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干式电抗器用阻燃增韧浇注胶的制备及性能研究

申报人：叶蕙菁 申报日期：2025-01-05

基本情况

2025年批次
干式电抗器用阻燃增韧浇注胶的制备及性能研究 学生申报
创新训练项目
工学
材料类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
为了提升干式电抗器用环氧树脂的力学性能和阻燃性能，本项目利用苯膦酰化合物、聚醚多元醇、咪唑通过亲核取代合成反应型阻燃增韧剂（EPM），并利用其作为共固化剂制备环氧树脂浇注胶，实现环氧树脂力学性能和阻燃性能的同步提升。探索原料种类、分子量、配比对EPM的结构、分子量、粘度、热稳定性等影响，并进一步研究EPM的结构、分子量以及添加量对环氧树脂浇注胶力学性能、热性能、阻燃性能及其耐久性的影响规律，阐明EPM对于环氧树脂固化物力学及阻燃性能提升的机理。将EPM应用于干式电抗器用环氧树脂浸渍胶中，通过调控环氧树脂中EPM、环氧树脂、固化剂和促进剂的组成配比，并调控施工工艺，成功开发阻燃性优异、热性能好和较好力学性能的干式电抗器用环氧树脂浸渍胶，并进行产品应用示范。
无
在研阻燃方向相关研究有：广西自然科学基金面上项目（2022GXNSFAA035566）、广西重点研发计划项目（2023AB01274和2023AB02005）和南宁市重点研发计划项目（20221035 和 20231046）等
1. 提供实验场地、实验设备和其他实验条件；
2. 指导实验方案制定、实验设计和实验实施过程；
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
叶蕙菁 材料科学与工程学院 高分子材料与工程（创新班） 2023 负责项目分工，协调项目工作进展
朱耀奎 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2023 实验制备及性能测试
黄铭锋 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2023 实验制备及性能测试
李韵 材料科学与工程学院 高分子材料与工程（创新班） 2023 实验制备及性能测试
梁洁玲 材料科学与工程学院 高分子材料与工程 2023 实验制备及性能测试

