CN112663382A - 一种高机械强度芳纶绝缘纸及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高机械强度芳纶绝缘纸及其制备方法与应用，属于芳纶纸领域。该制备方法包括以下步骤：间位芳纶短切纤维与沉析纤维的打浆处理、间位芳纶短切纤维与沉析纤维复配、植物纤维素纳米纤丝的添加、成纸后处理。通过将间位芳纶短切和沉析纤维分别进行有效分散，然后按质量比均匀混合，之后向芳纶纤维浆料中加入植物纤维素纳米纤丝，再将浆料进行超低浓斜网湿法成型及干燥处理得到初纸样；再高温热压，制得高机械强度芳纶绝缘纸。本发明利用三类特种纤维的优势互补来复配抄造芳纶绝缘纸，以来源丰富和成本低廉的植物纳米纤维部分替代芳纶纤维，并能显著提高芳纶绝缘纸的机械性能，保证成纸在拥有良好的绝缘性同时具有很好的机械性能。
Description
技术领域
本发明属于芳纶纸领域，具体涉及一种高机械强度芳纶绝缘纸及其制备方法与应用。
背景技术
芳纶纤维(即芳香族聚酰胺纤维)是一类新型的特种用途的合成纤维，通常具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、阻燃、电绝缘、重量轻、化学稳定性及热稳定性等优良性能，是高性能合成纤维的代表。芳纶纤维主要分为对位芳纶纤维(芳纶1414)和间位芳纶纤维(芳纶1313)，目前主要产品包括芳纶短切纤维、芳纶短纤维、芳纶沉析纤维、芳纶浆粕。随着科学技术的高速发展，芳纶纤维已得到国际社会的重点关注，并已成为航天航空、国防、工业、民用等多领域重要的原材料。
芳纶纤维纸是由芳纶短切纤维与沉析纤维(或浆粕纤维)混合抄造而成。芳纶纸因其具有优良的机械性能、良好的介电性能、突出的绝缘性能、优越的耐热性等可作为屏蔽材料、绝缘材料、过滤材料、增强材料，已被广泛应用于高温高压绝缘、交通运输、电工电子、安全防护等尖端领域，如变压器或电机线圈。众所周知，高压通电环境会产生较大的电流，从而导致变压器或者电机的温度上升，为避免变压器或电机因电流过高被击穿老化或被损坏，必须具备足够的绝缘强度和机械性能。通常变压器或电机线圈是采用芳纶绝缘纸来作为绝缘材料，因此芳纶绝缘纸的电气性能和物理性能等十分重要。
发明内容
为了解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种由上述制备方法制备得到的高机械强度芳纶绝缘纸。
本发明的再一目的在于提供一种上述高机械强度芳纶绝缘纸在变压器或电机线圈中的应用。
本发明目的通过以下技术方案实现。
一种高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，包括以下操作步骤：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维分别在PFI磨中进行打浆和充分的分散处理，并分别加入分散剂中保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维分散液均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)植物纤维素纳米纤丝的添加：在搅拌的条件下向步骤(2)中的芳纶纤维浆料溶液中加入植物纤维素纳米纤丝，制得混合浆料；
(4)成纸后处理：将步骤(3)得到的混合浆料斜网超低浓成型、干燥处理，得到初纸样，再进行高温热压处理得到芳纶绝缘纸。
优选的，步骤(1)所述间位芳纶短切纤维的打浆转数为3500～5500转，打浆浓度为3.0～5.0％，打浆度为40～60°；间位芳纶沉析纤维的打浆转数为5500～7500转，打浆浓度为2.0～5.0％，打浆度为25～35°。
优选的，步骤(1)所述分散剂是聚丙烯酸钠，分子量为2000～5000。
优选的，步骤(1)打浆后，间位芳纶短切纤维在分散液中的质量浓度为0.4～0.7％，间位芳纶沉析纤维在分散液中的质量浓度为1.8～2.4％。
优选的，步骤(2)所述的间位芳纶短切纤维与间位芳纶沉析纤维的绝干质量比为1：1～1：3。
优选的，步骤(3)所述的植物纤维素纳米纤丝的直径为20～46nm，长度为783～1245nm，且加入量为混合浆料绝干质量的2.0～10.0％。
优选的，步骤(3)所述搅拌的转速为3000-5000r/min。
优选的，步骤(4)所述的斜网超低浓成型中浆料的质量浓度为0.10～0.15％；高温热压条件为：温度为250～270℃；压力为6.0～10.0MPa；时间为0.5～1.0h。
一种高机械强度芳纶绝缘纸，由上述制备方法制备得到。
上述高机械强度芳纶绝缘纸在变压器或电机线圈中的应用。
