水性及憎水迁移性试验

经过预处理后，用静态接触角法和喷水法对试品进行憎水性测量。环氧树脂试品和普通硅橡胶试品的接触角情况见表1，其中脂环族环氧树脂试品的静态接触角示意图见图2。

图2 脂环族环氧树脂材料憎水角Fig.2 Hydrophobic angle of alicyclic epoxy materials

表1 材料表面起始静态接触角Table 1 Initial static contact angle of material surface

结果显示，脂环族环氧树脂材料的静态接触角略大于硅橡胶。

在憎水性迁移96 h后用喷水法测定试品表面的憎水性分级见表2。

表2 充分迁移后喷水分级法结果Table 2 Results of water spray classification after full migration

图3为不同硅藻土灰密下的脂环族环氧树脂憎水性迁移曲线。

图3 不同硅藻土灰密下的脂环族环氧树脂憎水性迁移曲线Fig.3 Hydrophobic transfer curve ofalicyclic epoxy resin with different diatomite ash density

由图3可以看出脂环族环氧树脂材料和普通硅橡胶材料的硅藻土憎水迁移特性整体趋势大致相同。污秽涂刷后的20 h是憎水性由材料表面迁移到污秽表面的主要阶段；而20 h后，污秽表面的憎水性基本达到相对稳定的数值。通过比较，脂环族环氧树脂材料表面在20 h后获得的憎水性要稍弱于普通硅橡胶材料，最终的稳定值大约在124°至128°之间，且污秽厚度越大，憎水性迁移的程度要变得相对小一些。迁移速度也要小于硅橡胶材料，后者在10 h左右已经迁移完成。

在硅藻土污秽涂刷96 h后，我们可以认为憎水性已经充分迁移，综合可以看出，脂环族环氧树脂在硅藻土污秽的情况下具有比较优异的憎水迁移性。

脂环族环氧树脂材料对于高岭土污秽的憎水性迁移特性研究同样采用涂污法，并测量涂污后96 h内憎水静态接触角的变化。高岭土灰密分别选择 0.5 mg/cm2、1.0 mg/cm2、1.5 mg/cm2、2.0 mg/cm2，而盐分仍由NaCl代替，盐密选择为0.1 mg/cm2。

在涂污后的第24 h、48 h和第72 h对4种不同灰密的试品进行静态憎水角测量，可以发现灰层表面并未出现憎水迁移性，水滴滴在表面后迅速浸润污层。而经过96 h后对试品继续测量，高岭土灰密为1.0 mg/cm2、1.5 mg/cm2、和2.0 mg/cm2的两种试品的污层表面仍未表现出憎水性，灰密为0.5 mg/cm2的试品表面污层仅表现出微弱的憎水性，静态憎水角约为30°。

延长憎水性的迁移时间至一周，即168 h，继续测量4种不同灰密的高岭土污层表面静态接触角。污层灰密0.5 mg/cm2和1.0 mg/cm2的两种试品分别表现出的污秽憎水静态接触角均约为40°至50°，而另外两种灰密的试品仍旧为表现出憎水迁移性。

综合来看，脂环族环氧树脂材料对于高岭土的憎水迁移性比较差，只具有很弱的憎水迁移性。而对于硅藻土则具有比较优异的憎水迁移性。

利用去离子水浸泡试品的方法模拟高湿环境进行憎水性丧失试验。选取5片脂环族环氧树脂试品，在容器中浸泡96 h后取出，在10 min内完成对其中3片试品的静态接触角的测量。

表3显示的是脂环族环氧树脂材料的憎水性丧失特性，图4所示是憎水性恢复特性曲线。

表3 憎水性丧失后静态接触角

从表3和图4中可以知道经过96 h的去离子水浸泡，脂环族环氧树脂材料表面的憎水角平均值下降了约5°，脱离高湿环境后，经过6 h，材料憎水性恢复至初始水平。

图4 憎水性恢复特性Fig.4 Hydrophobicity recovery characteristics

2.2 耐漏电起痕和电蚀损性能试验

为定量衡量电蚀损的程度，分别称量其烧蚀前后的质量。

将脂环族环氧树脂和硅橡胶试品连续烧蚀6 h后，取下用清水冲洗，擦干后观察表面，用游标卡尺测量烧蚀深度，再称量其重量。试品漏电起痕和电蚀损后的状态见图5。

图5 试片烧蚀后状态Fig.5 Status of test piece after ablation

4.5 kV漏电起痕和电蚀损试验前后的脂环族环氧树脂和硅橡胶材料试品质量见表4、表5，质量减少部分见表6。

表4 漏电起痕试验前试品质量Table 4 Quality of test object before leakage tracking test

表5 漏电起痕试验后试品质量Table 5 Quality of test object after leakage tracking test

续表5

表6 漏电起痕试验前后试品质量差Table 6 The quality difference of the test object before and after the leakage tracking test

