环氧树脂真空浇注技术工艺链的组成

 

邱 鹤 年

（中国电子科技集团第二十一研究所·200233）

 

摘  要：环氧树脂真空浇注工艺技术，是电工、电子部件和器件干式密封绝缘体系的重要工艺技术，整套浇注工艺和设备的统一已成为一项完整的近代技术；该工艺技术全过程包含：环氧树脂组份体系、配方设计、浇注设备、浇注工艺和固化工艺等步骤形成一个工艺链，整过工艺链的完善、规范、配合和统一，才能得到符合技术要求的浇注制品。本文对环氧树脂真空浇注技术工艺链中重要的环节，进行简要的阐述。

关键词：环氧树脂体系；配方设计；浇注设备；浇注工艺；固化工艺

 

0  前言

环氧树脂用作浇注绝缘，国外始于1950年前后；我国于二十世纪六十年代逐步应用在电机、电器部件和电子元器件的封装绝缘，均取得了极好的技术、经济效果，保证了器件的可靠运行，此后逐渐探讨、研究，直到现今的繁盛。

环氧树脂浇注料是由环氧树脂、固化剂、功能性助剂和无机粉体填料等组成的配方体系，在设备和工艺条件保证下，浇注入组装工件的模具，固化反应完成后，脱模得到制品，该项工艺技术属于干式整体绝缘体系。在文献资料中，环氧树脂浇注料除以这一技术术语表示外，还有相当名词是以：浇注胶(Casting)；包封胶(Encapsulating)；灌封胶(Potting)等技术术语名称出现，其含义是完全一致的，只是使用的专业领域和范畴不同。

环氧树脂浇注是干式绝缘方式，具有一系列的可贵性能，如：优良的耐热性、密封性，良好的机械强度和耐化学稳定性，极强的粘接性及可靠的电绝缘性以及极好的防潮、防尘、防霉、防腐蚀性能等，而且还是支撑结构材料。环氧树脂浇注干式绝缘方式是电子、电工组件部件小型化、轻量化、低噪音化的有效绝缘手段，因而是电子、电工行业重要和主导的绝缘封装技术。

环氧树脂浇注工艺技术，在我国应用和发展已有四十多年的经历，其发展水平由低级阶段到高级阶段。二十世纪六十年代我国的环氧树脂浇注配方和工艺技术，不论是浇注设备和浇注工艺水平或是浇注后的产品质量，按目前水平比较，是属原始阶段；其原因仍是当时对浇注工艺的重要性认识和配方组份材料的品质还不很了解，以及对环氧树脂浇注后的产品质量均提不出具体要求，只要能用环氧树脂浇注成一只产品，若不开裂就很先进了。尤其是对环氧树脂、固化剂、增韧剂和填料等配方组成的有机化工材料，它们的技术指标，究竟那几个是真正影响固化物性能的因素尚不甚清楚。

上世纪七十年代中期，在采用环氧树脂封装绝缘的电机、电器产品的质量有了明显提高后，促使科技人员对环氧树脂封装绝缘的可贵处又有了进一步认识，从而促进了环氧树脂及其助剂品种的发展和质量的提高，以及新产品的开发，来适应我国浇注干式绝缘体系的技术进步对配方组份材料的需求，经过三十多年的努力，目前我国浇注专用环氧树脂、固化剂、功能性助剂和填料等配套化工材料均可实现国产化，而且尚在不断发展中。

环氧树脂浇注工艺技术，由上世纪五十年代的常压浇注到六十年代简单的真空浇注，以致系统真空浇注的逐步发展，是我国绝缘专业科技人员不断努力、提高的过程。上世纪七十年代中期，我国开始从国外引进较高水平的连续式全真空浇注设备及全真空浇注工艺技术，自动化程度高，浇注产量高，实现了无气隙浇注制品，为高电压等级制品的发展创造了条件；在此基础上，我国科技人员以引进、消化、吸收、创新的精神，研制了符合我国国情的环氧树脂真空浇注整套设备，为我国电工、电子行业提供了高技术、大批量、质量稳定浇注设备。

总之，要达到完美、理想、符合产品技术要求的环氧树脂浇注制品，需要由环氧树脂体系组份材料、配方设计、真空浇注设备、浇注工艺和固化工艺组成的一条工艺链的完善组合，才能成功。

 

1  环氧树脂浇注工艺技术的分类

环氧树脂浇注工艺技术实施于电子、电器、电工等产品的密封绝缘，有多种施工工艺方法。浇注工艺技术的发展，由初期简陋的设备在常压状态下进行浇注，然后，进入到真空处理浇注工艺（即将浇注好环氧树脂的模具再放入真空罐中真空），到间断式的真空浇注，直至密闭的全真空系统的管道连接输送设备进行真空浇注等。上世纪七十年代后期，从国外引进的全真空流水线浇注技术及设备，是较先进和完善的工艺技术。经过三十年多年的发展，目前我国已形成了一整套根据产品结构特征、技术条件、生产批量的环氧树脂真空浇注设备、浇注施工工艺技术和高品质的配套材料。

