CN111560793A - 一种利用纤维增强的少胶云母纸 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用纤维增强的少胶云母纸，包括云母纸层、补强材料层以及胶粘剂层，其利用经过白炭黑掺杂处理的碳纤维与芳纶纤维的质量比2:3～2:5的比例混合物作为加强纤维，在所述云母纸层中与不同组分和粒径的混合云母粉以及纳米导热颗粒混合制成浆料，并抄造制成云母纸；并在胶粘剂层中利用复配的环氧树脂作为基体，添加上述加强纤维进行增强，以在保证强度和性能的同时减少胶粘剂层中环氧树脂的用量；而所述补强材料层为纤维布层。本发明制得的云母纸良好的电气性能以及优秀的拉伸强度和导热系数，又能满足先进的少胶VPI工艺对云母带渗透性的要求。

Description

一种利用纤维增强的少胶云母纸
技术领域
本发明涉及绝缘云母制品领域，具体为一种具有较佳物理性能的利用纤维增强的少胶云母纸。
背景技术
近年来,随着我国经济的持续发展和科技进步，人们对电能的需求逐渐增加，绝缘材料在电气设备中的应用也引起了人们的关注。云母纸产品作为一种使用广泛的纸基绝缘材料，其通过云母片原料通过破碎、打浆、抄造制成型，具有电气性能和机械性能良好、价格便宜和环境友好等优点，广泛用于电机、电线、电缆、变压器和电容器等电气设备中。
随着电力行业的发展，现代发电设备与输电设备逐步向高压大容量发展，对电气绝缘纸的高温耐受性、强度性能和绝缘性能提出了更高要求，提高云母纸的耐热等级，使有效提高电器设备的使用性能，达到提高电压、增大电容、缩小体积等目的，并能在高温、高载等苛刻条件下长期可靠运行并缩减运维成本，现有的云母胶粘剂大多以普通的环氧树脂改性或者普通线性聚酯型树脂为基础，粘接强度不够高、相容性较差，制备的云母带的云母定量较低、易掉粉、击穿电压较小、介损较高，导致电机发热量大、耐老化性能差，若能提高云母纸中的云母定量，降低胶含量，并在此基础上使云母纸具有一些其他的综合性能，如高机械强度，高耐温性，高绝缘性以及恶劣环境下的高适应性等，将进一步提高云母纸的适用范围。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种利用纤维增强的少胶云母纸，以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种利用纤维增强的少胶云母纸，包括云母纸层、补强材料层以及填充于所述云母纸层和所述补强材料层之间的胶粘剂层，其中，所述云母纸层中包括80～92wt％的混合云母粉、0.3～1.5wt％的纳米导热颗粒以及余量的加强纤维；所述胶粘剂层为以复配的环氧树脂作为基体，并通过加强纤维进行增强的环氧树脂胶层，其中的加强纤维掺加量为7～9wt％；所述补强材料层为纤维布层；
所述混合云母粉中包括20～35wt％的30～60目的云母鳞片、50～65wt％的60～80目的云母鳞片、5～8wt％的80～120目的云母鳞片以及余量的120目～200目的云母鳞片；
所述加强纤维为经过白炭黑掺杂处理的碳纤维与芳纶纤维的质量比2:3～2:5的比例混合物；其中，所述碳纤维的处理方式为将占碳纤维5～8wt％的气相法白炭黑掺入聚丙烯腈溶液中进行超声分散，通过静电纺丝制备出经过气相法白炭黑杂化的聚丙烯腈纤维，再以该杂化聚丙烯腈纤维作为原料进行碳化处理后得到所述白炭黑掺杂处理的碳纤维。
作为进一步限定，所述少胶云母纸厚度为0.08～0.12mm，纸层中的云母定量为110～180g/m2，且所述胶粘剂层在少胶云母纸中的占比不超过10wt％。
作为进一步限定，所述少胶云母纸中无碱玻璃布定量为22～25g/m2，厚度为0.025mm～0.045mm。
作为进一步限定，所述纳米导热颗粒为颗粒物粒径为30～120nm的无机物颗粒，且所述无机物颗粒为具有高导热率的三氧化二铝粉末、氮化铝粉末、二氧化钛粉末、氧化硼粉末中的一种或者组合。
