Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội

Phạm xn thọ

Nghiên cứu máy biến áp khơ
Có cuộn dây đúc EPOXY
CHUYÊN Ngành: Kỹ THUậT điện

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
CHUYÊN Ngành: Kỹ THUậT điện

Người hướng dẫn: ts bùi đức hùng

Hà nội – 2012


Mở Đầu
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển không ngừng, đặc biệt là các
ngành khoa học ứng dụng, khoa häc vËt liƯu míi, sinh häc...vv. ChÝnh sù ph¸t
triĨn cđa các ngành khoa học này đà mang lại nhiều lợi ích về kinh tế, chính
trị cho mọi quốc gia trên thế giới. Kéo theo nó là nền kinh tế năng động, tăng
tr-ởng v-ợt bậc năm sau luôn cao hơn năm tr-ớc, đời sống sinh hoạt của nhân
dân ngày càng đ-ợc cải thiện. Tốc độ phát triển kinh tế của một đất n-ớc luôn
đòi hỏi theo nó tốc độ phát triển của ngành Điện lực. Thông th-ờng tốc độ
phát triển này cao hơn khoảng từ 20 đến 30% tốc độ phát triển của nền sản
xuất, do đó đòi hỏi ngành chế tạo máy điện phải có những yêu cầu cao hơn về
chất l-ợng và số l-ợng. Thành phần chính không thể thiếu đ-ợc trong mạng
l-ới điện đó là máy biến áp.
Về lịch sử phát triển của máy biến áp thì vào năm 1885 chiếc máy biến
áp khô một pha đầu tiên ra đời, sau vài năm, năm 1893 chiếc máy biến áp khô

ba pha 9,6kV đ-ợc chế tạo tại Thụy Điển nh-ng tất cả chúng đều bị giới hạn
về điện áp và nhiệt độ dẫn đến bị hạn chế về công st, kÝch th-íc to, cång
kỊnh, chi phÝ vËt liƯu t¸c dụng lớn. Nh-ng đến năm 1900 máy biến áp sử dụng
dầu làm cách điện và làm mát lần đầu tiên đ-ợc sử dụng. Ưu điểm của dầu là
có điểm chớp cháy cao, làm mát tốt nên có thể chế tạo máy biến áp có cấp
điện áp đến vài trăm kilôvôn, công suất đến hàng trăm mega oat [1], [2], [3],
[4]. Vào những năm 50 của thế kỷ tr-ớc, ngành khoa học vật liệu mới
Composite phát triển mạnh ở các n-ớc phát triển và ng-ời ta đà ứng dụng nó
làm vật liệu cách điện cho máy biến áp. Kết quả là từ đó đến nay số l-ợng
máy biến áp khô đúc epoxy đ-ợc tiêu thụ rất nhiều trên thế giới và là ngành
sản xuất chủ lực của một số hÃng nổi tiếng nh- ABB, Schneider,
SIEMENS..vv. So với máy biến áp dầu thì máy biến áp khô đúc epoxy có
nhiều -u việt hơn nh- khả năng chống cháy tốt, ít hút ẩm, không gây ô nhiễm
môi tr-ờng nên rất thích nghi với những nơi có mật độ dân c- cao, các công
trình gần biển, công trình ngầm...

-1-


Đối với n-ớc ta, nhu cầu sử dụng máy biến áp khô trong việc phân phối,
truyền tải điện năng ngày càng nhiều. Nguyên nhân là do quá trình đô thị hoá
nhanh ở các thành phố lớn nh- Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng,
Bình D-ơng vv cùng với sự phát triển của nền kinh tế nên rất nhiều trung
tâm th-ơng mại, các toà nhà cao ốc, khu đô thị mới, nhà hàng khách sạn, khu
vui chơi giải trí, khu liên hiệp thể thao, bệnh viện, khu công nghiệp mới mọc
ra. Ngoài ra t-ơng lai không xa n-ớc ta còn xây dựng các tuyến tầu điện ngầm
để thuận lợi cho việc đi lại của ng-ời dân và liên kết những nền kinh tế trọng
điểm với nhau. Đây là những nơi có nhu cầu sử dụng máy biến áp khô nhằm
đảm bảo an toàn cho con ng-ời và nâng cao độ ổn định cung cấp điện. Bên
cạnh đó khi n-ớc ta héi nhËp víi nỊn kinh tÕ thÕ giíi th× việc cam kết bảo vệ

môi tr-ờng cũng là vấn đề rất quan trọng và cấp bách luôn đ-ợc đặt lên hàng
đầu. Máy biến áp khô do không sử dụng dầu làm môi tr-ờng cách điện nên
thân thiện với môi tr-ờng hơn.
Do thấy đ-ợc nhiều -u việt của máy biến áp khô đem lại mà trong
khoảng thời gian gần đây nhiều công ty, nhà máy đà đầu t- mới hoặc thay thế
từng b-ớc các máy biến áp dầu bằng các máy biến áp khô. Trong số đó tự
dùng 630kVA 6.3kV từ máy biến áp dầu do Liên Xô tr-ớc đây chế tạo bằng
máy biến áp khô để tăng độ tin cậy cung cấp điện và giảm cho phí bảo d-ỡng
hàng năm. Ngoài ra còn nhiều nơi nh- đ-ờng hầm đèo Hải Vân, các mỏ khai
thác than Quảng Ninh, các sân bay, các nhà máy thuỷ điện (phụ lục), nhiệt
điện, các bệnh viện lớn nh- Bạch Mai, Việt Pháp, Việt Đức, khu Hội nghị
Quốc gia và các nhà máy xi măng, sắt thép khác cũng đà và đang có nhu cầu
sử dụng máy biến áp khô. Nhằm chủ tr-ơng nội địa hoá tất cả các sản phẩm
theo lộ trình của chính phủ thì việc nghiên cứu chế tạo máy biến áp khô phục
vụ cho ngành điện lực là rất cần và không thể thiếu đ-ợc trong nền kinh tế
năng động nh- ở n-ớc ta. Vì vậy, việc nghiên cứu về máy biến áp khô là đề tài
mang tính thực tiễn cao và có tính thời sự trong giai đoạn phát triển hiện nay
của đất n-ớc nói chung và ngành Điện lực nói riêng. Cũng vì lý do đó, để

