熱重分析技術(shù)評估漆包線(xiàn)耐熱性能的應用探討

2013年第1期電線(xiàn)電纜2013年2月No.12013Electric Wire CableFeb,2013熱重分析技術(shù)評估漆包線(xiàn)耐熱性能的應用探討仲偉霞,郭蓉蓉,諸冉冉,李福(上海電纜研究所,上海200093)摘要:通過(guò)熱重分析技術(shù)快速評估幾種溱包線(xiàn)產(chǎn)品的耐熱性能,并探討這一技術(shù)在漆包線(xiàn)行業(yè)的應用。關(guān)鍵詞:漆包線(xiàn);耐熱性;熱重力分析技術(shù)中圖分類(lèi)號:TM245文獻標識碼:A文章編號: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程確定某特定分解程度下的活化能,再利用此活化0引言能預估材料在某給定溫度或最大運行溫度下的使用漆包線(xiàn)廣泛應用于電力、機電、電氣設備、家用壽命。這一試驗過(guò)程盡管需要漆膜樣品至少運行三電器、電子通訊和交通等領(lǐng)域。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展和個(gè)不同升溫程序的TGA實(shí)驗還需進(jìn)行活化能的計人民生活水平的提高,電機、電器都在朝著(zhù)小型化、算,但整個(gè)試驗周期不足兩個(gè)工作日。相比于烘箱輕量化、高性能化方向發(fā)展,對漆包線(xiàn)的耐熱等級要老化的試驗方法,單時(shí)間優(yōu)勢就不可小覷。求也越來(lái)越高。而漆包線(xiàn)因導線(xiàn)外面絕緣漆膜的不1979年上海電纜研究所李傳儒等人,應用同,耐熱等級不同,具體表現為不同的溫度指數TGA技術(shù)及高溫單點(diǎn)老化試驗研究制訂了JB指標2804-1979目前,評估漆包線(xiàn)耐熱性能的標準有 ASTM D本文在前人工作的基礎上,采用TGA技術(shù)對不2307、IEC60172以及國標GBT4074.7(等同采用同品種的漆包線(xiàn)樣品進(jìn)行耐熱等級的快速評估,首IEC60172),這些標準都采用烘箱長(cháng)期熱老化的方次就熱分解失重度的確定對評估結果的影響進(jìn)行了式評估漆包線(xiàn)的耐熱等級,不僅測試周期長(cháng)(長(cháng)達分析,進(jìn)一步探討這一技術(shù)在漆包線(xiàn)行業(yè)的應用。不當整個(gè)評估試驗就有可能失敗。為此研究評估1試驗部分漆包線(xiàn)耐熱等級更為快速便捷的試驗方法,就顯得(1)試驗樣品。選用幾種漆包線(xiàn)產(chǎn)品進(jìn)行TGA非常必要。試驗,見(jiàn)表1。對表1中的漆包線(xiàn)樣品進(jìn)行漆膜剝熱重分析技術(shù)(TGA)是通過(guò)在設定的升溫程離處理,制取試驗樣品。序下,記錄材料隨溫度升高重量發(fā)生變化的一種技表1幾種漆包線(xiàn)樣品術(shù),可快速評估漆包線(xiàn)耐熱性能。國內外相關(guān)研究編號型號名稱(chēng)報道5指出,TGA技術(shù)提供了可替代烘箱老化的QZ2/130130級聚酯漆包線(xiàn)試驗方法。通過(guò)取漆包線(xiàn)外面的絕緣層樣品采用QA2/130130級聚氨酯漆包線(xiàn)TGA儀器在不同的升溫速率下進(jìn)行升溫老化試驗,155級聚氨酯漆包線(xiàn)記錄不同升溫速率的熱失重曲線(xiàn),從TGA曲線(xiàn)上確QA-2/180180級聚氨酯漆包線(xiàn)定特定程度的老化分解溫度。根據阿倫尼烏斯方中國煤化工亞膠漆包線(xiàn)CNMH漆包線(xiàn)收稿日期:20120616QY(F)-2/240240級聚酰亞胺漆包線(xiàn)作者簡(jiǎn)介:仲偉霞(1975-),女,工程師作者地址:上海市軍工路1000號[20003](2)儀器。TGA,TG209F1,德國耐馳公司生產(chǎn)。2013年第1期電線(xiàn)電纜2013年2月No.I2013Electric Wire CableFeb.2013(3)試驗。分別取1#~7#漆包線(xiàn)樣品的漆膜三份,8m左右,質(zhì)量相近。