从环氧树脂浇注工艺技术分析，其实际施工方式和产品结构不同，在“浇注”这一广义词中，可分类为：浇注、包封、灌封，以及自动压力凝胶（APG）工艺技术等环氧树脂成型工艺。这一分类区别，是由于产品绝缘结构不同的需要；因而，环氧树脂浇注料的配方亦不同，同样施工工艺亦不相同。但是，最主要的还是产品绝缘结构的技术要求不同，使浇注产品的施工工艺在称呼上有区别。

1.1浇注工艺

环氧树脂浇注是一种(铸型)绝缘加工工艺方式，工艺过程可以简述为：将组装好的电工、电器部件，组装置于已涂好脱模剂的专用金属模具中并固定，然后放入真空浇注罐中，在恒温、真空状态下浇入已经过真空脱泡处理的环氧树脂配方体系混合料，热固化后脱去模具，成为一个整体绝缘制品，见图1、图2、图3和图4。

 

                                 

图1  浇注固化后脱模的浇注绝缘子                   图2  环氧树脂浇注的干式变压器

 

                                   

           图3  环氧树脂浇注的电压互感器                     图4  环氧树脂浇注的户外型互感器

 

1.2  包封工艺

环氧树脂包封工艺是針对小型电子元件（如：薄膜电容器、电阻器、电感线圈等）的密封绝缘。包封工艺的配方和工艺较特殊：采用专用的包封流水线，利用“接触变形性环氧树脂配方体系”的特殊无流淌（无流挂）混合料，进行浸渍封装，热固化后另件最终被环氧树脂包封成一密封体系（见图5），从而提高了元器件的可靠性和运行的安全性，这是当今电子元器件主导的密封绝缘方式。

 

                              

 

图5   环氧树脂包封的金属化薄膜电容器

 

目前，这种类型的电子另部件的包封，也采用更先进的“环氧树脂绝缘粉末涂料”，在专用的流化床涂敷设备中浸渍包封，热固化后包封成型密封为整体，该工艺特性为：无需配料，产品合格率高（无流挂、凸头等废品），工艺简单，生产批量大等。

1.3  灌封工艺

环氧树脂灌封工艺是对分列电子元器件组装后，放置并固定于专用壳体（塑料或金属）内，然后，采用自动灌封机（具备双组份混料罐、静态混合器、自动定量送料系统、真空灌封室、固化烘道和工件传送链以及产品检测工位等），用环氧树脂配方体系混合料进行灌注，固化后与专用壳体形成一个整体，起到密封、固定、绝缘和保密的作用（见图6、图7和图8）。树脂灌封工艺也是当今电子分列元器件的主导密封绝缘方式。

 

        

图6 环氧树脂灌封的高压行输出变压器    图7  环氧树脂灌封的分列器件        图8 环氧树脂灌封的镇流器

 

1.4  环氧树脂自动压力注射成形工艺（APG）

环氧树脂自动压力注射成形工艺技术（APG），是国外在二十世纪七十年代初发展起来的新工艺、新技术和新设备，它是在环氧树脂浇注工艺技术的基础上发展起来的，这是一种经济的、适宜于大批量生产电工部件干式绝缘制品的加工技术，当前已到成熟的实用阶段。我国科技工作者在引进、消化、吸收和创新的思想指导下，经过不断努力，于上世纪九十年代研制成功了适合我国国情的环氧树脂自动压力注射成形设备和相配套的环氧树脂注射料，近年来这一新工艺、新技术和新设备在国内电工制造行业已得到广泛的推广和应用，取得了极好的技术、经济和社会效益。

环氧树脂自动压力注射成形工艺技术（APG）的最大特性是：模具利用率高、成型时间短、工件尺寸精确、环氧树脂固化物结构致密、生产批量大等；但是，该工艺技术对环氧树脂注射混合料配方、料温、模具温度、压力、保压保温时间、固化温度及时间等工艺参数要求极其严格；环氧树脂注射料要有较长的适用期，成型模具光洁度要求极高，合模后的密封可靠性要求高（合模压力较高），注射时环氧树脂混合料要保持恒定的压力直至模具内环氧树脂凝胶、初固化，脱模后再进行后固化。其工作原理和施工形式类似于热塑性工程塑料注射成形技术相似。这种施工工艺可确保成形后的固化体系几乎无收缩率，工件尺寸精确。环氧树脂自动压力注射成形设备，见图9。

 

2  环氧树脂浇注料的组份和性质

2.1  环氧树脂浇注料的必要特性

环氧树脂浇注料必须具备与干式绝缘体系相适应的良好的固化物性能，但重要的是固化物不应产生开裂和气泡（空隙）。环氧树脂浇注料必要的特性虽有很多，一般来说表1所示的三个性质更为重要，但是，要满足这三个特性并不是一件容易的事。对环氧树脂浇注料来说，在基本的配

方设计概念上，保证环氧树脂浇注料的操作工艺性（特定温度下的粘度和使用期）和耐温度冲击性（抗开裂性）是必要条件，所以通常只能牺牲部分耐热性，来保持高的抗开裂性。在浇注树脂发展历史上，既要得到基本特性的平衡，又要设法提高耐温度冲击性能一直是一大课题。

