典型电机绝缘环氧树脂的力学与防护性能比较研究

Comparative Study of Mechanical and Protective Properties of Typical Motor Insulation Epoxy Resins

摘要

环氧树脂因黏合力强、收缩性小、力学性能好、耐化学品性优良和韧性好等优点，被广泛应用于电机绝缘复合材料中。文章选取3种典型的双组分环氧树脂体系，按一定比例配制后固化对其性能进行测试与分析。结果表明，2#双组分环氧树脂的环氧值含量和交联度最高。3种环氧树脂的化学结构相似，表明其主要成分相同。热重分析表明，2#环氧树脂的初始分解温度最高，结晶性好，具有良好的热稳定性。力学性能测试证实了2#环氧树脂的力学性能优异。因此，2#环氧树脂在未来的工业领域具有广阔的应用前景。

Abstract

Epoxy resin is widely used in electric motor insulating composites due to its strong adhesion, low shrinkage, good mechanical properties, excellent chemical resistance, and toughness. The article selects three typical two-component epoxy resin systems, which are cured after being formulated at a certain ratio, and their properties are tested and analyzed. The results show that the epoxy value and crosslinking degree of the 2# two-component epoxy resin are the highest. The similar chemical structures of the three epoxy resins indicate that their main components are the same. Thermogravimetric analysis shows that the 2# epoxy resin has the highest initial decomposition temperature, good crystallinity, and excellent thermal stability. Mechanical property tests confirm the superior mechanical properties of the 2# epoxy resin. Therefore, the 2# epoxy resin has broad application prospects in the future industrial field.

Graphical abstract

关键词

环氧树脂 / 环氧值 / 力学性能 / 防护特性

Key words

Epoxy resin / Epoxy value / Mechanical properties / Protective properties

抽水蓄能发电机凭借其大规模储能能力、能够在短时间内频繁启停以及环境友好等优势，装机容量呈现急剧上升的趋势。然而，这也使电机转子更容易受到损伤，因此对绝缘性环氧树脂的性能要求也随之不断提高^[1-3]。绝缘性环氧树脂因其卓越的力学性能、耐热性和耐化学性而备受青睐，这些特性使其成为大型抽水蓄能发电机绝缘材料的首选，在相关领域得到了广泛的应用^[4-6]。

传统单组分环氧树脂已在电机绝缘领域得到广泛应用，但其固化过程对环境因素较为敏感，且固化后存在内应力大、韧性不足等问题^[7-9]。这些问题在一定程度上限制电机性能的进一步提升。为克服这些局限性，双组分环氧树脂体系应运而生。通过精确控制树脂与固化剂的比例，双组分环氧树脂能够实现更优异的综合性能^[10-13]。研究表明，双组分体系不仅能改善固化工艺性，还能够显著提高材料的力学性能和耐热性。JONES等^[14]、陈鸿等^[15]、GAO等^[16]研究表明，采用特定比例的环氧树脂与胺类固化剂，可使材料的拉伸强度提高30%，同时降低固化过程中的内应力。

在电机绝缘领域，双组分环氧树脂的研究已取得一系列重要成果。HUANG等^[17]和秦毅^[18]通过引入纳米氧化铝填料，成功开发出一种具有优异导热性和耐电晕性能的双组分环氧树脂复合材料，其导热系数达到1.2 W/(m·K)，比传统材料提高50%。HAN等^[19]、张文卿等^[20]、ALSAEED等^[21]、POSANI等^[22]、倪艳荣等^[23]、王雪原等^[24]研究表明，采用双组分环氧树脂作为高压电机的主绝缘材料，可显著提高电机的耐电压等级和使用寿命。

本实验选取3种工业级环氧树脂绝缘材料进行性能对比分析，主要通过力学性能和防护特性测试进行充分的分析和比较，以掌握其特点和规律，并甄选出满足工业要求的高品质环氧树脂产品。

1 实验部分

1.1 主要原料

1#：双组分环氧树脂GRT-1822，A∶B(固化剂)=10∶1，A、B组分分别为无味透明略有淡黄色胶状液和无色无味透明液体，上海固瑞泰复合材料科技有限公司；2#：双组分环氧树脂GRT-1828，A∶B(固化剂)=100∶19，A、B组分分别为焦黄色胶质液体和明黄色透明状液体，有刺激性气味，上海固瑞泰复合材料科技有限公司；3#：双组分环氧树脂GRT-5625，A∶B(固化剂)=5∶1，A、B组分分别为焦黄色胶质液体和明黄色透明状液体，有刺激性气味，上海固瑞泰复合材料科技有限公司。

1.2 仪器与设备

电热鼓风干燥箱，DGG-9140B，苏珀仪器制造有限公司；恒温水浴锅，HH2，无锡沃信仪器制造有限公司；凝胶渗透色谱仪(GPC)，EClassical3200，大连依利特分析仪器有限公司；傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，Bruker-Vector-22，德国Bruker公司；热重分析仪(TG)，STA449-F3，德国耐驰仪器制造公司；万能试验机，XXJ-5，丰旺仪器仪表制造有限公司；塑胶冲击试验机，JB-300，广州华创制造有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，NOVE-NANOSEM-450，美国FEI公司。

