《環氧澆注絕緣子製造方法》是河南平高電氣股份有限公司、平高集團有限公司、國家電網公司於2012年8月9日申請的專利，該專利公布號為CN102831991A，公布日為2012年12月19日，發明人是郝留成、田浩、李宏樓、楊保利、袁端鵬等。
《環氧澆注絕緣子製造方法》包括如下步驟：金屬嵌件表面處理、配製澆注料、金屬嵌件裝模、澆注、固化和脫模，其中，金屬嵌件表面處理步驟包括嵌件噴砂、嵌件清洗和嵌件塗膠，其中嵌件清洗按以下順序步驟進行：（1）90±5℃下氫氧化鈉溶液侵蝕5～20秒；（2）90±5℃熱水洗3～15秒；（3）25±5℃冷水洗3～15秒；（4）25±5℃硝酸洗5～20秒；（5）25±5℃冷水洗3～15秒；（6）25±5℃硫酸類混合酸洗5～15分鐘；（7）25±5℃冷水洗3～15秒；（8）90±5℃熱水洗3～15秒；（9）冷水浸泡至嵌件裝模前取出。該發明提升了金屬嵌件與樹脂基體間的結合力，其結合力相比常規表面處理工藝提升了50%左右，其結合強度可達到55兆帕。
2018年8月，《環氧澆注絕緣子製造方法》獲得第一屆河南省專利獎一等獎。
（概述圖為《環氧澆注絕緣子製造方法》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：環氧澆注絕緣子製造方法
- 公布號：CN102831991A
- 公布日：2012年12月19日
- 申請號：2012102820010
- 申請日：2012年8月9日
- 申請人：河南平高電氣股份有限公司、平高集團有限公司、國家電網公司
- 地址：河南省平頂山市南環東路23號
- 發明人：郝留成、田浩、李宏樓、楊保利、袁端鵬、劉隨軍、王路平
- 專利代理機構：鄭州睿信智慧財產權代理有限公司
- 代理人：趙敏
- 分類號：H01B19/00(2006.01)I、H01B19/04(2006.01)I、H01B19/00、H01B19/04
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
對於高壓開關設備，其電壓等級的高低主要取決於絕緣子的各項電氣性能指標和機械性能指標，電壓等級越高，對絕緣子的要求就越苛刻，2012年8月之前絕緣子機械性能指標採用水壓破壞強度來衡量。對於大型絕緣子，如1100千伏GIS用盆式絕緣子（直徑934毫米，深度365毫米，重量140千克），要求在滿足其電氣性能的前提下必須具有優良的機械性能，即水壓破壞強度必須要達到規定的設計要求，而水壓破壞強度的高低由絕緣子本體的強度和韌性所決定，在絕緣子設計尺寸一定的條件下，其環氧澆注生產中的固化方法則是決定絕緣子本體強度和韌性的關鍵一環。
2012年8月之前，環氧澆注絕緣子常規製造方法主要包括以下工藝過程：模具準備、中心導體等嵌件表面處理、配製澆注料、嵌件裝模、澆注、固化和脫模，其中固化過程是影響澆注件機械性能指標高低的關鍵環節，固化過程總體上有持續升溫、保溫和降溫三個主要階段，固化溫度的高低和固化時間的長短直接影響著澆注件的微觀組織形成和收縮情況，固化溫度過高或者持續升溫較快都會導致氣孔甚至縮孔產生，從而影響澆注件的機械性能。
2012年8月之前所採用的環氧澆注件固化方法主要有兩種：單段固化和兩段固化，其對應的固化度DSC曲線見圖1所示，單段固化和兩段固化分別對應圖中最上端和最下端的曲線，由圖中所示曲線可知，單段固化一般選擇相對較低的固化溫度，通過加長時間來提高固化度，因此，採用單段固化的絕緣子固化度一般偏低，其固化過程中，玻璃化轉變溫度低，且存在明顯的固化放熱峰；而兩段固化則由於第一階段和第二階段溫度差距過大，在第二階段極易導致固化度過高的情況，其固化過程中玻璃化轉變溫度高，且拐點不明顯。採用上述兩種固化方法澆注的絕緣子，其固化度過低時，絕緣子本體偏軟、柔韌，但其強度卻偏小；而過高的固化度雖然絕緣子強度大，但同時脆性也大，增加了開裂的風險。
