CN106283834A - 一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其步骤如下：将两种间位芳纶短切纤维与间位芳纶沉析纤维分别在水中疏解，混合后利用斜网成型器进行湿法抄造成形，成型器内采用超声波处理；将湿纸幅压榨后通过叠层辊进行卷取，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入板式热压机进行分段热压；降温后卸板进入半成品室平衡处理，切边整饰，最终得到高强度芳纶绝缘层压板产品。本发明所制得的芳纶绝缘层压板由纯间位芳纶纤维组成，其厚度0.8～10mm，密度0.7～1.0g/cc，尺寸精度高，具备优异的机械强度和介电特性，耐温等级高，且对油和漆的渗透性和相容性好，能够广泛应用于电机、变压器等电力设备中。

Description

一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法

技术领域

本发明属于造纸工业和绝缘工业交叉领域，具体涉及一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法。

背景技术

芳纶绝缘层压板是以间位芳纶纤维为主要原料，通过湿法抄造和层合板压工艺制备而成的高性能绝缘材料。因其具备突出的机械强度、绝缘特性和耐高温性能，并且对油和漆有良好的渗透性和相容性，可作为垫片、端圈、撑条、角环、螺栓、螺杆、压环、绝缘筒等成型件和一些油浸设备的结构件而应用到电机、变压器等电力设备中，市场前景十分广阔。

间位芳纶纤维具有高强度、高模量以及优异的绝缘性和热学稳定性，是制备耐高温绝缘层压板的首选材料。然而由于芳纶纤维的表面惰性强，纤维间难以结合，同时绝缘层压板的厚度大定量高，采用常规层压板的制备方法所生产的层压板机械强度和绝缘特性极低，且易于分层，无法满足实际应用的要求，其制备难度较高，目前的专利涉及较少，主要是采用与木材纤维配抄或树脂浸渍增强的方法。

中国专利CN：201310418332.7提出将20～70％的芳纶浆粕纤维进行接枝改性，再与30～80％的木材纤维混合配抄，采用真空层压机制得复合绝缘层压板，有效提高了机械强度，并降低了介电常数，满足了特高压变压器的使用要求。

中国专利CN：00810718.1采用60～97％的短切纤维和3～40％的间位芳纶浆粕纤维制备芳纶纸，并采用热固性树脂进行浸渍后压板。该方法制备出的芳纶层压层压板主要应用于电路板中，机械强度和介电性能较好。

中国专利CN：200710050007.4提出将含芳杂环芳纶纤维与热固性树脂复合成膜，再将多层膜叠加热压成型，制得的层压层压板强度大，质量轻，阻燃性和绝缘性好，可用于低温绝缘领域。

上述专利所介绍的绝缘层压板制备方法对其机械强度和绝缘特性起到了一定的增强作用，但也存在着耐热等级低及相容性差等问题。其中，木材纤维在高温、水份、氧及油中酸性化合物的共同作用下易于降解，从而极大降低产品使用寿命；而树脂的存在会引起绝缘层压板的耐热性下降，同时损害其对油和漆的渗透性和相容性，这严重限制了绝缘层压板的应用。因此，采用纯间位芳纶纤维制备绝缘层压板成为技术发展趋势。

野崎正兴等介绍了将干燥的间位芳纶纸多层叠合后进行高温高压，使其局部产生熔融粘合，从而制备出纯芳纶绝缘层压板，耐热性得到大幅改善。但这种方法需要很大的劳动力和时间，所制备的层压板尺寸精度低，层间粘合不充分，表现为在弯曲加工时，内侧产生脱层，外侧发生龟裂。

美国专利US：5089088采用20～95％间位芳纶沉析纤维和5～80％间位芳纶短切纤维制备芳纶湿纸幅，将多层湿纸幅叠合后进行热压处理，温度100～200℃，然后将层压板加湿至含水量5～25％，再进行二次热压处理，温度200～315℃，最后制得密度0.14～0.45g/cc的纯芳纶绝缘层压板。该方法所制备的层压板耐热性好，对油和漆的吸收性突出，有效解决了层间粘合不足的问题，但其密度小，机械强度较低。

