先进材料在户外的运用

 
Christian Beisele
(Huntsman Advanced Materials (Switzerland) GmbH 亨斯迈先进材料（瑞士）有限公司CH-4057 Basle 巴塞尔)

摘  要：以环氧为基础的电气绝缘材料在户外绝缘上的运用已经超过40年，整体浇注树脂绝缘子是由脂环族环氧组成，而复合绝缘子用的FRP（纤维增强塑料棒）所用的环氧就是以双酚A类型类环氧系统作为主要基材。

关键词：环氧系统；电气绝缘材料；复合绝缘子；整体浇注
 
 0  前言
现有陶瓷（包括玻璃和瓷）绝缘子和复合绝缘子于户外使用。聚合体绝缘子可以分为两类，一类是主要使用脂环族环氧的整体绝缘子；另一类是用承载负荷的FRP芯棒粘接以韧性材料为伞群复合而成的复合绝缘子。
使用环氧树脂作为整体绝缘子和复合绝缘子的材料已经是悠久的传统。电力工业在材料的选择上是很保守的，五年多以前研发的环氧树脂现在还在应用。
脂环族环氧在整体绝缘子上的运用已经有超过40年的成功经验/1-3/。由于分子结构上的特点，脂环族环氧相比于双酚A环氧有较好的抗紫外线能力。因此脂环族环氧有较好的耐候性，相比陶瓷绝缘子，环氧绝缘子有如下优点：
⑴ 制造工艺较为简易→（缩短供货时间）
⑵ 设计灵活性更高→（包封所有的复杂嵌件）
⑶ 脆性减少（减少在处理、传送以及人为故意破坏）
⑷ 重量较轻（更方便安装）
⑸ 抗电弧能力较强
⑹ 抗热冲击能力较强
⑺ 疏水性能较好（→减少泄漏电流）
⑺ 闪络的可能性较少
⑻ 维护次数较少
综上所述，这些产品优势将会大大降低产品使用寿命周期成本。
到现时为止，酸酐类固化剂乃环氧系统的主要基材的首选，用于生产复合绝缘子的FRP芯棒。由于芯棒被伞群包裹而不受紫外线照射，因此双酚A环氧可以被使用；这种绝缘子已经开发了超过40年了。
虽然传统环氧配方已经在整体和复合绝缘子得到肯定，优异的长期运行性能也被认同，但是市场上对材料新特性的要求还在不断出现，所以更先进的材料配方已经不断地在开发。
提高产品特性包括以下方面：更高的耐热性（高Tg），更有效率的制造工艺，更强的韧性，更好的成本控制，更多特殊性能以及解决一些具体问题。
此论文将揭露一些应用于户外复合和整体绝缘子的先进材料研发成果。
相比于传统配方，本篇将展示一些最新发展的材料在如下方面应用：
⑴ 在整体绝缘子方面，本文将讨论以核壳增韧的环氧和无需后固化的环氧系统。一些疏水性材料的新研究和进一步应用实例将被展示。还将展望关于延长材料使用寿命的一个新研究课题。
⑵ 在复合绝缘子芯棒方面，如下先进材料将被讨论：
① 无脱羧基引拔的拉挤成型环氧系统；
② 聚氨酯系统运用于FRP棒；
③ 一个正在开发中的新型无水解系统。
⑶在复合绝缘子伞群方面，本文将陈述一个有效节约成本的液态硅胶替代产品。
 
1  应用于整体绝缘子的新型浇注系统s
1.1 核壳增韧性脂环族环氧系统
该研究的背景是由于为了在某一个应用中提高功率密度而需要较高Tg，而提高Tg往往会降低环氧材料的韧性，因此不得不寻找方法以克服减弱韧性的问题。这研发方针引申至发展出大家所谓的核壳增韧技术/4 – 10；这个环氧系统包括一个软性粒子核能够在开裂发生的时吸收开裂能量使开裂停止。由于软性粒子核是由丁二烯橡胶组成，不能与环氧相容，因此，它们被嫁接到一个硬壳中（例如聚甲基丙烯酸甲酯）。该壳提高了基体的粘接性能和实现了起初定下的环氧研发方针。核壳颗粒最大的优点是，和其它增韧材料例如增韧多羟基化合物，羟基或羟甲基丁二烯产品相比，它没有降低Tg。

