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前言

在热固性材料领域，环氧树脂和不饱和聚酯 (UP) 由于有更紧密的交联结构，而比其他树脂具有更好的机械、热和耐化学性。

本文对三种商用不饱和聚酯酰亚胺树脂 (UPIR) 进行了热学和电学表征，通过在 100 Hz 和 1 MHz 之间执行阻抗谱，在电磁行为方面对所考虑的商业树脂进行了比较。文中分析了所研究系统的电导率、相对介电常数和损耗角正切，通过比较结果，可以确定哪些研究树脂在电动机绝缘方面表现更好。

一、材料和方法

1.1. 材料

在研究中，我们分析了为电机线圈真空压力浸渍 (VPI) 开发的三种商业树脂，这些材料是单组分不饱和聚酯酰亚胺树脂，分别用首字母缩写词 DAMISOL、VOTASTAT 和 VOLTATEX 表示。

这些树脂气味极低，不含任何VOC，如苯乙烯、乙烯基甲苯或邻苯二甲酸二烯丙酯。 由于具有高耐热性，它们可用于暴露在高温条件下的任何电气设备，适用于耐热等级高达 200 的绝缘系统，并且对溶剂气体具有良好的耐受性和良好的附着力。

在评估材料的热性能和电性能之前，液态树脂采用材料技术数据表中规定的硬化工艺进行烘箱聚合。

为获得样品，我们将约 2.2 g 液态树脂倒入直径为 4 cm 的圆形硅胶模具中，然后将材料烘箱固化，得到厚度约为 3.0 mm 的刚性盘，并用于进行电气测量，见下图。

1.2. 热特性

用差示扫描量热法 (DSC) 和热重分析 (TGA)对准备好的样品进行了两种类型的热研究，DSC 分析是通过使用热分析仪 Mettler DSC 822/400（Mettler-Toledo Columbus，OH，USA）进行的，该热分析仪配备了用氮气吹扫并用液氮冷却的 DSC 单元，用于亚环境测量。

DSC 用于评估样品的固化度 (DC)，假设固化过程中产生的放热与固化反应的程度成正比。DC 可以根据方程式 (1)从固化反应的总反应热 (Δ H T ) 和部分固化树脂的反应残余热 (Δ H Res )中确定。

总反应热 (Δ H T ) 通过对液体未固化树脂进行 DSC 分析来确定，通过从 30 至 300 °C 以 10 °C/min 的加热运行扫描约 7.0 mg 样品，而 Δ H Res是通过对烘箱硬化样品进行的测量确定的，方法是在 30 °C 至 300 °C 的范围内以 10 °C/min 的速度扫描聚合材料。

TGA 分析使用 Mettler TGA/SDTA 851 热分析仪，并在气流中进行。在 30 °C至 900 °C 范围内以 10 °C/min 记录作为温度函数的重量损失。

1.3. 光谱表征

使用 Bruker Vertex 70 FTIR 分光光度计（Bruker Optics Inc., Billerica, MA, USA）进行红外光谱 (FTIR)，波数范围在 4000–400 cm -1 之间，分辨率为 2 cm -1 。红外光谱以吸光度记录。纯净的未固化 UPIR 树脂的红外光谱是通过将液体混合物铺展在 KBr 颗粒上进行的，而对于固化的 UPIR 树脂，光谱是通过将样品粉末分散在 KBr 颗粒中来收集的。

二、结果与讨论

2.1. 热和机械特性结果

我们对三种商用聚酯酰亚胺树脂进行了热表征，以比较所分析的电绝缘材料的热性能，并选择表现出最佳热性能的树脂。

对于每个样品，由于在聚合过程中产生的反应热，可以检测放热峰， 与 DAMISOL 和 VOTASTAT 树脂相关的曲线呈现单个放热峰。而 VOLTATEX 树脂的特点是存在两个放热峰，第一个在 105 和 150 °C 之间的温度范围内，第二个在 170 °C 左右，这两个峰可以代表两个独立的固化反应。

不饱和聚酯树脂 (UPR) 的固化是一种自由基聚合，其中树脂从液态转变为刚*交性**联分子结构，要引发反应，需要自由基来源，使用热或催化系统。

图中 b–d 比较了每个样品的液态未固化树脂（连续曲线）和烘箱固化树脂（虚线）的 DSC 曲线。这种比较突出了材料技术数据表中提出的硬化条件适合于使树脂达到令人满意的聚合度。

关于树脂 DAMISOL 和 VOTASTAT，可以观察到在烘箱硬化树脂的 DSC 曲线（参见虚线）中，放热峰消失（参见黑色和红色虚线曲线）。这些结果证明获得了 100% 的固化度 (DC)。

VOLTATEX 树脂具有不同的 DSC 行为，给出了烘箱硬化材料曲线（参下见图中的蓝色虚线曲线），该曲线仍然显示位于 150 和 200 °C 之间的较高温度下的放热峰，表明部分固化程度（ 93.3%)。