作为进一步限定，所述胶粘剂层以环氧当量小于200g/mol的双酚A型环氧树脂或双酚F型环氧树脂与聚醚醚酮按照3:1～4:1的比例进行复配制成基体材料，按基体材料:溶剂＝1:1～1:1.5的质量比进行比例混合而成；而所述溶剂为甲苯、二甲苯、丁酮、丁醇、丙酮及乙酸乙酯中的一种。
作为进一步限定，所述补强材料层为经过硅烷偶联剂改性处理的电工用无碱玻纤布。
作为进一步限定，所述加强纤维中的所述碳纤维单丝长度为3～5mm，纤度为0.5～1D；而所述芳纶纤维为间位芳纶纤维，其单丝长度为4～7mm，纤度为1～1.5D。
作为进一步限定，所述白炭黑掺杂处理的碳纤维在进行碳化处理时，按照以下方式进行：
首先，在氮气氛围下加热升温至200～300℃进行保温预氧化处理化，保温预氧化处理30～90min，使聚丙烯腈的线型链转化耐热梯型结构使其高温碳化并保持纤维状态；
然后在氮气氛围下继续加热至1200～1500℃，维持15～30min，使其完全碳化并定型。
有益效果：本发明的少胶云母带胶粘剂含量少，成份挥发率低，能用有效提高云母带中的云母定量，显著降低介质损耗和提高击穿电压，且具有良好的柔韧性，高强度、高耐磨、抗撕裂性能和耐高温性能，可制作厚度为0.8～5mm，可适用于大中型电机(如风电电机和核电电机)中作为绝缘材料，适用电压等级为5～30kV；
用于VPI工艺中进行高导热绝缘浸渍时能大幅缩短线圈的VPI工艺时间，降低介质损耗和提高击穿电压，从而提升电机的电气性能和运行可靠性，同时通过控制云母纸等材料的类型，使得制备的少胶云母带具有较佳的导热系数和耐高温性能。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
在下述实施例中，本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
实施例一，在实施例中少胶云母带通过以下方式制备：
将气相法白炭黑颗粒作为原料掺杂在聚丙烯腈的溶液中进行超声分散，然后将聚丙烯腈的超声分散溶液用静电纺丝法制成单丝，将该经过气相法白炭黑杂化的聚丙烯腈纤维加入碳化炉中，在高纯氮气的保护条件下加热升温至200℃进行保温预氧化处理90min，使聚丙烯腈的线型链转化耐热梯型结构使其高温碳化并保持纤维状态，然后升温至1450℃保持15min使其完全碳化，形成白炭黑颗粒掺杂处理的碳纤维，并测定其中气相法白炭黑的量为7wt％，在成型的该碳纤维中选择单丝长度为3～5mm，纤度为0.5～1D的碳纤维单丝与单丝长度为4～7mm，纤度为1～1.5D的间位芳纶纤维按照2:3的质量比进行混合制得加强纤维。
利用电工用无碱玻璃布作为纤维布层进行改性，对其表面进行浸润剂脱除处理，然后将脱除表面浸润剂的纤维布层浸渍于硅烷偶联剂中进行改性，得到改性纤维布层。
利用环氧当量小于200g/mol的双酚A型环氧树脂与聚醚醚酮按照3:1的比例进行复配制成基体材料，选择甲苯作为溶剂，将基体材料与溶剂按照2:3的质量比配比混合后得到粘胶剂。
将350kg的30～60目的云母鳞片、500kg的60～80目的云母鳞片、50kg的80～120目的云母鳞片以及100kg的120目～200目的云母鳞片进行混合制成混合云母粉，加入3kg的三氧化二铝粉末、3kg的二氧化钛粉末以及4kg的氧化硼粉末以及100kg的加强纤维进行混合制浆、稳浆后在圆网纸机抄造，利用上浆浓度来控制成型的云母纸层的厚度，成型处理制成云母纸层。
然后在改性纤维布层上涂布粘胶剂，然后在胶粘剂层上平铺云母纸，控制热压温度为160℃、热压压力为12MPa，进行热压处理35min后得到少胶云母带。
在本实施例中，控制成型的少胶云母带厚度控制为0.14mm以方便对比，其技术指标如表1所示。
实施例二，在实施例中少胶云母带通过以下方式制备：