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
余传柏 材料科学与工程学院 否

立项依据

针对干式电抗器绝缘材的韧性和阻燃性应用要求，本项目拟通过设计合成反应型阻燃增韧剂，以其改性环氧树脂浇注胶用做干式电抗器用绝缘材料，通过原料选择、组分配比、工艺调控及其应用的适配性系统研究，开发综合性能好、阻燃性和韧性优异的环氧树脂浇注胶，将其应用于不同类型电抗器用绝缘材料中，并进行产品的应用性能检测，并进行浇注胶的工艺和配方的调整。
（1）反应型阻燃增韧剂（EPM）的设计合成
基于环氧树脂固化的特点，利用苯膦酰化合物与活性氢之间的高反应活性，将咪唑和聚醚多元醇通过含磷芳香族化合物相结合，将阻燃改性技术和增韧改性技术巧妙的结合，制备一系列EPM。研究聚醚多元醇的结构、分子量，苯膦酰化合物的选择，原料配比及合成工艺条件等对EPM的分子结构、分子量、粘度、热稳定性等影响。
（2）反应型阻燃增韧剂（EPM）改性环氧树脂的制备、性能及机理研究
① 反应型阻燃增韧环氧树脂的设计制备。将一定比例的EPM、环氧树脂、固化剂以及促进剂混合均匀，抽真空除气泡，随之将其倒入预热的模具中，固化处理制得改性EP复合材料。对EPM种类、添加量、固化体系配比及固化条件进行调整，优化EP复合材料的综合性能。
② 阻燃增韧环氧树脂结构与性能研究。研究EPM的结构和添加量以及环氧固化体系间的相互作用对环氧树脂复合材料的微观形貌的影响，进而分析其对复合材料力学性能（冲击强度、弯曲性能、拉伸强度等）、阻燃性能（极限氧指数、垂直燃烧测试、锥形量热测试）和热性能（热稳定性和热膨胀系数）的影响规律。 
  阻燃剂按照使用方法可以被分为添加型阻燃剂和反应型阻燃剂两种。添加型阻燃剂是通过物理分散的方法将阻燃剂与EP物理共混，然后固化形成阻燃EP体系。添加型阻燃剂不会与EP发生化学反应，其在不影响EP固化过程的前提下起到阻燃作用。但需要注意添加型阻燃剂与EP的相容性和分散性问题，否则会影响EP复合材料的力学性能。反应型阻燃剂是指阻燃剂与EP发生化学作用以达到阻燃效果，一般有两种途径:第一种是通过化学键结合的方式在EP分子结构中引入阻燃元素以改善EP材料自身的燃烧性质;第二种从固化过程入手，通过使用具有阻燃特性的固化剂将阻燃元素均匀的分散在EP中以实现阻燃改性。除此之外，阻燃剂按照阻燃元素可以为分卤系、磷系、氮系、硅系、膨胀系、协同阻燃体系等。
  随着我国社会经济的快速发展，电力能源需求逐年增长，能源开发和需求存在区域发展不平衡，能源开发重心不断西移和北移，西部和北部能源向东中部负荷中心输电的规模越来越大、距离越来越远，超/特高压电网是保证全国能源平衡利用的关键，目前已进入超/特高压电网大规模建议时期，我国已形成东部、西部特高压交流主网架。据统计，2020年底，超/特高压建设线路长度和变电容量分别达到8.9万公里和7.8亿千伏安，并且“十四五”期间仍将坚定不移推进超/特高压创新发展。然而在迅猛发展特高压、大容量、远距离输电的同时导致系统容性无功增加，需要在超/特高压、大电网变电站的设计中串联或并联一定数量的电抗器，从而保证电力系统的安全性、稳定性，提高电能输送质量和效率。
  目前干式空心电抗器因其具有结构简单、损耗小、免维护、低噪声、方便安装等优点而占据了大部分电抗器应用市场，在大电网中得到广泛使用。干式空心电抗器常安装在户外，运行环境比较恶劣，长期遭受日晒雨淋，电抗器绝缘材料受到气候、温度、电压波动等因素影响，加速绝缘材料的老化，使其在运行中遇到各种问题，严重时会引起着火甚至爆炸等事故，给电力系统运行带来了巨大的安全隐患。近年来，关于干式空心电抗器的事故分析报告表明，引起干式空心电抗器事故的主要原因是匝间绝缘缺陷，占事故的90%以上，其中最突出问题是绝缘材料耐环境应力开裂所引起的绝缘材料老化，发展为电抗器绝缘材料表面开裂，将导致线圈进水受潮等问题，引起电抗器匝间绝缘事故。绝缘材料老化开裂主要是因为绝缘材料在户外紫外线、温度变化、电压波动、潮湿条件下等应用条件，绝缘材料的性能难以满足长期户外使用要求。
