不同环氧树脂体系的电气性能及老化特性的比较研究

Comparative Study of Electrical Properties and Aging Characteristics of Different Epoxy Resin Systems

摘要

环氧树脂以其优良的电气绝缘性能、机械性能及防爆阻燃性等被广泛应用于干式绝缘高压电器中。工业生产中环氧树脂种类繁多，通过选取3种典型常用的双酚A型环氧树脂GRT-1822、GRT-1828、GRT-5625体系进行电气性能（表面电阻率、体积电阻率、击穿场强）、介质损耗以及老化抗疲劳强度测试和探讨。结果表明：双组分环氧树脂GRT-1828的表面电阻率、体积电阻率均高于其他两种树脂体系，击穿场强最大，介质损耗值最小，能量损耗最低，证明双组分环氧树脂GRT-1828的绝缘性能优良，电气性能最好；在抗疲劳强度中，双组分环氧树脂GRT-1828、GRT-5625的循环周期长，抗疲劳性能均较好，符合相关技术要求，在今后的工业领域中有很大的应用前景。

Abstract

Epoxy resin, with its excellent electrical insulation properties, mechanical properties, and flame retardancy, is widely used in dry-type high-voltage electrical equipment. In industrial production, there are numerous types of epoxy resins. Three typical and commonly used bisphenol A epoxy resin systems, namely GRT-1822, GRT-1828, and GRT-5625, were selected to investigate their electrical properties (surface resistivity, volume resistivity, and breakdown strength), dielectric loss, and aging resistance and fatigue strength. The results show that the two-component epoxy resin GRT-1828 has higher surface and volume resistivity than the other two resin systems, the highest breakdown strength, the lowest dielectric loss value, and the lowest energy loss, which proves that the two-component epoxy resin GRT-1828 has excellent insulation properties and the best electrical performance. In terms of fatigue strength, both the two-component epoxy resins GRT-1828 and GRT-5625 have large cycle numbers and good fatigue resistance, meeting the relevant technical requirements. They have great application prospects in future industrial fields.

Graphical abstract

关键词

环氧树脂 / 电气性能 / 老化特性

Key words

Epoxy resin / Electrical properties / Aging characteristics

近年来，国家特高压输电技术不断发展，高压输电线路电压等级逐步有效提升^[1-3]。提升电气设备可靠性运行是促进电网安全稳定的关键因素^[4-5]，但目前绝缘封装材料在自然环境中受到长期老化作用，危害电气设备长期稳定运行^[6-9]。在高压输电系统中，其性能的优劣直接决定设备的可靠性和使用寿命。因此，开发和优化高性能的绝缘材料成为当前电力行业亟待解决的关键问题之一。环氧树脂作为一种重要的绝缘材料，凭借其卓越的综合性能，在高压电气设备中得到广泛应用。然而，随着对高压输电技术要求的不断提高，环氧树脂材料也需要不断优化和改进，以满足日益严苛的使用环境和性能要求。环氧树脂主要是与不同固化剂发生交联反应，构成致密、封闭的三维交联结构，从而使设备安全可靠地运行^[10-12]。目前环氧树脂材料制备中通常融合环氧材料与其他材料，使多种材料性能优势互补，以环氧树脂复合材料形式对材料特定期望特性进行优化^[13-19]。在对环氧树脂进行深入研究时，需要对原料进行性能测试分析。目前国内对环氧树脂研究更多在于普通牌号的通用型环氧树脂，针对高压用环氧绝缘材料的研究相对较少。在高压等特殊环境下，对环氧树脂绝缘材料的绝缘性能以及耐疲劳性要求更高^[20-28]。

本文旨在选择3种双酚A型环氧树脂体系进行性能对比，通过电气性能及老化特性测试进行充分比较，挑选出绝缘性能和疲劳强度优异的环氧树脂材料。

1 实验部分

1.1 主要原料

1#：双组分环氧树脂GRT-1822，A(双酚A型环氧树脂)、B(胺类固化剂)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，A、B的质量比为10∶1，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(双酚A型环氧树脂)、B(胺类固化剂)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，A、B的质量比为100∶19，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(双酚A型环氧树脂)、B(胺类固化剂)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，A、B的质量比为5∶1，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；表面体积电阻率测试仪，ZST-121，北京中航鼎力仪器设备有限公司；电压击穿试验仪，LJC-50E，北京中航鼎力仪器设备有限公司；万能试验机(疲劳拉伸)，变形测量精度\pm0.5%，XXJ-5，丰旺仪器仪表制造有限公司。