图1 说明了在耐热循环实验中含有和不含核壳增韧粒子系统的耐热冲击性能比较。在这个十分苛刻的测试条件下（详细描述见附件5.1），核壳增韧系统仅仅在负40℃下就开始出现开裂，反之，一般脂环族材料在负10℃阶段下已经有70％测试样品出现开裂。在这里不得不提及的是这些开裂温度仅仅是对系统的比较并不是运行的极限温度。在实际使用中，运行温度由产品的结构决定。

另一个可展示核壳增韧效应的特性是KIC（临界应力密度因数）。表1比较了一些增韧系统和一个作参考的传统户外系统K1c值。
综上所述，使用核壳增韧系统的部件在热循环应力下可提供更高的靠性
1.2 新型无需后固化环氧树脂
自动压力凝胶是生产环氧绝缘子、套管和开关部件的一个典型的工艺。反应混合物被注射入热模中并在模具中停留大约10-30分钟，直到物质材料由液态变成固态，材料达到足够稳定的状态时脱模；在这个时候树脂和固化剂的反应还没有完全完成，机械性能也还没有完全达到最佳，而为了达到完全固
图 1  一般和核壳增韧脂环族环氧系统耐温度循环开裂测试比较
 
表 1 传统的和核壳增韧的脂环族环氧系统概览

化，部件通常需要放入烘箱内进行后固化，例如140℃×10h。由于后固化是生产的一个必须步骤，需要投放人力、能源，以及烘箱的投入和占用的空间，所以生产商都渴望减省这些开支。

对于户内运用所谓的无需后固化系统（NPC）自2003年就已经研发成功/9/，期间户外运用的无需后固化材料也同时在研发。表2 说明了传统脂环族环氧（CEP）与新无需后固化脂环族环氧

（CEP-NPC）的性能的比较。加入同样填料含量作比较，CEP-NPC有更低的粘度和更高的反应性。此外，从粘度增长一倍所需时间而言，它同样有足够的可使用时间供混料真空浇注使用。

表 2:     一般系统和无需后固化系统的凝胶时间和粘度的比较

 
表3 比较了两个系统的Tg。对于传统的CEP系统，没有后固化就达不到预期所需的Tg，这表示系统还没完全固化。与之相反，新型CEP-NPC系统在经过140℃固化30分钟后，Tg已经达到114℃，即使再进行后固化，也Tg也没有太大的增长。
表4比较后固化后CEP和无需后固化CEP-NPC两种系统的机械性能—K1c，G1c。CEP-NPC系统的弯曲强度和拉伸强度，相当于或略微高于传统CEP。
新型NPC-CEP材料整体的优点在于高度改善了耐热冲击开裂性能，附件5.1记述了这抗开裂测试，并证明所述的体现。这测试结果是一般CEP系统开裂的平均温度是负12℃，而CEP-NPC系统在-40℃才开始出现开裂，在这点上CEP-NPC系统具有很大的优势（详见图2）。
 
2 Araldite®（中文商标为爱牢达®）疏水性脂环族环氧系统（HECP）的最新进展
2.1  背景
基于对传统脂环族环氧超过30年的使用经验，在1999年11月亨斯迈公司研发出一个更先进的系统；它不但包含了脂环族环氧胜于硅橡胶和陶瓷的许多优点（详见表5），也具有与硅橡胶已知的疏水性能相似的特性，这个材料就是我们接下来要讨论的Araldite® HCEP(疏水性脂环族环氧系统)。
在系统中加入转移疏水性和还原疏水性的主要原因是为了减少在潮湿条件下漏电的发生（妨碍形成连续的潮湿区域），从而提
表 3:    在无后固化工序和有后固化工序下，比较一般和无需后固化脂环族环氧系统的Tg
 
表 4:    比较一般和无需后固化脂环族环氧系统的机械性能
 
图 2:    一般CEP和新型CEP-NPC系统在耐热循环开裂测试结果
 
表5 比较一些脂环族环氧、硅橡胶、陶瓷以及新型HCEP系统的一些重要参数

高产品可靠性（减少闪络的机会），并因减少侵蚀而延长产品的寿命（图3）。

该改良的技术原理是加入一种特殊疏水组分以及支持性助剂。加入一种无法参与交联反应的材料以至于能够发生转移疏水性（例如转移到污染物的表面）。
图4是预填充硅微粉的HCEP材料在显微镜下扫描图，图5是不含填充的HCEP材料的显微扫描图。与之形成对比的是无改良的预填充CEP系统在显微镜扫描图（图6），我们可以看到在分子形态上的不同，HCEP材料中有清晰可见的第二状态（疏水性活性区域）。
 