由圖1中單段固化和兩段固化的DSC曲線可知，絕緣子的強度和韌性與環氧澆注固化度有直接的關聯，對於要求有更高水壓破壞強度的大型絕緣子而言，其澆注工藝必須保證絕緣子具有較高的強度和較好的韌性，採用上述兩種環氧澆注件固化方法生產大型絕緣子顯然不能達到其對機械性能的要求，也就是說其固化過程需要採用一個全新的固化方法，這對絕緣子的環氧澆注工藝提出了一個新課題。
另外，盆式絕緣子中心導體金屬嵌件與樹脂基體的結合力對絕緣子水壓破壞強度也有一定的影響，所以在盆式絕緣子澆注生產過程中，在澆注前須對中心導體等金屬嵌件進行表面處理，以提高金屬嵌件與樹脂基體的結合力，2012年8月之前所採用的常規的表面處理方法是對金屬嵌件進行噴砂和超音波清洗，該處理方法簡單，對於大型盆式絕緣子而言不能滿足其對嵌件與樹脂間結合力的要求。
發明內容
專利目的
《環氧澆注絕緣子製造方法》的目的是提供一種能夠提高中心導體等金屬嵌件與環氧樹脂基體間結合力的環氧澆注絕緣子製造方法。
技術方案
《環氧澆注絕緣子製造方法》包括如下步驟：金屬嵌件表面處理、配製澆注料、金屬嵌件裝模、澆注、固化和脫模，其中，金屬嵌件表面處理步驟包括嵌件噴砂、嵌件清洗和嵌件塗膠，其中嵌件清洗按以下順序步驟進行：
（1）90±5℃氫氧化鈉溶液侵蝕5～20秒；
（2）90±5℃熱水洗3～15秒；
（3）25±5℃冷水洗3～15秒；
（4）25±5℃硝酸洗5～20秒；
（5）25±5℃冷水洗3～15秒；
（6）25±5℃硫酸類混合酸洗5～15分鐘；
（7）25±5℃冷水洗3～15秒；
（8）90±5℃熱水洗3～15秒；
（9）冷水浸泡至嵌件裝模前取出。
進一步的，所述步驟（6）中，硫酸類混合酸洗使用的酸洗液為硫酸與硝酸的混合溶液、硫酸與鉻酸的混合溶液或者硫酸與硝酸、鉻酸的混合溶液。
更進一步，在脫模以後，還有去應力步驟，去應力步驟是將脫模後的絕緣子在145±3℃溫度下保持4±0.5小時。
該發明中的固化方法將固化過程分為三個階段進行（以下將該發明的固化方法簡稱為三段固化），其固化度可以由圖1所示的DSC曲線來定性評價，圖1中，三段固化對應的是中間的曲線，從圖1中三條曲線的對比能夠清楚地說明，該發明通過對固化過程中溫度分布和持續時間的合理控制，使固化過程中持續升溫平緩，並且持續時間適宜，固化過程中玻璃化轉變溫度適中，拐點明顯，且無放熱峰，三段固化使澆注過程具有比單段固化和兩段固化更適宜的固化度，下表是對採用三種固化方法所澆注樣品進行的強度和韌性試驗的數據：
固化類型 | 拉伸強度（兆帕） | 楊氏模量（兆帕） | 斷裂伸長率（%） |
|---|---|---|---|
單段固化 | ＜70 | ＜12000 | ＜1 |
兩段固話 | ＜70 | ＞14000 | ＜0.8 |
三段固化 | 80-90 | 13300-13700 | 0.85-0.95 |
通過對上述表格中的試驗數據以及圖2、圖3電鏡圖的比較，單段固化的晶粒粗大且不均勻，易屈服導致強度小，斷裂伸長率大；兩段固化的材料偏脆，易脆裂導致強度小，斷裂伸長率小；使用三段固化的盆式絕緣子相對於使用單段固化的盆式絕緣子而言，晶粒均勻且細小，大幅度提升了絕緣子組織的緊密型和均勻性，進一步的使絕緣子整體強度得到了明顯提升，相對於單段固化和兩段固化，採用三段固化獲得的澆注件在具有較高的強度時也具有較高的韌性，綜合機械性能優良。三段固化方法使生產符合使用要求的大型盆式絕緣子成為可能，採用該發明的方法製造的規格為直徑934毫米、深度365毫米、重量140千克的盆式絕緣子，在經歷10次冷熱循環試驗後，水壓破壞強度高達4.4兆帕，另外，絕緣子的單位厚度擊穿強度能夠達到35千伏/毫米，保證了絕緣子的電性能。