  目前干式空心电抗器制造所用绝缘材料主要由环氧树脂、固化剂、功能改性剂、促进剂等组成浇注胶的预固化浸渍树脂与玻璃纤维一起采用湿法绕制包覆导线而成，绕制过程中，通过树脂填充线圈内部存在的气隙，然后固化成型为一个整体。玻璃纤维在电抗器线圈中起增强作用，环氧树脂固化体系在电抗器线圈中起填充气隙、固定保护、防潮、防止局部放电等作用。环氧树脂应用于干式电抗器绝缘材料中，因其不仅具有优异的粘接强度、耐腐蚀性能、电气绝缘性能、耐高低温性能，还具有固化收缩率低、尺寸稳定性高、易加工成型和成本较低等优点，因而在绝缘材料中有广泛的应用，然而，环氧树脂固化后形成高度交联的三维网状结构，分子链间缺少滑动，内应力大，导致固化物表现出明显的脆性，同时，纯环氧树脂属于易燃材料，其极限氧指数（LOI）仅有20%左右。环氧树脂质脆、易燃的缺点导致其应用于干式电抗器绝缘材料难以满足应用性能需求。如上所述，干式空心电抗器大多安装在户外，经受日晒雨淋、温度变化和电压波动等，要求具有较高的机械强度、耐应力开裂性和良好的绝缘性等，这就要求环氧树脂具有较好的韧性和环境稳定性，在干式电抗器长期使用出现局部放电，产生较高温升时，环氧树脂绝缘材料具有较好的阻燃性，不会引起着火甚至爆炸等事故发生，因此，干式电抗器用环氧树脂绝缘材料的良好韧性、优异阻燃性对其应用非常重要，对电力系统的稳定运行和安全性具有重大意义。
  一般而言，为了达到令人满意的阻燃效果，往往需要在环氧树脂体系中添加较多的阻燃剂，然而传统阻燃剂普遍存在分散性差、与基体树脂界面作用弱等问题，多数有机阻燃剂还具有明显的增塑效应，不可避免地导致环氧树脂的原有性能、特别是力学性能的大幅恶化，因此环氧树脂普遍存在着阻燃改性与力学性能难以兼顾的问题。近几十年来，为了改善环氧树脂的韧性，最常用方法是在环氧树脂体系中添加增韧剂，即在环氧预聚体中加入柔性聚合物（如液态橡胶、弹性体、液晶聚合物、热塑性树脂和柔性聚合物等）和刚性纳米粒子（如杂化纳米粒子、纳米黏土和碳材料等），然而传统增韧剂添加后功能改性单一，且增韧剂的引入会对环氧固化体系的热性能或电性能有一定影响，如热变形温度下降，介电常数增大，体积电阻降低等。
  为了满足相应的行业应用需求，多种功能改性剂同时添加，可有效提升环氧树脂的多种性能，但同时添加多种改性剂，还会引起环氧树脂体系黏度增大，难以加工成型，同时还可能存在改性剂间相互影响，导致彼此改性效果相抵消的情况，令制得的环氧固化物难以实现预期效果。因此，通过设计合成一种多功能改性剂，可同时实现环氧树脂的阻燃与增韧改性，是获取具有优异综合性能环氧树脂的一种潜在有效策略，这个多功能改性剂应用于干式电抗器的环氧树脂浸渍胶中，将有效提升绝缘材料的韧性和阻燃性。
  基于以上分析，结合本课题组多年来在环氧树脂的增韧和阻燃改性的研究基础，我们提出一种反应型阻燃增韧剂的设计思路。利用苯膦酰化合物与含氢化合物的高反应活性，聚醚多元醇的柔性链段和醇羟基，咪唑中含有活泼氢同时与环氧树脂的高反应活性，利用这三种化合物反应制得反应型阻燃增韧剂，其中苯磷酰化合物具有高效的阻燃性，聚醚多元醇柔性链段赋予其较好的韧性，咪唑与环氧树脂有较高的反应活性，因此，这种反应型阻燃增韧剂添加到环氧树脂体系中，与环氧树脂发生反应提升其相容性，反应型阻燃增韧剂分子链贯穿到环氧固化物网络结构中，不仅能提升环氧固化物的阻燃性和韧性，其热性能和电性能也不受影响。
  根据干式电抗器用绝缘材料的应用环境和性能要求，如能够耐环境应力开裂、温度变化和电压波动等应用情况，这就要求干式电抗器的绝缘材料具有较好的韧性、耐热性和绝缘性，同时，在突发情况或设备使用时间较长时，如果发生局部放电等情况，绝缘材料具有较好的阻燃性也能避免干式电抗器发生着火甚至爆炸等情况。因此，同时对干式电抗器的绝缘材料进行增韧与阻燃改性研究，不仅具有较好的学术意义，还有较强的应用价值。在当前国内超/特高压电网大规模建议时期，市场对电抗器的需求量较大，同时对电抗器的应用性能、运行稳定性和安全性提出了更高的要求。针对环氧树脂绝缘材料自身结构缺陷是引起干式电抗器发生事故的主要原因，本课题组结合多年来环氧树脂增韧阻燃改性的工作基础，并与桂林五环电器制造有限公司存在长期合作，拟设计合成反应型阻燃增韧剂，用于干式电抗器的绝缘材料阻燃增韧改性研究，这项工作对公司现有产品的性能升级和技术改造具有较强的应用价值，对电抗器整体性能提升和运行稳定性都有较强实际意义。
（1）本项目通过合理地结构设计，依据“刚柔结合”的分子设计理念，将无卤含磷阻燃、聚醚多元醇的柔性增韧、以及咪唑的催化固化结合为一体，充分发挥各组分之间的协同作用，解决了阻燃改性与韧性难以兼顾的问题。
（2）本项目所设计的反应型阻燃增韧剂的表面含羟基及咪唑基团，与环氧树脂具有很好的相容性与反应活性；同时咪唑具有一定的催化固化作用，进一步提升了阻燃增韧剂在环氧树脂中的分散性及其与基材间的界面相容性，实现环氧树脂基复合材料力学性能和阻燃性能的提升，同时热性能和绝缘性能不受影响。
1.技术路线