图3:     疏水性优点

 
图 4:    预填充的HCEP显微图
图 5:    不含填充的HCEP显微图
 
图 6:    预填充的CEP显微图
 

由于铸件表皮和残留表面的脱模剂，CEP和HCEP两种材料在最初的时候都有疏水性能；通过切下一小块的材料，在表面滴一水滴，如图7所示，水珠在CEP上铺开（左边照片），而HCEP材料（右边）始终保持矗立，具有很大接触角。

CEP会因为在运行中老化而失去最初的疏水性，而HCEP则会一直保持，但表面的粗糙度会由于腐蚀而增加。人工模拟气候测试（例如根据附件5.3）表明HCEP材料在经过了长时间的高温、紫外线照射和下雨后，仍然保持很大的接触角（图8）。
 

图7 水珠在CEP(左)和HCEP(右)切割下的表面上的情况
图8 Global-UV-测试：CEP、HCEP和硅橡胶接触角随时间的变化

2.2  HCEP的特性

HCEP材料的特点已经被在多篇发表的文章中/9-29/作为主题。为了另大家了解情况，如下阐述最主要的资料：
转移疏水性（HTE）是被Braunschweig大学研究出来的，这是根据多次应用人工污染层（干沙）的方法，发现疏水性转移效应是有效和持久的；
还原疏水性是经过离子流、电晕处理、或模拟沙暴破坏后，材料还原疏水性的能力/14/。
提升的耐电痕和耐腐蚀是根据相对耐电痕转轮法测试/18/，经紫外线老化后的耐电痕测试/19/已被客户的实际使用所验证;
值得特别关注的减少了泄漏电流，是根据IEC61109/14/通过1000小时和5000小时标准测试、1000小时不规范的的盐雾测试/29/、结合了盐雾与UV紫外光照射的不规范测试/17/，和在盐雾测试中发现在逐步污染的情况下产品有更好的抑制泄漏电流能力;
优异的耐热冲击性能已通过实验室测试得到确认/14/，这是更进一步让用户满意的地方/30/，也可以更好的解决部件的低温时出现开裂的问题。
2.3  EDF-测试
世界上最大的公用事业公司EDF（法国电力），根据标准他们国内接受的标准之一HN26E20研究了HCEP/31/。程序包括对三个样块(100×50mm)进行耐电痕和腐蚀测试，首先在带电(400V/cm)喷盐水中暴露3周，然后在70℃下进行6周的热老化测试（根据NR-C20-540），最后在盐雾中暴露3周。结果:HCEP材料通过了该测试，表面情况没有出现任何劣化（1mm是可以接受的）。另外，EDF测试时，同样进行了拉伸强度测试，a)施加相等于一半的拉伸强度的拉力，b)同时再 在70℃下暴露6周。结果是经过该程序的拉伸强度还有标准参考样块的 61％(可以接受的水平＝50%）；标准样块是不经过热处理，在半负荷下拉伸。
2.4  KIPTS-测试
一个在HCEP方面的更进一步十分重要的新研究是赫赫有名的“KIPTS 测试”在Koeberg绝缘子污染测试站。这是在这个行业最苛刻的测试之一。在极端严峻的绝缘子环境条件，例如重污染，薄雾，风，雨，盐以及露水存在的基本环境下进行测试。即便根据标准测试得到“最好性能”的产品也在KIPTS测试中失败。程序包括绝缘子的验收（三相保险断路，无劣化，对芯棒无侵蚀，无电痕化，无击穿以及金属腐蚀）以及实验室测试（UV，酸雨，水解以及臭氧）。仅仅在冬天通过测试的绝缘子只能在中度污染环境下使用，对于在极度污染地区下运作的绝缘子，必须通过夏天的循环测试/41/。测试的结果是，ABB用HCEP材料生产的户外重合开关通过了整年的测试。相反，其他厂家用普通环氧或陶瓷生产的产品很难通过半年的测试/30/。
通过在EDF测试和KIPTS户外测试中的成功表现，说明了HCEP系统有很好的耐电痕和耐腐蚀性。

2.5  阻燃Fire-behavior (NF F 16-102)

标准NF F 16-102（1992）描述了在铁路应用的电气产品的防火要求标准/32/。根据车辆的类型（例如，地铁还是长途火车），地点和材料的多少，必须遵守一定的防火等级（1＝低水平到4＝高水平）。1级到4级是取决于燃烧测试（I0-I4）和烟雾测试（F0-F5）的混合结果。
 