1.3 样品制备

将样品1#、2#、3#的原料按1.1所示比例加入反应釜，充分搅拌30 min，均匀混合至完全溶解的状态，放入真空干燥箱中真空脱泡10 min。将脱泡处理后的样品进行涂膜，膜厚度为100 μm，其余部分倒入由丙酮清洗干净的模具中制备标样，按60 ℃/2 h-100 ℃/2 h-120 ℃/2 h的阶梯固化程序进行固化。固化完全后进行室温冷却、脱模进行后续测试。

1.4 性能测试与表征

表面电阻率和体积电阻率测试：按GB/T 31838.3—2019进行测试。

击穿场强测试：在(23±2) ℃条件下，试验电压由0开始匀速上升至击穿发生，当明显观测到瞬间放电得到击穿电压。击穿场强的计算公式为：

\mathrm{击穿}\mathrm{场强}=\frac{U}{d}(1)

式(1)中：U为击穿电压，kV；d为样品厚度，mm。

介质损耗测试：按GB/T 31838.6—2021进行测试。

抗疲劳强度测试：按GB/T 37306.1—2019进行测试。

2 结果与讨论

2.1 表面电阻率分析

电阻率是反映材料对电流阻碍作用的属性，电阻率越小，材料泄漏电流增加，材料内部发热老化，使材料的绝缘性能降低。将3种样品在常温、155 ℃及浸水24 h 3种测试条件下进行表面电阻率测试。图1为3种环氧树脂体系的表面电阻率。从图1可以看出，在3种测试条件下，各样品表面电阻率呈现相同的变化规律，与常温下相比，高温下(155 ℃)电阻率显著下降，浸水24 h后的电阻率略有下降。高温下电阻率显著下降的原因为高温可能使环氧树脂中的分子结构发生降解或松弛，分子链段剧烈运动发生断裂，从而导致电阻率显著下降。浸水后电阻率的下降是因为一定的水分子渗透进入树脂分子之间，破坏了分子之间的致密性。2#样品的表面电阻率最高，这一结果表明2#样品在不同环境条件下均表现出卓越的绝缘性能。

2.2 体积电阻率分析

图2为3种环氧树脂体系的体积电阻率。从图2可以看出，3种测试条件下样品体积电阻率均满足相关技术要求，即体积电阻率在(23±2) ℃下≥10¹² Ω·m，在(155±2) ℃下≥10⁹ Ω·m，浸水24 h后≥10¹¹ Ω·m。其中，2#环氧树脂体系的体积电阻率均≥10¹² Ω·m，达到3种环氧树脂体系体积电阻率的最大值。1#样品和3#样品的体积电阻率低可能是树脂的耐热性导致的。因此，在工业生产中，选用绝缘性能优良的2#样品可以大幅度提高生产效率。

2.3 击穿场强分析

击穿场强是绝缘材料绝缘性能的直观体现。图3为3种环氧树脂体系的击穿场强。从图3可以看出，2#样品的击穿场强是3种样品中最大的。进一步分析其结构特点，可推测2#样品内部各组分之间相互作用强，形成了稳定的复合体系，从而增强了材料抵御电压作用的能力，这种结构优化使2#样品表现出更高的击穿场强，体现了其在绝缘性能方面的优势。

2.4 介质损耗分析

图4为3种环氧树脂体系的介质损耗。从图4可以看出，3种样品的介质损耗在不同温度下呈现相同的变化规律，即热态的介质损耗远高于常态，增加数倍之多。主要原因在于随着温度的升高，高分子材料的分子链段运动加剧，介质损耗增加。随着温度的升高，胶料之间介质损耗的差距具有变大的趋势，说明高温下介质损耗高的胶料分子链段运动更加剧烈，推测可能是具有更低的交联密度，相比之下，2#样品的介质损耗在所有测试条件下均为最低。这一结果表明，在工业电场作用下，2#样品的能量损耗最小。较低的介质损耗意味着材料在电场作用下产生的热量较少，从而能够有效减缓材料的老化进程。通过降低介质损耗，2#样品能够在长期运行过程中保持更好的稳定性，从而显著提高其绝缘性能，延长设备的使用寿命，降低设备故障的风险。因此，2#样品在高温环境下的优异表现使其成为工业应用中的理想选择，尤其是在对绝缘性能和耐久性要求较高的场合。

