有机硅浸渍漆是一类以硅氧键为主链结构、以有机基团为侧基的高分子材料。它具有卓越的阻燃、防水、耐电晕、热氧化稳定性和绝缘性能。除具有上述普通缩合型有机硅浸渍漆特点之外,加成型有机硅浸渍漆还具有不含有机溶剂、固化过程中无低分子物放出的优点,是一种很有发展前景的新型绝缘品种。可用于交直流电机、浸渍型干式变压器、电源变压器等电气设备的浸渍绝缘处理 。

在国外,著名牵引电机制造商对于干线高速机车牵引电机已普遍采用加成型无溶剂有机硅浸渍漆。早在20世纪70年代已研制出在200~220℃连续工作的无溶剂硅树脂,90年代各国在车辆电机中大批量使用,最有代表性的是乙烯基-苯基-甲基有机硅树脂。交流变频牵引电机绝缘采用的是H62A/B双组分加成型无溶剂有机硅树脂体系的绝缘结构 。

在国内,为适应铁路高速、重载发展的需要,著名的电力机车制造商之间展开了广泛的技术合作,并先后引进了交-直电力机车、交传机车和动车的设计和制造技术。牵引电机及其绝缘系统作为机车的心脏部件与核心技术,被纳入核心技术引进的重要范畴。其中采用最多的就是无溶剂有机硅浸渍漆。1987年,成功研制出国内单机功率最大的8K型电力机车TAO649D型直流牵引电机,其绝缘系统采用了220℃级有机硅绝缘体系,其浸渍漆为16633单组分无溶剂有机硅浸渍树脂;2003年引进了一套全新的C级有机硅绝缘系统,浸渍树脂就是3551加成型无溶剂有机硅树脂,该绝缘系统已成功应用在出口哈萨克斯坦的KZ4A型交流传动机车牵引电机上;而2005年从西门子引进的DJ4机车牵引电机是采用了H62A/B双组分无溶剂有机硅树脂为浸渍漆的C级绝缘体系;同年与庞巴迪公渍树脂就是3551加成型无溶剂有机硅树脂,该绝缘系统已成功应用在出口哈萨克斯坦的KZ4A型交流传动机车牵引电机上;而2005年从西门子引进的DJ4机车牵引电机是采用H62A/B双组分无溶剂有机硅树脂为浸渍漆的C级绝缘体系;成功研制出用于低地板电车交流牵引电机,也是采用220℃级有机硅绝缘体系,其浸渍漆为H62双组分有机硅无溶剂浸渍树脂。

通过南车集团的几次技术引进可以认为,C级无溶剂有机硅浸渍树脂将是重载机车交流变频牵引电机和高速动车变频牵引电机C级绝缘系统的首选方向 。

加成型有机硅浸渍漆通常由基础树脂(聚甲基苯基乙烯基硅氧烷)、交联剂(聚甲基苯基氢硅氧烷)、活性黏度调节剂(其分子组成基本同基础树脂)、催化剂(过渡金属如铂、镍、铑等的配合物)、抑制剂组成。其固化机理是交联剂中的Si-H基和基础树脂中的Si-CHCH2基发生硅氢加成而固化成膜 。

基础树脂:聚甲基苯基乙烯基硅氧烷是加成型有机硅浸渍漆的基础树脂,它属一类低分子的预聚物,摩尔质量分布较窄,黏度较低,较适合于浸渍处理工艺。根据漆膜的性能要求,聚甲基苯基乙烯基硅氧烷中Si-CHCH2含量应控制在一定范围内。Si-CHCH2含量太低,交联密度小,漆膜固化性能差,强度不够;反之,则交联密度过大,漆膜变脆,伸长率变小、耐老化性能不好 。

交联剂:聚甲基苯基氢硅氧烷是加成型有机硅浸渍漆的交联剂,其分子中的Si-H在铂催化剂作用下能与基础树脂中的Si-CHCH2进行加成反应而使浸渍漆固化成膜。在配制加成型有机硅浸渍漆时,应注意交联剂中硅氢基与基础树脂中Si-CHCH2的量之比,只有使它们相匹配,才能得到性能最佳的浸渍漆。考虑到乙烯基的充分利用和硅氢键的损耗,一般Si-H基稍过量为宜 。

活性黏度调节剂:活性黏度调节剂又名活性稀释剂 , 是一类聚甲基苯基乙烯基硅氧烷 , 其作用是为了调节浸渍漆的黏度 。

催化剂:

元素周期表中第Ⅷ族过渡金属的配合物对Si-H基和Si-CHCH2基的加成反应几乎都有催化效果,但在加成型有机硅浸渍漆中通常都采用各种形式的铂及其化合物和配合物作催化剂 。

目前主要使用均相催化剂,这类催化剂是将氯铂酸溶于异丙醇等溶剂中。其中使用较普遍的是氯铂酸与链烯烃、环烷烃、醇、醛、醚等形成的配合物,因为这种催化剂比非均相催化剂具有更高的活性和选择性;但大部分活性较高,使浸渍漆凝胶化过快,安全操作时间太短。若以铂计,铂催化剂用量的最低限度应为基础树脂与交联剂总质量的1.0×10-7;但考虑到因体系不纯而使铂中毒的可能性,实际用量一般为(1~20)×10-6。铂催化剂用量过高,既不经济,又增加抑制剂的用量。除了可溶性铂外,在加成型有机硅浸渍漆催化剂中也有使用其它金属催化剂的报道,如钴、钉、铑等,这些催化剂尚处于研究阶段,不一定适用于工业化生产。例如,铑的价格比铂高10倍左右,尽管用量可能低,但仍不够经济。由于催化剂在反应中要经历数以万次的位置转移,而且体系黏度会迅速增大,因此,催化剂在有机硅浸渍漆中的溶解度很重要;其次,催化剂的催化速度也要适当 。

抑制剂:基础树脂、交联剂和催化剂混合之后可以在室温下发生加成反应。为了使浸渍漆能够在常温下稳定贮存并能重复使用。要求有机硅浸渍漆在一定温度以下几乎不反应,而达到一定温度后再迅速反应。抑制反应的方法通常是加入抑制剂。抑制剂能与铂催化剂形成如下平衡:催化剂+抑制剂催化剂·抑制剂当温度高时,平衡趋向左方,有利于催化加成反应。有效的抑制剂可以让浸渍漆放置相当长的时间,只有加热到一定温度才失效。抑制剂分两类,一类是作为添加剂加入胶料中,与铂作用阻滞其活性;另一类是事先制成具有抑制性配合物(复合催化剂),从而抑制铂的催化活性。使用较普遍的抑制剂是相容性好的炔醇类化合物、含氮化合物、有机过氧化物等,加入量一般为基础胶质量的1%~5% 。

随着人们对有机硅材料研究的不断深入,其优异的性能和广阔的应用领域被专家学者密切关注,得到了广泛的认可。热固性有机硅树脂是有机硅材料分类中一个重要的分支,它的主体骨架是聚硅氧烷结构。硅氧键具有很高的键能(443.7kg/mol)和很高的离子化倾向(51%),具有突出的热氧化稳定性能 。

有机硅浸渍漆是以有机硅树脂为漆基的绝缘材料,是高度交联结构的热固性聚硅氧烷体系,由含Si-CH=CH2和Si-H基团的聚甲基苯基硅氧烷在铂催化作用下发生加成反应而交联固化合成有机硅浸渍漆。该浸渍漆在VPI(真空压力浸渍)工艺上有着很好的优势。目前国内引进了一套全新的C级有机硅绝缘系统,浸渍树脂采用3551加成型无溶剂有机硅树脂,通过几次技术引进和分析可以确认,C级无溶剂有机硅浸渍树脂将是重载机车交流变频牵引电机和高速动车变频牵引电机绝缘系统的首选方向。在应用过程中研究含Si-CH=CH2与含Si-H的聚甲基苯基硅氧烷的合理加成配比及其对浸渍漆性能的影响是非常必要的 。

与缩合型液体有机硅浸渍漆相比,加成型有机硅浸渍漆具有漆样自身不含有机溶剂不污染环境、在固化过程中不产生副产物、收缩率小、能深层固化、生产周期短且效率高等优点。此外,在应用工艺上加成型有机硅浸渍漆还具有浸渍应用工艺和后处理工序简便、容易实现自动化,并可节约能耗和劳动力的优势,能够满足目前电机制造过程中普遍采用的真空压力浸渍(VPI)绝缘处理工艺的要求,并得到无气隙的整体性能优良的绝缘结构 。

(1)通过氯硅烷的水解缩聚合成了加成型无溶剂有机硅树脂,用FT-IR和GC-MS对其进行表征,证明所合成的树脂为含有Si-CH=CH2的甲基苯基有机硅树脂 。

(2)对浸渍漆固化后进行TG-DTG检测并对硬度、吸水率和电性能的表征,证明含Si-CH=CH2和Si-H基团的聚甲基苯基硅氧烷以质量比为2.2∶1配制时,有机硅浸渍漆的性能比较优越 。