高压电机用高导热环氧VPI树脂及其制备方法和应用与流程

高压电机用高导热环氧vpi树脂及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明属于高压电机用绝缘材料领域，具体涉及一种高压电机用高导热环氧vpi树脂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来随着高压电动机、发电机等产品的不断更新换代，功率密度不断提高，电机在运行过程中发热明显，会加速所用绝缘材料及系统的老化，缩短使用寿命。为了减轻电机在运行过程中发热的问题，需要使用高导热的主绝缘材料，如高导热云母带、高导热vpi树脂等产品。
3.高压电机现用vpi树脂，导热性能差，导热系数约0.2w/(m.k) ，不能满足提高散热，降低电机运行温升的技术要求。另外，现有高导热浸渍树脂技术，主要是应用于低压电机绝缘浸渍处理，体系粘度大，导热粉体尺寸大，使用过程中易沉降，不能满足高压线圈绕组的vpi绝缘处理工艺及绝缘技术要求，所以急需研发新型的高压电机用高导热vpi树脂。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种低粘度、高导热系数、高击穿场强以及低介电损耗的高压电机用高导热环氧vpi树脂及其制备方法和应用。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高压电机用高导热环氧vpi树脂，以重量百分含量计，所述高导热环氧vpi树脂包括如下原料组分：环氧树脂
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20%~35%，固化剂
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2%~10%，聚酯亚胺树脂
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3%~10%，改性导热填料
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12%~35%，活性交联单体
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25%~43%，分散剂
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0.3%~1.5%，引发剂
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0.2%~1%，助剂
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0.02%~1.2%；所述改性导热填料包括纳米级氮化硼、纳米级氧化铝以及纳米级二氧化硅。
6.优选地，以重量百分含量计，所述高导热环氧vpi树脂包括如下原料组分：环氧树脂
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25%~30%，固化剂
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3%~7%，聚酯亚胺树脂
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4%~8%，改性导热填料
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15%~25%，活性交联单体
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35%~43%，分散剂
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0.3%~1.5%，
引发剂
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0.2%~1%，助剂
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0.02%~1.2%。
7.优选地，所述高导热环氧vpi树脂在23℃下的粘度小于170mpa.s。
8.进一步优选地，所述高导热环氧vpi树脂固化后常温下的介电损耗小于0.5%、155℃下的介电损耗小于1.7%。
9.更为优选地，所述高导热环氧vpi树脂固化后击穿场强大于28kv/mm。
10.更为优选地，所述高导热环氧vpi树脂固化后导热系数大于0.40 w/(m.k)。
11.更为优选地，所述高导热环氧vpi树脂的耐压等级大于或者等于6kv。