2.5 抗疲劳强度分析

材料的强度、塑性、组织结构、纤维方向和内部缺陷等都是影响疲劳性能的重要因素。强度和塑性好，其抗疲劳断裂的能力就大。表1~3分别为1#~3#样品的疲劳测试结果。从表1~表3可以看出，在频率相同时，水平越高，周期越大，越不容易断裂；在同一水平和同一频率下，2#样品的周期循环最大，与3#样品相近，且远大于1#样品。这意味着在相同的测试条件下，2#和3#样品能够承受更多的应力循环次数而不发生断裂，表现出较好的抗疲劳性能。相比之下，1#样品的抗疲劳性能相对较弱，更容易在反复载荷作用下出现疲劳断裂。选择疲劳效应较好的环氧树脂材料能够在长期使用过程中更好地抵抗反复载荷的作用，从而显著提高设备的使用寿命。这不仅可以减少设备的损坏率，降低因设备故障导致的停机时间和维修成本，还能够提高生产效率，最终达到降低生产成本的目的。因此，在实际应用中，优先选择抗疲劳性能优异的环氧树脂材料，如2#和3#样品，对于提高设备的可靠性和经济性具有重要意义。

3 结论

结合生产需求，本研究选用3种常见的工业级双组分室温固化环氧树脂体系。通过对样品进行电气性能以及老化性能的测定，发现3种样品的电气性能均满足相关技术要求，在优中择优的过程中，2#双组分环氧树脂的表面电阻率和体积电阻率均高于其他两种树脂体系，击穿场强最大，介质损耗最小，能量损耗最低，证明2#样品的绝缘性能优良，电气性能最好。在抗疲劳强度测试方面，2#样品和3#样品均表现出较大的循环周期，这表明它们在反复应力作用下能够承受更多的循环次数而不发生破坏，显示出良好的抗疲劳性能，符合相关技术要求。相比之下，1#样品的抗疲劳性能稍逊一筹，循环周期较短，这可能与其分子结构和内部缺陷等因素有关。综合上述测试结果，在所研究的3种环氧树脂体系中，1828双组分环氧树脂(即2#样品)的性能最为优异，其在电气性能和抗疲劳性能方面的突出表现，使其在实际工业应用中具有显著的优势。本研究通过对这些样品的系统测试和分析，为工业领域挑选最优的环氧树脂产品提供可靠的实验数据支撑，有助于企业优化生产材料选择，提高产品质量和可靠性。

参考文献

[1] 赵健康, 李文杰. 国家电网公司电力电缆运行情况报告[C]//第十三届全国工程电介质学术会议论文集. 西安: 中国电工技术学会工程电介质专业委员会, 2011.

[2] QURESHI M I, MALIK N H, AL-ARAINY A A, et al. Comparison of propensity toward water treeing in XLPE insulated power cables produced in Arab Gulf countries[J]. International Journal of Emerging Electric Power Systems, 2011, DOI: 10.2202/1553-779X.2592 .

[3] 左然飞. 封闭结构环氧浇注母线综合性能研究[D]. 青岛: 青岛大学, 2019 .

[4] 朱思瑞, 刘洋, 阮羚, 等. 环氧树脂浇注类绝缘管型母线易发缺陷分析及检测手段[J]. 电工技术学报, 2019, 34(12): 2664-2670.

[5] OU B L, WANG Y W, LU Y. A review on fundamentals and strategy of epoxy-resin-based anticorrosive coating materials[J]. Polymer-Plastics Technology and Materials, 2021, 60(6): 601-625.

[6] 吴子剑, 王晨, 张明艳, 等. 环氧树脂纳米复合材料界面及其对电性能影响分析[J]. 电工技术学报, 2018, 33(16): 3897-3905.

[7] POTHUKUCHI R K H, FUCHS P, PINTER G, et al. Fracture mechanical characterization of mica-filled epoxy glass composites under monotonic and cyclic loading[J]. Journal of Composite Materials, 2019, 53(6): 741-751.

[8] 孟峥峥, 朱晓辉, 王浩鸣, 等. 管型母线绝缘材料的老化研究进展[J]. 电气应用, 2019, 38(3): 54-57.