改善效果
《環氧澆注絕緣子製造方法》在三段固化的第一階段保溫初始採用0.05兆帕加壓措施，能夠減少澆注件因固化收縮引起的收縮紋等缺陷，這對於大型澆注件有較為重要的意義。
該發明中，對於絕緣子中心導體等金屬嵌件採用噴砂、清洗與塗膠相結合的表面處理工藝，由於清洗過程採用不同溶液的反覆清洗步驟，不僅能夠去除中心導體等嵌件表面層物質，同時還能使經噴砂處理的嵌件表面起伏均一而密實，從而提升了中心導體與樹脂基體之間的結合力；使用常規噴砂加超音波清洗的方式，樹脂與金屬的結合強度僅為25兆帕左右，而該發明的金屬嵌件與樹脂間的結合強度可達到55兆帕左右，其結合力相比常規表面處理工藝提升了大約50%，為盆式絕緣子水壓破壞性能的提升奠定了基礎。
該發明中，在脫模之後採用145±3℃/4小時去應力處理，充分釋放了盆式絕緣子的固化內應力，並且時間恰當，不會引起脆性變化。
附圖說明
圖1是單段固化、兩段固化和該發明三段固化絕緣子固化度的DSC曲線對比；
圖2是環氧澆注後按單段固化方法形成的盆式絕緣子微觀組織4000倍電鏡圖；
圖3是環氧澆注後按照該發明三段固化方法形成的盆式絕緣子微觀組織4000倍電鏡圖；
圖4是該發明中三段固化溫度—時間曲線圖；
圖5是該發明環氧澆注絕緣子製造方法實施例1的流程圖。
權利要求
1.《環氧澆注絕緣子製造方法》其特徵在於：包括如下步驟：金屬嵌件表面處理、配製澆注料、金屬嵌件裝模、澆注、固化和脫模，其中，金屬嵌件表面處理步驟包括嵌件噴砂、嵌件清洗和嵌件塗膠，其中嵌件清洗按以下順序步驟進行：
（1）90±5℃氫氧化鈉溶液侵蝕5～20秒；
（2）90±5℃熱水洗3～15秒；
（3）25±5℃冷水洗3～15秒；
（4）25±5℃硝酸洗5～20秒；
（5）25±5℃冷水洗3～15秒；
（6）25±5℃硫酸類混合酸洗5～15分鐘；
（7）25±5℃冷水洗3～15秒；
（8）90±5℃熱水洗3～15秒；
（9）冷水浸泡至嵌件裝模前取出。
2.根據權利要求1所述的環氧澆注絕緣子製造方法，其特徵在於：所述步驟（6）中，硫酸類混合酸洗使用的酸洗液為硫酸與硝酸的混合溶液、硫酸與鉻酸的混合溶液或者硫酸與硝酸、鉻酸的混合溶液。
3.根據權利要求1或2所述的環氧澆注絕緣子製造方法，其特徵在於：在脫模以後，還有去應力步驟，去應力步驟是將脫模後的絕緣子在145±3℃溫度下保持4±0.5小時。
實施方式
- 實施例1
如圖5所示，《環氧澆注絕緣子製造方法》包括如下步驟：
1、模具準備：主要由模具處理、中心導體等金屬嵌件表面處理、嵌件裝模和模具預烘組成；
2、配製澆注料：在樹脂預烘、固化劑預烘和填料預烘完成後進行配料，然後再靜態混料；此步驟與對應的常規步驟相同；
3、真空澆註：與常規澆注方式相同；
4、固化：固化步驟為三段固化，三段固化由如下順序的三個階段組成，見圖4所示，第一階段：在2小時內由常溫持續升溫至105℃，並保溫15小時，此保溫15小時中的前6小時採用0.05兆帕加壓保溫；然後進入第二階段：在1小時內由105℃持續升溫至150℃，並保溫15小時；接著進入第三階段：在1小時內由150℃持續升溫至155℃，並保溫5小時；
5、脫模；
6、去應力處理：去應力步驟是將脫模後的絕緣子在145℃溫度下保持4小時。
其中，步驟1中的中心導體等金屬嵌件表面處理依次由嵌件噴砂、嵌件清洗和嵌件塗膠組成，其中嵌件清洗步驟按以下順序步驟進行：
