紫外光固化绝缘漆的配方设计与性能研究

data-full-width-responsive="true"> 0 言随着国民经济的发展, 高品质绝缘漆的需求量越来越大。传统有机绝缘漆电性能优异, 经过合理的改性可以提高其绝缘性能, 但是同时也具有有机挥发物含量大、固化温度高、操作工艺繁琐等缺点[ 1- 2] 。而紫外光固化漆具有 5E 的特点:Effic ient(高效)、Enabling (广泛适应性)、Econom ical( 经济)、Energy Sav ings(节能)、Env ironm entally Friendly(环境友好), 比传统涂料具有更广阔的发展前景[ 3- 4] 。UV 固化漆已广泛应用于建筑、体育用品、电子通讯、包装材料和汽车等不同领域[ 5] 。鉴于紫外光固化技术的优势, UV绝缘漆将有很大的发展空间, 但光固化技术在绝缘漆的研发中尚未得到大量应用,因此这种局面亟待改变。本研究选取常见光固化涂料单体与低聚物, 利用正交试验设计出紫外光固化绝缘漆的基础配方, 然后通过添加柔性低聚物、助剂等方式对基础配方进行调整优化, 从而得到了综合性能优异的E级紫外光固化绝缘漆, 同时考察了UV 绝缘漆的力学性能、电性能和耐老化性能, 与传统型有机绝缘漆在绝缘性、固化工艺及耐热性等方面也进行了比较。1 实验部分1 1 实验原料聚醚型二官能团聚氨酯: 工业级, 江门市科田化工有限公司; 聚氨酯丙烯酸酯、二苯甲酮: 工业级, 江阴摩尔化工有限公司; 环氧丙烯酸酯、1, 6- 己二醇二丙烯酸酯( HDDA)、三丙二醇二丙烯酸酯( TPGDA): 工业级, 南京贝奇化工有限公司; 附着力促进剂UF- 602(磷酸酯类): 工业级, 烟台市芝罘爱得威树脂应用研究所; 流平剂: BYK - 306, 毕克化学有限公司; 活性胺( P115): 工业级, 江阴摩尔化工有限公司; 1- 羟基环己基苯甲酮( 184)、2, 4, 6- 三甲基苯甲酰基二苯基氧化磷( TPO)、2- 羟基- 甲基苯基丙烷- 1 - 酮( 1173)、2 - 甲基- 1- ( 4- 甲硫基苯基) - 2- 吗啉基- 1 - 丙酮( 907): 工业级, 靖江市宏泰化工有限公司; 2- 异丙基硫杂蒽酮( ITX): 工业级, 南京杰拉华贸易有限公司; 甲基丙烯酸缩水甘油酯( GMA ): 工业级, 南京九龙化酸( AA)、甲基丙烯酸(MAA): 化学纯, 上海凌峰化学试剂有限公司; 丙烯酸乙酯( EA): 化学纯, 上海试剂一厂。1 2 主要设备高速分散机( GFJ- 0 4): 上海现代环境工程技术有限公司; 耐压击穿试验仪( CS2671B): 南京长胜仪器有限公司; 紫外光固化机( LT- 2KW ): 涿州市蓝天特灯发展有限公司; 分析天平( FA2004): 上海衡平仪器厂; QC J漆膜冲击器、QHQ 涂膜铅笔划痕硬度仪、QFZ漆膜附着力试验仪、QTX漆膜柔韧性测定仪: 天津精科材料试验机厂; 漆膜厚度测试仪( SH - 1B ): 东莞市永先电子仪器有限公司; 热重分析仪( STA- 449C): 德国耐驰公司; 紫外加速老化试验箱( LUV - 2) : 上海普申化工机械有限公司。1 3 正交设计为了从大量的试验点中挑选适量的具有代表性的点, 利用正交实验来优化试验设计。基于各因素对漆膜性能的影响, 在单因素实验的基础上,分别选择HDDA、环氧丙烯酸酯( EA)、聚氨酯丙烯酸酯( PUA )、TPGDA为主要实验因素, 进行四因素三水平正交试验。为了有效减少实验次数, 采用L9( 43 ) 正交表进行正交实验, 具体设计中不考虑各因素间的相互影响, 因素- 水平的设置见表1。