影响玻璃纤维增强绝缘套管质量的因素
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摘要本文从模具的设计、环氧树脂配方的选用、绕制玻璃纤维工艺及固化成型工艺等方面对环氧树脂玻璃纤维增强复合材料高压绝缘套管的质量影响进行了分析,总结出提高制品质量方法。
关键词绝缘套管 玻璃纤维增强 固化成型工艺
中图分类号:TQ171文献标识码:A
0 引言
该玻璃纤维增强绝缘套管是应用于420kV电压等级及以上的以SF6气体作为绝缘介质的高压电器产品中作高、低压绝缘支撑用的绝缘件,要求具有高的电气性能和机械强度,因此要求制品的材料玻璃化温度高,且制品不允许存在任何缺陷。因此要从材料的选用、模具的设计、玻璃纤维编织布的绕制到环氧树脂的配方选用、浇注及其固化成型工艺等都必须严格地控制。笔者曾就玻璃纤维的材料质量对套管质量的影响进行了详细的论述,现继续就模具的设计原则、环氧树脂的配方选择和半成品的绕制及成型工艺方面对套管质量的影响进行讨论,总结出提高制品质量及制品合格率的方法。
1 模具设计对复合材料性能的影响
(1)模芯的同轴度:模芯的同轴度高是半成品能绕制均匀及半成品与模芯能保持同轴前提,同时也是使绕制的半成品能与外模内腔尺寸吻合的先决条件。模芯的同轴度低会使半成品绕制时模芯产生跳动,绕制材料随之时松时紧,不能保证平整、均匀,且容易产生起皱现象。半成品松紧不一时会影响后工序环氧树脂的渗透性;半成品不平整、均匀则会导致与外模腔的贴合不佳,局部有空隙则会产生纯的局部环氧树脂区域(即富树脂区域),当制品有外力或温度骤变的情况出现时,该富树脂区域就可能产生开裂现象;而半成品起皱则不可能与外模腔贴合。因此必须控制模心的同轴度,并要控制绕制设备的平稳度,防止设备的跳动过大。模芯的同轴度应保证在0.2mm以内为宜。
(2)模芯不允许有脱模斜度:一般带模芯的模具进行设计时,为了制品便于脱出模芯,通常都在模芯上设计一个较小的脱模斜度,但若对于该套管来说,模芯有脱模斜度则会导致半成品绕制时无法保证同一张力,且玻璃纤维编织布会由于有微小的斜度而在绕制过程中,形成一端有外锥度,另一端有内锥度,半成品的端部不能保持平齐,且套管壁越厚锥度越明显,且玻璃纤维编织布轴无法在保持与模芯平行的位置进行连续绕制,不可能保证半成品的均匀度和与外模尺寸的紧密贴合,以避免产生局部富树脂区域,因此对于该制品模芯不允许有脱模斜度。
(3)模具的浇口均匀分布:为了使环氧树脂均匀地渗透到半成品的玻璃纤维中,最好能多开分布均匀的浇口,使环氧树脂从各个方向向玻璃纤维中同时进料,避免远离浇口的位置由于距离长而渗透性差的可能性出现。另该工艺同时也充分利用了环氧树脂在混合好后的初期粘度最低的最佳进料时机,更有利于环氧树脂对玻璃纤维的渗透。
2 对环氧树脂配方的要求
除了要求环氧树脂的配方能满足制品所需的机、电性能外(如绝缘强度和机械强度高、耐漏电痕迹好、因耐热等级高而要求配方有高的玻璃化转变温度、需承受冷、热冲击而要求有良好的抗低温开裂性等),还要求环氧树脂混合后在浇注和固化成型的温度下具有低的粘度,且在固化成型温度下粘度的上升速度慢并有足够长的凝胶时间,以利于环氧树脂对玻璃纤维编织布有良好的渗透性,避免产生渗透不良的缺陷。
除了环氧树脂和固化剂的结构特点决定了环氧树脂复合材料固化物的玻璃化转变温度外,还需要在工艺上保证配方和固化条件的合理性,如配方的配比合理,可达到最佳的固化度的配比,但也需要有适宜的固化温度和足够的固化时间,以达到预期的固化度,才能充分发挥出所选用的材料的优越性,否则所得到的复合材料无论从机、电和热性能方面都无法满足要求。另外高的玻璃化转变温度通常是高的官能度反应所致,但高官能度的复合材料通常有韧性较差的特点,因此要在配方的设计上充分考虑刚性和韧性的统一,才能得到满足要求的复合材料。
3 绕制工艺对复合材料性能的影响
