慧聪涂料网讯：
胡百九1，彭浩民2，高庆福2，杨璠2，张捷2，史中平2，邓剑辉2，程雷2，顾宇盺1
(1．中国电器科学研究院有限公司，广州510300;2．广州擎天实业有限公司，广州510860)
摘要:以通用型环氧树脂及环氧固化剂作为成膜主体，研究了环氧树脂、固化剂、填料类型及用量对粉末涂料涂层性能的影响，通过配方优化，得到了适用于电磁线圆铝线涂装的纯环氧型粉末涂料，并与环氧/聚酯型粉末涂料进行了综合性能的对比，对比结果表明该类型粉末涂料产品在涂层的柔韧性、耐热性、电绝缘性等方面要优于环氧/聚酯体系。
关键词:粉末涂料;电磁线;绝缘;环氧树脂;涂层性能
中图分类号:TQ637.82 文献标识码:A 文章编号:0253－4312(2012)10－0053－05
在电机产品中，绝缘材料的质量是决定电机产品质量的关键因素。为了保障设备的正常运行，必须有高性能的绝缘材料来提高设备的工作环境适应性、使用寿命。在一个电机零部件中，主要需要绝缘涂装的部分是转子、定子和缠绕在转子上的磁线。磁线以往一般采用漆包线，即用涂料涂装线的表面达到绝缘的目的，而溶剂型涂料对环境的影响很大，造成严重的资源浪费与环境污染。随着环保的要求越来越高，人们不断地在寻求可以替代的涂装方式。粉末涂料在电子、电机用绝缘材料中占据了越来越重要的地位，产品广泛应用于电机、电子、高压电器、汽车工业、航空机械等各个领域。但绝缘粉末涂料在电磁线涂装领域仍然处于起步阶段，表现为产品品种不多、整体性能上与以聚酰亚胺为代表的溶剂型涂料差距很大，这在很大程度上制约着绝缘粉末涂料在该领域的推广与应用。为此，目前多家单位在该领域展开研究，如广州擎天实业有限公司、江苏兰陵化工集团、扬州三川实业有限公司、河南许昌华元电工器材有限公司等，并申请了相关专利，其中环氧/聚酯型电磁线用绝缘粉末涂料产品已经开始应用在电磁线涂装领域，并取得了良好的效果［1－6］。
本研究主要针对目前应用于电机领域的电磁线(铝线)涂装用绝缘粉末涂料展开研究，制得了纯环氧型绝缘粉末涂料产品，软化击穿温度能够达到150℃以上，可实现对溶剂型绝缘涂料的部分替代。
1·试验部分
1.1 原材料
双酚A型环氧树脂(E－12)、邻甲酚醛型环氧树脂A(A):工业级，二步法，南亚树脂有限公司;邻甲酚醛型环氧树脂B(B):工业级，一步法，大庆庆鲁精细化工有限公司;微粉化双氰胺:工业级，德固赛公司;酚类固化剂:工业级，陶氏化学公司;改性酚醛类固化剂:工业级，大庆庆鲁精细化工有限公司;癸二酸酐:工业级，西安长城树脂胶黏剂有限公司;二甲基咪唑(2MI):工业级，陕西金辰化工有限公司;金红石型二氧化钛:工业级，杜邦公司;硫酸钡:工业级，欣美化工有限公司;硅微粉:工业级，重庆锦艺硅材料开发有限公司;云母粉:工业级，滁州格锐矿业有限责任公司;粉末涂料通用颜料:工业级，汽巴(Ciba)公司;粉末涂料通用助剂(流平剂、脱气剂、安息香等):工业级，宁波南海化学有限公司。
1.2 主要设备
Φ30型双螺杆挤出机、高温烘箱、万能中药粉碎机、ACM磨粉系统、小型静电喷涂设备、电磁线电压检测仪、激光粒度分布仪等涂料及涂层性能检测设备。
1.3 粉末涂料及涂层制备