将气相法白炭黑颗粒作为原料掺杂在聚丙烯腈的溶液中进行超声分散，然后将聚丙烯腈的超声分散溶液用静电纺丝法制成单丝，将该经过气相法白炭黑杂化的聚丙烯腈纤维加入碳化炉中，在高纯氮气的保护条件下加热升温至300℃进行保温预氧化处理60min，使聚丙烯腈的线型链转化耐热梯型结构使其高温碳化并保持纤维状态，然后升温至1200℃保持30min使其完全碳化，形成白炭黑颗粒掺杂处理的碳纤维，并测定其中气相法白炭黑的量为5wt％，在成型的该碳纤维中选择单丝长度为3～5mm，纤度为0.5～1D的碳纤维单丝与单丝长度为5～6mm，纤度为1～1.5D的间位芳纶纤维按照2:5的质量比进行混合制得加强纤维。
利用电工用无碱玻璃布作为纤维布层进行改性，对其表面进行浸润剂脱除处理，然后将脱除表面浸润剂的纤维布层浸渍于硅烷偶联剂中进行改性，得到改性纤维布层。
利用环氧当量小于200g/mol的双酚A型环氧树脂与聚醚醚酮按照4:1的比例进行复配制成基体材料，选择丙酮作为溶剂，将基体材料与溶剂按照1:1的质量比配比混合后得到粘胶剂。
将200kg的30～60目的云母鳞片、600kg的60～80目的云母鳞片、80kg的80～120目的云母鳞片以及120kg的120目～200目的云母鳞片进行混合制成混合云母粉，加入5kg的氮化铝粉末以及4kg的氧化硼粉末以及150kg的加强纤维进行混合制浆、稳浆后在圆网纸机抄造，利用上浆浓度来控制成型的云母纸层的厚度，成型处理制成云母纸层。
然后在改性纤维布层上涂布粘胶剂，然后在胶粘剂层上平铺云母纸，控制热压温度为170℃、热压压力为15MPa，进行热压处理30min后得到少胶云母带。
在本实施例中，控制成型的少胶云母带厚度控制为0.14mm以方便对比，其技术指标如表1所示。
实施例三，在实施例中少胶云母带通过以下方式制备：
将气相法白炭黑颗粒作为原料掺杂在聚丙烯腈的溶液中进行超声分散，然后将聚丙烯腈的超声分散溶液用静电纺丝法制成单丝，将该经过气相法白炭黑杂化的聚丙烯腈纤维加入碳化炉中，在高纯氮气的保护条件下加热升温至270℃进行保温预氧化处理60min，使聚丙烯腈的线型链转化耐热梯型结构使其高温碳化并保持纤维状态，然后升温至1350℃保持25min使其完全碳化，形成白炭黑颗粒掺杂处理的碳纤维，并测定其中气相法白炭黑的量为7wt％，在成型的该碳纤维中选择单丝长度为3～5mm，纤度为1D的碳纤维单丝与单丝长度为4.5～5.5mm，纤度为1D的间位芳纶纤维按照2:3的质量比进行混合制得加强纤维。
利用电工用无碱玻璃布作为纤维布层进行改性，对其表面进行浸润剂脱除处理，然后将脱除表面浸润剂的纤维布层浸渍于硅烷偶联剂中进行改性，得到改性纤维布层。
利用环氧当量小于200g/mol的双酚A型环氧树脂与聚醚醚酮按照7:2的比例进行复配制成基体材料，选择甲苯作为溶剂，将基体材料与溶剂按照2:3的质量比配比混合后得到粘胶剂。
将280kg的30～60目的云母鳞片、600kg的60～80目的云母鳞片、50kg的80～120目的云母鳞片以及70kg的120目～200目的云母鳞片进行混合制成混合云母粉，加入3kg的二氧化钛粉末、7kg氧化硼粉末以及135kg的加强纤维进行混合制浆、稳浆后在圆网纸机抄造，利用上浆浓度来控制成型的云母纸层的厚度，成型处理制成云母纸层。
然后在改性纤维布层上涂布粘胶剂，然后在胶粘剂层上平铺云母纸，控制热压温度为160℃、热压压力为15MPa，进行热压处理35min后得到少胶云母带。
在本实施例中，控制成型的少胶云母带厚度控制为0.14mm以方便对比；其技术指标如表1所示。
实施例一 实施例二 实施例三 对比例
厚度(mm) 0.14 0.14 0.14 0.14
云母定量(g/m2) 171 174 182 158
纤维布层定量(g/m2) 24 24 23 22
胶粘剂定量(g/m2) 7.1 6.5 6.8 7.6