当前，电子、电工浇注制品对环氧树脂浇注料的配方体系的技术要求主要有四个方面：

图9  环氧树脂自动压力注射成形（APG）设备外形图

 

表1    环氧树脂浇注料的基本特性

基本特征参数	与其关连的工艺特性
浇注工艺性	在特定温度下的粘度和使用期
耐温度冲击性	固化收缩率、线热膨胀系数、抗开裂性
耐热性	Tg温度、热变形温度、热老化特性

 

（1）耐高温：F级155℃、H级180℃，需经受高、低温冲击试验（抗开裂性能）；

（2）耐深冷：液氧－183℃、液氮－196℃、液氢－253℃，超导技术和航天技术的性能要求；

（3）抗辐射、耐户外气候性（抗紫外线辐照）：核电站绝缘部件和户外用电工、电子浇注产品；

（4）无气隙制品：浇注制品中无微裂纹、微气泡等。

2.2  被浇注产品的技术要求

各种电工部件，如：电力变压器，电流、电压互感器，电抗器和各类绝缘子等及其他各类电工器件的环氧树脂浇注件，因为它们运行的环境和使用条件、产品技术指标、金属嵌件数量及形状复杂程度以及高、低电压品种等不同，但是，它们的共同点是均采用环氧树脂浇注密封绝缘；因此，根据以上的不同产品技术要求，配方设计者必须以各产品的主要技术指标及其使用条件不同来进行配方设计；如：高压变压器、电压互感器等，除对环氧树脂浇注体的电器性能要求较高外，其物理性能比一般低压部件要求更高。体积较大的变压器要求浇注体具有相当好的韧性和刚性，韧性和刚性的比例统一是配方设计者较难掌握的关键。其电性能的要求，则由配方选材的品质及材料品种去解决。低电压、大电流的焊接变压器，除电性能要求外，由于其工作状态及工作环境较恶劣，它的环氧树脂混合料固化体系则应着重考虑其韧性，刚性要求次之。对金属嵌件较多，金属材质不一的浇注器件，配方应考虑收缩率小（内应力小），流动性好。

另一个重要问题是产品的绝缘等级。目前，一般电工、电器产品B级绝缘（130℃）占绝大部分，但随着产品的更新换代，向高、精、尖大容量小体积方向发展是趋势，因此，提高环氧树脂固化物的耐热等级是最有效的技术之一；因而，要求F级绝缘等级（155℃）的部件已越来越多，这对配方设计者是一个新的探索和开发难题。因此，采用耐高温环氧树脂与功能性助剂复配相互改性，加之工艺方面的有效措施，是设计F级绝缘等级配方体系的思路之一。

2.3  环氧树脂混合料配方组份的选择

环氧树脂混合料配方体系选材，是整个环氧树脂真空浇注工艺技术的重要环节，是配方设计者在明确产品技术要求情况下应考虑的第二个重要因素，环氧树脂浇注料中各组份材料的性质、效能和指标均有一定要求，其根据是配方固化体系的机械、电器性能和浇注工艺性两个方面。

2.3.1  环氧树脂

浇注工艺中可使用的环氧树脂品种很多，但是，户内型电工、电子产品的浇注树脂，都以机械强度好的双酚 A环氧树脂作为基体树脂，由于分子量的差异外观呈液体或为半固态，环氧当量在150～300（环

氧值：0.66～0.33）的范围内。从浇注工艺操作性来衡量，液体环氧树脂较为优越；而从柔韧性、抗开裂性来分析，分子量较大的半固态环氧树脂较为优越，根据产品特性要求可以选择使用；但在耐温度冲击性有特殊要求的大型浇注部件方面，使用大分子量、低环氧值的半固态环氧树脂的效果较好。

环氧树脂影响电性能的主要指标是有机氯、无机氯以及总氯含量；在环氧树脂技术指标中，有机氯含量高，将会导致环氧树脂固化体系在高温时的电性能降低，而无机氯的存在，将影响常温下环氧树脂固化体系电性能不佳，见表2。同时，由于氯离子等杂质的存在，对环氧树脂——酸酐配方体系的固化反应有促进作用，促使环氧树脂混合料在浇注过程中凝胶时间缩短，浇注工艺不能顺利进行，严重的会导致固化体系环氧树脂层开裂。

 

表2  环氧树脂总氯含量对固化物电性能影响的对比

性能参数	测试温度℃	环氧树脂品种
		A	B
总氯含量(当量／100g)	–	0.6	0.02
体积电阻系数ρV(Ω.cm)×10-14	23	4.7	637
介质损耗角正切 tgδ	23	0.0996	0.0056
	100	＞1	0.0887
	130	＞1	0.7247
	150	＞1	＞1
介电常数 ε	23	5.80	2.99
	100	38.65	5.19
	130	—	8.80
	150	—	16.04

 

