热重分析技术评估漆包线耐热性能的应用探讨

2013年第1期电线电缆2013年2月No.12013Electric Wire CableFeb,2013热重分析技术评估漆包线耐热性能的应用探讨仲伟霞,郭蓉蓉,诸冉冉,李福(上海电缆研究所,上海200093)摘要:通过热重分析技术快速评估几种溱包线产品的耐热性能,并探讨这一技术在漆包线行业的应用。关键词:漆包线;耐热性;热重力分析技术中图分类号:TM245文献标识码:A文章编号:16724601(2013)01400040The application Discussion of the Thermal Resistance of the Enameled wire by tGaZHONG Wei-xia, GUO Rong-rong, ZHU Ran-ran, LI FuShanghai Electric Cable Research Institute, Shanghai 200093, China)Abstract The thermal resistance of some kinds of enameled wires, were quickly evaluated by TGA. Therebyapplication exploration were discussedKey words: enameled wires; the thermal resistance; TGA程确定某特定分解程度下的活化能,再利用此活化0引言能预估材料在某给定温度或最大运行温度下的使用漆包线广泛应用于电力、机电、电气设备、家用寿命。这一试验过程尽管需要漆膜样品至少运行三电器、电子通讯和交通等领域。随着经济的发展和个不同升温程序的TGA实验还需进行活化能的计人民生活水平的提高,电机、电器都在朝着小型化、算,但整个试验周期不足两个工作日。相比于烘箱轻量化、高性能化方向发展,对漆包线的耐热等级要老化的试验方法,单时间优势就不可小觑。求也越来越高。而漆包线因导线外面绝缘漆膜的不1979年上海电缆研究所李传儒等人,应用同,耐热等级不同,具体表现为不同的温度指数TGA技术及高温单点老化试验研究制订了JB指标2804-1979目前,评估漆包线耐热性能的标准有 ASTM D本文在前人工作的基础上,采用TGA技术对不2307、IEC60172以及国标GBT4074.7(等同采用同品种的漆包线样品进行耐热等级的快速评估,首IEC60172),这些标准都采用烘箱长期热老化的方次就热分解失重度的确定对评估结果的影响进行了式评估漆包线的耐热等级,不仅测试周期长(长达分析,进一步探讨这一技术在漆包线行业的应用。不当整个评估试验就有可能失败。为此研究评估1试验部分漆包线耐热等级更为快速便捷的试验方法,就显得(1)试验样品。选用几种漆包线产品进行TGA非常必要。试验,见表1。对表1中的漆包线样品进行漆膜剥热重分析技术(TGA)是通过在设定的升温程离处理,制取试验样品。序下,记录材料随温度升高重量发生变化的一种技表1几种漆包线样品术,可快速评估漆包线耐热性能。国内外相关研究编号型号名称报道5指出,TGA技术提供了可替代烘箱老化的QZ2/130130级聚酯漆包线试验方法。通过取漆包线外面的绝缘层样品采用QA2/130130级聚氨酯漆包线TGA仪器在不同的升温速率下进行升温老化试验,155级聚氨酯漆包线记录不同升温速率的热失重曲线,从TGA曲线上确QA-2/180180级聚氨酯漆包线定特定程度的老化分解温度。根据阿伦尼乌斯方中国煤化工亚胶漆包线CNMH漆包线收稿日期:20120616QY(F)-2/240240级聚酰亚胺漆包线作者简介:仲伟霞(1975-),女,工程师作者地址:上海市军工路1000号[20003](2)仪器。TGA,TG209F1,德国耐驰公司生产。2013年第1期电线电缆2013年2月No.I2013Electric Wire CableFeb.2013(3)试验。分别取1#~7#漆包线样品的漆膜三份,8m左右,质量相近。采用TGA分别以2K/min4K/min、6K/min的升温速率从30℃升至600℃,在空气气氛下对各样品进行热重分解试验丑中2结果分析与讨论图1~图7分别是几种漆包线漆膜样品的TGA失重曲线。设定某一程度的分解失重度,就可以从图中的TGA曲线上读出各自不同的分解温度T1、图44#样品的TGA曲线13温度尸c温度~c图11#样品的TCA曲线图55#样品的TGA曲线尔温度~c温度C图22#样品的TGA曲线图66群样品的TGA曲线400中国煤化工050600温度PCCNMHG图33#样品的TGA曲线图77#砰品IUA田线2013年第1期电线电缆2013年2月No.12013Electric Wire CableFeb.2013由阿伦尼乌斯方程得:反应深度B为升温速率(K/h)。logB=-(0.457E/R)(/7+C对于不同漆包线样品,如果长期老化失效的分式中E为活化能(ka/mol);R为气体常数(1987解失重度确定,漆包线的T便可以获得。表2是几cal/moK);T为某一特定分解程度对应的分解温种漆包线漆膜样品的拟合、评估结果。度(K);B为升温速率(Kh);C为常数。