2013年第1期電線電纜2013年2月No.12013Electric Wire CableFeb,2013熱重分析技術(shù)評(píng)估漆包線耐熱性能的應(yīng)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(píng)估幾種溱包線產(chǎn)品的耐熱性能,并探討這一技術(shù)在漆包線行業(yè)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:漆包線;耐熱性;熱重力分析技術(shù)中圖分類(lèi)號(hào):TM245文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(yù)估材料在某給定溫度或最大運(yùn)行溫度下的使用漆包線廣泛應(yīng)用于電力、機(jī)電、電氣設(shè)備、家用壽命。這一試驗(yàn)過(guò)程盡管需要漆膜樣品至少運(yùn)行三電器、電子通訊和交通等領(lǐng)域。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和個(gè)不同升溫程序的TGA實(shí)驗(yàn)還需進(jìn)行活化能的計(jì)人民生活水平的提高,電機(jī)、電器都在朝著小型化、算,但整個(gè)試驗(yàn)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(duì)漆包線的耐熱等級(jí)要老化的試驗(yàn)方法,單時(shí)間優(yōu)勢(shì)就不可小覷。求也越來(lái)越高。而漆包線因?qū)Ь€外面絕緣漆膜的不1979年上海電纜研究所李傳儒等人,應(yīng)用同,耐熱等級(jí)不同,具體表現(xiàn)為不同的溫度指數(shù)TGA技術(shù)及高溫單點(diǎn)老化試驗(yàn)研究制訂了JB指標(biāo)2804-1979目前,評(píng)估漆包線耐熱性能的標(biāo)準(zhǔn)有 ASTM D本文在前人工作的基礎(chǔ)上,采用TGA技術(shù)對(duì)不2307、IEC60172以及國(guó)標(biāo)GBT4074.7(等同采用同品種的漆包線樣品進(jìn)行耐熱等級(jí)的快速評(píng)估,首IEC60172),這些標(biāo)準(zhǔn)都采用烘箱長(zhǎng)期熱老化的方次就熱分解失重度的確定對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響進(jìn)行了式評(píng)估漆包線的耐熱等級(jí),不僅測(cè)試周期長(zhǎng)(長(zhǎng)達(dá)分析,進(jìn)一步探討這一技術(shù)在漆包線行業(yè)的應(yīng)用。不當(dāng)整個(gè)評(píng)估試驗(yàn)就有可能失敗。為此研究評(píng)估1試驗(yàn)部分漆包線耐熱等級(jí)更為快速便捷的試驗(yàn)方法,就顯得(1)試驗(yàn)樣品。選用幾種漆包線產(chǎn)品進(jìn)行TGA非常必要。試驗(yàn),見(jiàn)表1。對(duì)表1中的漆包線樣品進(jìn)行漆膜剝熱重分析技術(shù)(TGA)是通過(guò)在設(shè)定的升溫程離處理,制取試驗(yàn)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幾種漆包線樣品術(shù),可快速評(píng)估漆包線耐熱性能。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究編號(hào)型號(hào)名稱(chēng)報(bào)道5指出,TGA技術(shù)提供了可替代烘箱老化的QZ2/130130級(jí)聚酯漆包線試驗(yàn)方法。通過(guò)取漆包線外面的絕緣層樣品采用QA2/130130級(jí)聚氨酯漆包線TGA儀器在不同的升溫速率下進(jìn)行升溫老化試驗(yàn),155級(jí)聚氨酯漆包線記錄不同升溫速率的熱失重曲線,從TGA曲線上確QA-2/180180級(jí)聚氨酯漆包線定特定程度的老化分解溫度。根據(jù)阿倫尼烏斯方中國(guó)煤化工亞膠漆包線CNMH漆包線收稿日期:20120616QY(F)-2/240240級(jí)聚酰亞胺漆包線作者簡(jiǎn)介:仲偉霞(1975-),女,工程師作者地址:上海市軍工路1000號(hào)[20003](2)儀器。TGA,TG209F1,德國(guó)耐馳公司生產(chǎn)。2013年第1期電線電纜2013年2月No.I2013Electric Wire CableFeb.2013(3)試驗(yàn)。分別取1#~7#漆包線樣品的漆膜三份,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(duì)各樣品進(jìn)行熱重分解試驗(yàn)丑中2結(jié)果分析與討論圖1~圖7分別是幾種漆包線漆膜樣品的TGA失重曲線。設(shè)定某一程度的分解失重度,就可以從圖中的TGA曲線上讀出各自不同的分解溫度T1、圖44#樣品的TGA曲線13溫度尸c溫度~c圖11#樣品的TCA曲線圖55#樣品的TGA曲線爾溫度~c溫度C圖22#樣品的TGA曲線圖66群樣品的TGA曲線400中國(guó)煤化工050600溫度PCCNMHG圖33#樣品的TGA曲線圖77#砰品IUA田線2013年第1期電線電纜2013年2月No.12013Electric Wire CableFeb.2013由阿倫尼烏斯方程得:反應(yīng)深度B為升溫速率(K/h)。logB=-(0.457E/R)(/7+C對(duì)于不同漆包線樣品,如果長(zhǎng)期老化失效的分式中E為活化能(ka/mol);R為氣體常數(shù)(1987解失重度確定,漆包線的T便可以獲得。表2是幾cal/moK);T為某一特定分解程度對(duì)應(yīng)的分解溫種漆包線漆膜樣品的擬合、評(píng)估結(jié)果。度(K);B為升溫速率(Kh);C為常數(shù)。