12.优选地，所述改性导热填料由所述纳米级氮化硼、所述纳米级氧化铝以及所述纳米级二氧化硅经混合后化学改性制得，或者，所述改性导热填料由所述纳米级氮化硼、所述纳米级氧化铝以及所述纳米级二氧化硅经化学改性后混合制得。
13.根据一些优选的实施方式，所述改性导热填料的制备方法包括将所述纳米级氮化硼、所述纳米级氧化铝以及所述纳米级二氧化硅混合均匀制得复配混合粉体，将所述复配混合粉体溶于有机溶剂中，经均质乳化、研磨分散至d50＜100nm，然后与改性树脂以及氯化亚锡或者二月桂酸二丁基锡混合，然后使混合后的体系先在140~150℃下反应，待反应物无醇类溶剂蒸馏出后，再升温至170~190℃，抽真空至-0.05~-0.15mpa，待无明显所述有机溶剂蒸馏出后，制得所述改性导热填料。
14.进一步优选地，所述有机溶剂包括n-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、间甲酚中的一种或者多种。
15.进一步优选地，所述改性树脂与所述复配混合粉体的投料质量比为（10~25）：100。
16.进一步优选地，所述氯化亚锡或者所述二月桂酸二丁基锡与所述复配混合粉体的投料质量比为（0.03~0.1）：100。
17.根据一些优选的实施方式，所述改性树脂的制备步骤包括将硅烷偶联剂（kh570）、环氧丙醇、对苯二酚以及氯化亚锡或者二月桂酸二丁基锡混合，搅拌均匀，升温至140~150℃反应，待反应物无醇类溶剂蒸馏出时，抽真空至-0.05~-0.15mpa，保温、保真空继续反应1~2h，制得所述改性树脂。
18.进一步优选地，所述硅烷偶联剂（kh570）与所述环氧丙醇的投料摩尔比为（0.8~1.2）：1。
19.进一步优选地，所述对苯二酚占反应体系中的反应物总质量的0.03~0.1%。
20.进一步优选地，所述氯化亚锡或者所述二月桂酸二丁基锡占反应体系中的反应物总质量的0.05~1%。
21.优选地，所述复配混合粉体中的纳米级氮化硼、纳米级氧化铝、纳米级二氧化硅的投料质量比为（10~30）：（5~30）：（40~65）。
22.进一步优选地，所述纳米级氮化硼、所述纳米级氧化铝以及所述纳米级二氧化硅的投料质量比为（0.1~0.5）：（0.2~0.5）：1。
23.更为优选地，所述纳米级氮化硼的粒径不大于100nm。
24.更为优选地，所述纳米级氧化铝的粒径不大于100nm。
25.更为优选地，所述纳米级二氧化硅的粒径不大于100nm。
26.优选地，所述环氧树脂包括分子蒸馏环氧树脂、双酚a型环氧树脂、酚醛树脂环氧
树脂中的一种或者多种。
27.优选地，所述固化剂包括乙酰丙酮铝、甲基四氢苯酐、异辛酸锌、苯并噁嗪、酚醛树脂、氰酸酯中的一种或者多种。
28.优选地，所述活性交联单体包括1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二缩水甘油醚、1 ,4-丁二醇二缩水甘油醚中的一种或者多种。
29.优选地，所述分散剂包括byk163，byk052、983分散剂中的一种或者多种。
30.优选地，所述引发剂包括过氧化二异丙苯（dcp）、3,3-双（叔丁基过氧）丁酸乙酯、3,3-双（叔戊基过氧）丁酸乙酯中的一种或者多种。
31.优选地，所述助剂包括对叔丁基邻苯二酚（tbc）、5600消泡剂、气相白炭黑中的一种或者多种。
32.本发明的第二方面提供一种高压电机用高导热环氧vpi树脂的制备方法，其包括以下步骤：（1）将所述环氧树脂加热到110~120℃，加入所述固化剂，搅拌均匀，降温至45℃以下，加入所述聚酯亚胺树脂、所述活性交联单体、所述分散剂以及所述助剂，搅拌均匀制得基体树脂；（2）向所述基体树脂中加入所述改性导热填料，然后经均质、研磨至d50≤100nm，降温至40℃以下，加入所述引发剂，搅拌20~30min，制得所述高导热环氧vpi树脂。
33.优选地，控制所述均质的转速为6000~10000r/min，均质的时间为1~2h。
34.进一步优选地，控制所述研磨过程中物料的温度小于60℃。
35.优选地，所述制备方法还包括在所述步骤（2）结束后使所述高导热环氧vpi树脂经高压过滤，控制所述过滤的滤径为8000~12000目。
36.本发明的第三方面提供一种如上所述的高导热环氧vpi树脂在6kv及以上电压等级高压电机上的应用。
37.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供的一种高压电机用高导热环氧vpi树脂及其制备方法和应用，具有粘度低、导热系数高、击穿场强高以及介电损耗低的优点，尤其适用于6kv及以上电压等级高压电机的应用。
具体实施方式
38.vpi树脂又称真空压力浸渍树脂，作为主要的绝缘材料，应用于浸渍电机、变压器等。对于高压电机（运行电压在6kv及以上），不仅要求vpi树脂具有好的渗透性，粘度通常要小于200mpa.s，而且需满足低介质损耗、高导热系数以及高击穿电压强度的要求。现有技术中的vpi树脂存在粘度大、导热系数低等问题，无法满足高压电机的应用需求。
