玻璃纤维增强PA66复合材料作为高压开关设备绝缘件材料的可行性分析

2021-09-27司晓闯袁端鹏郝留成张娜娜

中国塑料 2021年9期

司晓闯，袁端鹏，李凯，郝留成，陈蕊，张娜娜

（平高集团有限公司，河南平顶山，467001）

0 前言

绝缘件是高压开关设备的重要零部件组成之一，起绝缘和支撑等作用，该类绝缘件通常采用环氧树脂真空浇注工艺制备而成。环氧树脂浇注材料为热固性材料，废弃物难以回收利用、降解困难，需要进行特殊填埋处理，造成严重的环境污染。相比于环氧树脂，成本低廉、制造工艺简单且可回收利用的热塑性材料在性能、加工和环保性方面具有很大的优势[1-7]。其中玻璃纤维增强聚酰胺复合材料具有优异的力学、热学和电学性能[8-12]，成为未来高压开关设备绝缘件用材料发展的重点方向之一。目前国内企业在新型复合绝缘材料开关设备中应用的新技术、新工艺研究上与国际水平存在着一定的差距[13]。国内仅有少数相关厂家在中低压开关用固封极柱、母线套管等上进行了PA66/SGF复合材料的应用尝试，但是在高压开关设备领域中的应用尚未进行较为系统的研究和形成具体的材料性能参数指标要求。

本文研究了SGF含量对PA66/SGF复合材料的力学、绝缘等关键性能指标的影响，并与标准[14]中常规热固性环氧树脂基绝缘材料的基本参数进行了对比，为PA66/SGF复合材料作为高压开关设备绝缘件材料的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

不同SGF含量的PA66/SGF复合材料，SGF含量分别为10%、20%、30%、40%、50%，河南神马华威塑胶股份有限公司；

PA66，EPR2701，河南神马华威塑胶股份有限公司。

1.2 主要设备及仪器

专业型电子天平，LA120S，德国赛多利斯集团；

差示扫描量热仪（DSC），DSC Q20，美国TA公司；

扫描电子显微镜（SEM），JSM-6510LA，日本电子公司；

电子式万能试验机，INSTRON，英斯特朗集团；

微机式塑料摆锤冲击试验机，ZBC1251-C，深圳市新三思材料检测有限公司；

电压击穿测试仪，DDJ-100KV，北京冠测试验仪器有限公司；

耐电弧试验仪，HYDH-20K，长春市恒越电子科技有限公司；

介损及介电常数测量系统，QS87，上海杨高电器有限公司。

1.3 样品制备

将PA66与主抗氧剂、润滑剂等其他辅助剂按表1所示的比例加入高速混合机中混合均匀后放入挤出机中，初步熔融后加入SGF，经熔融共混制得PA66/SGF复合材料；挤出机各段温度从加料口到机头依次为260、265、265、270、270、265、260、255、260 ℃，真空度控制在-0.6个大气压，螺杆转速为300 r/min，将PA66/SGF材料在100℃下干燥4 h，采用注塑机注塑得到测试试样，注塑机喷嘴温度为260～280℃，连续注塑多模，待模具温度均匀稳定后，制备测试试样。

表1 SGF/PA66复合材料的样品配方表 %Tab.1 Formulation of SGF/PA66 composites %

1.4 性能测试与结构表征

密度按GB/T 1033.1—2008采用浸渍法进行测试，测试环境温度为（23±2）℃；

熔融结晶行为曲线按GB/T 19466.3—2004进行测试，升温速率为10℃/min；

微观形貌使用SEM进行观察，加速电压为20 kV；

拉伸强度按GB/T 1040.2—2008进行测试，1A型试样，拉伸速率为5 mm/min；

弯曲强度按GB/T 9341—2008进行测试，弯曲速率为5 mm/min；

冲击强度按GB/T 1043.1—2008进行测试，

击穿强度按GB/T 1408.1—2006进行测试，采用等直径球电极（直径为20 mm），试样厚度为2 mm，在变压器油中常温下进行测试，升压速度为2 000 V/s，每种不同含量的SGF试样测试5个，每个试样在不同位置测3个点；