從表2中可以看出,采用TGA曲線擬合結(jié)果的取-lgB對(duì)(1/T)作圖擬合直線的斜率即為擬合因子都在95%以上,表明擬合結(jié)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(píng)估結(jié)果表明,隨著樣品分解失該過(guò)程的示意。依據(jù)這一過(guò)程,幾種漆包線漆膜樣重度取值從5%到25%的逐步深入,擬合求得的分品的擬合結(jié)果,以及反映擬合結(jié)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(yīng)平穩(wěn)。分別以分解失重度5%og bi10%、15%、20%、25%確定失效評(píng)估,評(píng)估結(jié)果表明隨著分解失重度的增加,耐熱等級(jí)增大,25%時(shí),樣品的耐熱等級(jí)高達(dá)186.9℃。2#樣品,由TGA曲線知樣品失重不到20%時(shí),分解反應(yīng)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(píng)估結(jié)果以15%為界分析。圖8TGA技術(shù)研究分解活化能E隨著樣品分解失重度5%→10%→15%逐步深漆包線樣品因絕緣材料的不同,其TGA曲線分入,擬合求得的分解活化能結(jié)果變化不大,約為38ka/mol,說(shuō)明該段分解反應(yīng)平穩(wěn)。分別以分別表現(xiàn)出不同的熱分解溫度和不同的分解失重臺(tái)階°解失重度5%、10%、15%評(píng)估樣品的耐熱等級(jí)以2K/min的TGA曲線為例,1#、5#、6#、7#樣耐熱等級(jí)隨分解失重度的增加而增大,15%時(shí)的品的第一失重臺(tái)階范圍和溫度區(qū)間都較寬,起始分耐熱等級(jí)為132℃。解溫度也較高。1#樣品,第一失重臺(tái)階失重約3#樣品比2#樣品TGA曲線中的起始失重臺(tái)階50%,起始分解溫度近3005#樣品TGA分解寬約為40%,因而擬合、評(píng)估所取的分解失重度可曲線走勢(shì)相近只有一個(gè)失重臺(tái)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(dá)到350℃和400℃。6#樣品,第一失重臺(tái)所得的分解活化能結(jié)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(yīng)比較平穩(wěn)。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(píng)估,結(jié)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(jí)也隨之增大,20%時(shí)的耐熱等級(jí)可達(dá)左右就已發(fā)生失重分解起始失重臺(tái)階窄,起始失重151.6℃。臺(tái)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(tái)階不到30%,隨著樣高,為240℃。品分解失重度5%→10%→15%20%的深入,分對(duì)于耐熱等級(jí)的老化評(píng)估而言,由于是以擊穿解活化能的擬合結(jié)果增大明顯,從60.7kcal/mol驟電壓的失效為判據(jù),漆包線老化分解初期,擊穿電壓增至160kcal/mol,表明此段分解反應(yīng)變化劇烈。大都已失效。因此,評(píng)估漆包線的耐熱性,基本上以TGA曲線中起始階段的分解失重取值為考量。隨著分解失重度的增大,耐熱等級(jí)升高明顯。分解依據(jù)漆包線絕緣漆膜壽命關(guān)聯(lián)式:反應(yīng)初期失重度10%的耐熱等級(jí)就達(dá)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,但由于樣品的耐熱等級(jí)不同,擬合、評(píng)估結(jié)果即有:也不盡相同,耐熱等級(jí)越高,起始分解活化能越大。E/R5#樣品的TGA曲線擬合結(jié)表明,隨著分解失重度從10%到1%的汪化能的壩合結(jié)果變化ln4-lBR×P(x)不大,約為34中國(guó)煤化差別較大,分式中為某失效溫度下的評(píng)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(jí)要高。數(shù)(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(tái)階較寬,從分解失重2013年第1期電線電纜2013年2月No.I2013Electric Wire CableFeb.2013度5%→10%→15%→20%的擬合結(jié)果看,分解活逐步增大,分解失重度5%時(shí)的耐熱等級(jí)就高達(dá)化能緩慢增大,表明分解反應(yīng)逐步加劇,耐熱等級(jí)也187℃表2幾種漆包線漆膜樣品的擬合、評(píng)估結(jié)果樣品擬合結(jié)果項(xiàng)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(jié)果與6#樣品相似。隨著分解5%→10%→15%一20%的深入,分解活化3結(jié)論能緩慢增大,分解反應(yīng)在逐步加劇,耐熱等級(jí)逐步通過(guò)上述研究分析,可以得到如下結(jié)論:升高。(1)采用TGA技術(shù)可以快速評(píng)估漆包線產(chǎn)品的綜上所述漆包線樣品的絕緣漆膜雖有所不同,耐熱等級(jí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化,擬合因子都在95%以但TGA曲線擬合、評(píng)估的耐熱等級(jí)卻表現(xiàn)出一定的上,從而保證了擬合結(jié)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)漆包線樣品的耐熱等級(jí)評(píng)估結(jié)果,因樣品重度的增大,耐熱等級(jí)逐步升高。