按设计配方称取各组分，用万能中药粉碎机充分预混合完毕后通过双螺杆挤出机在设定温度下进行熔融挤出，挤出片料经冷却、粉碎、过筛、静电喷涂、热固化成膜，最后对涂膜进行性能测试。
2·结果与讨论
2.1 环氧树脂的选择
纯环氧粉末涂料具有优异的绝缘与防腐性能，这与环氧树脂的分子链结构是密切相关的。环氧树脂中的羟基具有高度极性，可以与金属表面形成化学键，提高附着力;分子结构中醚键提供了优良的耐化学性能及耐腐蚀性，其弯曲性也很好;丙烷基和苯环赋予环氧树脂耐热性和机械刚性;其中环氧基和羟基具有的反应性，与特定化合物反应可交联成网状结构。
目前市场上通用的粉末涂料用环氧树脂主要有双酚A型和邻甲酚醛型2大类，双酚A型环氧树脂尤其是E－12型的双酚A型环氧树脂在粉末涂料领域应用更为广泛，综合性能优异，但双酚A型环氧树脂分子链中的环氧官能团一般为2个，与固化剂交联反应后形成的交联密度有限，而邻甲酚醛型环氧树脂具有多个环氧官能团，参与反应后可以形成较大的交联密度，从而提高涂膜的耐热性能，但同时也在一定程度上损害了涂层的韧性。电磁线用绝缘粉末涂料不同于电机定子、转子用粉末涂料，它要求涂膜在具有绝缘性能(电性能和热性能)的同时还必须具备优异的柔韧性。
试验过程中采用环氧当量700～900的双酚A型环氧树脂、环氧当量在200～300的邻甲酚醛型环氧树脂A以及环氧当量在800～900的邻甲酚醛型环氧树脂B，以微粉化双氰胺为固化剂，2－甲基－咪唑(2MI)为固化促进剂，选用通用型流平剂、安息香、除气剂和颜料，不添加填料，对比了不同类型环氧树脂对涂膜性能的影响，结果如表1所示。
表1 环氧树脂对涂膜性能的影响
表1数据表明，邻甲酚醛型环氧树脂A的刚性太强，且与双酚A型环氧树脂的兼容性差，它虽然能够较大幅度地提升涂层的耐热性能(软化击穿温度)，但同时也严重损害了涂层的柔韧性，因此不宜用作电磁线这类对韧性性有高要求的绝缘粉末涂料配方中。环氧树脂B为三官能度的邻甲酚醛型环氧树脂，其刚性相对环氧树脂A要小，但韧性有所增加，随着其添加量的降低，涂层韧性增加、软化击穿温度有所降低，双酚A型环氧树脂与环氧树脂B质量比为150∶50，能够满足涂膜的韧性要求，此时软化击穿温度上升到了142℃。
2.2 固化体系的选择
目前粉末涂料行业中用于纯环氧体系的固化剂包括双氰胺、酰肼、酚类、改性酚醛和酸酐等。双氰胺的熔点为210℃，常规粉末涂料的固化温度区间为180～200℃，目前一般通过微粉化工艺降低双氰胺的粉体粒径以提高其活性，从而实现200℃固化。试验过程中以E－12和环氧树脂B搭配m(E－12)∶m(环氧树脂B)=150∶50作为树脂体系，选用通用型二氧化钛、流平剂、安息香、除气剂和颜料，对比了双氰胺、酰肼、酚类(酚羟基树脂)、改性酚醛和酸酐5种固化剂对涂膜性能的影响，结果如表2所示。表中E－12用量为150份、环氧树脂B用量为50份、二氧化钛20份、通用型流平剂2.4份、安息香2份、颜料适量、涂膜厚度100～130μm。
表2 固化剂对涂膜性能的影响
表2数据表明，酸酐类固化剂(癸二酸酐)整体性能上较其余4种固化剂要差，表现为黄变严重，同时在制粉与固化过程中存在较大的酸味，且高温烘烤测试时不能满足要求。