拉伸强度(N/cm) 65.7 66.2 67.2 51.5
线棒击穿电压(KV) 50.8 50.1 48.6 50.1
导热系数(W/(m·K)) 0.52 0.57 0.61 0.38
透气度s/100cm3 604 598 594 1263
在表1中，以市售相同厚度的少胶环氧云母纸作为对比例，进行技术指标的对比，可以看出：三组实施例制备的少胶云母纸，其制备的少胶云母纸除在线棒击穿电压有少许下降之外，在拉伸强度和导热系数上均由提升，同时，由于采用了气相法白炭黑作为开孔介质，还有效提高了成型后的云母纸成型后的内部微孔隙的分布，提高了透气度，跟有利于VPI工艺中进行绝缘浸渍，在浸渍时能大幅缩短线圈的VPI工艺时间，同时，云母纸的平均使用寿命得到了提升，能达到2400h以上，可有效提高电机使用寿命。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种利用纤维增强的少胶云母纸，其特征在于，包括云母纸层、补强材料层以及填充于所述云母纸层和所述补强材料层之间的胶粘剂层，其中，所述云母纸层中包括80～92wt％的混合云母粉、0.3～1.5wt％的纳米导热颗粒以及余量的加强纤维；所述胶粘剂层为以复配的环氧树脂作为基体，并通过加强纤维进行增强的环氧树脂胶层，其中的加强纤维掺加量为7～9wt％；所述补强材料层为纤维布层；
所述混合云母粉中包括20～35wt％的30～60目的云母鳞片、50～65wt％的60～80目的云母鳞片、5～8wt％的80～120目的云母鳞片以及余量的120目～200目的云母鳞片；
所述加强纤维为经过白炭黑掺杂处理的碳纤维与芳纶纤维的质量比2:3～2:5的比例混合物；其中，所述碳纤维的处理方式为将占碳纤维5～8wt％的气相法白炭黑掺入聚丙烯腈溶液中进行超声分散，通过静电纺丝制备出经过气相法白炭黑杂化的聚丙烯腈纤维，再以该杂化聚丙烯腈纤维作为原料进行碳化处理后得到所述白炭黑掺杂处理的碳纤维。
2.根据权利要求1所述的少胶云母纸，其特征在于，所述少胶云母纸厚度为0.08～0.12mm，纸层中的云母定量为110～180g/m2，且所述胶粘剂层在少胶云母纸中的占比不超过10wt％。
3.根据权利要求1所述的少胶云母纸，其特征在于，所述少胶云母纸中无碱玻璃布定量为22～25g/m2，厚度为0.025mm～0.045mm。
4.根据权利要求1所述的少胶云母纸，其特征在于，所述纳米导热颗粒为颗粒物粒径为30～120nm的无机物颗粒，且所述无机物颗粒为具有高导热率的三氧化二铝粉末、氮化铝粉末、二氧化钛粉末、氧化硼粉末中的一种或者组合。
5.根据权利要求1所述的少胶云母纸，其特征在于，所述胶粘剂层以环氧当量小于200g/mol的双酚A型环氧树脂或双酚F型环氧树脂与聚醚醚酮按照3:1～4:1的比例进行复配制成基体材料，按基体材料:溶剂＝1:1～1:1.5的质量比进行比例混合而成，所述溶剂为甲苯、二甲苯、丁酮、丁醇、丙酮及乙酸乙酯中的一种。
6.根据权利要求1所述的少胶云母纸，其特征在于，所述补强材料层为经过硅烷偶联剂改性处理的电工用无碱玻纤布。
7.根据权利要求1所述的少胶云母纸，其特征在于，所述加强纤维中的所述碳纤维单丝长度为3～5mm，纤度为0.5～1D；所述芳纶纤维为间位芳纶纤维，其单丝长度为4～7mm，纤度为1～1.5D。
8.根据权利要求1所述的少胶云母纸，其特征在于，利用白炭黑掺杂处理的碳纤维在进行碳化处理时，按照以下方式进行：
在氮气氛围下加热升温至200～300℃进行保温预氧化处理化，保温预氧化处理30～90min，使聚丙烯腈的线型链转化耐热梯型结构使其高温碳化并保持纤维状态；
在氮气氛围下继续加热至1200～1500℃，维持15～30min，使其完全碳化并定型。
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