1 4 试验工艺将低聚物和活性稀释剂按所需比例混合, 加入光引发剂184和其他助剂, 在高速分散机上低速( 800 r/m in)搅拌均匀后, 提高转速至2 000 r /m in, 高速分散5 m in, 过滤出料, 即得紫外光固化绝缘漆。依据GB /T 1736-1989 制成漆膜(基材为马口铁片, 规格为10 cm*10 cm ), 在紫外灯下光照30 s后测定性能。1 5 性能测试漆膜击穿性能测试在计算机控制电压击穿试验仪上进行, 击穿强度依据HG /T 3330-1985测定; 漆膜附着力按照GB /T1720-1989测定; 漆膜耐冲击性按照GB /T1732-1993测定; 漆膜硬度按照GB /T6739-1996 测定; 漆膜柔韧性按照GB /T1731- 1993测定; 耐老化性能按照GB /T 14522-1993测定, 评级方法参考GB /T 1766-1995。2 结果与讨论2 1 紫外光固化绝缘漆基础配方的设计表2为正交试验结果。注: 附着力指标中1 级为最好, 7级为最差; 柔韧性指标中1 级为最差, 7级为最好; 耐冲击性和硬度指标中, 数值越大, 性能越好; 击穿强度在漆膜常态下测定。直接观察表2数据可知, 各组实验中UV绝缘漆的最大击穿强度为6826 kV /mm, 综合性能最好的一组为7号配方, 同时可以看到各组配方的附着力、柔韧性等力学性能均欠佳, 需要加入助剂、单体或含柔性基团的低聚物来进行调整。紫外光固化绝缘漆的最主要性能是其电性能, 运用极差分析对击穿强度的实验结果进行评定, 如表3所示。从击穿强度的极差R 和k值来看, RC RB RD, 说明影响击穿强度的主要因素是A( HDDA) 和C( 聚氨酯丙烯酸酯) , 各因素对UV绝缘漆电性能的影响次序为: C ( 聚氨酯丙烯酸酯) A(HDDA) B(环氧丙烯酸酯) D( TPGDA ), 各因素的最优水平组合是A3B2C3D2。由此可以确定出UV 绝缘漆基础配方中各因素的最佳配比为: H DDA:环氧丙烯酸酯:聚氨酯丙烯酸酯:TPGDA = 15:25:35:25( 质量比), 基础配方如下所示: 环氧丙烯酸酯: 25 g、聚氨酯丙烯酸酯: 35 g、HDDA:15 g、TPGDA: 25 g、( 184): 7 g、BYK - 303: 01 g、消泡剂等: 01~ 05 g。2 2 不同光引发剂体系对UV绝缘漆性能的影响光引发剂是光固化体系的关键组分, 关系到配方体系在光辐射时, 低聚物及活性稀释剂能否迅速交联固化[6] 。在UV绝缘漆基础配方中采用不同的光引发剂体系, 考察其对漆膜性能的影响。结果见表4。注: 其他组分及含量见前述的基础配方, 单一光引发剂添加量为7 g、复合光引发剂体系中主引发剂3 5 g、二苯甲酮2 g、活性胺1 5 g。由表4可知, 单一引发剂和复合引发剂体系对UV绝缘漆的力学性能改善很小, 漆膜的力学性能均不理想, 尤以附着力最差。184、907、1173 光引发剂均使漆膜的击穿强度保持在60 kV /mm以上, 因184光引发剂原料易得、成本易于控制, 故采用184作为UV绝缘漆的光引发剂是合理的选择。2 3 紫外光固化绝缘漆配方的优化2 3 1 添加不同附着力促进剂对UV 绝缘漆性能的影响针对力学性能欠佳的情况, 在基础配方中加入附着力促进剂调整UV绝缘漆的力学性能, 不同附着力促进剂对漆膜性能的影响见表5。注: 其他组分及含量见前述的基础配方。由表5中的数据可以看出, 加入不同附着力促进剂后, 各配方漆膜的耐冲击性均在45 cm 以上, 柔韧性均能达到5级。其中UF- 602的加入使漆膜附着力得到了大幅提升, 除硬度和柔韧性稍显不足外, 综合性能较佳, 因此我们选定配方6进行后续试验。同时注意到助剂的加入使漆膜力学性能得到不同程度的改善, 但也牺牲了一定的耐击穿性能。