表6 防火等级(0-4)是取决于燃烧测试(I0-I4)和烟雾测试(F0-F5)的混合结果

HCEP的防火等级是由法国国家度量衡学实验室（Laboratoire National de Métrologie et d Essais）根据这些标准进行测试的。燃烧测试中达到I2级，烟雾测试中达到F0级。因此可以认定为4级（详见表6）。由于HCEP材料是4级材料，因此可以被大多数在NF F 16-102中列为苛刻条件的交通工具运用，同样也适用于经常穿越隧道的交通（地铁运用，“A1”型）。

2.6  HCEP的彈性
在某一些应用中，例如传感互感器，需要更好的抗开裂性能，在使用HCEP的同时是可以添加一些需要的增韧剂以得到如表7所示的更好的抗开裂性能。当然，Tg会略有下降。
2.7  最新應用示例
HCEP系統的应用范围在绝缘子、开关部件、互感器和套管。图9-12展示了一些最新的HCEP系統應用实例。
 

表 7:    添加增韧剂到HCEP系統后Tg和机械性能的变化
圖 9:    法国 Erome公司用Araldite® CY 5622疏水性系统生产的变压器套管
 
圖 10:   澳大利亚EMC公司用Araldite® CY 5622疏水性系统生产的横木绝缘子
图11 韩国Entec公司用Araldite®XB 5957/Aradur®（中文品牌为爱牢固®）XB 5958疏水性系统生产的断路器
 
图12 美国ABB用Araldite® CY 5622疏水性系统生产的“KOR50”电流互感器

3  HCEP材料最新发展展望

当前的目标是发展一个新的系统将之前提及的HCEP系统的基础上，结合疏水特性和不需要后固化的技术得到高Tg水平产品。
3.1  提高耐候性的系统
虽然传统的脂环族环氧的耐候性和使用寿命已经相当好了，但是仍然有进一步发展的空间。除了HCEP减少绝缘子表面的泄漏电流，现在进行的工作是进一步延长产品的工作寿命。在这方面的进展是优化配方，延长抗紫外线的稳定性。
为了测试最新配方的耐候性，一个全球性紫外线测试（Global UV test）根据附件5.3方法进行了测试。该标准是通过测量粗糙度（Ra）和在紫外线照射下的重量和时间的关系，热和湿/干循环下的指标去得出耐腐蚀的等级。
3.2  对下列系统进行比较
标准脂环族环氧系统作为参考系统（Araldite® CY 184 / Aradur® HY 1235/DY 062和65％的W12EST填料）；
两个新发展的系统（标记为“新1”和“新2”）根据两个不同概念为基础发展的有更好耐候性的新系统。
第一个新系统的最初的结果已经发表/10/。同时测试还在继续进行到大约24000个标准日照小时，这个大约相当于在中欧24年的日照。
图13表明了一般脂环族环氧表面粗糙度的发展，从0.7µm到6µm。与之相比，新的两个系统在经历了24000个标准日照小时后仅仅增加了不到3µm。
图14表明了4mm厚的样块的相对的重量变化情况。由于吸水所有的样块在刚刚开始重量增加，但是在1000小时之后，由于表面腐蚀重量开始减少。腐蚀速率两个新的系统明显比标准的脂环族环氧少。
 

图13 粗糙度（Ra）和时间（标准日照时间）的关系。
 
比较传统系统和2个新系统的耐候性变化，表明新系统的表面粗糙下降比较慢。
表8表明了新系统的主要机械和电气性能数据比较。这些数据表明，对系统材料调整并没有对原有的一些关键性能参数产生负面的影响。
所有的实验室测试表明进一步提高了耐候性。在下一阶段将展望说明在极度恶劣的环境下新系统的电气性能的优越性。这些成果将在将来的文献中发表。
比较传统系统和两个新系统，表明新系统的腐蚀量少见表8。
图14 重量改变和老化时间（标准日照时间）的关系
 