随着科学技术的发展，电机、变压器等设备朝着小型化、大容量化、安全可靠化的方向发展，实际应用中密度为0.7～1.0g/cc高强度绝缘层压板需求量较大，但相关报道较少。而市场上现有的产品存在性能不足、易于分层、尺寸精度不高等问题，难以满足应用的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明制备的芳纶绝缘层压板厚度0.8～10mm，密度0.7～1.0g/cc，尺寸精度高，具备优异的机械强度和绝缘特性，耐温等级高，且对油和漆具有良好渗透性和相容性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，所述芳纶绝缘层压板厚度0.8～10mm，密度0.7～1.0g/cc，包括以下步骤：

(1)将间位芳纶短切纤维A、间位芳纶短切纤维B和间位芳纶沉析纤维在水中疏解后混合，所述的间位芳纶短切纤维A为高强高模纤维，长度4～10mm、纤度1.5～2.5D；间位芳纶短切纤维B为初生纤维，长度1～3mm、纤度0.5～1.0D；

(2)利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005～0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为50～100kHz；

(3)将湿纸幅压榨至含水率70～90％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并送入板式热压机进行分段热压；

(4)降温后卸板进入半成品室平衡处理，然后切边整饰，最终得到芳纶绝缘层压板产品。

进一步地，间位芳纶短切纤维A、间位芳纶短切纤维B和间位芳纶沉析纤维的用量分别为：

(a)间位芳纶短切纤维A，相对于绝干总质量30～70％；

(b)间位芳纶短切纤维B，相对于绝干总质量0～20％；

(c)间位芳纶沉析纤维，相对于绝干总质量30～70％。

进一步地，间位芳纶短切纤维A的模量为60～80CN/dtex，间位芳纶短切纤维B的模量为30～55CN/dtex。

进一步地，间位芳纶沉析纤维通过多级筛分，且间位芳纶沉析纤维的尺寸组合比例为≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0～2：1～3：3～7：1～5。

进一步地，分段热压工艺包括以下步骤：

(a)第一段：温度70～90℃，压力5～10MPa，时间10～30min；

(b)第二段：温度120～180℃，压力15～25MPa，时间0.5～1h；

(c)第三段：温度240～300℃，压力25～40MPa，时间1～3h。

进一步地，第一段热压处理后，纸坯的含水量为10～30％。

进一步地，平衡处理后绝缘层压板的含水量为2～5％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明中，间位芳纶短切纤维B为未经过热拉伸处理的初生纤维，其作为粘结材料，是实现绝缘层压板机械强度提高的关键因素。由于芳纶材料本体隔热效果较好，高温热量难以传导至厚型绝缘层压板的内部，导致层压板内部纤维间结合力较弱。本发明通过添加间位芳纶短切纤维B，其形态较为细小，能够均匀分布在纸坯的三维结构中，在较低温度下即可发生一定程度的本体塑性变形，从而在纤维间形成良好的结合。同时，间位芳纶短切纤维B的最佳用量为0～20％，其用量随着绝缘层压板厚度的增加而增加。如果该纤维用量过大，会严重降低纸坯中纤维的平均长度，进而损害绝缘层压板的机械强度。

本发明中，间位芳纶沉析纤维的多级筛分重组处理是决定绝缘层压板尺寸精度的重要因素。由于绝缘层压板是将一定定量的纸坯在设定的压力和温度作用下热压至一定厚度而成，即绝缘层压板的厚度精度取决于纸坯定量得稳定性，而影响纸坯定量稳定的主要因素是湿法抄造过程中间位芳纶沉析纤维的尺寸波动性。本发明通过将间位芳纶沉析纤维进行多级筛分，选取不同目数的纤维重新组合，即可控制湿法抄造过程中间位芳纶沉析纤维的尺寸保持持续稳定，制备出定量稳定的湿纸坯，从而保证绝缘层压板的尺寸精度。

