环氧化物（环氧树脂）的应用与发展

如上所述，聚酯是1942年诞生的，而环氧化物直到1947年才得到商业化应用。早期的大多数环氧化物，在室温下是无溶剂热塑性的固体，因此并不很适合作为低黏度的浸漆树脂使用。固态的环氧树脂可以与一些低黏度单功能的环氧化物，如缩水甘油醚混合，制成一种在室温下的黏稠液体。不过，这种混合物固化后不具有高分子量固态树脂具有的机械强度、热变形温度或高温电气性能。环氧树脂的确在某些方面超过了20世纪50年代初、中期常用的聚酯树脂。环氧化物经固化成为更牢固的聚合物，并且热稳定性有所改善。环氧分子团是不稳定的，并且很易于与带有机动氢原子的分子团构成的复合物发生化学反应，这些分子团包括羧基、羟基以及氨基等，产生的化学反应或称交联反应，即当这些树脂与上述复合物混合时，将发生分子的聚合（伸长）反应，并且形成横向键链接。这种交联反应导致形成固态、稳定的聚合物，其硬化过程中收缩很少，仅为0.05%～2%，对比一下，聚酯复合物的收缩可以达到10%之多。美国通用电气公司（GE）曾在1915年前后就首次在绝缘结构中采用了沥青云母剥片，此后继续进行研究，在材料上做了改变，最终形成的沥青云母线圈绝缘结构的产权一直维持到20世纪80年代。GE公司采用了较高百分比的快干油制作沥青基树脂，既用于绝缘带的初始结构，也用于缠包绝缘带时对各层之间刷涂清漆。正如在第3.1节中讨论过的，由沥青树脂衍生的各种材料，在制造的几个阶段都不能得到充分热固化。由此带来的问题是，发电机额定容量的增加以及随之增加的定子槽长度，致使频繁发生发电机定子线圈绝缘分层故障，从而使其与西屋电气公司采用的沥青基云母剥片绝缘结构经验相比，晚了5～7年。

20世纪40年代晚期，GE公司着手寻找一种改进的热固化树脂结构，开发了几种新型的包括聚酯在内的聚合物化学产品。为了满足定子线圈优质绝缘结构的要求，GE公司选择了环氧化学制品，试图研制一种环氧体系，使缠包好的线圈不再依靠低黏度、含有活性固化剂的树脂进行浸漆。因为这样的树脂常常需要冷冻储存，以抑制黏度的增加。对于从高分子量的早期树脂开发出来的MicapalⅠ^TM绝缘结构（见第4.2.2节），其绝缘带和涂漆都含有一种溶剂，以混合溶解树脂和固化剂或共反应剂。随着至今仍在使用的含溶剂的沥青基云母剥片绝缘结构的引入，环氧也发展成为被称作“多胶”的系统，即绝缘带的黏结和填充全部用树脂，包括绑带和在线圈上缠包绝缘带时层间的刷漆。

固化环氧树脂有几种方法。最常见的固化媒介是路易斯碱，如胺和氨基化合物；路易斯酸，如三氟化硼；以及其他的材料，包括酚类、有机酸和酸酐。醇酸树脂从1926年起就开发成功并用作涂料和保护外层，因此GE公司有非常丰富的使用经验。醇酸树脂是多羟基醇和多价酸或酸酐化学反应的生成物，用同样的方法还可以制出聚酯。20世纪40年代晚期，这些从各种醇类和有机酸类制出的材料，因价格合理而使应用非常广泛。环氧与有机酸的固化反应取决于酸中的羧基。等值摩尔数比率的羟基和羧基进行反应时，大多数分子团都在酯化反应生成醇酸树脂和聚酯树脂过程中耗尽，以致这样的材料很难再与环氧树脂发生反应。如果还有剩余酸的话，没有用完的羧基将可以用其剩余部分与环氧基发生反应固化这个结构，而且基本上没有挥发性副产品。这种醇酸树脂被称作高酸值树脂。通过选择中等长度碳链的有机酸，如具有6个碳原子的己二酸，与甘油和具有3个羟基的三碳乙醇进行反应，最后生成的就是甘油己二酸树脂。当5摩尔的己二酸与4摩尔的甘油进行反应时，生成高酸值聚酯，其平均分子量大约为800。用这种树脂作为环氧树脂的固化剂或共反应剂，添加到环氧的配方中，将提高坚韧度，而且不会脆裂。GE公司用这种化学的变种，制出了称作MicapalⅠ的环氧黏合云母高压主绝缘结构。GE公司直到20世纪90年代还生产这种绝缘结构。

前面叙述过的用于沥青基结构的VPI循环技术，现在发展成新型环氧结构的液压模制和固化循环的技术，但仍然沿用的是旧式绝缘结构使用的同样的处理设备。在沥青云母结构中，主绝缘的表层上附着一些罐液沥青，这是无害的。然而，环氧云母绝缘结构的表层存在这种罐液沥青则是一种污染，因此开发出一种定形酸和牺牲材料结构，用于从主绝缘包层去除罐液沥青。当一批尚未固化的线圈或线棒装入空的浸漆罐中以后，先逐步加热升温，同时抽真空，以便除去全部的溶剂、湿气和原始包带中的空气。当罐中涌进滚热的沥青的同时，就开始通入压缩气体，通常是氮气，气体压力经液力传递到定形酸和绝缘层的下面，压缩并使它们成型为一个致密、基本上无空隙的高压绝缘结构。有压力的滚热液态沥青的热量也被传递到线圈上，在经过8～10h以后就使环氧复合体得到固化。通风排掉氮气并撤去加在线圈上的压力载荷，冷却到室温以后，再除去牺牲材料和定形酸，然后逐个对线圈槽部施加适当的半导体涂层，对线圈槽端部则施加碳化硅涂层，以及识别厂商用的特定色彩的环氧涂漆。(www.xing528.com)

与西屋电气公司向其他电动机和发电机制造商特许生产的斯玛拉斯蒂克（Thermallastic）真空压力浸漆（VPI）制造体系和材料一样，GE公司把环氧云母纸和多胶技术特许给了其合作伙伴。当早期的专利到期以后，其他的制造商也开发了他们自己的绝缘结构，采用VPI和多胶技术二合一。区别之一是多胶的压力固化，是把包好的线圈或线棒整个置于规定压力的成型设备中进行线圈成型。人们找到一种超级多胶带，对线圈伸出槽部之外的部分仅仅使用定向热缩绑带进行压缩和固化，这种热缩带由聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）薄膜制成。

这两个发电机制造商从使用沥青树脂的工艺过程出发，开发出了完全不同的、至今仍在继续使用的多胶和VPI工艺。低黏度聚酯绝缘结构发展成VPI结构，而早期的高分子量而且黏稠的环氧化物采用多胶工艺也变得非常容易操作。几年之内，用环氧技术就开发出多种无溶剂液态树脂和硬化剂材料，既适用于加压固化也适用于VPI技术。不过，各个电动机和发电机制造商又对这些基本工艺中的一项或几项进行改造，开发出各自的加工设备和相关的绝缘材料，但主体工艺是难于改变的。今天，环氧树脂已经广泛用于加压固化、VPI（真空浸漆）和GVPI（整体真空浸漆）处理工艺。事实上，现今所有大型发电机定子绕组的制造，都是优先选用环氧而非聚酯。