表8 传统系统和耐候性更好的2个系统的机械和电气性能比较

3.3  先进材料在复合绝缘子上的应用

在前面的章节我们讨论了先进浇注系统在整体绝缘子上的应用（图15）。这部分我们将展示一些最新发展材料在复合绝缘子上的应用。这个不仅仅关系到FRP芯棒的多功能系统，也关系到伞群使用的新材料。
3.3.1  多功能系统在纤维加固棒上的应用
今天，绝大部分复合绝缘子中的纤维加固聚合物棒均是使用典型的热固化环氧系统。这些允许有良好浸润的玻璃纤维在高温挤出时固化，可以得到很好的机械性能的棒。下一步再进行伞群的处理。.
FRP棒主要用不饱和聚酯，聚乙烯酯和环氧生产/34/。综合比较所有机械性能、电气性能、收缩性、抗老化以及环境、健康及安全性能,酸酐类固化剂固化的环氧是最好的选择/36, 37/。 
虽然复合绝缘子在上世纪60年代就已经出现，关于该运用的更先进的基材还在持续研发中。
⑴ 无脱羧基材料
一个例证是关于进一步发展的酸酐类固化剂的多功能环氧系统Araldite®MY 740 / Aradur® HY 5917-1，该系统应用于FRP上。这是一个预加促进剂、酸酐固化的环氧系统，固化剂是经过配方改性以防止产生脱羧基。过去的系统如果没有进行预先脱气会导致很多气泡产生。.
相对于传统方法该材料的好处在于可以得到半透明，高质量的棒，在没有脱气的情况下减少气泡产生。因此不需要专门的脱气设备。
⑵ 聚氨酯作为多功能材料
新的可以在FRP上作为多功能材料的聚氨酯系统已经被研究出。这些材料有很高的机械强度和很好的耐化学性，但是他们最主要的优点还是可以达到很高的拉出速度，能达到每分钟2米，这大大提供了生产效率。但是这些优点伴随而来新的挑战：由于可使用时间很短（15到22分钟），一个双组分计量装置是必需的，开始反应的材料传动到一个注射盒，纤维和树脂直接接触，然后立刻进入加热和冷却区域。.

图15 复合绝缘子图解 /35/
图 16:        传统的聚氨酯拉挤成型装备

聚氨酯运用的另外一个局限性是：多元醇必需在使用之前充分搅拌均匀；异氰酸酯必需有很好的密封，防止受潮；因为它会和水分反应，生成CO2泡沫。因此，易受潮的材料必需密封貯存，操作中所有的过程都不允许开放。

⑶ 抗水解材料的展望
如果在酸性环境和受拉伸应力的情况下，脆断的出现是由于单向E玻璃纤维/聚合物复合件的应力腐蚀开裂而做成，这种解释已经被广泛接受/35, 38/。
有三种模型可以解释在不同种类的酸中发生脆性断裂的原因：
模型1：水结合机械应力，水本身就是主要因素，而酸的作用次之；
模型2：酸结合机械应力，酸可能是从多功能材料中释出，尤其是从固化剂/39, 40/；
模型3：酸结合机械应力，酸可能来自于外部（例如电晕放电产生的硝酸）。
防止脆性开裂的方法是保护好中心棒，防止受潮，设计好抗应力侵蚀以及适当的选择原材料。因此ECR玻璃纤维比标准E纤维更被推荐使用。
酸通过第2个模型（从多功能材料中释出）的途径有如下三种：
① 在工艺过程中酸酐固化剂水解产生酸，例如，由于空气中的潮汽，这个可以通过良好的密封避免；
② 酸也可能由于酸酐过量水解产生，这个可能是由于在操作树脂/固化剂过程中出现配比错误。这个可以通过正确控制混合比而避免；
③ 今天所用的多功能材料，例如聚酯、乙烯酯以及包含酯官能团的酸酐固化环氧，这个在一定条件下，在酸的催化下均会发生水解。要解决这种来源的酸可使用其它抗水解和无酯材料。
⑷ 亨斯迈因此接受这个挑战并且现在正在开发用于FRP的抗水解多功能材料。
虽然关于该发展的具体细节还没有被公开，但是新配方关于抗水解能力测试实验已经在进行，现在在进行的实验程序请见附件5.4。
该测试方法是量度水解速度（表示成克 NaOH/（kg×d），在测试条件下），值越低表明抗水解性越好。
由于现在多功能材料中的酸酐固化材料的水解很慢，采用一些苛刻条件(1mol/lNaOH在90℃)

以达到加速可能发生的水解。

① 比较了如下的系统：
一种典型的双酚A环氧树脂系统的酸酐固化剂，与正确数量的固化剂（甲基四氢苯酐）固化；同一种的双酚A环氧树脂系统的酸酐类固化剂，与过量的（甲基四氢苯酐）固化剂固化；作为一个不良的工艺例子；
      ② 新的抗水解系统。
结果得到明显不同的水解速率(图17).得到的结论是，该测试表明对于一般环氧系统实际上确实会发生轻微的水解，在配比发生错误（固化剂过量），更多的水解将会发生作用而产生酸。最后我们还可以从实践中证
图 17:   比较一个典型的酸酐固化环氧、一个含过量酸酐含量的系统、和一个新的抗水解系统的水解情况（请见附件5.4和表11）