-2-


hoàn thành khóa đào tạo thạc sĩ kỹ thuật tại tr-ờng ĐHBK Hà Nội, tác giả đÃ
lựa chọn đề tài: Nghiên cứu máy biến áp khô có cuộn dây đúc Epoxy để
thực hiện làm luận văn tốt nghiệp của mình.
Nội dung của luận văn đ-ợc chia làm 5 ch-ơng và phần phụ lục cụ thể
nh- sau:
Ch-ơng 1: Tổng quan máy biến áp khô:
Ch-ơng này tóm tắt lý thuyết chung về máy biến áp và đi sâu phân tích
các -u nh-ợc điểm của máy biến áp khô có cuộn dây đúc Epoxy so với máy

biến áp dầu và các loại máy biến áp khô khác hiện có trên thị tr-ờng.
Ch-ơng2: Khái quát về vật liệu Epoxy (Compsile):
Ch-ơng này trình bày khái l-ợc về lịch sử chế tạo ra Epoxy và các ứng
dụng của nó trong nền kinh tế quốc dân.
Ch-ơng 3: Tính toán và công nghệ chế tạo máy biến áp khô có cuộn
dây đúc epoxy.
Ch-ơng này trình bày về những yêu cầu cũng nh- ph-ơng pháp lựa chọn
các thông số trong thiết kế và các công nghệ đặc tr-ng trong chế tạo máy biến
áp khô có cuộn dây đúc Epoxy.
Ch-ơng 4: ảnh h-ởng của nhiệt độ, khả năng quá tải trong máy biến
áp khô và các biện pháp bảo vệ.
Ch-ơng 5: Ph-ơng pháp mô tả máy biến áp và lực điện từ:
Đây cũng là phần mang tính chất chuyên đề, nghiên cứu về lý thuyết
phân tích máy biến áp trên cơ sở hệ ph-ơng trình Maxwell.
Phần phụ lục, trình bày một số bản vẽ thiết kế máy biến áp khô của
Công ty Cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội và thống kê số l-ợng máy biến áp
khô đang đ-ợc sử dụng tại các nhà máy thủy điện trong cả n-ớc.
Và cuối cùng là kết luận của Luận văn, tài liệu tham khảo và phần
phụ lục.

-3-


Do thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên chắc chắn
luận văn không thể tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đ-ợc sự đóng
góp ý kiến của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp.
Tác giả

Phạm Xuân Thọ


-4-


Ch-ơng 1
Tổng quan về máy biến áp khô

1.1. Nguyên lý làm việc của máy biến áp
Nguyên lý làm việc cơ bản của máy biến áp là dựa trên hiện t-ợng cảm
điện từ. Khi cho điện áp u1 vào cuộn dây sơ cấp thì trong dây quấn xuất hiện
dòng điện i1, dòng điện này sẽ tạo ra từ thông chảy trong lõi thép, từ thông
sẽ cảm ứng trong dây quấn thứ cấp một sức điện động e 2, dây quấn thứ cấp mà
đ-ợc nối với tải thì trong dây quấn thứ cấp cũng sẽ có dòng điện i 2. Nh- vậy
máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi hệ thống điện có điện áp u 1 (và dòng điện i1
tần số f1 ) thành hệ thống điện có điện áp u2 (và dòng điện i2 tần số f2 = f1).
Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy biến áp nh- hình 1.1
Lõi thép



I2

I1
~

+
u1
-

+
e1


N1

N2
e2

-

+
+
u
e2 2
-

Dây quấn

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp
Trong đó:
U1,I1, N1 - điện áp - dòng điện, số vòng dây phía sơ cấp
U2, I2, N2 - điện áp, dòng điện, số vòng dây thứ cấp
: Từ thông chính

Ztải: Tổng trở của tải
1.2. Ưu, nh-ợc điểm của máy biến áp dầu và máy biến áp khô
1.2.1. Máy biến áp dầu.
- Ưu điểm

-5-

Ztải



+ Công nghệ chế tạo đơn giản.
+ Do dầu có điện áp cách điện cao, làm mát tốt nên có thể chế tạo máy biến
áp có điện áp đến hàng trăm kV, công suất đến hàng trăm ngàn kVA.
+ Giá thành rẻ hơn rất nhiều so với máy biến áp khô cùng loại.
+ Khả năng quá tải lớn do điều kiện làm mát tốt.
- Nh-ợc điểm
+ Không thích hợp ở những nơi có yêu cầu cao về phòng chống cháy nổ, các
công trình gần biển, các khu đông ng-ời, các nhà máy hoá chất, hầm lò....
+ Gây ô nhiễm môi tr-ờng khi máy biến áp làm việc cũng nh- khi bị sự cố.
Nguyên nhân là máy sử dụng dầu lỏng làm mát và cách điện. Do đó khi làm
việc hay sự cố các khí độc nh- NO2, SO2 vv, sinh ra thải ra môi tr-ờng xung
quanh gây ô nhiễm và ảnh h-ởng đến sức khoẻ của con ng-ời.
+ Không thuận lợi cho lắp đặt gần tải tiêu thụ do có thể xảy ra hoả hoạn, cháy
nổ.
+ Th-ờng xuyên phải bảo d-ỡng do đó chi phí cho vận hành lớn.
+ Không gian lắp đặt rộng hơn so với máy biến áp khô có cùng công suất.
+ Khả năng vận chuyển đi xa khó khăn hơn. Do đó phạm vi ứng dụng của
máy biến áp dầu là những nơi ít ng-ời qua lại, có yêu cầu phòng chống cháy
nổ không cao và các nhà máy xí nghiệp có vốn đầu t- ban đầu bị hạn chế.
1.2.2. Máy biến áp khô
- Ưu điểm:
+ Không gây ô nhiễm môi tr-ờng và bảo vệ sức khoẻ con ng-ời: Vấn đề bảo
vệ môi tr-ờng đang là vấn đề cấp bách của bất kỳ quốc gia nào trên thế giới.
Do máy biến áp khô không sử dụng dầu làm cách điện, nên không sinh ra khí
ga, khí độc khi làm việc cũng nh- khi bị sự cố. Bảng 1 d-ới đây thống kê các
thành phần khí sinh ra ở nhiệt độ khác nhau của epoxy nh- sau:

