风力发电机用表面绝缘涂料的研究

data-full-width-responsive="true"> 风力发电机用表面绝缘涂料的研究曾凡辉1 ,2 , 姜其斌1 , 陈宪宏2 , 王红利1(1 株洲时代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲412007 ;2 湖南大学材料科学与工程学院, 长沙410082)1 前言风能因清洁环保、可再生、蕴量巨大、分布广范等特点, 受到越来越多的开发与利用, 风力发电是风能利用最主要的方式之一。近两年来, 在国家政策的大力支持下, 我国的风力发电事业得到了快速发展。风力发电机由于单机容量大(可达兆瓦级以上) ,使用地理环境特殊(一般在沙漠、草原、海边或海中) ,因此对风力发电机定子用表面绝缘涂料提出了更高要求。表面绝缘涂料是一类涂覆在电机定子表面起一定绝缘作用的功能涂料,是一种综合性能优异的高分子复合材料, 除具有一定的绝缘功能外, 还具有良好的耐腐蚀性能等特点。选用某高分子量的特种环氧树脂为基料, 并使用具有一定弹性的固化剂对其改性, 制得了一种具有较高绝缘性能, 且耐风沙磨蚀和耐盐雾性能优良的表面绝缘涂料,满足了风力发电机的需要。2 试验2 1 主要原材料环氧树脂,工业级,台湾南亚公司;氧化铁红,工业级,湖南三环颜料公司;云母粉,工业级,常州巨龙公司; 三聚磷酸铝, 工业级, 广西化工研究院; 分散剂、流平剂,化学纯,德国毕克公司;防沉剂,工业级,德国海明斯公司; 混合溶剂, 工业级, 自配; HDI 弹性固化剂,工业级,德国拜耳公司。2 2 绝缘涂料的制造工艺按配方量称取环氧树脂、分散剂和混合溶剂,分散均匀,加入颜填料和助剂,高速分散20 min ,研磨至细度 在制成的漆料中加入其它剩余助剂和适量的混合溶剂, 调整粘度80～100 s (涂4 杯) , 过滤出料。所制得的漆料组分与固化剂组分按4 ∶1 (质量比) 配制成表面绝缘涂料。2 3 性能测试涂料按GB/ T 1727 - 1992 的要求喷涂于试板上,按GB/ T 1410 - 2006 测试体积电阻率,按GB/T 1408 1 - 2006 测试电气强度, 按GB/ T 1771 -2007 测试耐盐雾性能, 按GB/ T 1768 - 1979 测试耐磨性能,按相关国标规定检测其它常规性能。3 结果与讨论3 1 不同树脂基料对绝缘涂料性能的影响不同的树脂由于所含活性官能团的种类和数量不同, 其电气绝缘性能有很大区别。不同树脂基料对表面绝缘涂料性能的影响如表1 所示。由表1 可知,树脂B 、C 的附着力和电气绝缘性能明显好于树脂A 。主要是因为树脂A 是羟基丙烯酸树脂,而树脂B 和树脂C 是环氧树脂。环氧树脂结构中含有醚键和羟基基团, 都是强极性基团, 对底材有优良的附着力, 且环氧树脂固化后的收缩率小, 漆膜固化后产生的内应力小[1 ] , 所以树脂B 、C的附着力要好于树脂A 。当分子结构中苯环含量高、氢原子与碳原子之比小时, 该种基料的氧指数较高, 其阻燃效果较好[2 ] , 则其耐电弧性能也好。树脂A 为羟基丙烯酸树脂, 分子中无苯环结构, 故其耐电弧性能较低, 电气性能比树脂B 、C 要差。另外,由于树脂C 的分子量高于树脂B , 也就是说, 在相同重量的条件下, 树脂C 的苯环含量比树脂B 要高, 碳氢比例要大, 故树脂C 的耐电弧性能比树脂B 好。由表1 还可知, 树脂B 和树脂C 相比, 树脂C的体积电阻率和电气强度明显优于树脂B 。主要是由于树脂C 的分子量大, 其羟基活性官能团含量(约7 %) 高于树脂B 的羟基活性官能团含量(约5 %) ,这样树脂和异氰酸酯固化剂中的异氰酸根( -NCO) 反应时交联密度更高, 涂料的交联密度提高,分子链的作用力加强, 这样树脂C 的电气绝缘性能比树脂B 要好。所以最终选用树脂C(某特种高分子环氧树脂) 为基料树脂。3 2 不同颜填料对漆膜耐盐雾性能的影响在以树脂C 为基料的条件下, 研究了不同颜填料对漆膜耐盐雾性能的影响,结果如表2 所示。防腐蚀颜填料分物理防锈和化学防锈两大类[3 ]。由表2 可知,配方3 具有较好的耐介质腐蚀性能。主要是因为配方3 采用了物理和化学双重防腐。配方中添加了10 %的物理防锈颜填料云母粉,具有片状结构云母粉的加入能增加漆膜的致密性,降低腐蚀性介质的渗透率, 对腐蚀性介质起着屏蔽作用。