采用TGA分別以2K/min4K/min、6K/min的升溫速率從30℃升至600℃,在空氣氣氛下對各樣品進(jìn)行熱重分解試驗丑中2結果分析與討論圖1~圖7分別是幾種漆包線(xiàn)漆膜樣品的TGA失重曲線(xiàn)。設定某一程度的分解失重度,就可以從圖中的TGA曲線(xiàn)上讀出各自不同的分解溫度T1、圖44#樣品的TGA曲線(xiàn)13溫度尸c溫度~c圖11#樣品的TCA曲線(xiàn)圖55#樣品的TGA曲線(xiàn)爾溫度~c溫度C圖22#樣品的TGA曲線(xiàn)圖66群樣品的TGA曲線(xiàn)400中國煤化工050600溫度PCCNMHG圖33#樣品的TGA曲線(xiàn)圖77#砰品IUA田線(xiàn)2013年第1期電線(xiàn)電纜2013年2月No.12013Electric Wire CableFeb.2013由阿倫尼烏斯方程得:反應深度B為升溫速率(K/h)。logB=-(0.457E/R)(/7+C對于不同漆包線(xiàn)樣品,如果長(cháng)期老化失效的分式中E為活化能(ka/mol);R為氣體常數(1987解失重度確定,漆包線(xiàn)的T便可以獲得。表2是幾cal/moK);T為某一特定分解程度對應的分解溫種漆包線(xiàn)漆膜樣品的擬合、評估結果。度(K);B為升溫速率(Kh);C為常數。從表2中可以看出,采用TGA曲線(xiàn)擬合結果的取-lgB對(1/T)作圖擬合直線(xiàn)的斜率即為擬合因子都在95%以上,表明擬合結果的可靠性。0457E/R,從而可以獲得分解活化能E。圖8是1#樣品的擬合、評估結果表明,隨著(zhù)樣品分解失該過(guò)程的示意。依據這一過(guò)程,幾種漆包線(xiàn)漆膜樣重度取值從5%到25%的逐步深入,擬合求得的分品的擬合結果,以及反映擬合結果可靠性的擬合因解活化能基本不變,約為36~39kca/mol,表明此子一并列于表2中。分解失重段反應平穩。分別以分解失重度5%og bi10%、15%、20%、25%確定失效評估,評估結果表明隨著(zhù)分解失重度的增加,耐熱等級增大,25%時(shí),樣品的耐熱等級高達186.9℃。2#樣品,由TGA曲線(xiàn)知樣品失重不到20%時(shí),分解反應已經(jīng)進(jìn)入另外一個(gè)分解失重階段,故2#樣品的擬合、評估結果以15%為界分析。圖8TGA技術(shù)研究分解活化能E隨著(zhù)樣品分解失重度5%→10%→15%逐步深漆包線(xiàn)樣品因絕緣材料的不同,其TGA曲線(xiàn)分入,擬合求得的分解活化能結果變化不大,約為38ka/mol,說(shuō)明該段分解反應平穩。分別以分別表現出不同的熱分解溫度和不同的分解失重臺階°解失重度5%、10%、15%評估樣品的耐熱等級以2K/min的TGA曲線(xiàn)為例,1#、5#、6#、7#樣耐熱等級隨分解失重度的增加而增大,15%時(shí)的品的第一失重臺階范圍和溫度區間都較寬,起始分耐熱等級為132℃。解溫度也較高。1#樣品,第一失重臺階失重約3#樣品比2#樣品TGA曲線(xiàn)中的起始失重臺階50%,起始分解溫度近3005#樣品TGA分解寬約為40%,因而擬合、評估所取的分解失重度可曲線(xiàn)走勢相近只有一個(gè)失重臺階,起始分解溫度較以較寬,分別以5%-10%→15%-2%推進(jìn),擬合高,分別達到350℃和400℃。6#樣品,第一失重臺所得的分解活化能結果變化不大,約為44~48階失重約40%,起始分解溫度約為30℃keal/mo,表明此段分解反應比較平穩。分別以分2#、3#4樣品都為聚氨脂系列樣品,起始分解解失重度5%、10%、15%、20%確定失效評估,結果溫度比較低,第一分解失重范圍窄。2樣品210℃表明耐熱等級也隨之增大,20%時(shí)的耐熱等級可達左右就已發(fā)生失重分解起始失重臺階窄,起始失重151.6℃。臺階失重不到20%。3#4#樣品起始熱分解溫度略4#樣品起始熱分解失重臺階不到30%,隨著(zhù)樣高,為240℃。品分解失重度5%→10%→15%20%的深入,分對于耐熱等級的老化評估而言,由于是以擊穿解活化能的擬合結果增大明顯,從60.7kcal/mol驟電壓的失效為判據,漆包線(xiàn)老化分解初期,擊穿電壓增至160kcal/mol,表明此段分解反應變化劇烈。大都已失效。