0 概述
随着机车车辆运行安全要求的逐步提升，对车内带电母线的力学和母线与地之间起电绝缘作用的环氧基布线用小绝缘子（后简称绝缘子）的防火性能要求已由UL94 V0提升到了EN45545 R22 HL3等级。因此，在电气和力学性能不变的情况下，进一步开展环氧树脂基布线用小绝缘子的阻燃性能研究对机车运行安全具有重要意义。
环氧树脂的燃烧过程可分为受热分解、引燃、燃烧传播、稳定燃烧以及燃烧衰减五个阶段。当外部热源作用于材料时，材料温度逐渐升高，热稳定较差的化学键开始发生断裂，产生裂解气体。当裂解气体中可燃气体积累到一定浓度时，可燃气体被引燃并释放大量热量，促使聚合物的分解加速，燃烧传播，最终燃烧衰减直至熄灭[1，2]。
目前，提升环氧树脂阻燃性能的方法主要包括添加卤系、磷系和铝镁系阻燃剂。卤系阻燃剂是一类含有卤素元素并以卤素元素为主要阻燃作用的阻燃剂[3，4]。卤系元素包括F、Cl、Br和I四种，其中Cl和Br是使用最广泛的卤素阻燃元素[5, 6]。卤系阻燃剂主要通过气相发挥阻燃效果。尽管卤系阻燃剂具有良好的阻燃性能，但其燃烧过程会释放大量浓烟和有毒气体，包括卤化氢腐蚀气体以及具有致癌作用的溴代二苯并口恶烷、多溴代二苯并呋喃等物质。另一方面，无机填料如Al2O3和MgO虽然能有效抑制烟雾，但随着添加比例的增加，会显著降低环氧树脂的电气和力学性能[7-9]。近年来改性聚磷酸铵(后简称APP)对环氧树脂阻燃改性研究成为一种新趋势。当前关于APP对环氧树脂阻燃改性的研究较多，其中李树磊[2]研究了一种含有P元素的线性聚合型磷酸酯阻燃剂PDPA与环氧树脂在熔融态下的复合。研究结果表明，当PDPA阻燃剂在环氧树脂中的质量分数达到4%时，阻燃环氧树脂的氧指数达到33.8%。然而，该研究未对阻燃后配方的烟密度、毒性、力学和电气性能进行深入研究。王正洲等人[10]研究了添加7% APP的阻燃环氧树脂，其氧指数为28.8%。与未包覆的APP相比，添加EPAPP和MFAPP的环氧阻燃体系的力学性能有所改善，冲击强度分别提高了100%和150%。然而，该研究未对阻燃后配方的烟密度、毒性和电气性能进行深入研究。王艺会等人[11]研究了不同含量APP以及以APP为主的复配阻燃体系对环氧树脂粘度、可操作时间、固化动力学、热机械性能、力学性能和阻燃性能的影响。当APP质量分数达到20%以上时，垂直燃烧可达UL94 V0等级。然而，高比例的添加APP会增加树脂粘度，不能满足RTM、浇注类产品工艺制作的要求。
本文主要探讨改性APP对环氧基布线用小绝缘子的阻燃、力学和电气性能的影响。
1实验部分
1.1 主要材料
绝缘子所涉原料如表1所示。
表1 实验原料
Tab.1 Experimental materials
表2 绝缘子原料配比表
1.2 测试样品的制备
（1）配料条件：真空搅拌机加热到45℃，按表2配料方式依次将环氧树脂、酸酐、SiO和改性APP倒入真空搅拌锅内，边搅拌边抽真空，当真空度达到-0.1MPa时，停止搅拌，并静置30min。
（2）浇注：将上一步配好的混合料真空环境下缓慢倒入80℃模具内。
（3）固化条件：120℃固化1h，130℃固化5h。
（4）出模：随炉坯料冷却到室温后得到图1所示绝缘子，对其电气和力学性能测试；随炉坯料冷却到室温后得到的样板进行阻燃性能测试。
图1 布线用小绝缘子示意图
Fig.1 Schematic diagram of small insulators for wiring
1.3 性能与表征
本文采用测试方法如下所示：
（1）防火等级：防火测试按EN45545 R22 HL3等级测试，其中包括ISO4589-2氧指数，ISO5659-2烟雾密度，T12 NF X 70-100-1毒性测试。
（2）电气性能：将绝缘子分别在-40℃、25℃、120℃下恒温3小时后按GB/T 775.2-2006《绝缘子试验方法 第2部分 电气试验方法》进行绝缘子击穿电压、表面干闪络电压测试。
（3）力学性能测试：将绝缘子分别在-40℃、25℃、120℃下恒温3小时后按GB/T 775.2-2006《绝缘子试验方法 第3部分 机械试验方法》进行绝缘子拉伸破坏力，扭矩破坏力，压缩破坏力性能测试。
2结果与讨论
2.1 改性APP含量对绝缘子阻燃性能的影响
表3为改性APP含量对绝缘子阻燃性能的影响。从表3可以看到，未添加改性APP时，绝缘子的氧指数仅为28.2%。随着改性APP质量分数的增加，绝缘子的氧指数逐渐上升，而烟密度逐渐降。其主要原因是凝聚相残炭的保护、气相含磷自由基淬灭机理以及物理方面的“吹熄”三方面的协同作用[2]。此外，从表3还可以看到，随着改性APP质量分数的增加，绝缘子的毒性未呈现明显变化，说明环氧树脂基体和改性APP不含有毒物质。