-6-



Bảng 1: Thành phần khí sinh ra khi epoxy ở các nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ thử nghiệm

4000C

60000C

8000C

Cácbon monoxide

CO

2,5%

3,7%

3,4%

Cácbon dioxide

CO2

5,2%

54%

49,1%


Sulpurous anhydrie

SO2

0,2%

0,17%

0,18%

Nitrogen monoxide NO

0

0

0

Nitrogen dioxide

0

0

0

NO2

+ Có khả năng chống cháy và dập cháy tốt hình 1.2. Đây là khả năng -u việt

nhất của máy biến áp khô so với máy biến áp dầu. Nó rất thích hợp cho những
nơi cần an toàn cao về phòng chống cháy nổ nơi có đông ng-ời qua lại.

+ Chịu đ-ợc môi tr-ờng có bụi bẩn, độ ẩm lớn, môi tr-ờng hoá chất và hơi
n-ớc biển. Do đặc tr-ng về tính chất lý, hoá học của vật liệu epoxy bao bọc
toàn bộ cuộn dây nên nó hoàn toàn chịu đ-ợc môi tr-ờng trên.
+ Có khả năng kháng đ-ợc dòng ngắn mạch lớn. Cuộn dây hạ áp, cao áp đ-ợc
cuốn bằng dây dẫn có hình dạng đặc biệt và đ-ợc tẩm, đúc bằng nhựa epoxy
tạo thành một khối rắn, vững chắc nên có khả năng chịu đ-ợc lực điện từ lớn.
+ Tổng kích th-ớc lắp đặt nhỏ hơn so với máy biến áp dầu.
+ Có thể lắp đặt gần phụ tải tiêu thụ nên tiết kiệm đ-ợc cáp hạ áp và diện tích
lắp đặt.

-7-


+ Chi phí cho bảo d-ỡng hàng năm ít. Do máy biến áp khô không sử dụng dầu
nên hàng năm không cần kiểm tra cách điện.
+ Có khả năng chịu quá tải thêm đến 40% nếu có thêm quạt thổi c-ỡng bức.
+ Có khả năng chịu đ-ợc xung điện áp lớn (đến 200kV với điện áp định mức
35kV). Do cuộn dây đ-ợc đúc bằng epoxy nên cách điện đ-ợc tăng c-ờng.
Mặt khác hai dòng dây kế nhau đóng vai trò nh- hai bảng cực của một tụ điện
làm phân bố điện áp các vòng dây đều hơn.
+ Tuổi thọ cao có thể lên đến 30 năm
+ Có khả năng vận chuyển đi xa.
- Nh-ợc điểm:
+ Công nghệ đúc cuộn dây cao áp phức tạp đòi hỏi kỹ thuật cao.
+ Do cách sản xuất hiện nay, chúng ta mới chế tạo đ-ợc với cấp công suất
nhỏ, những máy ch-a chế tạo đ-ợc toàn bộ mà phải nhập khẩu nguyên chiếc
hoặc cuộn dây từ n-ớc ngoài thì giá thành đắt gấp 3-4 lần máy biến áp dầu

cùng công suất sản xuất trong n-ớc.
+ Công suất, cấp điện áp bị giới hạn. Nguyên nhân do điều kiện làm mát và
khả năng cách điện của vật liệu cách điện khô.
- Khả năng làm mát kém.
1.3. Phân loại máy biến áp khô:
Trên thị tr-ờng hiện nay có hai loại máy biến áp khô đó là: Máy biến áp khô
đ-ợc cuốn bằng giấy cách điện và loại máy có cuộn dây đúc epoxy.
1.3.1. Máy biến áp khô đ-ợc quấn bằng giấy cách điện:
Loại máy này dây quấn đ-ợc bọc cách điện bằng giấy cấp F (1250) hoặc H
(1150c) nh- giấy Nomex, kaptofilm, vải thuỷ tinh.... Hình 1.3 thể hiện máy sử
dụng giấy Nomex, làm cách điện. Về công nghệ chế tạo mạch từ máy biến áp
loại này không khác gì so với máy biến áp khô đúc bằng epoxy. Cuộn dây sau
khi cuốn xong đ-ợc đ-a vào tẩm sấy trong môi tr-ờng chân không để tăng độ
bền cơ và cách điện cho cuộn dây. Gần đây nhà máy Dupton ở Mỹ đà chế tạo
ra loại giấy Nomex loại 414 và 410,... vv phục vụ cho ngành chế tạo thiết bị

-8-


điện có điện áp làm việc lên đến 36kV. Các hình vẽ và bảng sau đây thể hiện
đặc tính điện và cơ của giấy cách điện Nomex loại 414 của hÃng Dupton
(Mỹ).