本项目总的技术路线如图1所示：summernote-img
（1）反应型阻燃增韧剂（EPM）的设计合成
首先根据经典的亲核取代反应，选取具有高反应活性的苯膦酰化合物作为原料，选取非质子性溶剂作为反应介质，在合适的缚酸剂作用下在惰性环境中将聚醚多元醇和咪唑通过化学键结合在一起，制备得到EPM阻燃增韧剂。反应过程中一定确保反应体系中无水存在，因为水的引入极易和膦酰类化合物反应而使产物纯度不高。同时，反应过程中需要添加足够的缚酸剂，以确保反应体系温度维持在室温附近，有助于节约能源，提高经济效益。
通过研究聚醚多元醇结构、分子量、原料配比、反应温度、反应时间等对EPM结构的影响，优化反应条件，获得不同结构和分子量的EPM。选择苯磷酰化合物的依据在于：一方面，苯磷酰化合物中的磷-氯键有较高的反应活性，与聚醚多元醇的羟基以及咪唑的活性氢形成共价键，从而将柔性单元和刚性单元巧妙的结合起来；另一方面，以共价键接入的苯基磷酰基团中的磷元素是高效阻燃元素，赋予EPM优异的阻燃性能，同时苯环作为一种有机刚性基团，有助于提升EPM与环氧树脂的相容性。下面以苯基磷酰二氯、聚丙二元醇和咪唑三者反应为例，反应流程如图4所示。
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                                                                                                                  图4 反应型阻燃增韧剂的反应流程图
拟采用傅里叶红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、凝胶渗透色谱（GPC）表征EPM的结构以及分子量；拟采用热重分析（TGA）分析其热稳定性；利用旋转粘度计测试其粘度。研究反应条件（溶剂、温度及时间等）对EPM的结构、分子量、热稳定性及粘度的影响。设计制备出结构可控的反应型阻燃增韧剂（EPM）。
（2）阻燃增韧剂（EPM）对环氧树脂浇注胶的性能影响研究
本项目拟采用缩水甘油醚类环氧树脂为原料，加入一定比例的酸酐类固化剂、EPM、促进剂，搅拌均匀，抽真空除气泡；随之将其倒入预热的定制模具中，调节固化条件，采取热固化制得阻燃增韧EP浇注胶，制备过程如图5所示。
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                                                                                                                     图5 环氧树脂基绝缘材料制备过程
  拟采用差示扫描量热分析（DSC）测试研究环氧树脂的固化过程；拟采用动态流变测试实时监控环氧树脂组分在贮存及固化过程中黏弹性的变化；拟采用动态热机械分析（DMA）研究环氧固化物的热机械性能；拟采用加速老化试验对环氧树脂阻燃的耐久性进行测试。拟采用TGA分析EPM对其热稳定性的影响；拟通过万能试验机、冲击测试仪测试EPM的加入对EP力学性能的影响；拟采用极限氧指数（LOI）、垂直燃烧（UL-94）、锥形量热仪研究EPM对EP阻燃性能的贡献。
（3）EPM对环氧树脂浇注胶的阻燃增韧机理研究
拟采用万能试验机、冲击试验机和SEM研究环氧树脂固化物的力学性能和断面情况分析，利用万能试验拉力机测试固化物的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量，利用冲击试验机测试环氧固化物的冲击强度和断裂韧性，并利用SEM观察冲击断面、弯曲断面和拉伸断面形貌，分析裂纹情况、断裂特征和断面结构，推断EPM对环氧树脂固化物的增韧机理。
