芳纶纤维/云母复合绝缘纸制备技术研究

2014-08-03张小伟刘淑鹏

中国造纸学报 2014年4期

张小伟刘淑鹏

(石家庄经济学院宝石与材料工艺学院,河北石家庄，050031)

云母属硅酸盐矿物,其晶体结构是由2层硅氧四面体夹着1层铝氧八面体组成的层片状结构。独特的晶体结构决定了云母具有一系列优良的物理化学性能，其广泛应用于电气绝缘材料、窗口材料、耐高温和耐化学腐蚀材料等[1-3]。

芳纶纤维属高分子有机化合物,主链含有苯环和酰胺基,其中，85%以上的酰胺基直接跟苯环相连。芳纶纤维具有极高的强度(为同类钢丝的5～6倍)、模量(为同类钢丝的2～3倍)、韧性(为同类钢丝的2倍),且具有优良的绝缘性能、耐高温性能[4-6]。芳纶纤维可用于制备耐高温绝缘材料，如电机绝缘、变压器主绝缘、柔软复合绝缘材料等；航空航天、各种交通工具等的次受力结构材料；还可用作各种耐温、隔热材料[7-9]。

非金属矿物云母与高分子绝缘材料芳纶纤维复合制备纸基绝缘材料,既可以克服传统云母绝缘材料机械强度不高、可加工性能差的缺点,又可以提高高分子纸基绝缘材料的耐高温性能、耐电晕性能，这已成为国内纸基绝缘材料的重点研究方向之一。同时,国内绝缘材料加工企业也提出了相关技术需求,即需要一种具有较高的机械强度和介电强度、厚度薄、柔软、可加工性能好的绝缘材料,为电机的小型化提供绝缘保障。

云母绝缘纸的制备借鉴了传统纸张的抄造工艺,制备出的纸张强度主要依赖云母原料的质量。本研究以芳纶浆粕、芳纶短切纤维和云母为原料，采用热压成型技术,制备了热压复合绝缘纸；探讨了芳纶短切纤维与芳纶浆粕的质量比、芳纶短切纤维长度和热压成型工艺对热压复合绝缘纸性能的影响,以期为高性能复合绝缘材料的制备提供参考。

1 实验

1.1原料与仪器

原料：云母原料为印度产白云母,经化学制浆法制备成云母浆料,并经过云母鳞片的表面改性,改善云母鳞片与芳纶纤维的界面结合性能；与云母复合制备绝缘纸的芳纶纤维包括2种形态,分别是芳纶浆粕和芳纶短切纤维。其中,芳纶浆粕(间位芳纶)由上海某公司提供,打浆度为50°SR；芳纶短切纤维(对位芳纶)由江苏某公司提供,细度为1D,使用前分别以物理改性和化学改性法对纤维表面进行处理,提高纤维表面的粗糙度和表面活性。

仪器：YT1.5高速分散机,手持式超声波分散仪,ZQJ1-B纸样抄取器,XLB-D500平板硫化机,DCP-KZ30抗张试验机,NZ-1耐折度测试仪,CY2671抗电压测试仪,NF2511A绝缘电阻测试仪,JSM-5610LV扫描电镜,Pyris功率补偿型差示扫描量热仪。

1.2实验方法

1.2.1原料配比与预先抄造

实验中芳纶纤维的添加量为8%,其中,芳纶短切纤维经过超声波改性、硅烷偶联剂改性。芳纶短切纤维与芳纶浆粕质量比及芳纶短切纤维长度可变；云母鳞片经超声波分散1 min后与芳纶纤维混合，在高速分散机中分散5 min后,制备混合浆料备用。采用ZQJ1-B纸样抄取器抄纸,定量为90 g/m2。

1.2.2热压复合绝缘纸的热压成型及性能测试

将所抄纸张放在平板硫化机上进行热压成型,热压压力10～25 MPa、热压温度120～240℃、热压时间0.5～2.0 h。经过热压后制备出芳纶纤维/云母热压复合绝缘纸(简称“热压复合绝缘纸”),并按照国家相关标准进行厚度(GB/T 20628.2—2006)、拉伸强度(GB/T 20628.2—2006)、耐折度(GB/T 457—2002)、介电强度(GB/T 5019.2—2009)、电阻率(GB/T 1410—2006)等性能测试。