表6中清晰地显示出脂环族环氧树脂材料在4.5 kV电压等级下进行6 h的漏电起痕和电蚀损，质量减少仅为0.03 g左右，说明该材料耐漏电起痕和电蚀损的性能比较好。进一步分析试品表面可以发现：脂环族环氧树脂材料表面只有微小的烧蚀痕迹，烧蚀深度无法用游标卡尺测量出来，用手在烧蚀处接触只能感觉到微微的粗糙感。相比之下，普通的硅橡胶材料烧蚀的程度大大超过脂环族环氧树脂材料。部分试品表面甚至出现2 mm左右的烧蚀深度。

2.3 介电性能试验

图6和图7为未老化时环氧树脂材料和硅橡胶材料相对介电常数和介质损耗角正切随电场频率的变化曲线。

图6 环氧树脂和硅橡胶相对介电常数对比Fig.6 Comparison of relative permittivity between epoxy resin and silicone rubber

图7 环氧树脂和硅橡胶介质损耗角正切对比Fig.7 Comparison of dielectric loss tangent between epoxy resin and silicone rubber

从图6可以看出随着频率的增加环氧树脂和硅橡胶试样的介电常数均减小，且变化趋势一致。这是由于当外加电场频率较小时，材料的位移极化和松弛极化均来得及建立，介电常数较大，随着频率的增加，外加电场的周期逐渐和松弛时间相等，导致介电常数逐渐减小，随着电场频率逐渐进入高频区，松弛极化难以建立，介质中的极化只存在位移极化导致介电常数进一步减小并逐渐趋于定值。在整个频率区间，硅橡胶的介电常数均大于脂环族环氧树脂。

从图7可以看出环氧树脂试样的介电损耗随着电场频率的增加先降低再升高再降低。这是由于当电场频率较小时，介电损耗主要是电导损耗，频率增大，介电损耗减小。当频率接着上升时，极化损耗逐渐增大，表现出介电损耗逐渐增大。但是当频率增大到一定程度时，极化损耗会逐渐减小，表现出样品的介电损耗减小。在整个频率区间，硅橡胶的介质损耗角正切均大于脂环族环氧树脂。

2.4 缺陷扩展性能试验

含不同缺陷长度的硅橡胶样品的力-位移曲线见图8。从图中可见，在试样断裂前，带缺陷试样的曲线位于不带缺口试样的曲线上方，这意味着在试样断裂前，拉力在带缺陷试样上做的功更多。

图8 不同缺陷长度样品的力-位移曲线Fig.8 Force displacement curves of samples with different defect lengths

力在拉伸过程中做的功转化为以下几个方面：试样运动的动能，试样发生弹性形变的弹性能，使裂纹缺陷扩展的能量，试样塑性形变的能量以及热耗散的能量。由于断裂时的位移较小，因此可忽略试样塑性形变的能量。试样的运动速度小，且温度变化小，因此动能及热耗散的能量也将其忽略。力做的功主要由弹性能及使裂纹扩展的能量组成。

由于所采用的试样较窄，且拉伸速度较快，近似认为在断裂前，同等位移下，带缺陷试样的弹性形变能与不带缺陷的试样相同。按照此方法，根据试样的力-位移曲线，可得到每个试样在断裂时拉力做的功以及弹性形变能的大小，见图9。

图9 拉力做功与弹性形变能估计Fig.9 Estimate of tensile work and elastic deformation energy

将力做的功减去试样的弹性形变能，即可得到用于试样断裂的能量，见图10。可以看到，随着试样缺陷长度的增加，使试样断裂的能量成线性减少。这与试样中完好部分面积的变化特性一致。最终可得到硅橡胶试样断裂的平均能量为70 J/m2。

图10 试样断裂能量估算Fig.10 Estimate of fracture energy of sample

在摆锤冲击试验中，脆性材料试样受到摆锤的冲击发生断裂时，其吸收的能量中，使裂纹形变的能量相比引发试样断裂的能量很小，因此，由摆锤冲击测得的试样吸收能量可认为是试样断裂的能量。摆锤撞击试样后，其能量的损失可以通过上升高度发生变化得到。在本实验中，摆锤损失的能量主要包括引发试样断裂的能量，抛掷断裂试样自由端的能量，以及风阻、摩擦所消耗的能量。风阻、摩擦的能量损耗已由试验机内置程序自动修正。抛掷自由端的能量可通过测量自由端的质量和抛出距离得到。

试验中，冲击速度为3.35 m/s，摆锤的标称能量为：2.75 J。试验结果见表7。试样的破坏类型全部为完全破坏，没有部分破坏或者为未破坏的试样。可得到脂环族环氧树脂的平均断裂能量：2.94 kJ/m2。