本发明中，采用分段热压工艺制备芳纶绝缘层压板，其中，第一段热压温度和压力较低，其作用是排除纸坯内的自由水，使湿纸坯层间产生机械结合；第二段热压提高了温度和压力，其作用是利用温度和压力的联合作用蒸发纸坯内的水分，使得水分将热量均匀传递至厚纸坯的内部，促进纤维间的结合；第三段热压采用高温高压处理，让间位芳纶沉析纤维产生熔融，粘结并包裹间位芳纶短切纤维，进一步提升芳纶绝缘层压板的整体性能。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，所述芳纶绝缘层压板厚度0.8～10mm，密度0.7～1.0g/cc，包括以下步骤：

(1)以质量分数计，将30～70％间位芳纶短切纤维A、0～20％间位芳纶短切纤维B和30～70％间位芳纶沉析纤维在水中疏解后混合，所述的间位芳纶短切纤维A为高强高模纤维，长度4～10mm、纤度1.5～2.5D，模量为60～80CN/dtex；间位芳纶短切纤维B为初生纤维，长度1～3mm、纤度0.5～1.0D，模量为30～55CN/dtex；所述间位芳纶沉析纤维通过多级筛分，且间位芳纶沉析纤维的尺寸组合比例为≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0～2：1～3：3～7：1～5；

(2)利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005～0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为50～100kHz；

(3)将湿纸幅压榨至含水率70～90％，通过叠层辊卷取一定定量的湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并送入板式热压机进行分段热压，所述分段热压工艺包括以下步骤：

(a)第一段：温度70～90℃，压力5～10MPa，时间10～30min；

(b)第二段：温度120～180℃，压力15～25MPa，时间0.5～1h；

(c)第三段：温度240～300℃，压力25～40MPa，时间1～3h；

第一段热压处理后，纸坯的含水量为10～30％；

(4)降温后卸板进入半成品室平衡处理，使层压板含水量为2～5％，然后切边整饰，最终得到芳纶绝缘层压板产品。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

选取相对绝干总质量70％的间位芳纶短切纤维A和相对绝干总质量30％的间位芳纶沉析纤维在水中疏解，其中间位芳纶短切纤维A为高强高模纤维，长度4mm、纤度1.5D，模量为60CN/dtex，间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0：1：7：2的尺寸组合而成；将三种纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005％，成型器内采用超声波处理，频率为100kHz；将湿纸幅压榨至含水率90％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入板式热压机进行分段热压；第一段热压温度90℃，压力10MPa，时间10min，使得纸坯含水量为30％；第二段热压温度180℃，压力25MPa，时间0.5h；第三段热压温度300℃，压力40MPa，时间1h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使层压板含水量达到5％，切边整饰，最终得到厚度0.8mm，密度0.70g/cc的高强度芳纶绝缘层压板产品。

实施例2

选取相对绝干总质量30％的间位芳纶短切纤维A和相对绝干总质量70％的间位芳纶沉析纤维在水中疏解，其中间位芳纶短切纤维A为高强高模纤维，长度10mm、纤度2.5D，模量为80CN/dtex，间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝1：1：3：5的尺寸组合而成；将三种纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为50kHz；将湿纸幅压榨至含水率70％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入板式热压机进行分段热压；第一段热压温度70℃，压力5MPa，时间30min，使得纸坯含水量为10％；第二段热压温度120℃，压力15MPa，时间1h；第三段热压温度240℃，压力25MPa，时间3h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使层压板含水量达到2％，切边整饰，最终得到厚度10mm，密度1.0g/cc的高强度芳纶绝缘层压板产品。

实施例3

选取相对绝干总质量50％的间位芳纶短切纤维A、相对绝干总质量10％的间位芳纶短切纤维B和相对绝干总质量40％的间位芳纶沉析纤维在水中疏解，其中间位芳纶短切纤维A为高强高模纤维，长度6mm、纤度2D，模量为70CN/dtex，间位芳纶短切纤维B为初生纤维，长度3mm、纤度1.0D，模量为55CN/dtex，间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝1：3：4：2的尺寸组合而成；将三种纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.01％，成型器内采用超声波处理，频率为75kHz；将湿纸幅压榨至含水率80％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入板式热压机进行分段热压；第一段热压温度80℃，压力8MPa，时间20min，使得纸坯含水量为20％；第二段热压温度150℃，压力20MPa，时间0.5h；第三段热压温度270℃，压力30MPa，时间2h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使层压板含水量达到3％，切边整饰，最终得到厚度3.0mm，密度0.83g/cc的高强度芳纶绝缘层压板产品。