因此,評估漆包線(xiàn)的耐熱性,基本上以TGA曲線(xiàn)中起始階段的分解失重取值為考量。隨著(zhù)分解失重度的增大,耐熱等級升高明顯。分解依據漆包線(xiàn)絕緣漆膜壽命關(guān)聯(lián)式:反應初期失重度10%的耐熱等級就達201℃。由分析可知,雖然2#、3#4#樣品同屬聚氨酯漆EBr xp(x)J包線(xiàn),但由于樣品的耐熱等級不同,擬合、評估結果即有:也不盡相同,耐熱等級越高,起始分解活化能越大。E/R5#樣品的TGA曲線(xiàn)擬合結表明,隨著(zhù)分解失重度從10%到1%的汪化能的壩合結果變化ln4-lBR×P(x)不大,約為34中國煤化差別較大,分式中為某失效溫度下的評估壽命時(shí)間(h);E為別為214℃和CNMH島所屬的耐熱活化能(kea/mol);T為失效溫度(K);R為氣體常等級要高。數(1.987cal/mol·K);P(X)為失效溫度下漆膜的6#樣品的起始分解失重臺階較寬,從分解失重2013年第1期電線(xiàn)電纜2013年2月No.I2013Electric Wire CableFeb.2013度5%→10%→15%→20%的擬合結果看,分解活逐步增大,分解失重度5%時(shí)的耐熱等級就高達化能緩慢增大,表明分解反應逐步加劇,耐熱等級也187℃表2幾種漆包線(xiàn)漆膜樣品的擬合、評估結果樣品擬合結果項目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擬合因子/%99.089.921.00152.8165.6176.8180.9186.90.457E/R8777.28489.3-8859.1E/(kcal/mol)38.236.938.5擬合因子/%9963l16.8120.1132.00.457E/R10563.4-10207.19997.55-11013.745.943.547.9擬合因子/%130.4l37.90.457E/R-13968.4-21573.8-30082.536798.9E/(keal/ mol)93.8130.8160.0擬合因子/%99.9999.8499.5699.847p/℃161.8201.0225.7240.7-0.457E/R7755.47952.08440.4E/(kcal/ mol)34.6擬合因子/%89.096.0214-0.457E/R9581.3-10034.8-10843.711727.2E/(kcal mol)41.743.647.151.0擬合因子/%98.7598.8997.65204.6238.6-0.457E/R-5999.47646.9-7948.781l1.1E/(keal mol)26.133.234.635.3擬合因子/%99.771.℃173.0230.244.7253.27#樣品的擬合結果與6#樣品相似。隨著(zhù)分解5%→10%→15%一20%的深入,分解活化3結論能緩慢增大,分解反應在逐步加劇,耐熱等級逐步通過(guò)上述研究分析,可以得到如下結論:升高。(1)采用TGA技術(shù)可以快速評估漆包線(xiàn)產(chǎn)品的綜上所述漆包線(xiàn)樣品的絕緣漆膜雖有所不同,耐熱等級,通過(guò)實(shí)驗的優(yōu)化,擬合因子都在95%以但TGA曲線(xiàn)擬合、評估的耐熱等級卻表現出一定的上,從而保證了擬合結果的可靠性。相似性,起始階段的分解活化能變化不大,隨分解失(2)漆包線(xiàn)樣品的耐熱等級評估結果,因樣品重度的增大,耐熱等級逐步升高。但聚氨酯漆包線(xiàn)不同而有所差異但化趨熱相同即隨分解失重度樣品的起始分解失重臺階較窄,4#180級聚氮酯漆的增大,耐熱中國煤化工度的取值對于包線(xiàn)樣品,分解活化能隨分解失重度的升高急劇增耐熱等級評CNMHG大,耐熱等級也升高明顯。(3)聚氨酯樣品的起始分解臺階較窄,分解失(下轉第11頁(yè)2013年第1期電線(xiàn)電纜2013年2月Electric Wire CableFeb,2013mm2三個(gè)規格電纜,送有關(guān)權威檢驗機構進(jìn)行檢試驗項目技術(shù)要求試驗結果測,各項性能指標完全達到國內外同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)電性能水平。