Bảng 1.2: Đặc tính cách điện của giấy Nomex loại 414
Chiều dày (mm)

0.09

0.18


0.25

0.3

0.38

+ Điện áp AC (kV/mm)

24

30

29

30

30

+ Xung (kV/mm)

43

51

51

51

47


+ ở 60 Hz

1,7

2,5

2,7

2,8

2,9

+ ở 1kHz

1,7

2,5

2,7

2,8

2,9

Độ biến phóng điện

Hằng số điện môi

Bảng 1.3: Đặc tính cơ của giấy Nomex loại 414
Chiều dày (mm)


0.09

0.18

0,28

0,3

0,38

Trọng l-ợng (g/m2)

83

176

252

309

398

Độ bền kéo (N/cm)

57

172

229


291

341

Độ giÃn dài (%)

7,4

13,1

13

14,1

12,8

-9-


Bảng 1.4 ; ảnh h-ởng của độ ẩm dến độ bền cơ giấy Nomex loại 141
Độ ẩm (%)

Trạng thái khô

50

96

Độ bền kéo (N/cm)


262

229

214

Độ giÃn dài (%)

11

13

15,7

-u điểm của loại máy này là khả năng làm mát tốt do có các khe hở làm
mát h-ớng kính của cuộn dây cao vì nó th-ờng đ-ợc quấn theo kiểu bánh dây
xoáy ốc liên tục. Giá thành rẻ hơn máy có cuộn dây đúc bằng nhựa Epoxy.
Nh-ợc điểm là không làm việc ở những nơi có bụi bẩn, hơi ẩm cao, các
công trình gần biển và khả năng phòng chống cháy nổ kém hơn loại máy đúc
bằng nhựa Epoxy. Tuy nhiên do công nghệ chế tạo đơn giản, làm việc tin cậy
nên nó phù hợp cho những nơi có ít bụi và không yêu cầu cao về phòng chống
cháy nổ.
1.3.2. Máy biến áp khô có cuộn dây đúc bằng nhựa Epoxy.
Là loại dùng rất phổ biến hiện nay, nó thích hợp ở những nơi có yêu cầu
phòng cháy nổ cao, nơi đông ng-ời qua lại các công trình gần biển, d-ới lòng
đất...vv số l-ợng máy biến áp khô loại này ngày càng càng chiếm thị phần lớn
trên thị tr-ờng thế giới vì nó có nhiều -u điểm v-ợt trột so với máy biến áp
dầu. Đây là loại máy mà cuộn dây đ-ợc đúc bằng vật liệu cách điện Epoxy là
loại vật liệu có độ bền cơ, điện, nhiệt cao, chịu đ-ợc môi tr-ờng bụi bẩn, hoá

chất, độ ẩm cao, chống cháy nổ, các công trình gần biển.... So với máy biến áp

- 10 -


khô cuộn dây không đúc thì công nghệ chế tạo cuộn dây loại máy này phức
tạp hơn nhiều, đòi hỏi yêu cầu kỹ thuật cao hơn bởi vì nó quyết định đến chất
l-ợng tuổi thọ của máy.

Hình 1.5 . Hình cắt của máy biến áp khô có cuộn dây đúc Epoxy

1.4. Kết luận
Nhu cầu sử dụng máy biến áp khô trong phân phối, truyền tải điện năng
ở n-ớc ta ngày càng lớn. Công nghệ chế tạo biến áp khô đúc Epoxy trên thế
giới đà có từ vài chục năm nay. Gần đây nhiều nhà máy ở Trung Quốc ban
đầu chỉ sản xuất máy biến áp dầu nh-ng do sự phát triển nhanh của nền kinh
tế mà hiện nay sản phẩm máy biến áp khô lại là chủ lực. Trong khi đó n-ớc ta
vẫn còn đang trong giai đoạn nghiên cứu chế thử, ch-a chủ động sản xuất
đ-ợc loại máy này dẫn đến giá nhập khẩu, hoặc giá mua hiện nay của cuộn
dây đúc bằng Epoxy về lắp ráp một máy biến áp khô vào khoảng 3,5 lần giá
thành một máy biến áp dầu t-ơng đ-ơng. Khi đặt vấn đề chế tạo dây quấn cao
áp của một máy biến áp khô với chuyên gia nghiên cứu Epoxy tr-ờng ĐHBK

- 11 -


Hà Nội chúng tôi đ-ợc biết, việc sử dụng nhựa Epoxy và các phụ gia làm vật
liệu cách điện đà đ-ợc Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme quan tâm và sản
xuất nghiên cứu của Trung tâm đà có kết quả đ-ợc ứng dụng trong sản xuất.
Nếu nh- máy biến áp khô đ-ợc chế tạo trong n-ớc một mặt làm chủ

đ-ợc các yêu cầu kỹ thuật, mặt khác giảm đ-ợc giá thành sản phẩm và chắc
chắn số l-ợng máy nhập khẩu sẽ giảm và tiết kiệm đ-ợc ngoại tệ cho ®Êt
n-íc.