本发明的高机械强度的芳纶绝缘纸是多种纤维的合理复配，间位芳纶短切纤维作为骨架材料，是纸张物理强度的主要来源；间位芳纶沉析纤维作为粘结材料，是电气绝缘强度的主要来源；植物纤维素纳米纤丝作为纳米增强剂，均匀分布在纸张中，能提高芳纶纸的机械性能。三种纤维浆料通过合适的比例进行复配，然后采用超低浓度斜网纸机湿法成型技术，再进行高温热压处理，制备出绝缘等级优良的压器或电机线圈用高机械强度芳纶绝缘纸。
相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)本发明制备的高机械强度芳纶绝缘纸是由三种特种纤维合理复配而获得的，充分利用不同特种纤维的优势。间位芳纶短切纤维均匀分布在纸张中，赋予成纸良好的物理强度；间位芳纶沉析纤维填充在短切纤维与植物纤维素纳米纤丝之间，有助于提高成纸的电气绝缘性能；植物纤维素纳米纤丝具有高长径比和大比表面积，能够更好的与短切纤维和沉析纤维搭桥连接，改善纤维间界面结合力，从而进一步增强各种纤维之间的紧密结合，显著提高芳纶纸的机械性能。因此能改善芳纶纸的综合性能，保证成纸在拥有良好的绝缘性同时还有优越的机械性能。
(2)本发明采用超低浓度(0.10～0.15％)斜网纸机湿法成型技术，能解决芳纶纤维易絮聚难题，实现超低浓度下特种纤维的均匀分散和成型，有利于提高成纸的机械性能；同时造纸湿法抄造芳纶绝缘纸，能降低能耗，符合可持续发展观念。
(3)植物纤维素资源丰富，具有可再生、价格低廉的特性，将植物纤维素纳米化后掺杂在芳纶纤维中进行复合抄造生产芳纶绝缘纸，能显著降低生产成本，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明中各种参数的检测依据国家标准检测方法以及行业标准进行，具体的：厚度(GB/T 20628.2-2006)﹑抗张强度(GB/T 451.2-2002)﹑撕裂强度(GB/T455-2002)﹑电气强度(GB/T 5019.2-2009)、介电常数和介电损耗因子(GB/T1409-2006)等性能测试。
本发明实施例中使用的芳纶短切纤维和沉析纤维购于某特种纤维制造有限公司。
植物纤维素纳米纤丝的制备方法包括如下步骤：
(1)纤维素酶的预处理：将桉木浆的浆料(浓度为1.5～2.5wt％)加入到酸性缓冲溶液(浓度为40～60mmol/L)中，然后加入酶试剂(Banzyme 2900，酶试剂的用量为按每克植物纤维加入10～16mg酶试剂计算)，在50～60℃下进行酶解0.5～2.0h，得到酶解后的浆料；
(2)机械研磨处理：将酶解后的浆料加水配置成1.0wt％的浓度，然后置于超微粒研磨机中进行机械研磨处理，控制转速为2800rpm。磨盘间隙、研磨次数分别为+50μm(8遍)，+20μm(8遍)，0μm(10遍)，-20μm(10遍)，-50μm(20遍)，-80μm(5遍)和-100μm(5遍)。经洗涤，最终得到植物纤维素纳米纤丝悬浮液。
实施例1
本实施例的一种高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为3500转，打浆浓度为3.0％，打浆度为40°；间位芳纶沉析纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为5500转，打浆浓度为2.0％，打浆度为25°。分别在间位芳纶短切纤维和沉析纤维中加入分子量为2000的聚丙烯酸钠分散剂，控制间位芳纶短切纤维的质量浓度为0.4％，间位芳纶沉析纤维的质量浓度为1.8％，保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：1均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)植物纤维素纳米纤丝的添加：在高速搅拌(转速：3000r/min)的条件下向步骤(2)中的芳纶纤维浆料溶液中加入浓度为1.0wt％的植物纤维素纳米纤丝悬浮液，其中植物纤维素纳米纤丝的直径为25～37nm，长度为783～1026nm，且加入量为混合浆料绝干质量的2.0％，制得混合浆料；
(4)成纸后处理：将步骤(3)得到的混合浆料以浆浓为0.10％在斜网纸机上进行湿法成型、干燥处理，得到初纸样；再在温度为250℃，压力为6.0MPa条件下进行高温热压处理0.5h，得到高机械强度芳纶绝缘纸。
本实施例的高机械强度芳纶绝缘纸的性能检测数据：样品厚度：0.58mm；抗张强度：横向52.7kN/m；纵向53.3kN/m；撕裂强度：横向16.8N；纵向16.5N；电气强度：20.1kV/mm；介电常数(50Hz)：3.35；介电损耗因子(50Hz)：0.015。
