间位芳纶绝缘纸的温度指数研究

罗艳芝 ，汪 洋 ，李立南 ，黎 勇 ，梁 斌

（1.株洲华先材料科技有限公司，湖南 株洲 412199；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

间位芳纶绝缘纸具有质量轻、强度高、模量高、阻燃及耐化学品性能好等优点，尤其是具有优异的耐高温性能，作为高耐热等级绝缘系统中的重要材料之一，可提高电机、变压器等承受过热和过载能力，在一定程度上为绝缘产品的安全可靠性提供了保障［1］。

目前，芳纶材料的热分析技术包括热重分析法、差热分析法、动态热分析法等已被研究者进行了较为深入的分析研究，但对芳纶材料的使用寿命及最高使用温度研究较少。研究其使用寿命通常采用自然老化、人工加速老化等方法。采用人工加速老化的方法，可缩短试验周期，也可组合因素研究，所以人工加速试验法常用作高分子材料的寿命研究［2］。

文章通过在空气中对间位芳纶绝缘纸进行热老化试验，测定间位芳纶绝缘纸纵向拉伸性能，以其纵向拉伸性能下降至初始值50%为失效指标，利用Arrhenius方程推算芳纶绝缘纸的使用寿命和最高使用温度。

1 实验部分

1.1 试样制备

利用间位芳纶短切纤维、沉析纤维混合备浆，通过网部脱水成形，干燥收卷，再采用高温高压热轧工艺制成厚度约0.05 mm的间位芳纶绝缘纸，经制样后得到250mm×25mm矩形试样。

1.2 实验仪器

多功能纸机，自制；抗张强度取样器，东莞市英特奈森精密仪器有限公司；CMT2202微机控制电子万能试验机：美特斯工业系统（中国）有限公司；GT-7017-EMU换气式热老化箱：高铁检测仪器（东莞）有限公司。

1.3 老化实验

（1）实验条件。耐热老化实验在换气式热老化箱中进行，参照标准是GB/T 11026.1-2003。老化箱的温度控制在GB/T 11026.4给定的偏差范围内，换气速率为5～20次/h。本实验采用的换气式热老化箱经第三方检测机构检定合格，符合GB/T 11026.4对老化烘箱的要求。

（2）实验方案。参照GB/T 11026.1-2012，测定电气绝缘材料的耐热性能，暴露温度点为4个，选择的暴露温度最好是相等间隔，通常间隔为20 k，但不应超过25 k。实验方案选取时，首先应考虑最高暴露温度点的选取与确定，最高暴露温度点应是能使测得的终点平均值时间大于100 h，小于500 h，取样测试间隔时间推荐0、120、240、360、540、672、816、1008 h，最低暴露温度点应是能使测得的终点平均值时间不少于5000 h，取样测试间隔时间推荐 0、504、1248、2016、3024、4032、5040、6480、7200等。本次实验确定暴露温度为300、280、260和235℃。

（3）实验步骤。将尺寸为250 mm×25 mm矩形间位芳纶绝缘纸试样均匀悬挂在烘箱内，将试样在各温度下老化，试样不应接触老化箱的室壁。每组试验测定10个有效试样，试验采用恒速拉伸法，夹具间距180 mm，拉伸速度20 mm/min，测试结果取平均值。参照GB/T 11026.1-2012确定试样初始性能的试样数量应为该性能推荐标准中数量的2倍，因此确定间位芳纶绝缘纸初始抗张强度的试样数量为20片，每个暴露温度下不同老化时间测试间位芳纶绝缘纸的数量为10片。

1.4 测试与表征

老化前后的间位芳纶绝缘纸试样均应按照GB/T 2918-1998进行状态调节后，参照标准ISO1924-1：1992，在微机控制电子万能试验机上分别对老化前后的试样进行抗张强度测试。当间位芳纶绝缘纸老化后的抗张强度值下降至其初始值的50%视为失效。

2 结果与讨论

2.1 老化性能

由图1可知，在4个温度条件下，间位芳纶绝缘纸纵向拉伸性能保持率均随暴露时间 增加而降低，在300℃时下降速度最快，这是因为温度越高，间位芳纶绝缘纸分子链发生降解及分子链间的作用力减弱，造成分子链断裂，分子链间作用力降低，抗张强度下降。

图1 不同温度下间位芳纶绝缘纸的拉伸强度保持率随暴露时间变化曲线

2.2 老化函数

根据GB/T 11026.1-2003 7.6.2标准，老化函数是描述绝对温度与纵向拉伸保持率之间的关系，即Arrhenius方程，见下式（1）。

式中：τ为寿命（性能 50%老化时间，h）；α、β为常数；T为使用的绝对温度，K。

统计300、280、260和235℃四个温度点下温度与寿命数据表1，并模拟出线性回归方程，该材料的老化函数见下式（2）。

间位芳纶绝缘纸寿命对数和绝对温度倒数回归线性相关系数为0.99957，展现了良好的线性关系。通过老化函数推算得出该芳纶绝缘纸暴露20000 h时，TI（θ20000）温度指数为 227℃，HIC（θ20000-θ2000）半差为 39℃。

3 结语

（1）间位芳纶绝缘纸纵向拉伸性能保持率随暴露时间增加而降低。（2）基于Arrhenius方程理论，间位芳纶绝缘纸的绝对温度倒数与暴露时间对数展现了良好的线性关系，并推算得出该间位芳纶绝缘纸暴露时间为20000h时，其温度指数为227℃。