拟采用实时红外（RTIR）、XPS、XRD、SEM研究复合材料在燃烧过程中凝聚相组成和结构的变化；采用拉曼光谱（LRS）研究炭层的石墨化程度。基于以上研究，阐明EPM的结构与形成的凝聚相结构之间的关系，揭示凝聚相成炭机理；采用烟密度箱结合锥形量热仪研究复合材料在不同条件下烟及毒性气体释放特性；拟采用热重-傅里叶红外联用（TG-FTIR）、锥形量热红外联用和裂解色谱/质谱联用分析仪（Py-GC/MS）测试复合材料分解后气体（主要分析CO、CO2、氮化物、含磷化合物）的组成和含量变化，推测EPM对阻燃和烟毒性气体抑制之间的构-效关系。
2.拟解决问题
（1）反应型阻燃增韧剂（EPM）的可控制备技术。通过调控原料种类、配比和反应条件，使聚醚多元醇、苯膦酰化合物和咪唑三者充分发挥各自特性，获得结构、组成和分子量可控的EPM改性剂，并进行量产化的制备工艺调整。
（2）环氧树脂（EP）浸渍树脂中组份和工艺的适配性调控。在中试和应用示范中，调控EPM改性剂的种类、配比及浸渍胶的施工工艺，确定EPM/EP浸渍胶符合制造和应用的配方和工艺技术参数，实现EPM/EP浸渍胶量产和干式电抗器绝缘材料产品符合高韧性和高效阻燃等应用要求。
3.预期成果
（1）通过优化制备条件得到的环氧树脂浇注胶，进一步探究其阻燃性能，通过添加阻燃剂来提高环氧树脂复合材料的阻燃性，希望能更好地将阻燃剂和力学性能，降低制备成本，为拓宽其应用领域提供新的研究方向。
（2） 发表学术论文1篇，申请国家发明专利1项。 
项目计划用1年时间完成研究工作，具体安排如下：
2025.2-2025.4：团队成员学习相关文献资料与实验室安全操作规程，与指导老师讨论项目关键问题。
2025.5-2024.8：拟定实验具体操作方案，讨论可行性及熟悉使用实验器材，购买药品与试剂并进行环氧复合材料的制备，优化其制备流程。
2025.9-2024.10：对已经制备出来的环氧复合材料进行表征、分析，总结填料添加量与复合材料性能之间的关系。
2025.11-2025.12：进行环氧复合材料制备工艺的探索，并根据样品对制备工艺进行优化。研究其导热和阻燃特性，并同时对制备样品进行力学性能、电性能等其他性能的测试。
2026.1-2026.2：根据整理数据，撰写研究报告和论文。
  课题组一直致力于聚合物基复合材料的研究工作，近年来在阻燃性研究方向有较好的工作基础，也有一些研究成果在整理中，如论文和专利等。课题组在环氧树脂的阻燃和增韧方面有较好的工作基础，已申请相关多项专利和发表多篇有影响的学术论文。

本具备开展相关研究工作的条件，有复合材料制备设备和阻燃性能的测试设备等。

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 10000.00 0.00
1. 业务费 6000.00 业务总金额 6000.00 0.00
（1）计算、分析、测试费 4500.00 用于制备样品的分析及性能测试 4500.00 0.00
（2）能源动力费 0.00 无 0.00 0.00
（3）会议、差旅费 0.00 无 0.00 0.00
（4）文献检索费 500.00 文献检索 500.00 0.00
（5）论文出版费 1000.00 发表学术论文 1000.00 0.00
2. 仪器设备购置费 1000.00 小型玻璃器皿、吸附测试耗材 1000.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 模具制备 0.00 0.00
4. 材料费 3000.00 购买环氧树脂等试剂与药品 3000.00 0.00
结束

用户单位： 桂林理工大学        

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