关键词：纳米TiO2；聚酰胺酰亚胺树脂；复合材料；耐电晕

Study of corona resistant composite insulating material LI Qiang-jun1,2, JIANG Qi-bin1, Li Feng1 ,Cai Binfen1，XIE Da-rong2，LIU Bin2
1. Zhuzhou Times New Material Technology CO.,LTD, Zhuzhou 412007,China
2.Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China
Abstract: This paper introduces a corona-resistant composite insulating material. The insulating material is a three-layer enameled nanocomposite magnet wire, which is prepared by polyesterimide enamel, polyamideimide enamel and corona-resistant nano-TiO2/polyamideimide enamel that is prepared by using in-situ polymerization. The experimental results show that the new type nanocomposite magnet wire has high insulation property, excellent flexibility and corona resistance,can greatly increase insulation life of inverter-fed motors.

Keyword: TiO2 nanoparticles, Polyamideimide resin, composites material, corona resistant.

1、前言

    随着我国电机工业电子技术的飞速发展，出现了愈来愈精密和高性能的电机、电器元件，电机、电器制造等技术和产品。其中采用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）技术的PWM（Pulse Width Modulation）型变频器以其良好的输出波形、优异的性价比在交流变频电机上得到了广泛的应用。但采用这种技术的变频器提供的脉冲波，有着高耸的尖峰（高电压峰值）波峰和陡峭的上升时间，加上可变化的或极高的频率（最高达到20KHz），从而对漆包线绝缘体系产生极大的破坏，很容易发生匝间击穿而缩短漆包线的使用寿命。研究表明，交流变频电机中绝缘结构的过早失效是导致电机损坏的根本原因［1-3］。变频电机的电压输出是具有极快上升沿和极快下降沿的脉冲，一般在10～100ns，电压上升率dU/dt 达6600V/μs，远大于工频正弦的0.15V/μs，所产生的交变尖峰电压，在运行中将导致电机绝缘层发生局部放电，逐渐腐蚀绝缘层；另外，变频电源中含有较大的谐波电压分量，这些谐波电压产生的附加损耗转化为热能，也大大加速了电机绝缘的老化［4］。在高耐热性能的绝缘材料中均匀分散一些纳米无机物，如TiO2、Al2O3 和ZnO，应用在交流变频电机中，可以大幅度提高绝缘材料的抗高频脉冲尖峰电压和耐电晕等方面性能［5-6］。
本文以纳米TiO2 为无机填料，聚酰胺酰亚胺树脂为基体，采用原位插层聚合法制备了纳米TiO2/聚酰胺酰亚胺的复合绝缘漆，并按照聚酯亚胺底漆、纳米无机复合绝缘漆和聚酰胺酰亚胺面漆工艺涂制三涂层的复合漆包线。在高频脉冲电压条件下，研究了复合漆包线的耐电晕性能和各项常规性能。

2、试验部分

2.1 试验原材料

    二苯甲烷二异氰酸酯，烟台万华化工厂；偏苯三甲酸酐，江苏正丹集团；N-甲基吡咯烷酮，濮阳迈奇精细化工有限公司；甲酸，德国巴斯夫公司；纳米TiO2，金红石相，德国德固萨公司，以上产品均为工业级。

2.2 检测仪器

    常规性能：采用GB 6109.11-1990 “200 级聚酯亚胺/聚酰胺酰亚胺复合漆包铜圆线”检测复合漆包线的常规性能。FTIR 分析：北京第二光学仪器厂产WQJ-410 型傅立叶变换红外光谱仪；耐电晕性能：上海申发检测仪器厂产JMG-3 高频脉冲耐压试验仪；微观粒径分布：荷兰菲利浦公司CM-10 透射电子显微镜。

2.3 耐电晕漆包线的制备

    对定量的纳米TiO2 进行多次表面包裹处理后放置于三口瓶中，然后加入N-甲基吡咯烷酮和偏苯三甲酸酐，保温搅拌至完全溶解在60℃以下加入甲酸，搅拌均匀后加入二苯甲烷二异氰酸酯，然后升温至中控粘度合格，得到粘度合适的均匀纳米TiO2/聚酰胺酰亚胺漆包线漆。采用模具法涂线工艺，在规定的工艺参数条件下，分别涂上聚酯亚胺底漆、纳米TiO2/聚酰胺酰亚胺漆包线漆、聚酰胺酰亚胺面漆，制成三涂层结构的耐电晕复合漆包线。