因此，电工、电器产品浇注绝缘用环氧树脂应选择总氯含量低的环氧树脂，才能保证浇注产品的质量和运行的可靠、安全。当前，高电压、超高电压运行的绝缘部件，都已要求使用经过“分子蒸馏”的超高纯度的双酚A型环氧树脂作基体树脂，以保证制品在高电场下的可靠和安全运行。

在当前环氧树脂浇注料配方设计中，为了改善或突出某些性能，或弥补某些性能，在环氧树脂基体组份中，一般均采用“复配技术”，即用二种或三种不同分子结构的环氧树脂，按一定比例配合成为基体树脂组份，也有以环氧树脂与功能性助剂（如：反应型稀释剂、增韧剂等）相复配的，以达到“取长补短”“取强补弱”的目的，来达到浇注工艺的要求和浇注制品的技术要求。

应用技术的发展促进了我国环氧树脂合成工业的发展，近四十多年来，我囯科技工作者研制、开发成功一系列新结构的实用型环氧树脂，主要的品种也是耐高温、柔韧性和耐户外气候的环氧树脂，如：酚醛环氧树脂系列、邻甲酚甲醛环氧树脂、二氨基二苯甲烷环氧树脂、对苯基苯酚环氧树脂、改性二氧化双环戊二烯环氧树脂、海因环氧树脂、环己烷为骨架的环氧树脂、氢化双酚A环氧树脂、聚氨酯改性环氧树脂、多官能缩水甘油型环氧树脂、聚醚环氧树脂等，而且每一类都有商品化供应。这些特殊分子结构的环氧树脂，是配方设计体系“复配”的优选树脂。

2.3.2   固化剂

环氧树脂浇注料配方中，固化剂是主要材料组份之一。其品位及材质，直接关系到浇注固化体系的主要性能；由于固化剂中的杂质、挥发份及其主要成分含量高低不一，使浇注工艺不能顺利完成，环氧树脂固化物开裂等问题经常有发生，通过近年来实践与研究，这些问题已被环氧树脂科技工作者逐渐认识并加以解决。

目前，电子元器件和部件环氧树脂灌封料、包封料的固化剂一般采用：改性芳香胺、聚醚胺和异构化甲基四氢苯酐；以前常用的缩醛胺等脂肪族胺类已很少应用，因固化物的外观和性能已达不到产品考核指标。

当前，电工、电器环氧树脂浇注配方体系中，主要采用的固化剂是异构化甲基四氢邻苯二甲酸酐

（简称甲基四氢苯酐，MeTHPA）和异构化甲基六氢邻苯二甲酸酐（MeHHPA），这类酸酐固化剂我国已有大规模的工业化生产。当前，我国甲基四氢苯酐的基本技术指标见表-3。

目前，我国甲基四氢苯酐（包括甲基六氢苯酐）的品种还较单一，已无法适应配方设计的技术要求；因此，甲基四氢苯酐的发展方向是开拓品种，发展各类应用技术需要的专用级甲基四氢苯酐，以与专用级环氧树脂配套应用，如：3-甲基四氢苯酐、

4-甲基四氢苯酐（及其甲基六氢苯酐）的开发和工

业化生产，以及酸酐复配技术的应用，将会有一系列的新型甲基四氢苯酐可供配方设计者挑选和选

表-3   甲基四氢苯酐的基本技术指标

性能参数	指标值	性能参数	指标值
25℃粘 度/（Pa·s）	≤ 0.040	色 泽（鉑—鈷）	＜ 200
酸 值 /(mgKOH/g)	660～685	结晶点/℃	＜ －20
120℃加热减量/ ％	≤ 1.5	酐基含量/％	≥ 41.5

择，必将会大大提高我国电工、电子环氧树脂浇注绝缘的技术水平。

2.3.3  增韧剂

环氧树脂增韧剂，是环氧树脂浇注料配方设计中不可缺少的功能性助剂，当前以双酚A环氧树脂为基体树脂的配方体系中，都要加入一定量的增韧剂，以改变环氧树脂固化体系的脆性，提高机械强度和抗开裂性。值得注意的是，加入增韧剂后，会降低固化物的Tg温度和热变形温度，但是，不同分子结构的增韧剂下降值也不一样，因此，在提高韧性和损失热性能之间找到一个平衡点是极为重要的。

在二十世纪七十年代末期，我国开发成功并广泛应用的是，具有固化、增韧双重功能的聚壬二酸酐(PAPA)、聚癸二酸酐(PSPA)等；但是，当前用得最广泛的是脂肪族长链多元醇增韧剂、聚醚类增韧剂和“海岛结构”增韧剂。近年来，我国科技人员又开发成功了高韧性的改性环氧树脂，如：柔韧性环氧树脂、聚氨酯环氧树脂、聚醚环氧树脂等，适合于树脂复配；另外，微颗粒橡胶增韧剂和超支化高聚物增韧剂也已工业化，使配方设计者有更多的选择品种。

环氧树脂增韧机理的探讨研究和增韧剂新品的研制，历年来是本专业领域非常活跃的一个分支，这足以表明，增韧剂在环氧树脂应用技术领域的重要性和地位，这一专题研究还在不断的深入和开拓。在确定环氧树脂浇注料配方时，选择增韧剂结构，应考虑配方固化物技术指标的平衡，来选用和确定用量。