39.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
40.一种高压电机用高导热环氧vpi树脂，其包括环氧树脂、固化剂、聚酯亚胺树脂、改性导热填料、活性交联单体、分散剂、引发剂、助剂。
41.本发明中，环氧树脂包括但不限于分子蒸馏环氧树脂、双酚a型环氧树脂、酚醛树
脂环氧树脂中的一种或者多种。环氧树脂在vpi树脂中的质量含量为20~35%，例如20%、21%、22%、23%、24%、25%、26%、27%、28%、29%、30%、31%、32%、33%、34%、35%。
42.本发明中，固化剂包括但不限于乙酰丙酮铝、甲基四氢苯酐、异辛酸锌、苯并噁嗪、酚醛树脂、氰酸酯中的一种或者多种。固化剂在vpi树脂中的质量含量为2~10%，例如2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%。
43.本发明中，聚酯亚胺树脂在vpi树脂中的质量含量为3~10%，例如3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10%。
44.本发明中，改性导热填料包括纳米级氮化硼、纳米级氧化铝以及纳米级二氧化硅。改性导热填料由纳米级氮化硼、纳米级氧化铝以及纳米级二氧化硅经混合后化学改性制得，或者，改性导热填料由纳米级氮化硼、纳米级氧化铝以及纳米级二氧化硅经化学改性后混合制得。本发明通过对导热填料进行改性，减少了纳米材料在树脂中的团聚以及沉降，相较于普通的导热填料，本发明的改性后导热填料更易于分散均匀，储存的稳定性更高，从而能够降低vpi树脂的粘度，提升vpi树脂的综合性能。
45.一些优选的实施方式中，改性导热填料的制备方法包括如下步骤：（1）将硅烷偶联剂（kh570）、环氧丙醇、对苯二酚以及氯化亚锡或者二月桂酸二丁基锡混合，搅拌均匀，升温至140~150℃反应，待反应物无醇类溶剂蒸馏出时，抽真空至-0.05~-0.15mpa，保温、保真空继续反应1~2h，制得所述改性树脂；（2）将纳米级氮化硼、纳米级氧化铝以及纳米级二氧化硅混合均匀制得复配混合粉体，将复配混合粉体溶于有机溶剂中，经均质乳化、研磨分散至d50＜100nm，然后与步骤（1）中的改性树脂以及氯化亚锡或者二月桂酸二丁基锡混合，然后使混合后的体系先在140~150℃下反应，待反应物无醇类溶剂蒸馏出后，再升温至170~190℃，抽真空至-0.05~-0.15mpa，待无明显所述有机溶剂蒸馏出后，制得改性导热填料。
46.上述步骤（1）中，硅烷偶联剂（kh570）与环氧丙醇的投料摩尔比为（0.8~1.2）：1，例如0.8：1、0.9：1、1：1、1.1：1、1.2：1。对苯二酚占反应体系中的反应物总质量的0.03~0.1%，例如0.03%、0.04%、0.05%、0.06%、0.07%、0.08%、0.09%、0.1%。氯化亚锡或者二月桂酸二丁基锡占反应体系中的反应物总质量的0.05~1%，例如0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1%。
47.上述步骤（2）中，有机溶剂包括n-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、间甲酚中的一种或者多种。改性树脂与复配混合粉体的投料质量比为（10~25）：100，例如10：100、11：100、12：100、13：100、14：100、15：100、16：100、17：100、18：100、19：100、20：100、21：100、22：100、23：100、24：100、25：100。氯化亚锡或者二月桂酸二丁基锡与复配混合粉体的投料质量比为（0.03~0.1）：100。
48.本发明中，复配混合粉体中的纳米级氮化硼、纳米级氧化铝、纳米级二氧化硅的投料质量比为（10~30）：（5~30）：（40~65）。作为优选，纳米级氮化硼、纳米级氧化铝以及纳米级二氧化硅的投料质量比为（0.1~0.5）：（0.2~0.5）：1。氮化硼占比过低，能够降低树脂的制备成本，但也会无法显著提高树脂的导热系数；氮化硼的占比过高，虽然能够提高树脂的导热系数，但又会增加树脂的制备成本。本技术通过三种材料的复配协同，既保证了树脂性能的提升，又降低了树脂的制备成本，工业应用性强。本发明中，纳米级氮化硼的粒径不大于100nm，纳米级氧化铝的粒径不大于100nm，纳米级二氧化硅的粒径不大于100nm。粒径越小
越不易沉降，但粒径越小也会越容易团聚，本发明通过对纳米级氮化硼、纳米级氧化铝以及纳米级二氧化硅进行改性，减少了团聚现象的发生。