2 3 2 添加柔性低聚物对UV 绝缘漆性能的影响由正交实验的分析结果可知, 因素D( TPGDA )对UV 绝缘漆的电性能影响最小, 在配方6的基础上, 减少TPGDA 的量,加入含柔性链段的低聚物( 二官能团聚醚型聚氨酯), 对漆膜硬度和柔韧性进行调整。结果见表6和表7。注: 其他组分及含量见前述的基础配方。由表6和表7的数据可知, 加入聚醚型聚氨酯后, 两组配方中漆膜的柔韧性和硬度得到明显改善, UV 绝缘漆的各项力学性能均十分优异, 漆膜的击穿强度最大可达57 15 kV /mm。因此选择7号配方作为紫外光固化绝缘漆的最终配方, 见表8所示。2 4 耐热性试验图1为光固化绝缘漆的热重曲线。由图1中的热重曲线可以得知, UV绝缘漆的外推起始温度为263度 , 400度时失质量为50%, 热稳定性良好。通过割线法[ 7] 可以求出UV 绝缘漆的温度指数为123度 , 因此其耐热等级为E级( 120度 ), 可应用于一般性绝缘场所。2 5 耐候性实验为考察UV绝缘漆的耐老化性能, 在紫外老化试验箱内进行人工加速试验, 结果见表9。注: 表中评定方法参照GB /T1766-1995中《色漆和清漆涂层老化的评级方法》进行, 其中数字0 ~ 5表示由好到坏。由表9中数据可知, 在紫外老化2 000 h后, UV 绝缘漆漆膜没有产生裂纹、起泡、粉化等严重老化现象, 失光率较低, 即老化程度较小, 所以UV绝缘漆具有优良的耐老化性能。2 6 UV 绝缘漆与传统绝缘漆的比较表10为UV绝缘漆与传统漆性能比较。注: 3种传统型有机绝缘漆资料由吴江市太湖绝缘材料厂提供。由表10可知, UV绝缘漆在保持优异耐击穿性能的同时,还具有固化条件简单, 施工工艺简便等优点, 但应注意UV 绝缘漆因所选原料耐热性不高, 故其耐热指数不高, 可作为E 级绝缘漆应用于一般性绝缘场所。3 语由正交试验可以分析得到, 各单因素对UV 绝缘漆电性能的影响程度为: C(聚氨酯丙烯酸酯) A( HDDA ) B( 环氧丙烯酸酯) D ( TPGDA )。通过对光引发剂体系的考察, 得知184是UV 绝缘漆最合理的光引发剂。添加UF- 602 和聚醚型聚氨酯对基础配方进行优化后, 得到UV 绝缘漆最终配方:环氧丙烯酸酯25 g、聚氨酯丙烯酸酯35 g、聚醚型聚氨酯5 g、HDDA 为15 g、TPGDA为20 g、光引发剂( 184)为7 g、UF- 602为1 g、流平剂BYK- 333为01 g、消泡剂等其他助剂01 ~05 g。紫外光固化绝缘漆各项力学性能优异, 固化工艺简单,击穿强度可以达到57 15 kV /mm, 耐热等级为E 级, 同时具备优良的耐老化性能。参考文献[ 1] 俞翔霄, 俞赞琪, 陆惠英 环氧树脂电绝缘材料[M ] 北京: 化学工业出版社, 2006: 1- 5[ 2 ] SASSANO D R E lect rical in su lat ing varn ish es: an overview [ J] Electrical In su lat ionM agaz ine, 1992, 8( 6) : 25- 32[ 3] 何慧珠, 董建华, 石俊 紫外光固化的绝缘涂料: 中国, 031502547[ P] 2004 - 04- 07[ 4] 魏杰, 金养智 光固化涂料[M ] 北京: 化学工业出版社, 2005:1- 6[ 5] SCHWALM R UV Coat ings- basics, recen t d evelopm ents and newapp lications[M ] Am sterdam: E lsevier P ress, 2006: 1- 18[ 6] 陈用烈, 杨建文, 曾兆华 光固化涂料及应用[M ] 北京: 化学工业出版社, 2005: 14- 15[ 7] 刘振海 分析化学手册 第八分册, 热分析[M ] 北京: 化学工业出版社, 2000: 143- 144