2.3.4  填料

环氧树脂浇注混合料中，加入一定量的无机粉末填料，能有效的降低成本、降低固化放热峰温度、增加固化体系热传导性能、减小固化体系收缩率和线性热膨胀系数、改善固化物耐痕迹性和耐温度冲击性等特性。作为电工、电器环氧树脂浇注料中的无机粉体填料，国外和国内普遍均采用中性的二氧化硅（SiO2）微细粉末(简称：硅微粉)。此外，对浇注件浇注环氧树脂后有机械加工要求的，则可采用可切削的电工填料；浇注件有阻燃要求的，除阻燃型环氧树脂，填料可选择三氧化二铝粉、三氧化二锑粉末等。SF6气体绝缘中环氧树脂浇注件应采用α-氧化铝粉末作填料，因为，SF6气体在水份存在下对二氧化硅（SiO2）呈现出腐蚀性。为提高耐热冲击性，需要缩小浇注树脂与金属嵌件的膨胀系数的差异，为此，从二十世纪六十年代初期开始，将膨胀系数极小的熔融石英玻璃粉（熔融硅微粉）作为填料用到集成电路的封装和部分高技术要求的部件上。

在环氧树脂浇注料中无论体积或重量都占绝大部分比例的填料——硅微粉，其质量优劣将直接影响到质量考核要素是：二氧化硅（SiO2）含量、Fe2O3和Na离子含量、颗粒形状和粒度分布等，这些项目是衡量硅微粉质量的技术指标。          

硅微粉当前按技术标准可分为：普通级、电工级和电子级，还有经硅烷偶联剂处理的活性硅微粉等系列品种。一般硅微粉与硅烷偶联剂处理的活性硅微粉的区别：

硅微粉：颗粒表面有一层很薄的亲水性较强的硅醇基团，使用前，填料虽经烘干脱潮处理，但仍不能改变其吸水的特性，因而在与环氧树脂混合后，颗粒表面与环氧树脂混合料间存在一层气膜(电子显微镜下可见)，该层气膜表面存在很多小气泡，在环氧树脂浇注器件操作过程中，即发生氧气与水蒸气的扩散。该气膜存在，导致混合料粘度增大，不能有效的增加填料的添加量，致使硅微粉的优点在环氧树脂混合料中不能很好的体现，同时，会导致环氧树脂固化体系加速老化（户外产品）及器件绝缘性能下降（特别是“局放”）。

普通硅微粉经过硅烷偶联剂活化处理得到硅烷偶联化处理硅微粉（活性硅微粉）。其颗粒表面形成

一层很薄的憎水性极强的薄膜，这层膜能与环氧树脂发生单分子化学键而结合，其间无气膜存在，与环氧树脂混合料亲和性好。因此，活性硅微粉填料吸潮率低于普通硅微粉填料，见表4。同样配方，达到同样的粘度，活性填料比普通填料在环氧树脂浇注混合料中可多加30～40％，粘度对比见表5。

 

表4  不同种类硅微粉填料吸潮率对比

*120℃ 干燥3h，在空气中放置30天后吸潮率

 

表5 两种硅微粉在环氧树脂混合料中粘度对比

温度 ℃	粘度 (Pa·s)
	环氧树脂＋活性硅微粉	环氧树脂＋普通硅微粉
8l	0.420	—
80	0.460	2.720
74	0.660	4.050
63	1.020	5.700
59	1.400	7.050
52	2.180	8.750
49	2.740	11.500

 注：环氧树脂型号相同，硅微粉加入量相同。

采用硅烷偶联化活性硅微粉填料与环氧树脂混合后，浇注固化体结构紧密，树脂与填料界面无气隙，表现在抗冲强度比一般普通硅微粉填料提高35～100％，抗弯强度提高15％左右。采用活性硅微粉填料，可在环氧树脂混合料中多增加用量，增强了环氧树脂固化体系的导热性能，可降低变压器温升10～20℃，同时，降低了固化收缩率（内应力）因此，活性硅微粉填料已在各行业得到广泛的应用。

 

3  环氧树脂浇注配方设计的工艺性及其相互关系

环氧树脂浇注料配方设计顺序中，必须要注意混合料在浇注过程中的二亇重要的工艺参数：特定温度下的浇注料的粘度；特定温度下浇注料粘度增大的时间段和凝胶时间。浇注工艺性不好的环氧树脂混合料，直接影响浇注件的质量；配方工艺性好的混合料，除粘度要求，主要还有混合料的凝胶时间、粘度与所采用的环氧树脂品种、填料种类及是否采用增韧剂剂等均有关系。

3.1  环氧树脂浇注料的粘度与温度的关系   

环氧树脂浇注料在浇注工艺设定的温度下的粘度，是配方设计时首先要考虑的，因此，在选材时同样要选符合这一要求的环氧树脂、固化剂品种，填料应选择与环氧树脂浸润性好的，如：硅烷偶联化活性硅微粉；因为，同样配方的粘度、活性硅微粉可比普通硅微粉在混合料中多增加30～40％左右，对降低产品成本是可行的。环氧树脂浇注料在浇注工艺所规定的温度下，最适宜的浇注粘度为3500～4000mPa·s。