癸二酸二酰肼的反应活性更高，涂层的耐黄变性能也优于酚类和酚醛改性树脂，并能获得整体效果较佳的涂层，但由于二酰肼存在较大的毒性(小鼠口经LD50为400mg/kg)，考虑到对人体和环境的影响，在有其他选择的情况下本研究不考虑其作为电磁线绝缘粉末涂料的固化体系。
微粉化双氰胺体系、酚羟基树脂体系和改性酚醛树脂体系综合性能均能满足要求，且软化击穿的温度区间相差不大，其中双氰胺体系的耐黄变效果最好，酚羟基树脂和改性酚醛树脂由于其中需要添加容易泛黄的二甲基咪唑作为促进剂，涂膜容易偏黄，考虑到电磁线粉末涂料一般为深色涂料，因此均可以选择作为电磁线绝缘粉末涂料的固化体系。需要提及的是，酚羟基树脂实质上可以视为改性酚醛树脂的一种，其反应的实质是酚醛树脂的酚羟基与环氧树脂的环氧基进行加成反应［7］。改性酚醛树脂和酚羟基树脂这2类固化剂一般需要在有固化促进剂(如二甲基咪唑等)参与的情况下才具有较高的反应活性，通过调节固化促进剂的用量可以实现对其反应活性的灵活调节，然而这也带来了2个不利影响，首先在工业生产过程中，促进剂由于添加量少不易分散均匀，导致产品的反应活性波动范围较大，然后目前应用较为成熟的促进剂品种为二甲基咪唑(2MI)，它的加入容易导致涂膜泛黄。目前已经有不少固化剂生产厂家在制备固化剂时直接将固化促进剂添加到固化剂中，从而保证了产品质量的稳定性，本试验中所采用的酚羟基树脂即为含有固化促进剂的类型。
2.3 颜填料的选择
粉末涂料中常用的颜填料主要包括二氧化钛、硫酸钡、碳酸钙、硅微粉、云母粉等几大类。其中云母粉颗粒呈片状结构，加入到粉末涂料配方中能够增强涂层的耐热、耐腐蚀和电绝缘效果，但是会损伤涂层的柔韧性，因此不适合应用于电磁线等有很高柔韧性要求的绝缘粉末涂料配方中;与硫酸钡相比，硅微粉在提升涂层的电绝缘性能和硬度方面效果更好，价格便宜，吸油量适中，本研究通过对比试验验证后决定采用硅微粉作为配方的首选填料。
试验以E－12和环氧树脂B搭配作为树脂体系，以微粉化双氰胺和酚羟基树脂(含促进剂)作为固化剂，选用通用型流平剂、安息香、除气剂和颜料，对比了微粉化双氰胺和酚羟基树脂这2类固化体系下硅微粉用量对涂层性能的影响，结果见表3，配方中E－12用量为150份、环氧树脂B用量为50份、双氰胺10份或酚羟基树脂40份、通用型流平剂2.4份、安息香2份、颜料适量、涂膜厚度100～130μm，固化条件为200℃/10min。
表3 硅微粉对涂膜性能的影响
表3的试验结果表明，双氰胺体系中，硅微粉含量为30份(每200份树脂，下同)时，涂装后的铝线自缠绕后经230℃烘烤30min后即有开裂迹象，当硅微粉添加量为40份时，230℃烘烤30min后表现为严重开裂，但自缠绕测试均能满足要求，该配方体系下适宜的硅微粉添加量为20份。酚羟基树脂体系下适宜的硅微粉添加量为30份。