表3 改性APP含量对绝缘子阻燃性能的影响
Tab.3 The impact of Modified APP Content on the Flame retardancy of Insulators
3.2 改性APP含量对绝缘子电气性能的影响
图2为改性APP含量对绝缘子电气性能的影响。从图2a可以看到，随着改性APP质量分数的增加，-40℃、25℃、120℃下恒温3h绝缘子的击穿电压逐渐上升，当质量分数量达到5%时，绝缘子击穿电压达到最高，随后呈下降趋势。其主要原因是改性APP燃烧产生的磷酸等物质促进了聚合物的炭化，碳化层的高电阻降低电场强度，提高了击穿电压。而当改性APP质量分数量超过5%时，由于改性APP和环氧树脂基体之间相容性差，导致其在基体内分布不均匀，从而影响电场中树脂的分布和传递，导致击穿电压下降。从图2b可以看到，随着改性APP质量分数的增加，-40℃、25℃、120℃下恒温3h绝缘子的表面干闪络电压变化不明显。其主要原因是改性APP对绝缘子表面干闪落电压的影响主要有方面：（1）碳化层抑制电子流动，降低表面干闪落电压；（2）改性APP具有弱导电性和吸湿性，一定程度上提高了表面干闪落电压。两者的协同作用使得图2b中绝缘子的表面干闪络电压变化不明显。
从图2中还可以看到温度对绝缘子绝缘性能的一定影响。在相同配方下，-40℃恒温3h绝缘子的击穿电压较25℃绝缘子的平均降低了17.4%。其主要原因是低温条件下，绝缘子表面的水分凝结形成冰层，增加了表面泄漏电流，从而降低了绝缘子的电气性能。
（a）对击穿电压的影响
（b）对表面干闪络电压的影响
图2 改性APP含量对绝缘子电气性能的影响
Fig.2 The impact of Modified APP Content on the Electrical Performance of Insulators
3.3 改性APP含量对绝缘子力学性能的影响
图3为改性APP含量对绝缘子力学性能的影响。从图3可以看到，在相同温度条件下，随着改性APP质量分数的增加，绝缘子的拉伸破坏力、压缩破坏力和扭矩破坏力均呈下降趋势。其主要原因是改性APP和环氧树脂基体之间相容性较差，导致改性APP在基体中分布不均匀从而影响制品的致密性和机械性能[10]。ZhangQ研究表明，刚性粒子在环氧树脂中分散性对其断裂行为有很大的影响，它会改变材料断裂途径和能量释放[12]。
从图3a可以看到，当APP质量分数达到5%时，绝缘子的低温拉伸破坏力为17.6kN，低于《布线用小绝缘子技术规范》中对拉伸破坏力的技术要求（≥19 kN）。而从图3b和图3c中可以看到，改性APP质量分数从0%逐渐增加到6%时，在-40℃、25℃、120℃下恒温3h，绝缘子的扭矩破坏力和压缩破坏力均满足《布线用小绝缘子技术规范》中对扭矩破坏力（≥80 Nm）和压缩破坏力（≥40 kN）的技术要求。
（a）对拉伸破坏力的影响
（b）对压缩破坏力的影响
（c）对扭矩破坏力的影响
图3 改性APP含量对绝缘子力学性能的影响
Fig.3 The impact of Modified APP Content on the Mechanical Properties of Insulators
3结论
（1）当改性APP的质量分数量达到或超过4%时，绝缘子的氧指数、烟密度和毒性均符合EN45545 R22标准中HL3级的要求，其中氧指数≥32%，烟密度≤150，毒性≤0.75。
（2）改性APP的引入并未显著影响环氧树脂本身的电气性能，反而表现出一定的协同补强作用。
（3）在改性APP的质量分数量不超过4%时，绝缘子在-40℃、25℃、120℃下恒温3h的拉伸破坏力≥19 kN，压缩破坏力≥40 kN，扭矩破坏力≥80 Nm满足中车株洲电力机车有限公司《布线用小绝缘子技术规范》中的技术指标要求。
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[12]ZhangQ,HoaS V.Toughening mechanism ofepoxy resinswith micro／nanoparticles[J].J.Compos．Mater.,2007，41(2)：201-219．
作者简介：第一作者：史红岩 女 1985年出生，硕士学历，工程师，研究方向：绝缘材料、复合材料技术研究；
通讯作者：谭艳 女 1976年出生，硕士学历，高级工程师，研究方向：复合材料，绝缘材料技术及可靠性等。