同时配方3 中还含有5 %化学防锈颜料三聚磷酸铝。三聚磷酸铝离解产生的磷酸根可使金属表面钝化, 引起阳极极化。而铝离子则在阴极反应生成难溶物引起阴极极化, 提高了涂膜的耐盐雾腐蚀能力[4 ]。同时盐雾试验后漆膜仍有较好的附着力。3 3 不同固化剂对漆膜耐磨性能的影响风力发电机运行时, 迎风面的表面绝缘漆涂层受到的沙尘和空气的摩擦力大, 存在着严重的气体砂粒磨蚀现象。故表面绝缘涂料须有良好的耐磨蚀性能。不同固化剂交联固化的涂膜耐磨蚀性能如图1 所示。从图1 可知,HDI 弹性固化剂交联固化的涂膜具有很好的耐磨性能。主要原因是HDI 弹性固化剂是由柔性聚酯多元醇和二异氰酸酯反应生成的一种预聚物, 其分子链中含有柔性的多元醇分子链骨架,两端带有反应性的异氰酸酯基团,异氰酸酯基团与高分子量环氧树脂中的羟基反应聚合后最终形成环氧聚氨酯弹性体的基本结构, 这种结构存在着大量如氨基甲酸酯、脲基等高极性基团,同时聚氨酯大分子链间又可形成大量的氢键, 使漆膜具有较好的拉伸强度和良好的弹性,其耐磨性特别优良[5 ]。当漆膜受到外界风沙的冲刷时, 其弹性的漆膜能通过产生形变而减弱风沙的冲击力,从而提高漆膜的耐磨性。从图1 中还可看出, 开始时涂膜的磨耗量变化较大, 随着转数的增加, 磨耗量的增加逐渐变得缓慢, 这说明开始时有机基料的磨损比较严重, 但随着基料的除去, 无机颜填料逐渐凸出, 涂膜耐磨性能增加,磨耗量递减[6 ]。3 4 绝缘涂料性能表征3 4 1 红外光谱( F T - IR) 分析图2 为表面绝缘涂料的红外光谱图。从图2 可看出, 在2 200～2 300 cm - 1 处没有吸收峰, 说明表面绝缘涂料中没有残存的异氰酸根( - NCO) 基团, 交联反应比较完全。在1 735 cm - 1位置存在一个非常强的吸收峰, 为表面绝缘涂料交联固化后形成的氨酯键( - NHCOO - ) 中的羰基( - C = O) 的伸缩振动吸收峰, 而在1 732 cm - 1 位置看不到明显的吸收峰, 表明环氧聚氨酯链段中的羰基基团大部分处于氢键化, 氢键化的结构赋予了漆膜良好的弹性。1 182 cm - 1、1 119 cm - 1、1 041 cm - 1为环氧中的醚键( - O - ) 的伸缩振动吸收峰, 醚键为漆膜提供了良好的柔韧性。1 245 cm - 1 为环氧基伸缩振动吸收峰。3 4 2 热失重( TG) 曲线分析图3 为表面绝缘涂料的热失重曲线图。分析认为,325 8 ℃前失重部分主要为配方中低分子量的有机物, 重量约为15 %左右, 有机高分子聚合物分解50 %时的温度为391 ℃。据热失重曲线, 由割线法求得表面绝缘涂料中的环氧树脂和固化剂交联固化后的温度指数为145 3 , 配方中添加无机颜填料后其耐热温度将更高, 表明研制的涂料热稳定性好,可满足大功率风力发电机的耐热需要。3 5 绝缘涂料性能研制的表面绝缘涂料主要性能指标见表3由表3 数据可知, 制备的表面绝缘涂料综合性能良好,能够满足风力发电机的需要。4 结论(1) 用高分子环氧树脂作树脂基料,制得的表面绝缘涂料具有较好的附着力和电气绝缘性能, 电气强度达67 MV/ m ,体积电阻率为9 6 1013 m ,耐电弧性能为127 s 。(2) 选用三聚磷酸铝和云母粉搭配使用作防腐颜填料, 表面绝缘涂料的耐盐雾性能可达1 000 h以上。(3) 当固化剂选用HDI 弹性固化剂时,表面绝缘涂料负载1 kg ,运转500 圈后磨耗量达0 037 g 。参考文献:[ 1] 李国莱,张慰盛,管从胜 重防腐涂料[M] 北京:化学工业出版社,1999[ 2] 王增加,李辅安,李翠云 阻燃高分子复合材料的研究进展[J ] 化工新型材料,2003 ,31(3) :12 - 14[ 3] 虞兆年 防腐蚀涂料和涂装(第2 版) [M] 北京:化学工业出版社,2002[ 4] 曾凡辉,陈红梅,李国,等 铁路机车用环氧底漆耐盐雾性能改进[J ] 现代涂料与涂装,2005 ,8(2) :52 - 54[ 5] 赵德仁,张慰盛 高聚物合成工艺学[M] 北京:科学工业出版社,1997[ 6] 何莉萍,张薇,唐绍裘 胶粘耐磨涂层的制备与抗冲蚀磨损性能的研究[J ] 涂料工业,2005(2) :22 - 25