实施例4

选取相对绝干总质量50％的间位芳纶短切纤维A、相对绝干总质量20％的间位芳纶短切纤维B和相对绝干总质量30％的间位芳纶沉析纤维在水中疏解，其中间位芳纶短切纤维A为高强高模纤维，长度7mm、纤度2D，模量为60CN/dtex，间位芳纶短切纤维B为初生纤维，长度1mm、纤度0.5D，模量为30CN/dtex，间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝2：3：4：1的尺寸组合而成；将三种纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.01％，成型器内采用超声波处理，频率为75kHz；将湿纸幅压榨至含水率80％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入板式热压机进行分段热压；第一段热压温度90℃，压力10MPa，时间20min，使得纸坯含水量为15％；第二段热压温度150℃，压力20MPa，时间1.0h；第三段热压温度280℃，压力30MPa，时间2h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使层压板含水量达到3％，切边整饰，最终得到厚度5.0mm，密度0.90g/cc的高强度芳纶绝缘层压板产品。

本发明实施例3制成的高强度芳纶绝缘层压板主要性能指标与同类产品相比较，如表1所示。

表1 实施例3与同类产品性能指标对比

从表1中数据可以看出，按照本发明一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，所制备的芳纶绝缘层压板在机械强度和绝缘性能方面优势明显，并保持了220℃的长期使用温度，有利于为电气绝缘和电子电工领域提供了高品质新型材料。

Claims (7)

1.一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其特征在于，所述芳纶绝缘层压板厚度0.8～10mm，密度0.7～1.0g/cc，包括以下步骤：

(1)将间位芳纶短切纤维A、间位芳纶短切纤维B和间位芳纶沉析纤维在水中疏解后混合，所述的间位芳纶短切纤维A为高强高模纤维，长度4～10mm、纤度1.5～2.5D；间位芳纶短切纤维B为初生纤维，长度1～3mm、纤度0.5～1.0D；

(2)利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005～0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为50～100kHz；

(3)将湿纸幅压榨至含水率70～90％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并送入板式热压机进行分段热压；

(4)降温后卸板进入半成品室平衡处理，然后切边整饰，最终得到芳纶绝缘层压板产品。

2.根据权利要求1所述的一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其特征在于，间位芳纶短切纤维A、间位芳纶短切纤维B和间位芳纶沉析纤维的用量分别为：

(a)间位芳纶短切纤维A，相对于绝干总质量30～70％；

(b)间位芳纶短切纤维B，相对于绝干总质量0～20％；

(c)间位芳纶沉析纤维，相对于绝干总质量30～70％。

3.根据权利要求1所述的一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其特征在于，间位芳纶短切纤维A的模量为60～80CN/dtex，间位芳纶短切纤维B的模量为30～55CN/dtex。

4.根据权利要求1所述的一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其特征在于，间位芳纶沉析纤维通过多级筛分，且间位芳纶沉析纤维的尺寸组合比例为≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0～2：1～3：3～7：1～5。

5.根据权利要求1所述的一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其特征在于，分段热压工艺包括以下步骤：

(a)第一段：温度70～90℃，压力5～10MPa，时间10～30min；

(b)第二段：温度120～180℃，压力15～25MPa，时间0.5～1h；

(c)第三段：温度240～300℃，压力25～40MPa，时间1～3h。

6.根据权利要求5所述的一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其特征在于，第一段热压处理后，纸坯的含水量为10～30％。

7.根据权利要求1所述的一种高强度芳纶绝缘层压板的制备方法，其特征在于，平衡处理后绝缘层压板的含水量为2～5％。