但聚氨酯漆包線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(tái)階較窄,4#180級(jí)聚氮酯漆的增大,耐熱中國(guó)煤化工度的取值對(duì)于包線樣品,分解活化能隨分解失重度的升高急劇增耐熱等級(jí)評(píng)CNMHG大,耐熱等級(jí)也升高明顯。(3)聚氨酯樣品的起始分解臺(tái)階較窄,分解失(下轉(zhuǎn)第11頁(yè)2013年第1期電線電纜2013年2月Electric Wire CableFeb,2013mm2三個(gè)規(guī)格電纜,送有關(guān)權(quán)威檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求試驗(yàn)結(jié)果測(cè),各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到國(guó)內(nèi)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(xiàng)性能指標(biāo)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(yàn)結(jié)果成品電纜耐壓試驗(yàn)(6.5kV,5min)不擊穿20℃時(shí)絕緣電阻/(M·km)試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求試驗(yàn)結(jié)果二端不應(yīng)絕緣物理機(jī)械性能縱向透水試驗(yàn)(100℃,透水10次)|有水滲出/合要求老化前抗張強(qiáng)度/MPa≥5.07.8電纜燃燒試驗(yàn)老化前斷裂伸長(zhǎng)率/%≥200電纜成束燃燒試驗(yàn)(A類(lèi))空氣烘箱老化(135℃,168h)炭化部分所達(dá)高度/m0.5抗張強(qiáng)度變化率%煙密度試驗(yàn)斷裂伸長(zhǎng)率變化率/%透光率/%≥6帶導(dǎo)體老化(100℃,168h)燃燒氣體腐蝕性試驗(yàn)抗張強(qiáng)度變化率/%絕緣斷裂伸長(zhǎng)率變化率/%pH值≥4.35.5空氣彈老化(127℃,40h)電導(dǎo)率/(ps/mm)≤100.34抗張強(qiáng)度變化率/%阻水層斷裂伸長(zhǎng)率變化率/%13pH值≥4.35.2熱延伸試驗(yàn)(200℃,0.2MPa)電導(dǎo)率/(≤100.51載荷下伸長(zhǎng)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(yàn)(25℃,24h,裂紋電導(dǎo)率/(us/mm)≤10無(wú)裂紋臭氧濃度0.025%~0.030%)護(hù)套護(hù)套物理機(jī)械性能pH值≥4.35.2老化前抗張強(qiáng)度/MPa電導(dǎo)率/(μs/mm老化前斷裂伸長(zhǎng)率/%空氣烘箱老化(100℃,168h)5結(jié)束語(yǔ)抗張強(qiáng)度變化率/%≤±30斷裂伸長(zhǎng)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(yàn)(-25℃,16h)用直流電纜經(jīng)掛網(wǎng)運(yùn)行,防水性能優(yōu)良,在敷設(shè)、彎伸長(zhǎng)率/%56曲使用時(shí)未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象,完全滿(mǎn)足使用要求。耐氣候老化參考文獻(xiàn)(1)1008h老化抗張強(qiáng)度最大變化率%[1]TBT1484.1-2010機(jī)車(chē)車(chē)輛電纜第1部分:額定電壓3kV伸長(zhǎng)率最大變化率%及以下標(biāo)準(zhǔn)壁厚絕緣電纜[S](2)1008h老化后與504h老化后對(duì)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(qiáng)度最大變化率/%品,1991(4):13-16伸長(zhǎng)率最大變化率/%±15[3]歐迪恒.滿(mǎn)足VDE規(guī)范橡套軟電纜實(shí)用配合技術(shù)與加工[門(mén)電線電纜,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(jí)的聚氨酯漆包線樣品,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(jí)的評(píng)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(zhǎng)期烘箱老化實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行中,單獨(dú)借助ulating materials[ C]//The 6th Electrical Insulation Conference. New York: 1965.3-23TGA曲線擬合、評(píng)估耐熱等級(jí)的可靠性還有待繼續(xù)(4] Doyle C Dtric data[J].Jour-跟蹤。中國(guó)煤化工[5]李傳儒阱CNMHG估漆包線熱老化參考文獻(xiàn)壽命[J.化學(xué)學(xué)報(bào),197,35(1,2):12151] Toop DJ. Theory of life testing and use of thermogravimetric a[6]JB2804-1979漆包圓線熱壽命和溫度指數(shù)試驗(yàn)方法(快速nalysis to predict the thermal life of wire enamels [J]. IEEE法)[S]