高导热绝缘漆中分散工艺研究范文

《绝缘材料杂志》2016年第三期

摘要：

通过添加具有导热功能的氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)和二氧化硅(SiO2)等填料制备了环氧改性不饱和聚酯导热绝缘漆。使用热导率测试仪、高阻计、FTIR、SEM等研究了填料的种类、含量、分散工艺等因素对绝缘漆的分散性能、导热性能、电绝缘性能等的影响。结果表明：采用砂磨机搅拌分散方式时，填料在绝缘漆中的分散及防沉降效果最理想；添加导热填料可以改善绝缘漆的导热性能，且对绝缘漆的电性能影响不大，其中AlN/Al2O3（纳米）混合填料对绝缘漆的导热性能提高最明显。

关键词：

绝缘漆；导热性；填料；分散

绝缘材料大多是绝热的，其导热系数一般在0.2W/(m•K)左右，这使得绝缘材料在提供绝缘性能的同时，一定程度上阻碍了电机由于高速旋转和电冲击积累的热量的散失，热量的聚集会加快绝缘的老化速度，从而缩短电机的寿命。因此，在保持或提高绝缘材料机电性能和耐热性能的同时，提高其导热性是一个值得研究的课题，对于中高压大功率变频调速电机绝缘材料的研制尤为迫切。传统的导热材料大多为金属和金属氧化物，以及石墨、炭黑、AlN、SiC等无机非金属材料。随着科技和产业的迅猛发展，对导热材料提出了更高的要求，不仅要求材料具有较好的导热、电绝缘性，还希望其拥有质轻、耐化学腐蚀性、耐冲击、加工成型简便等优良的综合性能。然而，由于纳米无机绝缘填料是亲水性的，表面能高，有机高分子不能浸润填料或与填料表面相互作用弱，造成纳米填料与高分子基体的界面粘结强度低，纳米填料在高分子基体中易于团聚、沉积而分散性差，最终导致树脂固化物力学性能（尤其是抗冲击性能）下降，不能满足绝缘材料的使用工艺要求。因此对高分子/纳米填料的界面进行设计，研究出新的填料表面处理技术，弄清复合材料宏观性能对界面结构的依赖性，实现高分子复合材料性能的优化，对研究和开发高性能高导热绝缘材料具有重大的理论意义和应用价值。

1实验

1.1主要原材料7122-5F-H绝缘漆，工业品，自制；KH-570型硅烷偶联剂，分析纯，南京向前化工有限公司；微米级氮化铝，1～3μm，北京东方泰阳科技有限公司；无水乙醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；乙酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；分散剂ATU，分析纯，深圳市海德丽化工有限公司；纳米Al2O3，20～100nm，杭州万景新材料有限公司；微米Al2O3，1μm，杭州万景新材料有限公司；微米SiO2，1μm，广州市华力森贸易有限公司；氮化铝，微米级，河北施诺瑞新材料有限公司。

1.2主要仪器及设备KQ-250高频数控超声波清洗器，昆山市超声仪器有限公司；Fluko乳化机，上海弗鲁克流体机械制造有限公司，转速200~11000r/min；砂磨机，SDF-400分散机，上海格氏麦机电设备有限公司，转速8000r/min；高阻计，Model8009，上海精密仪器仪表有限公司；击穿电压测试仪，HT-50，桂林电器科学研究院有限公司；导热系数测定仪，HC-110，日本EKO公司；红外光谱分析仪，Nicolet750，美国TA公司。

1.3填料的处理方法

1.3.1填料的表面处理本研究采用的偶联剂是KH-570型硅烷偶联剂（γ-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷），化学结构式为CH2=C(CH3)COO(CH2)3Si(OCH3)3，浓度为4%。处理过程：称取一定量干燥后的微米AlN粉体、KH-570型硅烷偶联剂（为AlN用量的4%）和适量的无水乙醇，倒入三口烧瓶中，加入适量的水，用乙酸调节pH值至5～6，冷水中超声振荡1h后，置于恒温水浴锅加热搅拌，80℃回流反应4h，冷却后真空抽滤，洗涤数次，真空干燥，研磨，得到经KH-570表面处理的AlN。