明新系统有很好的抗水解能力，即使在施加的很恶劣的条件下。

3.3.2  环氧树脂作为复合绝缘子的外殼材料

在INMR2001年会议上已经发表了可行性研究，宣布将发展增韧版本的HCEP材料替代液态硅橡胶(LSR)，应用在复合绝缘子的外殼材料以有效降低成本/14/。没有改性的HCEP材料由于硬度太大不适合该运用。
以环氧为基础发展伞群使用的材料仍然是一个正在进行的项目，基本的目标是不要让HCEP材料的柔软度达到和硅橡胶一样，而是达到能够承受复合绝缘子应用中的强度并且通过骤然荷载释放测试。另一方面的目标是调整系统的配比至体积比1:1以达到可以使用现有液态硅橡胶设备的目的。这个和一般环氧树脂应用有很大的不同，组分不需要搅拌，没有脱气或预热。当然，电气性能应该达到目标要求。
相比于液态硅橡胶除了降低材料成本，更进一步的好处是不需要对中心杆进行预处理，因为环氧和环氧有很好的粘接。
 
表 9:   SHCEP的发展目标
价格水平
疏水性
弹性
电气性能
工艺
比LSR低
与HCEP类似
可以满足必需的要求
符合IEC61109
与LSR相似，无底涂
 
为了达到更好的水扩散击穿强度，一个进行根本性的系统再造正在进行中。这就产生了一个新的系统——下面所说的SHCEP（伞群－HCEP）。关于这个材料1的最新的版本是韧性轻微减少但是耐电弧和耐腐蚀能力以及良好的水扩散击穿强度。表10展示了该新系统一些重要参数。
图18展示了水珠在切开的SHCEP材料表面的情况，本身所具有的憎水性能不受任何浇注表面或者脱模剂的影响（相比于无疏水性能的标准脂环族环氧，请参见图7，左图）。
 

表 10:       SHCEP性能概览

图 18: 水珠才切开的SHCEP材料表面

图19和20展示了SHCEP在离子流试验后的情况（详细的程序参加附件5.2），证明了在受到外力破坏后疏水性有自复能力。该实验是在没有使用硅脱模剂的样块上进行的，事先进行仔细清理表面（为了是避免任何来自模具上的脱模剂等憎水材料影响）。测试表明，离子流完全破坏了原来的疏水性。经过了一天，材料的疏水性能完全恢复。

图19 离子流处理之前（左图）和刚刚处理之后（右图）喷水试验情况。表明离子流完全破坏了疏水性。（表面完全湿润）

    图20 离子流处理之后一天（左图）和三天（右图）喷水试验情况。表明疏水性被破坏后的复原能力 

图21显示了典型的加工处理设备，象液态硅橡胶（LSR），环氧也可以用双组分以1:1的比例进入静态混料器后直接注入热模中。图22展示了使用SHCEP系统生产的复合绝缘子。

图 21  SHCEP使用设备
        
图 22  用SHCEP生产的复合绝缘子

4  结论

传统脂环族环氧在电气行业已经有超过40年的成功使用经验，因为相对于其它产品，例如陶瓷，有诸多好处（包括日常维护费用）。芳香族环氧树脂已经被确定为一种使用于复合绝缘子中心杆的很好的多功能材料。
此论文提供一些能够满足高要求或特殊要求的先进材料最新发展：
Araldite®核壳增韧系统已经面世。这是一个有效的提高韧性而不降低Tg的方法;
描述了Araldite®疏水性系统（HCEP）的一些最新研究和一些应用实例。用HCEP系统生产的断路器通过了南非的KIPTS测试； 
无需后固化环氧系统已经面世，生产效率提高并且可以节约工艺处理和能源的费用；
最新的关于进一步延长环氧材料的使用寿命的研究正在进行，可以得到更好的性能；
对于复合绝缘子芯棒，已经研发出无脱羧基的拉挤成型环氧系统，这适合生产高质量的中心杆；
介绍了应用于拉挤成型的聚氨酯，如果接受生产工艺上的一些限制，可以提高生产效率；
在一个新型拉挤成型系统的初步测试结果，显示系统有更好得很抗水解性（没有酸作用）。这可以压制潜在引发的脆性断裂性。
SHCEP（伞群疏水性材料）已经面世，它可以替代液态硅橡胶，有效控制成本。
 