1.3 样品制备

将3种双组分环氧树脂的A、B组分按一定质量比混合，充分搅拌30 min，直至均匀混合且完全溶解。使用无水乙醇清洗模具，干燥20 min后，将配制好的溶液倒入模具中，直至流平。随后，将模具置于恒温烘箱中，按照60 ℃/2 h-100 ℃/2 h-120 ℃/2 h的固化程序进行固化。固化完成后，冷却并脱模，进行后续测试。

1.4 性能测试与表征

环氧值测试：依据GB/T 1677—2023盐酸丙酮法进行测试^[25]。

交联度测试：采用丙酮萃取法进行测试。交联度计算公式为^[26]：

D=\frac{m_{\mathrm{3}}-m_{\mathrm{1}}}{m_{\mathrm{2}}-m_{\mathrm{1}}}\times \mathrm{100}\%(1)

式(1)中：D为交联度，%；m₁为空袋质量，g；m₂为样品包质量，g；m₃为萃取和干燥后的样品包质量，g。

GPC测试：取1~5 mg样品和5 mL四氢呋喃溶剂混合，在室温或者50~80 ℃下加热溶解，然后进样测试。

FTIR测试：与适量光谱级KBr粉末混合、压片得到测样品，测试范围为4 000~500 cm^-1。

TG测试：在N₂气氛下进行测试，温度范围为50~800 ℃，升温速率10 ℃/min。

力学性能测试：依据GB/T 1040.2—2022进行拉伸性能测试^[27]，按照GB/T 1043.1—2008进行冲击强度测试^[28]，按照GB/T 39289—2020进行黏接测试^[29]。测试5次，取平均值。

SEM测试：依据GB/T 20307—2006进行测试。真空环境下对样品进行喷金处理以提高其导电性，在加速电压为10 kV的条件下测试复合材料的断裂面微观形貌。

防护特性测试：依据GB/T 1733—1993进行耐水性测试^[30]，样品涂覆在马口铁样板上，并用石蜡封边处理，浸入100 ℃沸水中测试，依据HG/T 3857—2006进行耐油性测试^[31]，依据GB/T 10834—2008进行耐盐水腐蚀性测试^[32]。

2 结果与讨论

2.1 3种环氧树脂体系环氧值分析

图1为3种环氧树脂体系的环氧值。从图1可以看出，样品2#的环氧值最高，比样品1#高13.3%，比样品3#高6.6%。环氧值高的环氧树脂，其环氧基团含量比例高，能够与其他化合物发生反应，形成较强的化学键，从而增强大分子间的作用力。因此，这类环氧树脂具有高强度和稳定的化学性能^[33]。由此可知，样品2#的化学稳定性最佳。在工业生产中，若处于腐蚀性环境或高温条件下，应优先选择环氧值高的环氧树脂产品^[34]。

2.2 3种环氧树脂体系交联度分析

表1为3种环氧树脂体系的交联度。从表1可以看出，1#样品的交联度为85.5%，2#样品的交联度为92.9%，3#样品的交联度为88.9%。2#样品交联度最高，说明2#样品中环氧树脂分子中环氧基团与反应产物的化学键数目最多，可以形成密集的3D聚合网络结构，这也与环氧值的测试结果相吻合。在绝缘性环氧树脂中，交联度越高的样品，分子间作用力越强，其具有较强的强度。因此从交联度结果来看，2#样品达到最佳的交联状态。

2.3 3种环氧树脂体系GPC分析

表2为3种环氧树脂体系的分子量测试结果。从表2可以看出，3种环氧树脂的峰尖分子量(M_p)相差不大，分别为11 809、11 970、11 887 g/mol。然而，2#样品的数均分子量(M_n)、重均分子量(M_w)和Z均分子量(M_z)均高于1#和3#样品，导致2#样品的多分散指数(PDI)高于其他两种样品，比1#样品高3.9%，比3#样品高1.6%。这是因为2#样品的分子量分布较宽，体系中存在不同支化程度的环氧基团小分子。这些小分子与其他聚合物反应形成较强的化学键，其长链与短链更易缠结，从而使2#样品表现出更好的交联响应。

2.4 3种环氧树脂体系FTIR分析

图2为3种环氧树脂体系的FTIR谱图。从图2可以看出，3 651 cm^-1处为—OH伸缩振动吸收峰，样品固化后吸收峰明显增强，表明样品固化后有大量羟基的生成(对应环氧固化过程中环氧基团开环转化为羟基)。2 920 cm^-1处为C—H伸缩振动峰，表征样品内的甲基基团。苯环对应1 510 cm^-1处的吸收峰。1 102 cm^-1处为Si—O键伸缩振动峰。从定性角度综合分析，3种样品的FTIR谱图中吸收峰位置大致相近。3种样品的主要组成成分均为环氧树脂、固化剂、醇类物质及无机填料等，分子组成成分中均含有环氧基、羟基、甲基或亚甲基等。3种样品存在略微差异。这种差异的原因可能是材料体系中还含有填料及少量助剂，这些成分对样品的最终形态产生影响。