1.3.2填料的分散方式研究中对比了3种机械搅拌对未处理AlN填料在绝缘漆中分散效果的影响，分别为普通机械搅拌、高速乳化机搅拌和砂磨机搅拌。3种机械搅拌分散方式的具体过程如下：（1）普通机械搅拌在200mL的烧杯中加入绝缘漆和适量的防沉剂，高速搅拌10~15min，然后将真空干燥10h并冷却后的填料按比例慢慢添加进去，保持一定转速搅拌1h，出料，超声，真空除泡。（2）乳化机搅拌在250mL的烧杯中加入绝缘漆，打开乳化机，高速搅拌，加入适量的防沉降剂，搅拌10~15min，然后将真空干燥10h并冷却后的填料按比例慢慢添加进去，间歇搅拌20~30min，出料，超声，真空除泡。（3）砂磨机搅拌在砂磨机容器中加入绝缘漆，打开砂磨机，高速搅拌，加入适量的防沉降剂，搅拌10~15min，然后将真空干燥10h并冷却后的填料按比例慢慢添加进去，搅拌1h，出料，超声，真空除泡。

1.4测试方法胶黏剂黏度按照GB/T2794—1995《胶黏剂黏度的测定》进行测定；体积电阻率按照GB/T1410—2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》进行测试；电气强度按照GB/T1408.1—2006《绝缘材料电气强度试验方法第1部分：工频下试验》进行测试；导热系数按照ASTMC518-10《StandardTestMethodforSteady-StadeThermalTransmissionPropertiesbyMeansoftheHeatFlowMeterApparatus》进行测试。

2结果与讨论

2.1红外光谱分析图1为微米AlN填料粒子处理前后的红外光谱。比较图1中两条曲线可以看出，KH-570处理前后微米AlN粉末的红外光谱的峰形发生了细微改变。其中，730cm-1左右的宽峰为AlN的特征吸收峰。KH-570处理后的微米AlN在1729.3cm-1处有一个较明显的吸收峰，该峰是KH-570分子中的羰基特征峰，这是由于偶联剂中的C=C和C=O双键π-π共轭，C=O双键强度降低，相比脂肪酸酯C=O的伸缩振动峰波数1735cm-1向低波数位移了约5cm-1；处理后的微米AlN在1254.5cm-1附近出现烯类C-H面内弯曲的吸收峰，表明KH-570已经部分包覆在AlN表面。

2.2不同机械搅拌方式的分散效果图2为未处理AlN经不同机械分散方式后在绝缘漆中的沉降量与时间的关系，沉降量测试方法采用试管法，其中试管直径15mm，高度150mm，装样高度130mm。从图2中可以看出，相同条件下，高速乳化机搅拌的分散效果和防沉降效果比普通机械搅拌的稍好，而砂磨机搅拌处理的效果最好。因此，本研究的后续实验均采用砂磨机处理方式。

2.3防沉降剂的分散效果图3是含10%AlN绝缘漆样品断面的场发射扫描电子显微镜照片，其中图3（a）、（b）为未添加防沉降剂的样品，图3（c）、（d）为添加了防沉降剂的样品。由图3可知，微米填料均能均匀分散在样品中，且粒径几乎跟粒子的原始粒径（≤2μm）相当，很好地实现了微米填料在绝缘漆样品中的微观分散效果，同时满足粒径≤5μm的要求。从图3还可以明显的看到，在添加防沉降剂后，AlN的沉降量明显减小，说明防沉降剂的添加能有效地降低沉降量。

2.4填料对绝缘漆性能的影响表1为不同填料的加入对绝缘漆黏度、体积电阻率、电气强度和导热系数的影响。从表1数据可见，加入各种填料后，绝缘漆的电气性能没有明显下降，4种填料的添加使绝缘漆的热导率得到显著提高。其中，微米级AlN/纳米Al2O3体系的综合性能最好。通过微米氮化铝和纳米氧化铝的复配、硅烷偶联剂的处理及砂磨机搅拌，实现了微、纳米粒子在漆料中的同时均匀分散（几乎与原始颗粒的粒径相当），其防沉降、防板结效果良好。当填料含量达到一定量时（30%），形成了比较完整的导热通道，使无机填料/高分子绝缘漆样品具有较高的导热性能。

3结论

本研究选取了几种导热性较好的微米/纳米级无机填料，经硅烷偶联剂表面处理后，以不同的分散方式添加于绝缘漆中，对其各项性能的影响进行了分析研究，主要得出以下结论：①无机填料经表面处理后，红外光谱图显示硅烷偶联剂能较好的包裹在填料表面。②砂磨机搅拌分散方式下填料在绝缘漆中的的分散性及防沉降效果最好。③添加填料后绝缘漆的导热系数都有一定程度的提高，同时对其电性能影响不大。其中，AlN/Al2O3（纳米）体系对导热系数的提高效果最显著。

参考文献：

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作者：朱宏 王晓梅 张凯 许曼 单位：中船重工集团第七一二研究所