高粘度的环氧树脂浇注料流动性差，导致真空脱泡十分困难，即使延长真空脱泡时间，效果甚

微；同时，其必然使浇注料对线圈、嵌件等部件的渗透性差，并且大量气泡将存在浇注体系内，导

致机械性能、密封性和电气性能下降；工件脱模后，浇注件表面将产生大量缩孔。

因此，浇注工艺过程中，各工艺环节都要按工艺设计的温度值保持恒定，这是极为重要的。

3.2  环氧树脂浇注料的凝胶时间与温度的关系

环氧树脂浇注料在工艺规定温度下的凝胶时间，是环氧树脂浇注工艺至关重要的技术参数。凝胶时间太短，造成浇注混合料在混料罐中凝胶、固化，不能完成浇注全过程；凝胶时间太长，则会造成浇注固化物硅微粉沉淀，形成环氧树脂与填料分层。凝胶时间不一致带来的工艺问题、产品质量问题等，是环氧树脂配方设计者多年来研究和解决的重要问题之一。要处理好凝胶时间——温度的关系，控制和恒定环氧树脂浇注料的料温是极为重要的工艺环节。此外，在正常工艺控制范围内每批混合料的凝胶时间不一致，一般是环氧树脂（或固化剂）内在质量的诸多因素造成，因此，对每批环氧树脂和固化剂都测试凝胶时间，以保证浇注产品的质量和合格率。

大型产品的浇注工艺，要求环氧树脂混合料的凝胶时间在3～4.5小时左右，或更长些，但必须保证每批混合料的凝胶时间基本一致。

 

4  环氧树脂真空浇注工艺主要设备

环氧树脂真空浇注工艺设备，是保证浇注工艺顺利进行的基础，浇注设备应该保证是在全真空状态下，完成浇注工艺所要求的各项技术要求及工艺参数。整套环氧树脂真空浇注设备包括：填料处理罐、预混料罐（恒温、搅拌、真空）、混合罐（恒温、搅拌、真空）、浇注罐（恒温、真空）、放料系统(具有加温和温控装置)、自动计量系统、电气控制台、温度指示系统、真空系统和加热系统等部分组成，整套浇注工艺过程和设备的基本操作也已成为一项完整的近代技术，见图10。

图10   环氧树脂真空浇注工艺过程装备示意图

 

图10是一个典型的真空浇注工艺操作示意图。外部送入的填料经过气流输送和干燥系统进入贮藏干燥罐，填料从那里自动秤量送入预混料罐里；另一方面，室温下的环氧树脂在预热罐里变成低粘度液体经计量装置进入预混料罐，树脂-填料在真空状态下充分搅拌，形成均质的混合物后，经入（树脂-填料）薄膜脱泡罐内进一步脱泡；同时，固化剂和填料也通过自动计量导入另一个预混料罐，在真空状态下充分搅拌，形成均质的混合物后，经入另一个（固化剂-填料）薄膜脱泡罐内混合脱泡。这期间要浇注的部件，已置于预热的真空状态下的浇注罐内，金属模具排列在浇注罐中的一定位置。按工艺要求的温度、真空度和时间混料后，将（树脂-填料）薄膜脱泡罐和（固化剂-填料）薄膜脱泡罐内的二组份混合料，通过自动计量导入混合罐，在恒温、真空下将二组份混合料进一步搅拌混合均匀成为浇注料，打开阀门浇注料进入真空浇注罐开始浇注模具，待充分填满金属模具后，马上解除真空，将金属模具移到固化炉保持在恒定的温度进行初固化，固化如果进行到可以脱模的程度，就从模具中取出浇注部件，并立即移到后固化的烘箱里，进行后固化。金属模具可再进行组装部件，以进行下一次浇注作业。

4.1  填料预处理罐

硅微粉的水份含量，将直接影响着浇注产品的电气性能和质量。填料预处理罐内的搅拌器，使硅微粉在运动状态下进行循环，同时吹入热的干燥空气，可获得最佳的干燥温度和干燥时间，使硅微粉非常

干燥和疏松，加热后即对填料抽真空处理，见图11。

4.2  预混料罐

要配制自动恒温控制系统，要求密封性好、保持高真空度，同时，要求高的混料效率，保证浇注料的最

佳流变特性和最终产品质量的一致性。

 

预混料罐可分一级混料系统和二级混料系统。一级混料系统如图12所示；二级混料系统见图10所示。

一级混料：采用一只混料罐，将称量后的环氧树脂、增韧剂、甲基四氢苯酐和硅微粉全部加入混料罐内，在工艺规定的温度下搅拌和抽真空，脱除气泡，形成均质的混合料后，加入按配比的促进剂，再真空搅拌混合，然后进入真空浇注罐浇入模具。

图11   硅微粉填料预处理罐示意图

      

图12  一级混料工艺的真空浇注系统示意图和照片

 