表5為其中的1×150mm2各項性能指標20℃時(shí)直流電阻/(/km)表5DC1500V1×150mm2軌道交通用直流環(huán)境溫度40℃電纜載流量/A不擊穿電纜試驗結果成品電纜耐壓試驗(6.5kV,5min)不擊穿20℃時(shí)絕緣電阻/(M·km)試驗項目技術(shù)要求試驗結果二端不應絕緣物理機械性能縱向透水試驗(100℃,透水10次)|有水滲出/合要求老化前抗張強度/MPa≥5.07.8電纜燃燒試驗老化前斷裂伸長(cháng)率/%≥200電纜成束燃燒試驗(A類(lèi))空氣烘箱老化(135℃,168h)炭化部分所達高度/m0.5抗張強度變化率%煙密度試驗斷裂伸長(cháng)率變化率/%透光率/%≥6帶導體老化(100℃,168h)燃燒氣體腐蝕性試驗抗張強度變化率/%絕緣斷裂伸長(cháng)率變化率/%pH值≥4.35.5空氣彈老化(127℃,40h)電導率/(ps/mm)≤100.34抗張強度變化率/%阻水層斷裂伸長(cháng)率變化率/%13pH值≥4.35.2熱延伸試驗(200℃,0.2MPa)電導率/(≤100.51載荷下伸長(cháng)率/%≤1755阻燃層(玻璃纖維帶)冷卻后永久變形/%≤150pH值5.2耐臭氧試驗(25℃,24h,裂紋電導率/(us/mm)≤10無(wú)裂紋臭氧濃度0.025%~0.030%)護套護套物理機械性能pH值≥4.35.2老化前抗張強度/MPa電導率/(μs/mm老化前斷裂伸長(cháng)率/%空氣烘箱老化(100℃,168h)5結束語(yǔ)抗張強度變化率/%≤±30斷裂伸長(cháng)率變化率/%≤±30我們研制的額定電壓1500V及以下軌道交通低溫拉伸試驗(-25℃,16h)用直流電纜經(jīng)掛網(wǎng)運行,防水性能優(yōu)良,在敷設、彎伸長(cháng)率/%56曲使用時(shí)未出現開(kāi)裂現象,完全滿(mǎn)足使用要求。耐氣候老化參考文獻(1)1008h老化抗張強度最大變化率%[1]TBT1484.1-2010機車(chē)車(chē)輛電纜第1部分:額定電壓3kV伸長(cháng)率最大變化率%及以下標準壁厚絕緣電纜[S](2)1008h老化后與504h老化后對比[2]歐迪恒.電纜用三元乙丙膠的配合與混煉[冂].特種橡膠制抗張強度最大變化率/%品,1991(4):13-16伸長(cháng)率最大變化率/%±15[3]歐迪恒.滿(mǎn)足VDE規范橡套軟電纜實(shí)用配合技術(shù)與加工[門(mén)電線(xiàn)電纜,2008(5):1924(上接第7頁(yè)Transaction Electrical Insulation, 1971, E]6(1): 2-14重度取值需慎重。180級的聚氨酯漆包線(xiàn)樣品,擬2 I Steinhaus. Statistical analysis of the test procedure for the evaluation of the thermal endurance of winding wires[ C]//The 10th合活化能以及耐熱等級的評估受分解失重度取值的Electrical Insulation Conference. 1971. 153-157影響較大。3] SmithE L, Koemer E C. TGA-Short cut to the thermal rating of由于長(cháng)期烘箱老化實(shí)驗還在進(jìn)行中,單獨借助ulating materials[ C]//The 6th Electrical Insulation Conference. New York: 1965.3-23TGA曲線(xiàn)擬合、評估耐熱等級的可靠性還有待繼續(4] Doyle C Dtric data[J].Jour-跟蹤。中國煤化工[5]李傳儒阱CNMHG估漆包線(xiàn)熱老化參考文獻壽命[J.化學(xué)學(xué)報,197,35(1,2):12151] Toop DJ. Theory of life testing and use of thermogravimetric a[6]JB2804-1979漆包圓線(xiàn)熱壽命和溫度指數試驗方法(快速nalysis to predict the thermal life of wire enamels [J]. IEEE法)[S]