- 12 -


Ch-ơng 2
KháI quát về vật liệu epoxy
2.1. Lịch sử phát triển
Những công trình nghiên cứu đầu tiên về nhựa Epoxy đà trình bày trong
các bằng sáng chế vào những năm đầu của Thế kỷ 20. Năm 1009, nhà hoá học
Nga Prileschjew đà phát hiện ra phản ứng của các olefin với peaxitbenzoic để
tạo thành các hợp chất epoxy. Năm 1934 nhà hoá học Đức Schlack đà tổng
hợp đ-ợc nhựa epoxy từ bisphenol A và epyclohydrich. Song vào thời gian đó
Schlack cũng ch-a nhận thấy hết giá trị của sáng chế đó [11].
Giá trị ứng dụng đích thực của nhựa epoxy đ-ợc khẳng định sau đó một
số năm. Hầu nh- đồng thời và độc lập nhau hai nhà sáng chế Pierre Castan ở
Thụy Sỹ và Sylvan Greenlee ở Mỹ đà nhận thấy giá trị của nhựa epoxy nhchúng ta biết hiện nay[13].
Vào những năm 1940, các sản phẩm của Castan nh- nhựa đúc hàm răng
đà đ-ợc đ-a ra thị tr-ờng và các bằng sáng chế của ông đà đ-ợc chuyển
nh-ợng cho công ty Ciba A.G ( hiện là Ciba - Geigy). ở hội chợ triển lÃm tại
Thụy Sỹ vào những năm 1946 công ty này đà biểu diễn việc sử dụng keo dán
để dán các mẫu kim loại nhẹ và vào thời gian đó đà cung cấp nhựa epoxy để
đúc các thiết bị điện cho 4 công ty điện lực của Thơy Sü.
Greenlee tiÕp cËn theo c¸ch kh¸c. B»ng s¸ng chÕ đầu tiên công bố vào
1943 trình bày ph-ơng pháp chế tạo các loại nhựa epoxy t-ơng tự nh- của
Castan nh-ng có khối l-ợng phân tử cao hơn [12].
Cũng vào thời kỳ những năm 1940, Danien Swern đà nghiên cứu phản
ứng epoxy hoá các olefin bằng các peaxit để chế tạo dầu thảo mộc epoxy hoá

dùng làm chất hoá dẻo ổn định cho nhựa polyvinyclorua (PVC) và chế tạo một
số nhựa epoxy mạch vòng no.
Trong những năm 1970 tổng sản l-ợng nhựa epoxy bán ra trên thị tr-ờng
thế giới hàng năm vào khoảng 150.000 tấn[13].
Vào đầu năm 1980 sản l-ợng nhựa epoxy đà đạt tới 600.000 tấn/năm.

- 13 -


Năm 1994 khối l-ợng nhựa epoxy trên thị tr-ờng thế giới tăng 13%
trong lúc đó khối l-ợng sản xuất tăng 17% và đạt tới 601 triệu tấn.
Hiện nay trên thế giới có ba nhà sản xuất nhựa epoxy lớn nhất là Sell,
Dow, Ciba-Geigy cả ba công ty đó hợp lại chiếm khoảng 70% sản l-ợng toàn
thế giới [13].
2.2 Phản ứng tạo thành nhựa Epoxy
Phản ứng tạo thành nhựa epoxy trên cơ sở diphenylolpropan là sự kết hợp
nối tiếp - luân phiên của nhóm epoxy với nhóm hydroxyphenol và tái tạo
nhóm epoxy nhờ khử clohydro để tạo thành nhựa có công thức chung:

Tuỳ thuộc vào điều kiện tiến hành phản ứng, n cã thĨ thay ®ỉi tõ 0 ®Õn 200.
[11]
Nhùa epoxy cũng có thể xem là một loại polyete có các nhóm hydroxyl
bên cạnh (số nhóm này trong phân tử ứng với chỉ số n) và hai nhóm epoxy ở
cuối mạch.
Phản ứng tạo thành nhựa epoxy mạch thẳng xảy ra theo hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: Nhóm hydroxyl của diphenylopropan kết hợp với nhóm
epoxy của epyclohydrin trong môi tr-ờng kiềm:

- 14 -



Giai đoạn 2: Clohydrin glycol tạo thành chứa nhóm hydroxyl ở vị trí
so với nguyên tử clo. Với cách bố trí các nhóm chức nh- vậy, clohydro dễ
dàng tách ra và tạo thành nhóm epoxy mới theo cơ chế nucleofin cña halogen
b»ng ion alcogolat:

Glyxydylete diphenylopropnan, nhê cã nhãm epoxy, phản ứng tiếp với
nhóm hadroxyl của diphenylopropnan:

Hợp chất trung gian này tiếp tục phản ứng với nhau để tạo thành nhùa

- 15 -


epoxy có công thức tổng quát nêu ở trên
Khối l-ợng phân tử của nhựa epoxy dao động trong khoản 300-18.000
tuỳ thuộc vào tỷ lệ mol giữa epyclohydrin và diphenylolpropan, nhiệt độ, thời
gian phản ứng và nồng độ NaOH sử dụng
2.3. Các đặc tr-ng của nhựa Epoxy
Nhựa epoxy th-ờng đ-ợc đặc tr-ng bởi các thông số chủ yếu nh- sau:
+ Hàm l-ợng nhóm epoxy (HLE) là trọng l-ợng của nhóm epoxy có
trong 100g nhựa.
+ Đ-ơng l-ợng epoxy (ĐLE) là l-ợng nhựa tính theo gam chứa một
đ-ơng l-ợng nhóm epoxy .
+ HIE và ĐLE liên quan với nhau theo công thức sau:
ĐLE =

43x100
HLE


Trong đó 43 là khối l-ợng phân tử của nhóm epoxy[11].
Nhựa epoxy sau khi đóng rắn có cấu trúc vi mô dị thể dạng hình cầu
(globular) và sự hình thành cÊu tróc quan s¸t thÊy ngay ë pha láng trong các
giai đoạn đóng rắn ban đầu. Kích th-ớc của các phân tử hình cầu phụ thuộc
vào thành phần tổ hợp và điều kiện đóng rắn (kích th-ớc của các phân tử giảm
khi nhiệt độ tăng). Khi giảm kích th-ớc của các phân tử hình cầu thì độ bền
điện của epoxy tăng. Cùng với việc giảm khoảng cách giữa các mắt l-ới khâu
mạch thì nhiệt độ hoá thuỷ tinh, độ bền nén, độ bền hoá học và độ chịu nhiệt
tăng nh-ng khi đó thì độ giòn của polyme lại tăng. Cũng t-ơng tự nh- vậy khi
tăng hàm l-ợng phân tử thơm trong nhựa epoxy, tăng mật độ kết bó của các
đoạn mạch sẽ làm tăng độ bền cơ lý và độ bền hoá học. Để biến tính nhựa
epoxy đôi khi thêm hoá dẻo hay oligome (oligoeste) chứa rất ít hay hoàn toàn
không có các nhóm hoạt động hoá học. Những cấu tử nh- vậy không tham gia
vào mạng l-ới cấu trúc, tích tụ trên danh giới phân chia các phân tử hình cầu
và do đó làm giảm đáng kể độ bền cơ lý, độ bền nhiệt độ và độ bền hoá häc.