从表2中可以看出,采用TGA曲线拟合结果的取-lgB对(1/T)作图拟合直线的斜率即为拟合因子都在95%以上,表明拟合结果的可靠性。0457E/R,从而可以获得分解活化能E。图8是1#样品的拟合、评估结果表明,随着样品分解失该过程的示意。依据这一过程,几种漆包线漆膜样重度取值从5%到25%的逐步深入,拟合求得的分品的拟合结果,以及反映拟合结果可靠性的拟合因解活化能基本不变,约为36~39kca/mol,表明此子一并列于表2中。分解失重段反应平稳。分别以分解失重度5%og bi10%、15%、20%、25%确定失效评估,评估结果表明随着分解失重度的增加,耐热等级增大,25%时,样品的耐热等级高达186.9℃。2#样品,由TGA曲线知样品失重不到20%时,分解反应已经进入另外一个分解失重阶段,故2#样品的拟合、评估结果以15%为界分析。图8TGA技术研究分解活化能E随着样品分解失重度5%→10%→15%逐步深漆包线样品因绝缘材料的不同,其TGA曲线分入,拟合求得的分解活化能结果变化不大,约为38ka/mol,说明该段分解反应平稳。分别以分别表现出不同的热分解温度和不同的分解失重台阶°解失重度5%、10%、15%评估样品的耐热等级以2K/min的TGA曲线为例,1#、5#、6#、7#样耐热等级随分解失重度的增加而增大,15%时的品的第一失重台阶范围和温度区间都较宽,起始分耐热等级为132℃。解温度也较高。1#样品,第一失重台阶失重约3#样品比2#样品TGA曲线中的起始失重台阶50%,起始分解温度近3005#样品TGA分解宽约为40%,因而拟合、评估所取的分解失重度可曲线走势相近只有一个失重台阶,起始分解温度较以较宽,分别以5%-10%→15%-2%推进,拟合高,分别达到350℃和400℃。6#样品,第一失重台所得的分解活化能结果变化不大,约为44~48阶失重约40%,起始分解温度约为30℃keal/mo,表明此段分解反应比较平稳。分别以分2#、3#4样品都为聚氨脂系列样品,起始分解解失重度5%、10%、15%、20%确定失效评估,结果温度比较低,第一分解失重范围窄。2样品210℃表明耐热等级也随之增大,20%时的耐热等级可达左右就已发生失重分解起始失重台阶窄,起始失重151.6℃。台阶失重不到20%。3#4#样品起始热分解温度略4#样品起始热分解失重台阶不到30%,随着样高,为240℃。品分解失重度5%→10%→15%20%的深入,分对于耐热等级的老化评估而言,由于是以击穿解活化能的拟合结果增大明显,从60.7kcal/mol骤电压的失效为判据,漆包线老化分解初期,击穿电压增至160kcal/mol,表明此段分解反应变化剧烈。大都已失效。因此,评估漆包线的耐热性,基本上以TGA曲线中起始阶段的分解失重取值为考量。随着分解失重度的增大,耐热等级升高明显。分解依据漆包线绝缘漆膜寿命关联式:反应初期失重度10%的耐热等级就达201℃。由分析可知,虽然2#、3#4#样品同属聚氨酯漆EBr xp(x)J包线,但由于样品的耐热等级不同,拟合、评估结果即有:也不尽相同,耐热等级越高,起始分解活化能越大。E/R5#样品的TGA曲线拟合结表明,随着分解失重度从10%到1%的汪化能的坝合结果变化ln4-lBR×P(x)不大,约为34中国煤化差别较大,分式中为某失效温度下的评估寿命时间(h);E为别为214℃和CNMH岛所属的耐热活化能(kea/mol);T为失效温度(K);R为气体常等级要高。数(1.987cal/mol·K);P(X)为失效温度下漆膜的6#样品的起始分解失重台阶较宽,从分解失重2013年第1期电线电缆2013年2月No.I2013Electric Wire CableFeb.2013度5%→10%→15%→20%的拟合结果看,分解活逐步增大,分解失重度5%时的耐热等级就高达化能缓慢增大,表明分解反应逐步加剧,耐热等级也187℃表2几种漆包线漆膜样品的拟合、评估结果样品拟合结果项目5%失重10%失重15%失重20%失重25%失重-0.457E/R838968452.6-8844.48844.49050.7E/(kcal/ mol)36.538.538.5394拟合因子/%99.089.921.00152.8165.6176.8180.9186.90.457E/R8777.28489.3-8859.1E/(kcal/mol)38.236.938.5拟合因子/%9963l16.8120.1132.00.457E/R10563.4-10207.19997.55-11013.745.943.547.9拟合因子/%130.4l37.90.457E/R-13968.4-21573.8-30082.536798.9E/(keal/ mol)93.8130.8160.0拟合因子/%99.9999.8499.5699.847p/℃161.8201.0225.7240.7-0.457E/R7755.47952.08440.4E/(kcal/ mol)34.6拟合因子/%89.096.0214-0.457E/R9581.3-10034.8-10843.711727.2E/(kcal mol)41.743.647.151.0拟合因子/%98.7598.8997.65204.6238.6-0.457E/R-5999.47646.9-7948.781l1.1E/(keal mol)26.133.234.635.3拟合因子/%99.771.