耐电弧性能按GB/T 1411—2002进行测试，每种不同含量的SGF试样测试5个，每个试样在不同位置测3个点；

介电常数按GB/T 1409—2006进行测试。

2 结果与讨论

2.1 物理和力学性能分析

2.1.1 物理性能分析

不同SGF含量的PA66/SGF复合材料及环氧树脂基绝缘材料的密度如图1所示。可以看出，由于SGF的密度大于PA66，随着SGF含量的增加，复合材料的密度呈上升的趋势。当SGF含量为50%时，密度达到1.563 g/cm3，较纯PA66的密度提高了36%，但相对于热固性环氧树脂基绝缘材料密度（2.16 g/mm3）依然较小。同体积下的PA66/SGF复合材料绝缘件的质量更低，更有利于绝缘件的转运和装配。

图1 不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的密度Fig.1 Density of PA66/SGF composites with different SGF contents

2.1.2 熔融结晶行为分析

不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的降温结晶DSC曲线如图2所示。可以看出，PA66/SGF复合材料的结晶温度比纯PA66的稍微升高，随着SGF含量的增加，结晶峰逐渐向高温方向移动，PA66/SGF复合材料的结晶温度逐渐升高，开始结晶温度和终止结晶温度变高，而峰的宽度逐渐变窄，说明SGF的加入使得材料的结晶速率逐渐变快。SGF能够起到成核剂的作用，加快了PA66的结晶速率，使复合材料的晶体排列规整，可提高复合材料的力学性能。

图2 不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的降温结晶DSC曲线Fig.2 DSC curves of PA66/SGF composites with different SGF contents

2.1.3 力学性能分析

不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的力学性能测试结果如图3所示。可以看出，在无SGF增强的情况下，材料的各项性能较低，随着SGF含量的增加，PA66/SGF复合材料的力学性能呈现上升的趋势。

图3 不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的力学性能Fig.3 Mechanical properties of PA66/SGF composites with different SGF contents

这首先是因为玻璃纤维的比模量和拉伸强度都很高，经过挤出机和注塑机2次螺杆剪切后，SGF可以与PA66分子在一定程度上混合，从而提高了复合材料的力学性能。其次，PA66是结晶树脂，SGF加入后，可以作为成核剂诱导PA66的异相结晶，一方面结晶使得分子链排列更加紧密有序，孔隙率低，另一方面结晶还使得两者的界面结合强度进一步提高，当受到外力作用时，应力传给SGF，力的作用方向发生变化，即沿着纤维的取向方向传递，这种传递作用在一定程度上起到了力的分散作用，从而增强了材料承受外力作用的能力。因此，在一定的范围内，随着SGF含量的增加，这种分散作用逐步增大，反映出来材料的各项力学性能就越好。当SGF含量达到50%时，其弯曲强度和拉伸强度分别提高了1.04倍和1.57倍，冲击强度达到75.375 kJ/m2。SGF含量达到20%时，与标准要求的常用热固性环氧树脂基绝缘材料的弯曲强度≥110 MPa、拉伸强度≥70 MPa、冲击强度≥10 kJ/m2的指标相比，PA66/SGF复合材料的力学性能参数可满足指标要求。

2.2 绝缘性能分析

2.2.1 击穿强度分析

击穿强度反映了材料在电场作用下，避免破坏（击穿）所承受的最高的电场强度，此参数在高压电气行业用绝缘件上尤为关键。不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的击穿强度如图4所示。

图4 不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的击穿强度Fig.4 Dielectric strength of PA66/SGF composites with different SGF contents