二级混料：采用二只预混料罐并列，A预混料罐是环氧树脂＋部分填料，在规定温度下、搅拌和抽真空混料；B预混料罐是甲基四氢苯酐＋增韧剂＋部分硅微粉＋促进剂，在规定温度下、搅拌和抽真空混料；然后，根据配比将A预混料罐和B预混料罐的混合料，通过管道自动计量后输入到混合罐混合，在规定温度下、搅拌和抽真空进一步充分混料，然后进入真空浇注罐浇入模具。

当前最先进的混料装备是薄膜脱泡混料罐，这类混料罐采用螺旋状伞面形混料形式，改变了传统的锚式、浆式搅拌装置；在结构上采用中心提升环氧树脂浇注料，在薄层状态下真空高效脱泡，使环氧树脂浇注混合料混料更均匀，脱气效率更高。见图13。

图13 薄膜脱泡混料罐结构示意图

4.3  终极混合设备

浇注料终极阶段的混合，将直接影响到环氧树脂浇注料配方组份混合的均匀程度，直接涉及到固化物每一局部点的性能是否均一，最终将影响固化后的电气特性，以及产生不同程度的内应力；而且，此时的环氧树脂浇注料中已加入了反应促进剂，不可能长时间抽真空、搅拌混合，因此，快速、高效,和无“死角”是终极混合设备的要点。根据预混料罐的特性、被浇注部件的尺寸和批量生产量，可选择不同结构的混料系统。

4.3.1 搅拌混合罐

一般采用锚式或浆式搅拌装置，配置自动恒温控制，要求密封性好、保持高真空度和高的混料效率，以保证计量导入的A预混料罐的混合料（环氧树脂＋部分填料）和B预混料罐的混合料（甲基四氢苯酐＋增韧剂＋部分硅微粉＋促进剂）搅拌混合均匀，成为均质的浇注料，保持浇注料最佳的流变特性，供浇注模具部件用，才能保证最终产品的质量一致性。但是，由于混合罐内的环氧树脂浇注料中已含有促进剂，所以在特定的温度下混料的时间不能太长，因此，要求混合罐有较高的混料效率。

4.3.2  静态混合器(Static Mixers)

静态混合器是一种先进的连续化混料生产单元设备，与旋转搅拌器不同，它是一种没有运动部件的高效混合设备。

静态混合器的工作原理是：通过固定在静态混合管内的混合单元内件，使进入静态混合器的二股混合料产生流体的切割、剪切、旋转和重新混合；由于混合元件的作用，使流体时而左旋时而右旋，不断改变流动方向，不仅将中心液流推向周边，而且将周边流体推向中心，从而造成良好的径向混合效果，达到混合料之间良好分散和充分混合的目的，得到均质浇注料。与此同进，流体自身的旋转作用在相邻元件连接处的界面上亦会发生。这种完善的径向环流混合作用，使流体在管子截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显减少。在静态混合器内，流体的运动遵循着“分割-移位-重叠”的规律，其中移位对于混合过程的实现起着主要作用。

静态混合器是管状结构，根据所混物料的流动特性和粘度，以及生产批量，有各种直径和长度

的静态混合器可选择，此外，还有夹套加热的静态混合器。静态混合器结构，见图14。静态混合器作用原理，见图15。

              

图14  静态混合器结构示意图

图15  静态混合器作用原理示意图

环氧树脂混合料静态混合的主要技术特点：静态混合罐混料过程精确可控，混料时间短、混合料新鲜，流动性能优越，提高了环氧树脂浇注料对线圈和嵌件的浸润性，能最大程度保证混合材料的低粘度和活性，解决了动态机械搅拌混料因长时间搅拌、抽真空而导致的凝胶时间缩短、粘度增高的问题。同时，可根据生产量随时混料，缩短周期，提高效率，杜绝动态搅拌混料方式每次浇注都会产生余料的痼疾，节约材料。静态混合器与机械搅拌器相比能耗低、效率高、投资省、体积小、易用于连续化生产；同时，拆卸和清理简便。

4.3.3  管路式动态混合器

对于二组份粘度较大或混合比例差距过大的混合料，上述二种混合器很难在短时间内达到混合的目的，为此，可选择动态混合器进行强制、快速的混合，以增强混合效果。管路式动态混合器外观见图16。

管路式动态混合器，主要由机筒、轴及一组套于轴上被端面密封装置封装固定于机筒内，并能随轴转动的混合元件构成。混合元件形如一个个带轴孔的圆柱体转子，其外表面上开了不同形状的沟槽（见图图17）。二组份混物料导入动态混合器后，在转动的、具有不同形状沟槽转子的作用下，可由一维的传输运动变为上万次、甚至上百万次的由剪切、分流、位移、涡流形成的三维运动，达到快速混合均匀的目的。

 

             

图16  管路式动态混合器外形                           图17  管路式动态混合器原理

 