(1)绕制时玻璃纤维编织布的松紧度:虽然纤维的含量越高复合材的机、电性能越好,但这是在环氧树脂能充分渗透纤维的前提下才能达到性能的充分发挥。而玻璃纤维编织布绕制的松紧度决定了制品的纤维含量,因此绕制的张力小(即玻璃纤维编织布松)是不利于制品性能的提高的,而绕制的张力太大(即玻璃纤维编织布紧)却会导致由于纤维太紧而使环氧树脂渗透不良,导致机械性能下降,且轻则产生局部放电现象,得则导致制品电击穿。所以要在实践中摸索适合的玻璃纤维编织布的松紧度。
(2)绕制时玻璃纤维编织布张力的均匀度:绕制时玻璃纤维编织布的张力控制的均匀度会直接影响纤维分布的均匀性,绕制松的部位纤维的含量小,反之亦然。其对制品性能的影响原理与4.1相似。因此要求绕制设备配置能有效地控制玻璃纤维编织布张力的均匀度的仪器,使绕制的半成品各部位的纤维含量均一,浇注后的制品各部位的性能趋向于均一。
(3)绕制时玻璃纤维编织布的不间断性:若在绕制过程中由于玻璃纤维编织布的布幅长度所限需要驳接,则在驳接处由于前一卷布末端没有了设备所施加的张力,而后一卷布的起始端不能施加与原来相同的张力,则在驳接部位附近会有局部绕制不紧的缺陷;且由于末端与始端的裁切因会有纤维须滑脱而不可能很整齐,因此驳接处无论是否搭接(因纤维须的存在不可能做到刚好接缝),驳接处的末端后和始端前就会形成了一条不很规则的无纤维边,浇注型成后就会产生富树脂边,该边的厚薄取决于纤维布的厚度。为避免制品出现缺陷,为此要求玻璃纤维是连续不间断的。
4 成型工艺对复合材料性能的影响
(1)绕制的半成品与外模的尺寸配合度:绕制的半成品的尺寸必须与外模内腔的尺寸相吻合,这就要求半成品的圆度高且与模芯和外模内腔有很好的同轴度,若半成品不圆,则圆缺的部位浇注固化成型后只有树脂而没有作为增强材料的玻璃纤维,形成富树脂区域;半成品与外模内腔的同轴度不好则会使某一侧由于偏心而压迫纤维,对面一侧则会与外模内腔有一定的空隙,在浇注固化成型后就会在压紧的一侧造成渗透不良,而有空隙的一侧则会形成富树脂区域;半成品的外径与外模内腔的直径要一致,甚至可以稍大0.5-1mm,不允许半成品的外径比外模内腔的直径小,否则在整个制品的外层都会形成富树脂区域。
(2)半成品在浇注前的预热:半成品在浇注前必须要充分地预热,若预热时间不够长,由于玻璃纤维编织布是热的不良导体,热量从外模和通过模底把热量传递到模芯,再由外模、模底和模芯把热量传递到玻璃纤维中,远离外模、模底和模芯的部位的温度则比靠近模体的部位低,特别是套管壁厚大的制品尤为明显,在环氧树脂浇注后,由于该部位的温度低而导致树脂的粘度相应升高而影响渗透能力,且会导致因该部位的温度低而凝胶时间长,其周围的位置先凝胶时由于固化收缩而需要树脂进行补缩,该部位的树脂因具有流动性则先补缩到周围,而当该部位固化收缩时,需要树脂进行补缩而其周围却已固化,不能提供树脂供其补缩,就会产生局部没有树脂的缺陷。因此预热时间足够长(当然由于生产周期和成本所限,也不能规定的时间过长,必须要进行试验摸索出合适的预热时间,且制品的体积大小和壁厚不同也会有不同的预热时间),要保证整个半成品的温度与模体温度一致,且预热时间同时也可起到对半成品进行干燥的作用。
(3)固化成型的温度控制:要获得高质量的制品,固化成型温度的选择很关键,温度过高,凝胶时间太短,环氧树脂来不及渗透到玻璃纤维内部就凝胶了,会导致渗透不良现象;温度过低,环氧树脂的粘度会升高,也会影响渗透性。因此也必须要进行试验摸索出合适的固化成型温度。
5 结论
模具设计如模芯的同轴度高、无脱模斜度及模具的浇口多且分布均匀等会对制品的质量提高有所帮助;氧树脂除了要求其配方能满足制品所需的机、电性能外,还要求粘度低以利于其对玻璃纤维的渗透,且兼顾复合材料的刚性和韧性;在绕制工艺中,玻璃纤维编织布的松紧度适中、张力均匀和玻璃纤维编织布不间断也是制品质量提高的保障;在成型工艺中,半成品与外模尺寸配合度好、浇注前充分预热及固化成型温度适中等也会提高制品的质量。
参考文献
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