- 16 -


2.4. Các chất đóng rắn cho nhựa epoxy
Epoxy là loại nhựa dẻo và không chuyển sang trạng thái nóng chảy,
không hoà tan trong dung môi, có cấu trúc mạng l-ới không gian ba chiều. Để
biến nhựa epoxy thành loại nhựa có nhiều tính chất cơ lý tốt cần cho các chất
khác tác dụng lên nhóm định chức của nhựa nghĩa là thực hiện phản ứng đóng
rắn. Vì chất đóng rắn tham gia vào cấu trúc mạng của polyme nên đóng rắn là
ph-ơng pháp quan trọng để biến tính vật liệu epoxy.
Chất đóng rắn cho nhựa epoxy gồm hai loại: xúc tác và khâu mạch (phân
loại này là t-ơng đối vì xúc tác cũng dẫn đến khâu mạch). Chất đóng rắn loại
khâu mạch là chất đóng rắn đa chức và có khả năng phản ứng với nhóm
epoxy, hydroxyl của phân tử epoxy để chuyển sang mạng không gian . Chất

đóng rắn khâu mạch gồm có các hợp chất đa chức năng loại axit phenol, tiol,
izoxiannat chất đóng rắn loại xúc tác là chất có khả năng khơi mào phản ứng
trùng hợp nhóm epoxy. Đặc biệt có hợp chất đa chức năng có thể đóng rắn
nhựa epoxy đồng thời bằng phản ứng khâu mạch và trùng hợp.
Chuyển tiếp nhựa epoxy từ cấu tạo mạch thẳng sang mạng l-ới 3 chiều là
nhờ nhóm epoxy t¸c dơng víi c¸c chÊt chøa 2 hay nhiỊu nhóm định chức
trong đó có các nguyên tử hydro hoạt động (-NH2, --NH-; -COOH)
Các chất đóng rắn cho nhựa epoxy có thể bao gồm các nhóm chính sau:
+ Chất đóng rắn loại axit
+ Chất đóng rắn loại amin
2.4.1. Chất đóng rắn loại axit
Nhựa đóng rắn bằng axit anhydrite cho phép nhận đ-ợc vật liệu có tính
chất cơ học, bền nhiệt, đặc biệt là tính cách điện cao. Tuỳ từng tr-ờng hợp nhnhựa epoxy đóng rắn bằng axit anhydrite có thể sử dụng xúc tác hoặc không
(11)
- Khi không có xúc tác:
+ Khi đóng rắn nhựa epoxy bằng axitcacboxylic, không có xúc tác, có
thể xảy ra 4 phản ứng sau:

- 17 -


+ Cơ chế đóng rắn bằng anhydrit khá phức tạp, xong giai đoạn đầu tiên
của phản ứng là mở vòng anhydrit b»ng nhãm anhydrit (cđa alcol hay n-íc).
- Nhãm hydroxy cũng phản ứng với nhóm epoxy và nh- vậy có thĨ cã 5
ph¶n øng x¶y ra

1. Ph¶n øng cđa nhãm các boxylic với nhóm epoxy:

2. Phản ánh của nhóm hydroxyl víi nhãm epoxy


- 18 -


4. Phản ứng thuỷ phân anhydrit tạo thành axit nhờ n-ớc tách ra
ở phản ứng (3)
5. Phản ứng thuỷ phân mono este bằng n-ớc để tạo thành axit
và ancol
Trong thực tế phản ứng 1 và 2 là quan trọng nhất vì tìm thấy các liên kết
este và ete có số l-ợng gồm t-ơng đ-ơng nhau.
+ Khi có xúc tác:
Phản ứng của axit cacboxylic và anhydritaxit với nhóm epoxy không có
xúc tác th-ờng xảy ra rất chậm, kể cả khi tăng nhiệt độ. Tuỳ thuộc vào yêu
cầu và tính chất của các sản phẩm, chu trình đóng rắn có thể kéo dài từ 16-32
giờ ở 120-1500C để giảm nhiệt độ và thời gian đóng rắn th-ờng dùng các amin
bậc 3 để xúc tác cho phản ứng. Th-ờng dùng hơn cả là: Benzydimetylamin
(BDA) vµ 2,4,6 – tri (dimetylaminometyl) phenol.
+ Mét sè chÊt đóng rắn anhydrit axit điển hình nh- là: Anhydrit phtalic
(AP), anhydrit metylendic (AMD); anhydrit maleci (AM), trimelitic;
Pryromelitic. §èi víi nhùa epoxy trên cơ sở diphenylprophan để nhận đ-ợc
nhựa sau khi đóng rắn có nhiệt độ biến dạng nhiệt cao hơn đà sử dụng nhóm
anhydrit có nhiều nhóm chức năng nh- pyromrlic (IV) và trimelitic (V) để
tăng mật độ liên kết ngang.