[9] QI Z H, TAN Y F, WANG H T, et al. Effects of noncovalently functionalized multiwalled carbon nanotube with hyperbranched polyesters on mechanical properties of epoxy composites[J]. Polymer Testing, 2017, 64: 38-47.

[10] 梁玉, 陆国权, 梅云辉. 非线性电导调制SiC/环氧树脂绝缘涂层热氧/湿热老化研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(6): 207-215.

[11] 曹春诚, 李文博, 程显, 等. 纳米Al₂O₃/环氧树脂复合材料微秒脉冲沿面闪络特性研究[J]. 高压电器, 2023, 59(6): 111-119.

[12] MUHAMMAD S, YASIN N M, SHAZIA S, et al. Ultrasonic biosynthesis of TiO₂ nanoparticles for improved self-cleaning and wettability coating of DBD plasma pre-treated cotton fabric[J]. Applied Physics A, 2021, 127(8): 1-12.

[13] 邢伟义, 陈亮, 周慕天, 等. 氮化硼/石墨烯复合导热填料的制备及其环氧树脂复合材料阻燃导热绝缘性能的研究[J]. 中国科学: 化学, 2023(2): 207-216.

[14] 王旭升, 劳志超, 彭强, 等. 环氧树脂增韧改性的研究进展[J]. 橡塑技术与装备, 2024, 50(7): 17-19.

[15] 马万里, 田付强, 熊雯雯, 等. 环氧树脂/氮化硼微纳米复合材料的导热与电气绝缘性能研究[J]. 绝缘材料, 2019(7): 36-42.

[16] CHU C W, CHENG C H, OBAYASHI K, et al. Effects of curing conditions on adhesive and fatigue properties of hydrogenated epoxy resins in bulk state and single-lap-joint configuration[J]. International Journal of Adhesion and Adhesives, 2024, 132: 103690.

[17] HELAL E, POTTIER C, DAVID E, et al. Polyethylene/thermoplastic elastomer/zinc oxide nanocomposites for high voltage insulation applications: Dielectric, mechanical and rheological behavior[J]. European Polymer Journal, 2018, 100: 258-269.

[18] 李进, 王雨帆, 杜伯学, 等. 高压电工装备用环氧树脂绝缘材料改性研究进展[J]. 广东电力, 2019, 32(12): 3-11.

[19] 杨国清, 刘庚, 王德意, 等. 超支化聚酯改性纳米SiO₂/环氧树脂的电树枝生长特性[J]. 电工技术学报, 2020, 35(20): 4415-4422.

[20] MUELLER N, LANG S, MOOS R. Influence of ambient conditions on electrical partial discharge resistance of epoxy anhydride based polymers using IEC 60343 method[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, 26(5): 1463-1470.

[21] REN Z K, LIU L W. Investigation of epoxy resin used as a reinforcement structure for motors and analysis of its properties[J]. Journal of Electronic Materials, 2024, 53(6): 3013-3027.

[22] 张莹, 宋慧欣, 王冬梅, 等. 机械应力影响环氧树脂绝缘电树枝劣化研究进展[J]. 高压电器, 2024, 60(4): 24-32.

[23] PLEŞA I, NOŢINGHER P V, SCHLÖGL S, et al. Properties of polymer composites used in high-voltage applications[J]. Polymers, 2016, 8(5): 173.

[24] 龚瑾, 李喆, 刘新月. 氧化铝/环氧树脂复合材料空间电荷特性与高温高湿环境下交流电场老化[J]. 电工技术学报, 2016(18): 191-198.

[25] 李文文, 张婷, 易正明, 等. 适用于特高压电气用改性环氧树脂的合成及性能研究[J]. 山东化工, 2024, 53(7): 9-11.

[26] 郝留成, 袁端鹏, 陈蕊, 等. 复配固化剂对环氧树脂体系特性影响的分子动力学模拟[J]. 绝缘材料, 2021, 54(1): 73-77.

[27] 史开华, 刘冠芳, 牛玉龙, 等. 高导热耐高温环氧灌封树脂在低压电机上的应用研究[J]. 绝缘材料, 2021, 54(2): 27-32.

[28] 何愈, 何俊凌, 赵玉顺, 等. 特高压电气设备用高性能复合绝缘材料配方的研制[J]. 热固性树脂, 2020, 35(6): 54-61.