（1）90℃氫氧化鈉溶液侵蝕12秒；由於噴砂處理後的金屬嵌件表面上形成了凸凹不勻的多孔結構，並且嵌件表面存在氧化層，噴砂後用氫氧化鈉溶液將該氧化層侵蝕掉，熱的鹼液能將嵌件表面上的微孔擴大，確保了嵌件表面孔內孔外的氧化層能被侵蝕徹底；
（2）90℃熱水洗9秒；採用與鹼液相同溫度的熱水能使嵌件表面的微孔保持原有擴孔狀態不縮孔，便於將孔內孔外表面附著的殘留鹼液和雜質洗去；
（3）25℃冷水洗9秒；進一步的清洗嵌件表面的殘留物，提高表面潔淨度；
（4）25℃硝酸洗12秒；該步驟採用硝酸進行酸鹼中和，去除嵌件表面的鹼蝕層；
（5）25℃冷水洗9秒；該步驟洗去嵌件表面附著的殘液和雜質；
（6）25℃硫酸類混合酸洗9分鐘；酸洗液可以採用硫酸與硝酸的混合溶液、硫酸與鉻酸的混合溶液或者是硫酸與硝酸、鉻酸的混合溶液；該步驟是為了消除嵌件表面的毛刺尖峰等，使嵌件表面凸凹均勻一致，以提高與樹脂的結合力；
（7）25℃冷水洗9秒；去除嵌件表面附著的殘留酸液和雜質；
（8）90℃熱水洗9秒；採用熱水再次在擴孔狀態下清洗，徹底清除孔內孔外表面的殘留物；
（9）冷水浸泡至嵌件裝模前取出。經過上述步驟處理後的嵌件表面若與空氣接觸一定時間極易被氧化，產生的氧化層會降低與樹脂的結合力，所以在澆注裝模前將嵌件浸泡於冷水中以隔離空氣，防止被氧化，直到待澆注時將嵌件從水中取出裝模。
- 實施例2
該實施例的環氧澆注絕緣子製造方法與實施例1的不同之處在於：步驟1中金屬嵌件的清洗步驟按以下順序步驟進行：
（1）95℃氫氧化鈉溶液侵蝕5秒；
（2）95℃熱水洗3秒；
（3）30℃冷水洗3秒；
（4）30℃硝酸洗5秒；
（5）30℃冷水洗3秒；
（6）30℃硫酸類混合酸洗5分鐘；酸洗液可以採用硫酸與硝酸的混合溶液、硫酸與鉻酸的混合溶液或者是硫酸與硝酸、鉻酸的混合溶液；
（7）30℃冷水洗3秒；
（8）95℃熱水洗3秒；
（9）冷水浸泡至嵌件裝模前取出。
另外，步驟4中，固化由以下順序的三個階段組成，第一階段：在1.5小時內由常溫持續升溫至102℃，並保溫15.5小時，此保溫15.5小時中的前6小時為0.05兆帕加壓保溫；然後進入第二階段：在0.5小時內由102℃持續升溫至147℃，並保溫15.5小時；接著進入第三階段：在0.5小時內由147℃持續升溫至152℃，並保溫5.5小時。
步驟6中，去應力步驟是將脫模後的澆注件在142℃溫度下保持4.5小時。
實施例3：該實施例的環氧澆注絕緣子製造方法與實施例1的不同之處在於：步驟1中金屬嵌件的清洗步驟按以下順序步驟進行：
（1）85℃氫氧化鈉溶液侵蝕20秒；
（2）85℃熱水洗15秒；
（3）20℃冷水洗15秒；
（4）20℃硝酸洗20秒；
（5）20℃冷水洗15秒；
（6）20℃硫酸類混合酸洗15分鐘；酸洗液可以採用硫酸與硝酸的混合溶液、硫酸與鉻酸的混合溶液或者是硫酸與硝酸、鉻酸的混合溶液；
（7）20℃冷水洗15秒；
（8）85℃熱水洗15秒；
（9）冷水浸泡至嵌件裝模前取出。
另外，步驟4中，固化由以下順序的三個階段組成，第一階段：在2.5小時內由常溫持續升溫至108℃，並保溫14.5小時，此保溫14.5小時中的前6小時為0.05兆帕加壓保溫；然後進入第二階段：在1.5小時內由108℃持續升溫至153℃，並保溫14.5小時；接著進入第三階段：在1.5小時內由153℃持續升溫至158℃，並保溫4.5小時。
步驟6中，去應力步驟是將脫模後的澆注件在148℃溫度下保持3.5小時。
上述三個實施例中的步驟4，三段固化中第一階段保溫過程中前6小時採用0.05兆帕加壓保溫措施，均是為了減少絕緣子因固化收縮引起的收縮紋等缺陷，加壓補縮對於大型絕緣子有較為重要的意義，而對於小型絕緣子則可以在不予加壓下保溫即可。
榮譽表彰
2018年8月，《環氧澆注絕緣子製造方法》獲得第一屆河南省專利獎一等獎。