℃173.0230.244.7253.27#样品的拟合结果与6#样品相似。随着分解5%→10%→15%一20%的深入,分解活化3结论能缓慢增大,分解反应在逐步加剧,耐热等级逐步通过上述研究分析,可以得到如下结论:升高。(1)采用TGA技术可以快速评估漆包线产品的综上所述漆包线样品的绝缘漆膜虽有所不同,耐热等级,通过实验的优化,拟合因子都在95%以但TGA曲线拟合、评估的耐热等级却表现出一定的上,从而保证了拟合结果的可靠性。相似性,起始阶段的分解活化能变化不大,随分解失(2)漆包线样品的耐热等级评估结果,因样品重度的增大,耐热等级逐步升高。但聚氨酯漆包线不同而有所差异但化趋热相同即随分解失重度样品的起始分解失重台阶较窄,4#180级聚氮酯漆的增大,耐热中国煤化工度的取值对于包线样品,分解活化能随分解失重度的升高急剧增耐热等级评CNMHG大,耐热等级也升高明显。(3)聚氨酯样品的起始分解台阶较窄,分解失(下转第11页2013年第1期电线电缆2013年2月Electric Wire CableFeb,2013mm2三个规格电缆,送有关权威检验机构进行检试验项目技术要求试验结果测,各项性能指标完全达到国内外同类产品的先进电性能水平。表5为其中的1×150mm2各项性能指标20℃时直流电阻/(/km)表5DC1500V1×150mm2轨道交通用直流环境温度40℃电缆载流量/A不击穿电缆试验结果成品电缆耐压试验(6.5kV,5min)不击穿20℃时绝缘电阻/(M·km)试验项目技术要求试验结果二端不应绝缘物理机械性能纵向透水试验(100℃,透水10次)|有水渗出/合要求老化前抗张强度/MPa≥5.07.8电缆燃烧试验老化前断裂伸长率/%≥200电缆成束燃烧试验(A类)空气烘箱老化(135℃,168h)炭化部分所达高度/m0.5抗张强度变化率%烟密度试验断裂伸长率变化率/%透光率/%≥6带导体老化(100℃,168h)燃烧气体腐蚀性试验抗张强度变化率/%绝缘断裂伸长率变化率/%pH值≥4.35.5空气弹老化(127℃,40h)电导率/(ps/mm)≤100.34抗张强度变化率/%阻水层断裂伸长率变化率/%13pH值≥4.35.2热延伸试验(200℃,0.2MPa)电导率/(≤100.51载荷下伸长率/%≤1755阻燃层(玻璃纤维带)冷却后永久变形/%≤150pH值5.2耐臭氧试验(25℃,24h,裂纹电导率/(us/mm)≤10无裂纹臭氧浓度0.025%~0.030%)护套护套物理机械性能pH值≥4.35.2老化前抗张强度/MPa电导率/(μs/mm老化前断裂伸长率/%空气烘箱老化(100℃,168h)5结束语抗张强度变化率/%≤±30断裂伸长率变化率/%≤±30我们研制的额定电压1500V及以下轨道交通低温拉伸试验(-25℃,16h)用直流电缆经挂网运行,防水性能优良,在敷设、弯伸长率/%56曲使用时未出现开裂现象,完全满足使用要求。耐气候老化参考文献(1)1008h老化抗张强度最大变化率%[1]TBT1484.1-2010机车车辆电缆第1部分:额定电压3kV伸长率最大变化率%及以下标准壁厚绝缘电缆[S](2)1008h老化后与504h老化后对比[2]欧迪恒.电缆用三元乙丙胶的配合与混炼[冂].特种橡胶制抗张强度最大变化率/%品,1991(4):13-16伸长率最大变化率/%±15[3]欧迪恒.满足VDE规范橡套软电缆实用配合技术与加工[门电线电缆,2008(5):1924(上接第7页Transaction Electrical Insulation, 1971, E]6(1): 2-14重度取值需慎重。180级的聚氨酯漆包线样品,拟2 I Steinhaus. Statistical analysis of the test procedure for the evaluation of the thermal endurance of winding wires[ C]//The 10th合活化能以及耐热等级的评估受分解失重度取值的Electrical Insulation Conference. 1971. 153-157影响较大。3] SmithE L, Koemer E C. TGA-Short cut to the thermal rating of由于长期烘箱老化实验还在进行中,单独借助ulating materials[ C]//The 6th Electrical Insulation Conference. New York: 1965.3-23TGA曲线拟合、评估耐热等级的可靠性还有待继续(4] Doyle C Dtric data[J].Jour-跟踪。中国煤化工[5]李传儒阱CNMHG估漆包线热老化参考文献寿命[J.化学学报,197,35(1,2):12151] Toop DJ. Theory of life testing and use of thermogravimetric a[6]JB2804-1979漆包圆线热寿命和温度指数试验方法(快速nalysis to predict the thermal life of wire enamels [J]. IEEE法)[S]