实施例2
本实施例的一种高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为4000转，打浆浓度为4.0％，打浆度为50°；间位芳纶沉析纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为6000转，打浆浓度为3.0％，打浆度为30°。分别在间位芳纶短切纤维和沉析纤维中加入分子量为3000的聚丙烯酸钠分散剂，控制间位芳纶短切纤维的质量浓度为0.5％，间位芳纶沉析纤维的质量浓度为2.0％，保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：2均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)植物纤维素纳米纤丝的添加：在高速搅拌(转速：4000r/min)的条件下向步骤(2)中的芳纶纤维浆料溶液中加入浓度为1.0wt％的植物纤维素纳米纤丝悬浮液，其中植物纤维素纳米纤丝的直径为34～43nm，长度为867～1152nm，且加入量为混合浆料绝干质量的5.0％，制得混合浆料；
(4)成纸后处理：将步骤(3)得到的混合浆料以浆浓为0.12％在斜网纸机上进行湿法成型、干燥处理，得到初纸样；再在温度为260℃，压力为8.0MPa条件下进行高温热压处理0.8h，得到高机械强度芳纶绝缘纸。
本实施例的高机械强度芳纶绝缘纸的性能检测数据：样品厚度：0.63mm；抗张强度：横向55.0kN/m；纵向55.7kN/m；撕裂强度：横向17.4N；纵向17.2N；电气强度：20.6kV/mm；介电常数(50Hz)：3.47；介电损耗因子(50Hz)：0.017。
实施例3
本实施例的一种高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为4500转，打浆浓度为4.5％，打浆度为60°；间位芳纶沉析纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为7000转，打浆浓度为4.0％，打浆度为30°。分别在间位芳纶短切纤维和沉析纤维中加入分子量为4000的聚丙烯酸钠分散剂，控制间位芳纶短切纤维的质量浓度为0.6％，间位芳纶沉析纤维的质量浓度为2.2％，保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：3均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)植物纤维素纳米纤丝的添加：在高速搅拌(转速：5000r/min)的条件下向步骤(2)中的芳纶纤维浆料溶液中加入浓度为1.0wt％的植物纤维素纳米纤丝悬浮液，其中植物纤维素纳米纤丝的直径为20～36nm，长度为923～1195nm，且加入量为混合浆料绝干质量的8.0％，制得混合浆料；
(4)成纸后处理：将步骤(3)得到的混合浆料以浆浓为0.14％在斜网纸机上进行湿法成型、干燥处理，得到初纸样；再在温度为270℃，压力为9.0MPa条件下进行高温热压处理1.0h，得到高机械强度芳纶绝缘纸。
本实施例的高机械强度芳纶绝缘纸的性能检测数据：样品厚度：0.69mm；抗张强度：横向57.8kN/m；纵向58.6kN/m；撕裂强度：横向18.7N；纵向18.3N；电气强度：21.3kV/mm；介电常数(50Hz)：3.58；介电损耗因子(50Hz)：0.018。
实施例4
本实施例的一种高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为5500转，打浆浓度为5.0％，打浆度为60°；间位芳纶沉析纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为7500转，打浆浓度为5.0％，打浆度为35°。分别在间位芳纶短切纤维和沉析纤维中加入分子量为5000的聚丙烯酸钠分散剂，控制间位芳纶短切纤维的质量浓度为0.7％，间位芳纶沉析纤维的质量浓度为2.4％，保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：3均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)植物纤维素纳米纤丝的添加：在高速搅拌(转速：5000r/min)的条件下向步骤(2)中的芳纶纤维浆料溶液中加入浓度为1.0wt％的植物纤维素纳米纤丝悬浮液，其中植物纤维素纳米纤丝的直径为29～46nm，长度为986～1245nm，且加入量为混合浆料绝干质量的10.0％，制得混合浆料；