49.本发明中，活性交联单体包括1，4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯、新戊二醇二缩水甘油醚、1 ,4-丁二醇二缩水甘油醚中的一种或者多种。分散剂包括byk163，byk052、983分散剂中的一种或者多种。引发剂包括过氧化二异丙苯（dcp）、3,3-双（叔丁基过氧）丁酸乙酯、3,3-双（叔戊基过氧）丁酸乙酯中的一种或者多种。助剂包括对叔丁基邻苯二酚（tbc）、5600消泡剂、气相白炭黑中的一种或者多种。
50.本发明还提供了一种高压电机用高导热环氧vpi树脂的制备方法，具体包括如下步骤：（1）将环氧树脂加热到110~120℃，加入固化剂，搅拌均匀，降温至45℃以下，加入聚酯亚胺树脂、活性交联单体、分散剂以及助剂，搅拌均匀制得基体树脂；（2）向基体树脂中加入改性导热填料，然后经均质、研磨至d50≤100nm，降温至40℃以下，加入引发剂，搅拌20~30min，经高压过滤，制得高导热环氧vpi树脂。
51.步骤（1）中，均质的转速为6000~10000r/min，均质的时间为1~2h。
52.步骤（2）中，控制研磨过程中物料的温度小于60℃。控制过滤的滤径为8000~12000目。
53.下面结合实施例对本发明作进一步描述。但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
54.实施例1本实施例提供一种高压电机用高导热环氧vpi树脂，通过以下步骤制备：合成改性树脂：将3500gkh570加入到反应瓶内，加入1749.15g环氧丙醇、4.20g的氯化亚锡以及2.63g对苯二酚，搅拌均匀，升温到145℃反应，待反应物无甲醇溶剂蒸馏出时，抽真空至-0.095mpa，保温、保真空继续反应2h，降至常温得改性树脂。
55.将500g 60nm氮化硼、694.5g 35 nm氧化铝、1583.3g 50nm二氧化硅加入到粉体混合机中混合均匀后，将混合粉体转移到均质乳化瓶内，加入5158.8gn-甲基吡咯烷酮，开动均质乳化机，转速控制在5000r/min，均匀乳化2h，将物料转移到研磨机中，研磨分散至d50＜100nm。将上述粉体溶液添加到反应瓶内，添加612g上述表面改性树脂以及1.39g二月桂酸二丁基锡搅拌均匀，升温到148℃反应，待反应物无甲醇溶剂蒸馏出时，升温到182℃，抽真空至-0.095mpa，将溶剂蒸馏出，待无明显溶剂蒸馏出后，倒出粉体，得改性导热填料，待用。
56.将3500gjf-158分子蒸馏环氧树脂加入到反应瓶内，升温到115℃，加入250g乙酰丙酮铝，225g异辛酸锌搅拌溶解均匀后立即降温至45℃以下，加入875gjf-956聚酯亚胺树脂、4300g 1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、700g新戊二醇二缩水甘油醚、75gbyk163、6.25g tbc（对叔丁基邻苯二酚）、37.5gbyk052，搅拌均匀得基体树脂。
57.在上述基体树脂中加入2500g上述表面改性导热填料，在均质乳化机上6500r/min转速下乳化分散1.5h，然后将物料转移到研磨机上（研磨过程中需要夹套通冷却水冷却，控制物料温度＜60℃），研磨分散至d50≤100nm，降温至40℃以下，将物料放料到洁净搅拌瓶
tbc、37.5gbyk052，搅拌均匀得基体树脂。
66.在上述基体树脂中加入500g60nm氮化硼、625g 35 nm氧化铝、1375g 50nm二氧化硅，在均质乳化机上6500r/min转速下乳化分散1.5h，然后将物料转移到研磨机上（研磨过程中需要夹套通冷却水冷却，控制物料温度＜60℃），研磨2h，降温至40℃以下，将物料放料到洁净搅拌瓶内，加入37.5gdcp，搅拌30min，经过9000目滤袋，高压过滤到包装桶内，得高压电机用高导热环氧vpi树脂。
67.对比例2本实施例提供一种高压电机用vpi树脂，通过以下步骤制备:将3800gjf-158分子蒸馏环氧树脂,升温到118℃，加入130g乙酰丙酮铝，200g异辛酸锌搅拌溶解均匀后立即降温至45℃以下。加入1300g聚酯亚胺树脂、4000g 1,4-丁二醇二甲基丙烯酸酯、500g新戊二醇二缩水甘油醚、70gdcp、5g tbc，搅拌均匀、过滤得高压电机用vpi树脂。
68.对实施例1~3及对比例1~2浸渍树脂的各项性能进行测试，结果参见表1。
69.表1注：测试项目1-4、6 按照gb/t 15022.2-2017 电气绝缘用树脂基活性复合物 第2部分：试验方法进行检测；测试项目5按照 astm d5470-2012 standard test method for thermal transmission properties of thermally conductive electrical insulation materials进行检测。
70.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。