二组份管路式动态混合器具有自动计量，加料比例可调、而且调节范围宽，混合快速和定量准确等特性，单次输出混合料量从0.5克～1000克可调，输出精度±1%等特性；因此，特别适合于灌封胶量不大、要求连续灌封、速度快、批量大、流水线作业的电子元器件双组份环氧树脂灌注料的灌封和点胶。管路式动态混合器结构新颖、简单，制造加工容易，拆卸、清洗、安装方便，可对高浓度、高粘度而且二组份比例悬殊的混合料，进行快速、高效的微米级混合。

4．4  真空浇注罐

真空浇注罐必须具有下列重要技术要求：

① 高的真空度(0.5～1托)，高的真空速率，才能保证浇注部件内绝对无气泡和气隙；

③ 多点、精确的温度控制和显示；   

④ 无污染源，设备操作集中控制、清洗及维修方便。

真空浇注罐一般为卧式，由加热元件、抽真空装置、测温装置、观察窗和必要的小车导轨、照明灯等组成，见图14和图15。

真空浇注罐的真空系统是环氧树脂浇注设备的重要组成部分。环氧树脂浇注工艺中，真空度不高或抽真空速率不快，都会造成浇注件内残留气泡和气隙，导致质量低劣。真空系统包括真空泵、电磁阀、控制箱、空气压缩机、水路系统、管路系统、冷凝器、过滤器等。

真空系统的真空泵，应选择有足够抽气速率的型号；因为，预混料罐、薄膜脱泡罐、终极混合罐及浇注罐同时使用这一真空系统。根据浇注工艺要求，真空速率是极为重要的，要求抽真空时间在l分钟内应达到工艺要求的真空度：0.5托。

此外，真空浇注罐的加热系统和恒温系统也是浇注成功与否的保证，因为，温度与浇注料的粘度、适用时间和凝胶时间密切关连，罐内温度的不恒定或波动较大，则将直接影响到浇注料这三项参数的变化。

 

图14  环氧树脂真空浇注罐照片                      图15  环氧树脂真空浇注罐结构示意图

 

4.5  固化工艺及设备

固化设备是环氧树脂浇注工艺完成后，浇注模具从真空浇注罐内取出，进入固化工艺阶段实施的装备，即恒温烘箱。

对烘箱的要求是有循环风装置，即电热鼓风干燥箱。烘箱内各点温差≤±5℃，有自动控制温度装置。烘箱内安装相应高度的导轨，与运输小车导轨相配合，可方便进出模具和工件。烘箱必须装置超温报警系统和安全警示系统。

 

5  环氧树脂真空浇注工艺技术

环氧树脂真空浇注工艺技术作为干式绝缘结构体系，要达到配方设计要求、满足浇注部件的技术指标，第一重要的条件是——真空浇铸工艺技术。几十年的实践得出，优越的环氧树脂配方体系，如果真空浇注设备和浇注工艺技术很差，则环氧树脂固化后的绝缘体就不会出现期望的特性。我们至所以很难预测环氧树脂干式绝缘体的使用寿命，第一个因素是认为浇注工艺过程的工艺参数（温度、真空度等）存在波动，从而导致固化度、内应力、缺陷和气隙（微气泡、微裂纹）等的存在。

5.1  环氧树脂浇注料的浇注技术与内应力的关系

环氧树脂浇注料在温度条件下的凝胶化和固化过程，是液态向固态转变，因此，其物理状态的变化可用温度-密度曲线加以说明（见图16）。现在通常采用的环氧树脂浇注料，是双酚A环氧树脂和甲基四氢苯酐构成的配方体系，该配方体系在温度条件下的固化反应过程一般可通过浇注料密度的变化来观察。图十六所示，环氧树脂浇注料在开始固化温度120℃下呈现线性膨胀(直线A、B)；在120℃下保温，由于树脂-酸酐的化学反应引起浇注料等温收缩，在 C点凝胶化，在这一分界处由液态变成固态。在温度条件下固化反应进一步进行，到D点固化完成。随着固化物被冷却产生收缩，经过Tg点(玻璃化转变温度)即E点，直至冷却到室温F点。

从图16中，可以明显的得出：在室温下，液态环氧树脂浇注料的密度，和已固化完成的呈固态的环氧树脂浇注料的密度，几乎没有什么变（图16，A，F点），这证明了环氧树脂浇注料（双酚A环氧树脂-

甲基四氢苯酐构成配方体系）的固化收缩率是很小的这一事实。

但是，上述只是环氧树脂浇注料液相与固相密度的比较，只说明固化反应过程的表观物理现象。实际上，环氧树脂浇注料从凝胶化的C点到室温G点，是要产生相应的线性收缩的，即产生内应力。这类线性收缩（内应力），对含有金属嵌件、形态复杂、浇注层厚度不一等的环氧树脂浇注绝缘件会产生大小不一的收缩应力，因而，会使应力敏感的电子元器件(如：铁氧体磁芯、电感线圈、电容器等)的特性失常，对大型浇注部件（如：电压互感器等）则会发生局部环氧树脂层开裂。

上述说明只是这种理想的状态变化，仅对于极少数的环氧树脂浇注料是符合的。实际上，在

图16环氧树脂/酸酐体系的固化过程—温度-密度变化曲线

（双酚A环氧树脂／甲基四氢苯酐配方体系）