从图4可以看出，复合材料的击穿强度随着SGF含量的增加而增加，纯基材PA66的平均击穿强度为20.38 kV/mm，与常用热固性环氧树脂基绝缘材料的基准参数值（≥20 kV/mm）持平，当SGF含量达到50%时，击穿强度可达到31.7 kV/mm。这是因为SGF相对基材PA66具有更高的比电阻，单向纤维增强材料的纵向体积电阻率（ρc）与纤维的体积电阻率（ρf）、基体的体积电阻率（ρm）、纤维体积分数（Vf）之间的关系式如式（1）所示[15]：

随着SGF体积分数（Vf）的增加，PA66/SGF复合材料的体积电阻率逐渐增大；另外式（1）是以纤维方向与电流的方向严格平行为前提的，而在实际的PA66/SGF复合材料中，SGF的分布呈较为杂乱的状态，如图5所示。在电流方向与纤维方向不平行时，界面对电子有较大的散射作用，这也会引起复合材料体积电阻率的明显升高[15]，使得材料的绝缘性能提升。总体上PA66/SGF复合材料的击穿性能均优于常用热固性环氧树脂基绝缘材料的指标要求。

图5 SGF含量为50%的PA66/SGF复合材料冲击断面的SEM照片Fig.5 SEM of impact section of PA66/SGF composites with 50% SGF contents

2.2.2 介电常数测试

对于高压开关用绝缘件要求介电常数要求控制在一定的范围内。周祝林等[16]分别研究了树脂基体、玻璃纤维和复合材料的介电性能，认为复合材料的介电常数可用式（2）计算。

式中εf——纤维的介电常数

εm——基体材料的介电常数

ε1——空气的介电常数

Vf——纤维的体积含量，%

V0——空隙率，%

从式（2）可以看出，复合材料的介电常数和PA66、SGF材料的介电常数有关，且与SGF在复合材料中的含量关系很大，当二者介电常数相差较大时，含量对最终复合材料的影响更加显著。

不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的介电常数如图6所示，纯PA66的介电常数为3.46，当短切玻璃纤维含量为50%时，介电常数为4.23。从图6可以看出，PA66/SGF复合材料的介电常数随着SGF含量的增加而增大，不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的介电常数均低于热固性环氧树脂基绝缘材料的指标上限值6，更利于开关设备绝缘性能的提高和小型化设计。

图6 不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的介电常数Fig.6 Dielectric constant of PA66/SGF composites with different SGF content

2.2.3 耐电弧性能分析

电气设备中的绝缘材料及绝缘结构在运行中都承受电场的作用，在电应力（放电、电流、电化学等）为主要老化因子的长期作用下，它们的性能会发生不可逆的变化至失效。放电老化是电老化的主要形式，其中电弧放电时强度最高。当电弧烧灼材料表面时，瞬间注入强大的能量，使材料表面的局部温度急剧升高，材料被烧蚀、炭化，沿面的绝缘性能丧失，形成导电通道。耐电弧性是绝缘材料抵抗由高压电弧作用引起变质的能力，通常用标准电弧焰在材料表面引起炭化至表面导电而电弧消失所需时间表示，单位是s。不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的耐电弧性能如图7所示。

图7 不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的耐电弧性Fig.7 Arc resistance of PA66/SGF composites with different SGF contents

从图7可以看出，不同SGF含量的PA66/SGF复合材料的耐电弧时间均达到了热固性环氧树脂基绝缘材料耐电弧时间≥180 s的指标。随着SGF含量的增加，PA66/SGF复合材料的耐电弧时间增加，当SGF含量达到20%以上时材料的耐电弧性能提升效果更为明显。这主要是因为一方面SGF在PA66/SGF复合材料中的填充增多，诱导PA66基体树脂晶体结构完善，改善了复合材料的耐烧蚀性能；另一方面SGF相对具有更高的热导率和耐热性能，含量较少时，SGF分散分布在PA66中，相互之间相互隔离，导热效果不明显。随着SGF含量的增加，SGF相互搭接开始形成导热通道（如图8所示），复合材料的热导率提升，可将局部热量快速导出、分散，温度降低，烧蚀程度减小，从而提高了PA66/SGF复合材料的耐电弧性。