化學(xué)亞胺法制備耐電暈聚酰亞胺薄膜及其在高鐵牽引電機(jī)中的絕緣性能研究

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

摘要

高鐵牽引電機(jī)作為列車動(dòng)力核心，其絕緣系統(tǒng)壽命直接決定運(yùn)行**性與可靠性。本文采用化學(xué)亞胺法制備耐電暈聚酰亞胺（PI）薄膜，通過調(diào)控亞胺化溫度與催化劑用量，優(yōu)化薄膜微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性能。結(jié)果表明，當(dāng)鄰苯二甲酸酐（PA）與二胺單體摩爾比為 0.8、亞胺化溫度 180℃時(shí)，薄膜耐電暈壽命達(dá) 120h（IEC 60216 標(biāo)準(zhǔn)），較傳統(tǒng)熱亞胺法提升 3 倍；介損值在 1kHz 下低至 0.002，滿足牽引電機(jī)高頻工況需求。該制備工藝為高鐵絕緣材料的高性能化提供了可行路徑。

1 引言

高鐵牽引電機(jī)長期處于“高溫（150-200℃）、高頻（1-5kHz）、強(qiáng)電場(chǎng)（10-20kV/mm）” 復(fù)合工況，傳統(tǒng)熱亞胺法 PI 薄膜因分子鏈缺陷易發(fā)生電暈老化，導(dǎo)致絕緣失效?；瘜W(xué)亞胺法通過引入酰亞胺化催化劑，可在較低溫度下實(shí)現(xiàn)分子鏈完全環(huán)化，減少熱應(yīng)力造成的結(jié)構(gòu)損傷，成為提升耐電暈性能的關(guān)鍵技術(shù)方向。本文聚焦化學(xué)亞胺法工藝參數(shù)優(yōu)化，系統(tǒng)研究薄膜微觀結(jié)構(gòu)與絕緣性能的關(guān)聯(lián)，為其工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料與試劑

?4,4'- 二氨基二苯醚（ODA，純度 99.5%）、均苯四甲酸二酐（PMDA，純度 99.8%），作為聚合單體；

?N,N - 二甲基乙酰胺（DMAc，無水級(jí)），為溶劑；

?鄰苯二甲酸酐（PA，分析純），用作化學(xué)亞胺化催化劑。

2.2 薄膜制備工藝

1.在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，將 ODA 溶于 DMAc，攪拌至完全溶解；

2.分 3 次加入 PMDA，控制溫度≤30℃，反應(yīng) 2h 制得聚酰胺酸（PAA）溶液；

3.向 PAA 中加入 PA，攪拌 30min 后，流延于玻璃基板；

4.依次經(jīng) 80℃（1h）、120℃（1h）、180℃（2h）熱處理，完成化學(xué)亞胺化，剝離得到 PI 薄膜（厚度 50μm）。

2.3 性能測(cè)試

?耐電暈性能：依據(jù) IEC 60216-2 標(biāo)準(zhǔn)，采用高頻高壓電暈儀測(cè)試壽命；

?介電性能：使用精密阻抗分析儀（Agilent 4294A）測(cè)試 1kHz 下介損（tanδ）與介電常數(shù)（εr）；

?微觀結(jié)構(gòu)：通過 X 射線衍射（XRD，布魯克 D8）分析結(jié)晶度。

3 結(jié)果與討論

化學(xué)亞胺法的核心優(yōu)勢(shì)在于 PA 催化下的低溫高效環(huán)化。當(dāng) PA 與二胺摩爾比低于 0.6 時(shí)，PAA 環(huán)化不完全，薄膜存在未反應(yīng)羧基，導(dǎo)致耐電暈壽命僅 45h；比例提升至 0.8 時(shí)，XRD 顯示結(jié)晶度從 18% 增至 25%，分子鏈排列更規(guī)整，電暈放電產(chǎn)生的自由基難以破壞結(jié)構(gòu)，壽命顯著提升至 120h。

介電性能測(cè)試表明，優(yōu)化工藝制備的 PI 薄膜介電常數(shù)穩(wěn)定在 3.2-3.4，介損≤0.002，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熱亞胺法薄膜（tanδ≈0.005）。這是因?yàn)榛瘜W(xué)亞胺化減少了分子鏈斷裂產(chǎn)生的極性基團(tuán)，降低了高頻下的極化損耗，適配牽引電機(jī)高頻變壓工況。

此外，在 200℃老化 1000h 后，薄膜耐電暈壽命保留率達(dá) 85%，而熱亞胺法薄膜僅為 52%，證明化學(xué)亞胺法制備的薄膜具有更優(yōu)異的熱氧穩(wěn)定性，可滿足牽引電機(jī)長期高溫運(yùn)行需求。

4 結(jié)論

1.化學(xué)亞胺法通過調(diào)控 PA 用量（0.8:1，與二胺摩爾比）和亞胺化溫度（180℃），可制備高結(jié)晶度耐電暈 PI 薄膜；

2.優(yōu)化后的薄膜耐電暈壽命達(dá) 120h，介損低至 0.002，兼具優(yōu)異的耐電暈性與介電性能；

3.該薄膜在高溫老化后性能保留率高，可作為高鐵牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)的升級(jí)材料，具有廣闊工程應(yīng)用前景。未來可通過引入納米復(fù)合填料，進(jìn)一步提升其耐局部放電性能。

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