芳砜纶绝缘纸制备的最优工艺探讨

叶 烨 焦晓宁 柯 鹏

(1. 天津工业大学纺织学院，天津，300387；2. 天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室，天津，300387)



芳砜纶绝缘纸制备的最优工艺探讨

叶 烨1焦晓宁2柯 鹏1

(1. 天津工业大学纺织学院，天津，300387；2. 天津工业大学改性与功能纤维天津市重点实验室，天津，300387)

改变传统的绝缘纸生产方法，采用纤维经梳理成网后直接热轧成纸的方法制备芳砜纶绝缘纸。探讨了喂入量、热轧温度、热轧压力和热轧时间等热轧工艺条件对芳砜纶绝缘纸性能的影响。试验结果表明：采用该方法制备的芳砜纶绝缘纸，其介电常数、介质损耗角正切及电阻率能基本满足绝缘纸的要求。最佳的制备工艺是：喂入量5 g，热轧温度355 ℃，热轧压力15 MPa，热轧时间55 s。在该工艺条件下制备的芳砜纶绝缘纸其抗张强度为21.71 MPa，击穿电压为7.40 kV/mm。

芳砜纶，绝缘纸，热轧工艺

绝缘纸通常是由植物纤维、矿物纤维、合成纤维或其混合物，通过水或其他介质将纤维沉积在造纸机上而形成的薄页状材料。绝缘纸的抗张强度高，伸长率小，绝缘性能好，广泛地应用于电机、电缆、电容器和变压器的绝缘材料之中[1-2]。

芳砜纶又名聚砜酰胺纤维，是我国自行研发并已形成产业化生产的的芳香族聚酰胺有机耐高温纤维。芳砜纶的强度高，拉伸强度 3.1～4.4 cN/dtex，拉伸模量52.8 cN/dtex，耐热性和热稳定性好，在沸水中热收缩率为0.5%～1.0%，在300 ℃热空气中的热收缩率为2%；同时，芳砜纶又具有绝缘、阻燃、耐化学腐蚀等优点，是制备耐高温绝缘纸非常好的材料[3-6]。

绝缘纸的传统制备工艺是湿法造纸抄造成型技术，目前国内外大多数绝缘纸都采用传统工艺制作。传统的绝缘纸制备方法工序多、能耗大、效率低[7-8]。本文利用芳砜纶的特性，简化了传统生产绝缘纸的工序，设计正交试验并极差分析其绝缘纸的抗张强度和击穿电压，探讨得出热轧法制备芳砜纶绝缘纸的最优工艺。

1 试验部分

1.1 芳砜纶绝缘纸的制备

试验所使用的原料是国产芳砜纶，经过开松、梳理、横纵向90°交叉铺网得到芳砜纶纤网，然后经过热轧机热轧成型而制得芳砜纶绝缘纸。制备流程如下：

芳砜纶→开松→梳理→热轧成纸。

本试验的关键部分是热轧成型工艺。热轧温度、热轧压力和热轧时间是影响热轧工艺的三个主要因素。热轧温度的设置主要依据纤维的熔点，而芳砜纶没有熔点，且极耐高温[4]，因此选用其软化温度(367 ℃)作为一个参考界限。若是热轧温度设置过低，纤维没有充分熔融，纤网无法熔结，则制备的绝缘纸将达不到要求；若是热轧温度设置过高，则绝缘纸的表面塑化发脆，不仅拉伸强力受到影响，而且电气性能也会有明显的损失。热轧压力主要影响纤网中纤维的黏结以及绝缘纸的结构紧密性。热轧时间则是模具温度有效渗透却不过度塑化的有效控制量。

从绝缘纸的制备过程，选择喂入量、热轧温度、热轧压力和热轧时间作为四个考察因素，每个因素选取三个不同的水平，采用正交表L(34)进行试验，正交因素水平表见表1。

表1 热轧制备芳砜纶绝缘纸正交因素水平表

1.2 绝缘纸性能测试

1.2.1 物理性能

(1)面密度。参照标准 GB/T 24218.1—2009《纺织品 非织造布试验方法 第1部分：单位面积质量的测定》测试绝缘纸的面密度，单位为g/m2。

(2)厚度。参照标准GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》，使用PARAM CHY-C2测厚仪测试绝缘纸的厚度，单位为mm。

(3)透气性。参照标准GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》，使用YG461H全自动透气量仪，在规定的压力差条件下，用单位时间内通过的空气量来衡量绝缘纸的透气性，单位为mm/s。

(4)抗张强度。参照标准GB/T 453—2002《纸和纸板抗张强度的测定》，使用美国INSTRON3369型强力测试仪，绝缘纸在恒速拉伸的条件下，将规定尺寸的试样拉伸至断裂，测试其抗张强度。试样的尺寸为180 mm×15 mm，夹持距离为110 mm，拉伸速度为50 mm/min，预加张力0.2 N。

1.2.2 电气性能

(1)介电常数、介质损耗角正切和电阻率。由BDS50宽频介电谱仪测试。将绝缘纸剪裁成合适的尺寸，放入测量，测量的频率范围为1～107Hz。

(2)击穿强度。参照标准GB/T 1408—2006《绝缘材料电气强度试验方法》，用DDJ-50KV电压击穿试验仪进行测试。试验所使用的电极为不等直径电极，上电极的直径为25 mm，下直径为75 mm，使用连续升压方法，升压速度500 V/s，直至样品被击穿，测得击穿电压。按下式计算绝缘纸的击穿强度E：