热降解行为对于表征材料的热稳定性至关重要，T d5%定义为初始降解温度，通常被认为是评价材料的热降解稳定性。

TGA 和 DTGA 曲线突出表明，这三种树脂表现出以两个阶段为特征的热降解行为，第一个相关步骤实现了 430 °C 左右，第二个热降解事件发生在 480 至 600 °C 之间。

所有样品都显示出相似的 T d5%值，约为 320 °C，这表明所有树脂都具有良好的热稳定性。 正如文献中关于类似系统的报道，这种高热稳定性可能是由于亚胺分子链段和高度交联的分子结构。

2.2. 光谱表征

进行 FT-IR 研究以监测不饱和聚酯酰亚胺树脂的固化反应，不饱和聚酯树脂具有下图a所示的通式，而不饱和聚酯酰亚胺树脂具有相似的结构，但链中也含有五元酰亚胺环，其通式如图中b所示，其中 C 1和 C 2可以是芳香族系统的一部分。链的 C=C 恢复参与生成交联网络的反应，它们通常用于监测所分析树脂组合物的热固过程的进展。

我们所研究树脂的 FT-IR 光谱显示了所描述结构的吸光度特征，正如 DAMISOL 树脂所报告的那样。

下图比较了液态未固化 DAMISOL 树脂的 FT-IR 光谱（见黑色曲线）和同一烘箱固化材料的光谱（见红色曲线），图中显示了整个波数范围内的两个光谱，侧重于 2000 和 600 cm -1之间的范围。

两个样品都在 1510 cm -1处表现出强烈的吸收，归因于聚合物主链中苯环的振动和羰基伸缩振动的信号，最后的吸收包括酯基和酰亚胺功能的 C=O 键。

对于未固化的样品（见黑色曲线），羰基带是 1720 cm -1附近的单一宽信号，而对于烘箱固化样品（见红色曲线），信号在 1725 cm -1附近有一个较高的峰（亚胺 C=O），在较低波数处有一个肩峰，在大约 1703 cm -1处，属于酯 C =O。

在液体样品的光谱中，也出现了属于 C=C 双键伸缩的带，位于约 1638 cm -1处，这在热固化树脂的光谱中不存在。正如已经预料的那样，该条带的消失提供了树脂组合物交联产生热固性聚合物的实验证据。值得注意的是，在对其他两种树脂样品进行的 FT-IR 光谱中也观察到了类似的光谱结果。

2.3. 电气和电磁特性

三种配制材料在 100 Hz 至 1 MHz 频率范围内的宽带电磁特性允许获得它们的复介电常数，从中可以推导出电导率和相对介电常数对频率的依赖性。下图 a、b 显示了电导率和相对介电常数对频率的依赖性。

相对介电常数的实部也称为介电常数，它是材料通过极化储存电能的能力的量度。相对介电常数的虚部也称为介电损耗因数，用于量化与极化相关的损耗。

在分析的频率范围内，我们观察到偶极化，其中出现典型的弛豫行为。 此处报告的数据证明所有分析的树脂都是良好的绝缘体，其电导率接近 10 -10100 赫兹时的 S/米，而VOLTATEX 树脂是一种绝缘性更好的树脂，具有较低的导电性。

tanδ在较低分析频率下的高增加表明所有考虑的树脂都存在界面极化机制 (Maxwell-Wagner)，而 VOTASTAT 情况的增加行为较慢。相反，对于更高的频率，偶极取向极化开始占主导地位，因为它是这种材料的典型特征。

通过查看复介电常数的虚部表示三种考虑的商业树脂的介电损耗，可以确认这种行为。如果考虑三种树脂的复介电常数的虚部和实部的 Cole-Cole图，则会检测到非圆形行为，树脂表现出非德拜材料行为，光谱中没有圆形图表示 β 弛豫现象和相互作用偶极子的存在。

从报告的损耗数据可以看出，VOLTATEX 配方可以保证比较的绝缘系统之间的热耗散较低，是高 PWM 开关频率下绝缘材料的良好候选者。DAMISOL 在 1 kHz 至 100 kHz 范围内的性能与 VOLTATEX 相似，是开关频率有限的 PWM 馈电电机中绝缘系统的良好替代品。

三、结论

电磁表征证明了所有考虑的树脂的电气行为适合于电气绝缘应用，特别是VOLTATEX表现出较低的损耗因子和导电性，而VOTASTAT表现出这些参数的最高值，DAMISOL树脂则表现出一种中间行为。对于这最后一种材料，其相对允差值表现出非常好的性能。

热特性分析表明， 在所分析的材料中，最有希望用于VPI工业应用的是DAMISOL树脂，它显示出良好的热稳定性、高固化度和更具成本效益的加工性。

这种商业体系似乎可以满足热能和节能的要求，也是倒置式电机二次绝缘材料应用中浸渍树脂的良好候选。

参考文献：

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