从分子结构上考虑，酚羟基树脂的分子链柔顺性比双氰胺高，表3的试验结果表明两者差距不大，这似乎与理论相矛盾。实际上，涂膜在进行230℃下的高温自缠绕性能测试时，其性能不仅与分子链的柔顺性密切相关，而且与环氧树脂/固化剂间的交联密度有很大关系，交联密度增加，涂膜的硬度与致密程度将有所提升，而涂膜的可伸缩性(或刚性)则表现为先增加，后降低。铝线在进行高温(230℃)烘烤时，必然发生热胀冷缩，而经过自缠绕后的涂膜实际上已经发生了一个被迫拉伸的过程，其内应力已经较高，一旦内应力继续增加，如果涂膜本身不再能够承受住不断增加的内应力，即表现为涂膜剥离或者开裂(参见图1)。酚羟基树脂的反应速度快，交联密度高，导致固化后形成的涂膜刚性较强，在基材承受较大幅度的热胀冷缩时，涂膜容易被破坏或开裂。
图1 耐高温测试前后的涂膜照片
2.4 纯环氧型电磁线用绝缘粉末涂料的配方确定
综上所述，应用于电磁线圆铝线涂装的绝缘粉末涂料配方如表4所示，粉末粒径优选D50=(35±5)μm，固化条件200℃/10min。
表4 电磁线圆铝线用绝缘粉末涂料配方
由表4所示配方制得的电磁线绝缘粉末涂料产品涂装于圆铝线，自缠绕合格后于230℃下烘烤30min，涂层外观如图2所示。
图2 涂膜经高温烧烤后的外观照片
2.5 环氧体系和聚酯/TGIC体系的综合性能对比
按表4提供的配方，选用双氰胺固化体系制得了电磁线用绝缘粉末涂料产品，并与文献［2］报道的环氧/聚酯体系的电磁线用绝缘粉末涂料产品进行了性能对比，结果如表5所示。
表5 纯环氧体系同环氧 聚酯体系的性能对比
由表5数据看出，纯环氧体系(双氰胺)下制得的产品涂层在硬度和体积电阻率方面要优于环氧/聚酯体系，同时涂层能够满足电磁线圆线在柔韧性和耐热性能方面的要求，软化击穿温度区间在140～150℃之间，高于环氧/聚酯体系。
3·结语
环氧树脂/双氰胺固化剂体系或者环氧树脂/酚羟基树脂固化剂体系下制得的环氧型绝缘粉末涂料产品能够满足电磁线用绝缘粉末涂料在物理机械性能、耐化学品性能以及电绝缘性能方面的要求，同时软化击穿温度区间位于140～150℃之间。
本研究制备的粉末涂料在耐热性能方面与以聚酰亚胺为代表的溶剂型绝缘漆(漆包线漆)仍然存在较大的差距，后者软化击穿温度在200℃以上。另一方面，本研究提供的该类型绝缘粉末涂料适合应用于圆铝线类电磁线的涂装，而在扁铝线电磁线方面的涂装则存在一定的不足。
参考文献
［1］高新田，周立华．电磁线用静电绝缘粉末涂料［J］．涂料工业，2010，40(7):73－75．
［2］金顺玉，南仁植．电磁线用静电粉末涂料的研究与应用［J］．现代涂料与涂装，2009，12(6):14－16．
［3］南仁植，高新田，周立华，等．电磁线和漆包线用摩擦静电喷涂红外线固化粉末涂料及其制备方法和应用:中国，200810196202.2［P］．2009－07－01．
［4］南仁植，薛志荣．电磁线用绝缘粉末涂料:中国，200410014489.4［P］．2005－01－12．
［5］南仁植，高新田，程军，等．电磁线和漆包线用静电喷涂粉末涂料及其制备工艺:中国，200610041282.5［P］．2007－02－07．
［6］杨璠，章晓斌，高庆福，等．一种电磁线专用绝缘粉末涂料及其制备方法:中国，200810220482.6［P］．2009－06－17．
［7］南仁植．粉末涂料与涂装技术［M］．2版．北京:化学工业出版社，2008:115－122．