式中：d——绝缘纸的厚度(mm)；

U——绝缘纸击穿电压(kV)。

2 结果与分析

2.1 物理性能

芳砜纶绝缘纸的厚度、面密度、透气量和抗张强度等物理性能的测试结果见表2。在面密度相似的情况下，透气量越小，厚度越小，绝缘纸的结构就越致密。

表2 芳砜纶绝缘纸物理性能测试结果

在测试的四种物理性能中，选择抗张强度作为指标，探究热轧制备芳砜纶绝缘纸的最优工艺。抗张强度的极差分析见表3。对于绝缘纸，要求抗张强度越大越好。通过抗张强度的极差分析可知，因素B(热轧温度)、因素C(热轧压力)和因素D(热轧时间)在水平3下的抗张强度值最大，而因素A(喂入量)则是水平1下的抗张强度值最为理想。因此，可以得出最优组合工艺为B3C3D3A1，即热轧温度355 ℃，热轧压力15 MPa，热轧时间55 s，喂入量5 g。

表3 抗张强度的极差分析表 (单位：MPa)

注：K表示各水平下抗张强度之和，K′表示各水平下 抗张强度的平均值。

2.2 电气性能

绝缘纸广泛应用在电气设备上，因此其电气性能是评价绝缘纸的重要指标。芳砜纶绝缘纸电气性能的测试结果见表4。从表4数据可知，本试验制备的绝缘纸的介电常数、介质损耗角正切及电阻率能基本满足绝缘纸的要求。选择击穿强度作为指标进行极差分析，见表5。

表4 芳砜纶绝缘纸电气性能测试结果

表5 击穿强度的极差分析表 (单位：kV/mm)

注：K表示各水平下击穿强度之和，K′表示各水平下 击穿强度的平均值。

对于绝缘纸，同样要求击穿强度越大越好。根据击穿强度的极差分析表， 因素B、因素C和因素D在水平3下的击穿强度值最大，因素A则是在水平1下的击穿强度值最佳。因此，可以得出最优组合工艺亦为B3C3D3A1，即热轧温度355 ℃，热轧压力15 MPa，热轧时间55 s，喂入量5 g。对选定的优化组合方案进行指标估计，计算结果是抗张强度为21.71 MPa，击穿电压为7.40 kV/mm。该方案是所有正交试验组合中的最优组合，即本试验得到的最优工艺。

3 结论

(1)本试验改变了传统的绝缘纸生产方法，采用纤维经梳理成网后直接热轧成纸的方法可以制备芳砜纶绝缘纸，其介电常数、介质损耗角正切及电阻率能基本满足绝缘纸的要求。

(2)通过正交试验和极差分析，得到热轧制备芳砜纶绝缘纸的最佳工艺是：喂入量5 g，热轧温度设定355 ℃，热轧压力15 MPa，热轧时间55 s。在该工艺条件下制备的芳砜纶绝缘纸其抗张强度为21.71 MPa，击穿电压为7.40 kV/mm。

[1] 电气电子绝缘技术手册编辑委员会.电气电子绝缘技术手册[M].北京:机械工业出版社，2008.

[2] 肖鹏远，焦晓宁.绝缘纸的性能及Nomex 绝缘纸的特性和应用[J].产业用纺织品，2010，28(1)：31-36.

[3] 钟洲，吴延沣.X-FIPERTM 芳纶绝缘纸及其复合材料AMATM[C]//中国电工技术学会，中国电器工业学会.2007年全国绝缘材料与绝缘技术专题研讨会论文集,2007：137-141.

[4] 汪晓峰，张玉华.芳砜纶的性能及其应用[J].纺织导报，2005(1)：18-23.

[5] 汪晓峰.芳砜纶发展概况及市场前景[J].高科技纤维与应用，2008，33(6)：39-45.

[6] 宋江超.芳砜纶纤维的发展和应用[J].国外丝绸，2007(2)：38-39.

[7] 王祖行，苾密.芳砜纶纤维纸——我国自行研制制造的H、F 级耐高温绝缘纸[J].绝缘材料通讯，1993(3)：1-13.

[8] 胡铭华.提高芳砜纶绝缘纸物理性能的研究实践和认识[J].上海造纸，1994,25(1)：32-39.

Discussion on optimum process of the preparation of polysulphonamide insulation paper

YeYe1,JiaoXiaoning2,KePeng1

(1. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University；2. Tianjin Key Laboratory of Fiber Modification and Functional Fiber, Tianjin Polytechnic University)

The polysulphonamide insulation paper was prepared by web being directly hot rolled after fibers being carded, instead of traditional methods. The hot rolling process conditions including feeding amount, hot-rolled temperature, hot-rolled pressure and hot-rolled time and so on were discussed to study their effects on the properties of the insulation paper. The experiments show that properties of the polysulphonamide insulation paper made through hot rolling, such as dielectric constant, dielectric loss tangent and resistivity can basically meet the requirements of the insulation paper. Its best preparation process parameters are feeding quantity of 5 g, hot-rolled temperature at 355 ℃, hot rolled pressure of 15 MPa, hot rolled time over 55 s, under which the tensile strength of the paper is 21.71 MPa and its breakdown voltage is 7.40 kV/mm.

polysulphonamide, insulation paper, hot-rolling technology

2015-02-04

叶烨，女，1993年生，在读本科生。主要研究方向是芳砜纶绝缘纸的制备和性能。

TS761.2;TS174.5

A

1004-7093(2015)07-0011-03