- 19 -


Nhiệt độ biến dạng nhiệt của nhựa đóng rắn bằng anhydrit pyromrlitic
kho¶ng 2000C. Metylendic anhydrit (VI) cã mét sè -u điểm nhất định. Khi
đóng rắn với nhựa epoxy trên cơ sở diphenyloprophan có nhiệt độ biến dạng
nhiệt độ cao 2020c và có hao tổn trọng l-ợng không đáng kể khi tăng nhiệt độ.

2.2.4. Chất đóng rắn loại amin
Đối với nhựa epoxy đóng rắn với loại amin bậc 1, bậc 2 và bậc 3 đều có
khả năng tạo thành các mối ở ngang giữa các phân tử nhựa epoxy. Epoxy
đóng rắn b»ng amin diƠn ra ë nhiƯt ®é thÊp cã ®é bền cơ, điện, nhiệt kém nên
nó không đ-ợc sử dụng để đúc các thiết bị điện cần độ bền cơ, điện, nhiệt cao
Epoxy loại này th-ờng đ-ợc dùng làm keo dán, màng phủ...
Nhựa epoxy sau khi đóng rắn chịu đ-ợc tác dụng của r-ợu (etli, propilic,
butylic, glyxenrin); cacbua hydro thơm, ete và các muối, dung dịch axit đồng
thời chịu đ-ợc tác dụng của khí hậu độ ẩm và n-ớc. Đây là những tính chất
quý báu của nhựa epoxy để làm vật liệu cách điện trong các thiết bị điện. Sau
đây lµ vÝ dơ vỊ mét sè tÝnh chÊt cđa nhùa epoxy sau khi đóng rắn mà ch-a có
thêm phụ gia ở nhiệt độ 200C.
Bảng 2.1. Tính chất nhựa epoxy ở 200C
1. Khối l-ợng riêng ở 200C, g/cm3

1,16-1,25

2. Nhiệt độ hoá thủ tinh, 0C

60-180

3. HƯ sè gi·n në nhiƯt tun tÝnh 0C-1
4. Độ chịu nhiệt theo Marten0C

(45-65).10-6
55-170

5. Độ hút n-ớc trong 24h, %

0,01-0,1


6. §é bỊn kÐo, Mpa

40-90

7. §é bỊn nÐn, Mpa

100-200

8. Độ Bền uốn, Mpa

80-140

9. Độ bền và đập, kJ/m3

5-25

- 20 -


10. Môđun đàn hồi khi tác dụng lực tức thời GN\m2

2,5-3,5

11.Độ giÃn dài t-ơng đối khi kéo, %

0,5-6,0

12. Hằng số điện môi ở 200C và 1MHz
13. Điện trở suất ë 200C,  /cm


3,5-5
1014 – 1016

14. §iƯn trë st bỊ mỈt ë 200C, 

1012- 1014

15. Tang cđa gãc tỉn hao ở 200C và 1MHz

0,01 0,03

16. Điện áp đánh thủng ë 20oc, kV/mm
17. HƯ sè khuch t¸n n-íc, cm2/giê

15-35
1015 - 1016

2.5. C¸c tÝnh chÊt cđa nhùa epoxy
2.5.1. TÝnh chÊt ho¸ häc cđa nhùa epoxy
Nhùa epoxy cã hai nhãm chøc ho¹t động: Nhóm epoxy và nhóm
hydroxil tuỳ thuộc khối l-ợng phân tử (M) mà nhóm chức nào chiếm -u thế.
Với những epoxy có khối l-ợng phân tử thấp (m< 1200) nhóm epoxy chiếm
đa số, còn với những epoxy có khối l-ợng phân tử lớn (M>3000) nhóm
Hydroxy là chủ yếu.
Tính phân cực và sức căng vòng tạo cho vòng oxyetylen có hoạt tính
mạnh, do nhóm đó nhóm epoxy có thể tham gia rất nhiều loại phản ứng.
+ Phản ứng với các hợp chất nucleofin :
+ Phản ứng th-ờng tiến hành các xúc tác axit hoặc kềm, tạo ra các hợp
chất hydroxy.

+ Phản ứng với các xúc tác bazơ tiến hành theo cơ chế SL2, Nucleofin X
-u tiên tấn công vào các nguyên tử cácbon ít bị cản trở không gian và thiếu
điện, điện tử hơn:

- 21 -


+ Phản ứng có xúc tác axit xảy ra qua giai đoạn trung gian tạo ion oxoni,
sau đó đ-ợc tiếp tục theo hai khả năng tạo ra hỗn hợp izome:

+ Phản ứng với các hợp chất nitơ hoặc photpho: hợp chất amon phản
ứng với nhóm epoxy tạo thành các hợp chất mono, đi hoặc trialkanolanmin
tuỳ thuộc tỷ lệ mol. Các hợp chất amin bậc 3 (R3L) và photpho bậc 3 (R3P) là
những nucleofin có đủ khả năng mở vòng epoxy
+ Phản ứng sắp xếp lại mạch phân tử
Nhóm epoxy có khả năng sắp xếp lại nội phân tử thành các hợp chất
cacbonnyl hoặc alkyl. Phản ứng này đ-ợc khơi mào bởi các axit Lewia
(ZnCL2, SnCL2. ALCL3và TiCL4) hoặc axit Bronted (H2SO4, HCOOH, 4Toluensunfonin, HCL, HF, HI).
Khi có mặt các bazơ mạnh nh-: liti dimetylamin , LiBr, LiI, LiCLO4
hoặc Mo(CO)6, Co(CO)8... các nguyên tử hydro trong vòng epoxy có thể sắp
xếp lại tạo hợp chất cacbonyl. Còn khi có mặt các bazơ không có tính nhận
mạnh nh-: n-butyl Li ti và dialkylamin sẽ tạo thành hợp chất alcol.
Do có hoạt tÝnh cao, nhãm epoxy cã thĨ tham gia ph¶n øng polymer hoá
sự polymer hoá diepoxy mạch ngắn phản ứng quan trọng để tạo thành polymer
có các liên kết ngang từ hợp chất epoxy và chất đóng rắn .
2.5.2. Tính chất lý học của nhựa epoxy
Nhựa epoxy khi ch-a đóng rắn là nhựa nhiệt dẻo, tuỳ thuộc khối l-ợng
phân tử mà nhựa epoxy có thể ở dạng lỏng (M<450), đặc (M<800), đến rắn
(M> 800), có thể tan tốt trong các dung môi hữu cp. xenton, hydrocacbonclo