2.5 3种环氧树脂体系TG分析

图3为3种环氧树脂体系的TG曲线。从图3可以看出，3种环氧树脂体系的TG曲线失重趋势基本一致，N₂氛围中均只有一个热分解阶段，初始分解温度(t_5%)分别是339、365、344 ℃，2#的初始分解温度最高，表明2#样品具有良好的耐热性能。在第一个失重阶段(300~500 ℃)可观察到明显分解，分解速率最快的是1#样品，这是因为1#样品内部分子间的范德华力、氢键等相互作用较弱，这种较弱的分子间作用减少了对基团运动的限制。在500 ℃下样品的残炭率分别为11.5%、29.7%和25.4%，推测2#样品内部分子有更长的分子链，导致大量的分子链缠结，从而提高了热稳定性。由此可得，2#样品具有良好的热稳定性。

2.6 3种环氧树脂体系力学性能分析

图4为3种环氧树脂体系的拉伸强度。从图4可以看出，2#环氧树脂体系的拉伸强度达到58.425 MPa，为3种环氧树脂体系中最高，较1#样品高26.44%，较3#样品高23.14%。这可能是因为3种样品的分子结构、基团种类和交联度存在差异，进而导致环氧值不同。其中，2#样品的环氧值最大，化学性能最为稳定，且断裂伸长率最小，因此其拉伸强度表现最佳。

图5为3种环氧树脂体系的冲击性能。从图5可以看出，在同等条件下，2#样品冲击吸收能最大，1#和3#样品的冲击吸收能相当。一般情况下，抗冲击性能差的环氧树脂脆性很大，很容易被冲断，因此也表明2#样品端基上的活性基团已经很好地嵌入环氧树脂的交联网络中，在一定程度上起到网络结点的作用。当2#样品受到冲击能量时，可以起到应力分散和承受应力的作用，增加了材料的断裂能，从而使材料的韧性提高，冲击强度提高。

图6为3种环氧树脂体系黏接后拉伸断裂应力和断裂伸长率。从图6可以看出，1#样品和3#样品的破坏载荷均低于2#样品。综合分析表明，2#样品的黏接强度最佳，1#样品次之，3#样品的黏接强度相对较弱。黏接是环氧树脂与基体之间的连接融合，而非分子结构内部的作用力。这种差异可能与基体和环氧树脂微观结构中的基团有关。按照标准方法，黏接对象为铜片。3#样品中与铜片结合力强的基团含量可能较少，导致其结合力弱，黏接强度不高；而2#样品中环氧基团与铜片的结合力最强，因此其黏接强度最高。

2.7 3种环氧树脂体系防护特性分析

表3为3种环氧树脂体系的防护特性。从表3可以看出，1#、2#、3#样品在固化后，耐油性均合格，24 h后不会轻易变软起泡、起皱、脱落等现象。但1#样品在沸水30 min中就出现脱落现象，耐水性不合格；1#样品和3#样品在耐盐水腐蚀24 h后发生变软、脱落、起泡等现象，其耐腐蚀性均不合格。综合分析，2#样品的耐水性、耐油性、耐盐水腐蚀性最好，均符合防护特性要求。

2.8 3种环氧树脂体系SEM分析

图7为3种环氧树脂体系断裂面的SEM照片。从图7可以看出，在1 000倍放大视野下，颗粒分布均匀，断裂面粗糙且有起伏，表明环氧树脂体系样品为韧性断裂。1#样品和3#样品的褶皱略宽，内部高分子链呈现松弛状态。而2#样品的褶皱细如刀刃，具有良好的结合界面，断裂时需消耗大量能量。这进一步证实了2#样品力学性能优异的结论。

3 结论

本实验选取最为典型的3种双组分环氧树脂体系按照一定比例配制，待固化后对其进行性能测试并进行探讨。结果表明：2#样品的环氧值最高，比1#样品高13.3%，比3#样品高6.6%。这表明2#样品具有更强的化学键和最佳的化学稳定性，且其交联状态最为理想。2#样品的分子量分布较其他两种环氧树脂稍宽，这种较宽的分子量分布使得聚合物的长链与短链更易缠结，从而表现出更优的交联响应。3种环氧树脂的化学结构相似，表明其主要成分相同。2#样品的初始分解温度最高，结晶性好，最终残炭率比1#样品和3#样品高，表现出良好的耐热性能。在力学性能方面，2#样品的拉伸性能、冲击性能和黏接性能均优于其他两种。在防护特性方面，2#样品的耐水性、耐油性和耐盐水腐蚀性均符合要求。综上所述，3种环氧树脂体系中2#双组分环氧树脂的性能优异。本研究为工业挑选最优产品提供可靠的实验数据支撑。

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