3、结果与讨论

3.1 红外光谱分析

图1 复合绝缘漆的红外光谱图

图1 为复合绝缘漆的红外光谱图，在图1 中1720cm-1 和1778cm-1 是酰亚胺五元环的最强吸收峰和特征吸收峰，1670cm-1 是酰胺的羰基吸收峰，3352cm-1 是仲酰胺的N-H 吸收峰，这些吸收峰表明合成的树脂为聚酰胺酰亚胺结构。

3.2 透射电镜观察

图2 纳米TiO2 在基体树脂中的分散状态
图2 为纳米TiO2 在聚酰胺酰亚胺漆包线漆中的微观分散图。从电镜照片中可以看出微粒的粒径分布在50~160nm 范围内，统计分析后得到微粒的平均粒径约为85nm，它的分散状态应属于纳米级超微细颗粒。

3.3 电磁线的性能检测

    试制漆包线的铜线规格为ф1.4mm，检测结果如表1 所示。从表1 中可以看出这种添加无机填料的复合漆包线常规物理机械性能相当，而耐电晕性能却有着大幅度地提高。
表1 耐电晕复合漆包线性能结果

序号 检测项目

标准要求
(GB6109.11-90)
检测结果

1． 表 面 质 量 光滑均匀 光滑均匀
2． 漆 膜 厚 度 ≥0.069mm 0.090
3． 伸 长 率 ≥32% 36.7%
4． 回 弹 性 ≤34° 26°
5． 耐 溶 剂 性 ≥2H 3H
6． 卷 绕 试 验 Ø≤1d，不开裂 不开裂
7． 急 拉 断 试 验 不开裂 未开裂
8． 软化击穿温度 ＞2min(320℃) ＞2min(320℃)
9． 热冲(250℃/30min) ≤2d 1d
10． 漆膜连续性（3KV/30m） ≯5 个孔 0
11．
耐电晕性能（90℃，
20KHz， 400ns，3KV）
≥50h 80h
注：耐电晕性能由上海电器科学研究所电机绝缘结构室检测。

3.4 柔韧性

    衡量复合电磁线绝缘漆的特性时，柔韧性等物理机械特性也非常重要，因为它直接反映电磁线的使用水平。在制备耐电晕纳米无机复合漆包线的过程中发现，这种漆包线漆膜的柔韧性特别不同于普通线，即使当它的漆膜达到1mm 的厚度，也不发生开裂，甚至将漆膜对折起来也不开裂，表现出像塑料一样的塑性。

3.5 耐电晕性能

    聚酰胺酰亚胺树脂是目前高耐热等级的有机绝缘材料之一，它可长期工作在200~260℃，用这样优良的电工绝缘材料制造的复合漆包线，其工频击穿电压能够达到10kV，而在温度为90℃、频率为20KHz、上升沿时间为400ns、电压为3KV 的高频脉冲电压条件下的绝缘寿命2个多小时，而用纳米TiO2 填充的聚酰胺酰亚胺复合漆包线，在同等条件下其绝缘寿命为80 小时。这是因为纳米无机化合物引入到复合漆包线中，增加了对局部放电降解的阻力，消除了局部放电的产生。而这种纳米无机物又是一种导电率和热稳定性较好的材料，它有助于扩散电荷积累并且热传导性较高，能迅速耗散本身的介质发热，有效地达到了抗高频脉冲电压和耐电晕性能的要求。

4、结论

    采用原位插层聚合法制备了纳米TiO2/聚酰胺酰亚胺复合漆包线漆，与聚酯亚胺漆和聚酰胺酰亚胺漆配合使用涂制成三涂层结构的复合漆包线。此复合漆包线具有高耐热性能、良好的机械性能和优良的耐电晕性能，在温度为90℃、频率为20KHz、上升沿时间为400ns、电压为3KV 的高频脉冲电压条件下的绝缘寿命为普通聚酰胺酰亚胺漆包线的30~40 倍。