- 22 -


hoá xylen...nhựa epoxy có thể phối trộn với các loại nhựa khác nh-:
ureformaldehyt, polyester, nitrxenlulo,... hoặc các loại nhựa.
2.6. Lĩnh vùc øng dơng chÝnh cđa nhùa epoxy
Nhùa epoxy sau khi đóng rắn là một vật liệu tổng hợp ( nhựa nhiƯt r¾n)
cã nhiỊu tÝnh chÊt nỉi bËt vÝ dơ nh- khả năng bám dính cao và hầu hết các loại
vật liệu, kể cả kim loại và chịu đ-ợc tác dụng của nhiều loại hoá chất (đặc biệt
là đối với kiềm), bền cơ học, bền nhiệt độ cách điện tốt, độ mài mòn nhỏ, khả
năng đóng dắn tốt, độ co ngót thể tích sau khi đóng rắn nhỏ, phối trộn với các
loại nhựa phụ gia khác.
Hiện nay nhựa epoxy đ-ợc sử dụng rộng rÃi vào các lĩnh vực kỹ thuật
hiện đại, đặc biệt là công nghệ chế tạo vật liệu, linh kiện máy, màng phủ
chống ăn mòn, sơn vecni keo dán kết cấu, vật liệu polyme composite, ngành
chế tạo thiết bị điện ...
2.6.1. Màng phủ bảo vệ
Màng phủ chống ăn mòn trên cơ sở nhựa epoxy đ-ợc dùng để bảo vệ các
thiết bị bằng thép trong các nhà máy hoá chất thực phẩm, lọc dầu... các công
trình xây dựng dân dụng cầu, cống, đập....
Hệ thống epoxy giàu kẽm và epoxy - nhựa than đá đ-ợc dùng rộng rÃi để
bảo vệ bề mặt ống thép dẫn dầu, khí lỏng, n-ớc muối, dung dịch kiềm... sơn
epoxy dạng bột cũng đ-ợc sử dụng để trang trí dụng cụ nhà bếp, buồng tắm,
sơn ô tô, xe máy, xe đạp...
2.6.2. Keo dán
Keo dán epoxy đ-ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong công
nghiệp hàng không, vũ trụ, tự động hoá, điện, điện tử, các ngành kiến trúc,
nghệ thuật cũng cần đến hệ keo dán này do những đặc tính nổi bật của nó.
Ngoài việc dùng chủ yếu để gắn kết kim loại, gốm sứ, gỗ, bê tông, chất dẻo...
keo dán epoxy còn đ-ợc dùng trong ngành y tế để làm x-ơng, răng giả.


- 23 -


2.6.3. Vật liệu polyme composite
Vật liệu polyme composite trên cơ sở nhựa epoxy tăng c-ờng bằng sợi
thuỷ tinh đà đ-ợc dùng thông dụng để chế tạo, các thùng chứa axit, dung dịch
kiềm dầu mỏ... với giá thành ban đầu nhỏ hơn sắt, thép, nhẹ hơn và độ bền ăn
mòn tốt hơn.
Những đ-ờng ống chế tạo từ epoxy và vải thuỷ tinh không những để bảo
quản, vận chuyển dầu thô, n-ớc sinh hoạt, khí thiên nhiên mà còn để vận
chuyển n-ớc thải, ống thoát khí độc trong nhiều nhà máy hoá chất. Trong
công nghiệp đóng tàu, đà sử dụng vật liệu composite trên cơ sở nhựa epoxy và
sợi thuỷ tinh để chế tạo vỏ bọc xuồng, canô... có độ bền cao, nhẹ, ít bám bẩn.
+ Trong công nghiệp hàng không vũ trơ, vËt liƯu composite tõ epoxy víi
c¸c chÊt gia c-êng dạng sợi (canon, graphit, polym) đà phát triển mạnh.
2.6.4 Vật liệu cách điện
Do nhựa epoxy khi kết hợp với một số phụ gia khác tạo thành vật liệu
điện có nhiều đặc điểm tốt hơn nh- có độ bền điện, cơ, nhiệt cao, ít ngấm ẩm,
dễ dàng gia công thành sản phẩm và đặc biệt có khả năng chống cháy tốt.
Hiện nay epoxy đ-ợc sử dụng rất nhiều trong ngành kỹ thuật điện để đúc cuộn
dây máy biến áp khô điện áp đến 36kV, chế tạo sứ cách điện cao áp, hạ áp,
cáp điện, vỏ của các thiết bị điện, chất điện môi trong các tụ điện..vv. ở n-ớc
ta đi đầu trong viƯc øng dơng nhùa epoxy cho ngµnh kü tht điện là công ty
TNHH thiết bị đo điện EMIC, các sản phẩm chính của công ty đ-ợc đúc bằng
nhựa epoxy là máy biến dòng, biến áp hạ thế, trung thế đến 36kV. Tuy nhiên
những thiết bị này th-ờng có công suất nhỏ nên yêu cầu về kỹ thuật không cao
nên công nghệ đúc cũng đơn giản hơn đúc cuộn dây của máy biến áp phân
phối.


- 24 -