参考文献：
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[15] Beisele, C.: Hydrophobic Cycloaliphatic  Epoxy Systems – Enhanced Outdoor Performance for Cast Resin Insulators and new Opportunities for Composite Insulators, INSUCON 2002 electrical insulation conference, Berlin, Germany, June 18 – 20, 2002, pp. 273 – 279
[16] Beisele, C.; Besztercey, G.; Pintér, S.:  Hydropho­bic Cycloaliphatic Epoxy Insulators – Leakage Current Suppression Study with a Gradual Contamination Clean Fog Test, 2003 IEEE/PES Transmission & Distribution Conference & Exposition, Dallas, Texas, Septem­ber 7 – 12, 2003, paper 03TD0025
[17] Beisele, C.; Besztercey, G.; Pintér, S.: Hydrophobic Cycloaliphatic Epoxy Insulators – Leakage Currents, Erosion and Hydrophobicity under Salt Fog combined with UV-treatment, ETG-Conference “Grenzflächen in elektrischen Isoliersystemen”, Hanau, Germany, March 8-9, 2005
[18] Leikkonen, I.; Mähönen, P.: Characterization of a New Hydrophobic Epoxy, Nordic Insulation Symposium, Stockholm, Sweden, June 11 -13, 2001, pp. 141 – 148
[19] Urabe, S.; Yoshikura, S.; Shirakashi, T.;  Hotoda, Y.: Study on Aging Property of Hydrophobic Epoxy System for Outdoor Insulation, IEEE/ PES T&D Asia Pacific Conference, Yokohama, October 6 – 10, 2002, pp. 2181 – 2184
[20] Glinkowski, M.; Beisele, C.; Mähönen, P.:  New Insulating Material for Outdoor Distribution Products – Hydrophobic Epoxy (HCEP), pre­sented  at ABB info session 2003 IEEE / PES Transmission & Distribution Conference, Dallas, Texas, USA, September 7 – 12, 2003
[21] Dirix, Y.; Meier, P.; Kaltenborn, U.; Tilliette, V.: Stability of Novel Hydrophobic Epoxies Exposed to UV-Radiation, High Humidity and Temperature, Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,  Kitchener, Canada, October 2001
[22] Rocks, J.; Kaltenborn, U.; Hucke, T.: Intrinsic Hydrophobic Epoxies for Outdoor Insulation, 2000 IEEE CEIDP, Victoria, BC, Canada, Octo­ber 15 – 18
[23] Kaltenborn, U.; Meier, P.; Dirix, Y.: Loss and Recovery of Hydrophobicity of Novel Hydropho­bic Epoxy Resins, IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, Cancun, Quinta Roo, Mexico, Octo­ber 20 – 24, 2002
[24] Claus, O.; Florkowski, M.; Leskosek, H.: Neue Generation von Outdoor Polteilen, presented during the training course “Epoxidharze in der Elektrotechnik” Esslingen, Germany, May 11-12, 2004
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[26] Liebermann, J., Petrusch, W.: Fremdschicht-untersuchungen an Isolatoren mit hydrophobierter Oberfläche, Elektrizitätswirtschaft, Jg. 99 (2000), Heft 22, S. 34 – 38
[27] Liebermann, J., Petrusch, W.: Employing Coating to Improve the Pollution Performance of Porcelain Insulators, Insulator News & Market Report, March/April, 2001, pages 44 – 50
[28] Goodin, B.: Polymer Insulation Systems for OH Lines: HCEP (Hydrophobic Cycloaliphatic Epoxy), Energy Council of the Northeast Spring Conference, Portsmouth, NH, USA, March 11 – 12, 2004
[29] Beisele, C.: Hydrophobes Cycloaliphatisches Epoxidharzsystem für Freiluftanwendungen, Pres­entation given at course “Epoxidharze in der Elektrotechnik” (26688/71.512), Technische Akademie Esslingen, Germany, May 16 – 18, 2001
[30] Kaltenegger, K.; Salge, G.; Gentsch, D.: Breaking to the front – Technological innovation in vacuum interrupters, ABB review 4/2005, pp. 39 – 41.
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[33] ISO 4892-3:1994, Plastics — Methods of exposure to laboratory light sources — Part 3: Fluorescent UV lamps
[34] Beigel, A.; Beisele, C.: Innovative Matrix Systems for Pultruded Fiber Reinforced Polymer Rods for High Voltage Insulators, INSUCON 2006, May 24 -26, 2006
[35] Kumosa, M., “Failure analyses of composite insulators: Part I -Brittle fracture characteristics,” IEEE Elect. Insulat. Mag., Vol. 21, No. 3, pp 14-27 (May/June 2005).
[36] Connolly, M. et al., ”Attention Pultruders is it time to explore polyurethane resin chemistry and processing?”, Composite Manufacturing, pp 18-23, 60 (August 2005).
[37] Stesalit AG Kunstoffwerke, Technical Data Sheet，Stranggepresste GFK Rundstäbe in Hochspannungsqualität
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[38] Kumosa, M., “Failure analyses of composite insulators: Part II – The brittle fracture model and failure prevention,” IEEE Elect. Insulat. Mag., Vol. 21, No. 4, pp 28 – 40 (July/August 2005).
[39] CIGRE WG B2-03, Tourreil de, C., Schmuck, F. et al., “Brittle fracture of composite insulator: field experience, occurrence and risk assessment,” ELECTRA, No. 214, June 2004
[40] CIGRE WG B2-03, Tourreil de, C., Schmuck, F. et al., “Brittle fracture of composite insulator – failure mode chemistry, influence of resin variations and search for a simple insulator core evaluation test method, occurrence and risk assessment,” ELECTRA, No. 215, (August 2004)
[41] Vosloo, W.; Swinny, R.; Holtzhausen, J.: Koeberg Insulator Pollution Test Station (KIPTS) – an in house insulator product ageing test standard  (http://www.corocam.co.za/ papers/paper_6901.pdf)
 