2 结果与讨论

2.1芳纶短切纤维与芳纶浆粕质量比对热压复合绝缘纸性能的影响

芳纶短切纤维与芳纶浆粕的质量比对热压复合绝缘纸性能的影响如图1所示。

图1 芳纶短切纤维与芳纶浆粕质量比对热压复合绝缘纸性能的影响

从图1可以看出,随芳纶纤维中芳纶浆粕比例的增大,热压复合绝缘纸的拉伸强度呈先增大后减小的趋势。这主要是因为高温高压条件下芳纶浆粕发生重结晶,保证了芳纶短切纤维、云母之间的黏结、包裹作用；但由于芳纶浆粕的纤维强度较芳纶短切纤维低,芳纶浆粕过量则会导致热压复合绝缘纸的拉伸强度有所下降。同时,芳纶浆粕比例的增大使得热压复合绝缘纸的介电强度逐渐增大；大量芳纶浆粕的存在填充了复合材料间的空隙,经过热压工艺后提高了材料的密实程度,减小了材料从空隙处被电击穿的可能性,减薄了材料厚度,介电强度整体升高。综合考虑,芳纶短切纤维与芳纶浆粕的质量比为1∶4较为合适。

2.2芳纶短切纤维长度对热压复合绝缘纸性能的影响

芳纶短切纤维长度对热压复合绝缘纸性能的影响如图2所示。

图2 芳纶短切纤维长度对热压复合绝缘纸性能的影响

从图2可以看出,逐渐增加芳纶短切纤维的长度，热压复合绝缘纸的拉伸强度和介电强度均呈小幅提高再下降的趋势；当芳纶短切纤维长度为5 mm时,热压复合绝缘纸的拉伸强度最大,再增加芳纶短切纤维长度,热压复合绝缘纸的拉伸强度和介电强度稍有下降。主要原因是芳纶短切纤维的加长增大了纤维间相互缠结的几率,不宜分散,增大了热压复合绝缘纸的不均匀性,进而影响纸张的整体强度。综合考虑,芳纶短切纤维长度为5 mm较为合适。

2.3对热压工艺的探讨

热压的温度、压力、时间对复合绝缘纸厚度、拉伸强度、介电强度的影响通过三因素四水平的正交实验进行考察(见表1)。

从表1可以看出,热压工艺中热压压力对复合绝缘纸厚度影响最大,其次是热压温度,对复合绝缘纸厚度影响最小的是热压时间；对复合绝缘纸拉伸强度影响较大的是热压温度,热压压力的影响次之,影响最小的是热压时间；对复合绝缘纸介电强度影响从大到小的因素依次是：热压温度、热压压力和热压时间。经过进一步的实验验证,复合绝缘纸的最佳热压工艺条件可调整为：热压温度240℃、热压压力22 MPa、热压时间1 h,利用该条件制备的热压复合绝缘纸的拉伸强度为33.65 N/cm、介电强度为33.84 kV/mm、耐折度为1.74,材料性能优异。

表1 热压工艺对复合绝缘纸性能影响正交分析表

图3 热压成型前后复合绝缘纸的SEM照片

2.4热压成型对复合绝缘纸性能的影响

(1)对强度性能的影响

热压复合绝缘纸、未热压复合绝缘纸和云母纸的拉伸强度和耐折度见表2。

从表2可知,与未热压复合绝缘纸相比,热压复合绝缘纸的拉伸强度和耐折度分别提高了65.7%和38.1%；与云母纸相比,热压复合绝缘纸的拉伸强度提高了10倍以上,耐折度也大幅提升，增强了热压复合绝缘纸的可加工性能。这也可以从复合绝缘纸的SEM照片(见图3)得到验证。热压成型后云母鳞片与芳纶短切纤维被重结晶后的芳纶浆粕紧紧包裹,提高了材料间的界面结合效果；同时，空隙减少,有效提高了材料的介电强度。

(2)对介电强度的影响

热压复合绝缘纸、未热压复合绝缘纸及云母纸的介电强度见表3。

从表3可知,与未热压复合绝缘纸相比,热压复合绝缘纸的介电强度提高了42.8%；与云母纸相比,芳纶浆粕的存在有效填充了材料中的空隙,降低弱点击穿的可能性,使得热压复合绝缘纸的介电强度提高了33.3%。本研究还测定了3种绝缘纸的体积电阻率。结果表明，热压复合绝缘纸的体积电阻率与云母纸的相近，且均大于1014Ω·cm。

(3)对耐温性能的影响

热压复合绝缘纸和芳纶纤维绝缘纸的TG-DSC图谱见图4。

由图4可知，从室温至240℃时，热压复合绝缘纸失去吸附水分,失重较小(只有0.32%)；而芳纶纤维绝缘纸失重较大,达4.26%。温度升高，热压复合绝缘纸在292.0℃处出现放热峰,主要是因为分散剂与改性剂的分解；相比于芳纶纤维绝缘纸,热压后芳纶浆粕的重结晶作用和存在的大量云母使得热压复合绝缘纸玻璃化转变温度(Tg=292.0℃)和熔融温度(Tm=471℃)比芳纶纤维绝缘纸的Tg(275.0℃)和Tm(245℃)均有明显提高,即材料耐温性能有所提高。