 

5  附件
5.1  温度循环开裂测试
20个如图23所示的装有钢嵌件的样块，使用自动压力凝胶设备生产，模具温度为145-150°C，在140°C 下固化10小时。接下来就把这些按照图24曲线进行冷热冲击。每个循环之后开裂样块数量会在室温下被记录，然后得到平均开裂温度。
5.2  离子流测试
测试样块（厚度4mm，面积5×5cm2）放置于离子流箱体中（型号440）然后按照如下条件处理：真空度，1mbar；时间， 2分钟；气体，氧气；功率，      300W 。
为了检查疏水性能，样块在竖直方向在30cm范围内用去离子水喷射10次。在喷射后10秒之后照相。
5.3  全球UV测试
全球UV测试是对耐候性的测试，用荧光紫外线灯根据ISO
4892-3:1994标准进行测试（改变暴露模式2：在潮湿段试验中用50°C替代20°C）。设备型号来自德国的“UV200SB/20DU-S”。
测试样块在测试循环中暴露于50°C达6小时，始终保持如下两个阶段：
⑴ 5小时的相对湿度：小于10％
⑵ 1小时用盐水淋雨粗糙度用Perthometer仪器测量
5.4  抗水解测试
    抗水解测试步骤如下：
 
图23 冷热循环测试的样块的几何图  
图24 冷热循环开裂测试曲线
 
⑴ 准备5个测试样块的尺寸10mm×30mm×4mm，记录所有样块的总重量（以克为单位）；
⑵ 在塑料杯中准确的放入100ml的NaOH（1mol/l）；
⑶ 放入样块后盖紧杯子；
⑷ 将杯子放入90℃烘箱中约三周并记录下时间（天数）；
⑸ 将杯子冷却至室温
⑹ 加入3滴0.1％的酚酞于酒精中；
⑺ 加入盐酸（2mol/l）直至颜色从红色变成无色，记录下加入盐酸的体积 (V1并以ml为单位)；⑻ 在没有添加样块的情况下将程序再进行一遍，记录下所需要的盐酸的体积（VB并以ml为单位）；
结果＝水解率(克NaOH/kg×天数)＝(VB-V1)×2mol/l×40g/mol×0.001l/ml×1000g/kg/(m×t)
例如，表11是在3.3.1和图17中提及的系统的实验原始数据。
 
表 11: 于一个典型的酸酐固化环氧、一个含过量酸酐含量的系统、和一个新的抗水解系统进行测试，水解稳定性试验的原始数据和结果

7.  致谢

对于准许刊登的应用按例相片，作者在此感谢：
ABB Inc., Pinetops, NC, USA
Entec, Electric & Electronic Co. Ltd., Hwaseong-Kun, Kyungki-Do, South Korea
Erome S.A., Erome, France
EMC Pacific PTY Ltd., Victoria, Australia
 
8.  亨斯迈先进材料法律聲明
所有提及的商标均是Huntsman Corporation或其联营公司的财产,或特许Huntsman Corporation或其联营公司使用。
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