(4)成纸后处理：将步骤(3)得到的混合浆料以浆浓为0.15％在斜网纸机上进行湿法成型、干燥处理，得到初纸样；再在温度为270℃，压力为10.0MPa条件下进行高温热压处理1.0h，得到高机械强度芳纶绝缘纸。
本实施例的高机械强度芳纶绝缘纸的性能检测数据：样品厚度：0.74mm；抗张强度：横向59.7kN/m；纵向60.6kN/m；撕裂强度：横向19.2N；纵向18.9N；电气强度：21.8kV/mm；介电常数(50Hz)：3.74；介电损耗因子(50Hz)：0.019。
对比例1
本实施例的一种芳纶绝缘纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为3500转，打浆浓度为3.0％，打浆度为40°；间位芳纶沉析纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为5500转，打浆浓度为2.0％，打浆度为25°。分别在间位芳纶短切纤维和沉析纤维中加入分子量为2000的聚丙烯酸钠分散剂，控制间位芳纶短切纤维的质量浓度为0.4％，间位芳纶沉析纤维的质量浓度为1.8％，保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：1均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)成纸后处理：将步骤(2)复配得到的芳纶纤维浆料以浆浓为0.10％在斜网纸机上进行湿法成型、干燥处理，得到初纸样；再在温度为250℃，压力为6.0MPa条件下进行高温热压处理0.5h，得到芳纶绝缘纸。
本实施例的芳纶绝缘纸的性能检测数据：样品厚度：0.58mm；抗张强度：横向43.5kN/m；纵向44.3kN/m；撕裂强度：横向12.6N；纵向12.1N；电气强度：20.7kV/mm；介电常数(50Hz)：3.41；介电损耗因子(50Hz)：0.016。
对比例2
本实施例的一种芳纶绝缘纸的制备方法，具体制备步骤如下：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为3500转，打浆浓度为3.0％，打浆度为40°；间位芳纶沉析纤维在PFI磨中进行打浆处理，打浆转数为5500转，打浆浓度为2.0％，打浆度为25°。分别在间位芳纶短切纤维和沉析纤维中加入分子量为2000的聚丙烯酸钠分散剂，控制间位芳纶短切纤维的质量浓度为0.4％，间位芳纶沉析纤维的质量浓度为1.8％，保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维以绝干质量比为1：1均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)植物纤维素纳米纤丝的添加：在高速搅拌(转速：3000r/min)的条件下向步骤(2)中的芳纶纤维浆料溶液中加入浓度为1.0wt％的植物纤维素纳米纤丝悬浮液，其中植物纤维素纳米纤丝的直径为25～37nm，长度为783～1026nm，且加入量为混合浆料绝干质量的2.0％，制得混合浆料；
(4)成纸后处理：将步骤(3)得到的混合浆料以浆浓为0.10％在长网纸机上进行湿法成型、干燥处理，得到初纸样；再在温度为250℃，压力为6.0MPa条件下进行高温热压处理0.5h，得到芳纶绝缘纸。
本实施例的芳纶绝缘纸的性能检测数据：样品厚度：0.58mm；抗张强度：横向17.8kN/m；纵向49.2kN/m；撕裂强度：横向13.7N；纵向15.3N；电气强度：20.1kV/mm；介电常数(50Hz)：3.35；介电损耗因子(50Hz)：0.015。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)打浆处理：将间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维分别在PFI磨中进行打浆和充分的分散处理，并分别加入分散剂保存待用；
(2)复配：将步骤(1)中得到的间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维分散液均匀混合，得到芳纶纤维浆料；
(3)植物纤维素纳米纤丝的添加：在搅拌的条件下向步骤(2)中的芳纶纤维浆料中加入植物纤维素纳米纤丝，制得混合浆料；
(4)成纸后处理：将步骤(3)得到的混合浆料进行斜网超低浓成型、干燥处理，得到初纸样，再进行高温热压处理得到芳纶绝缘纸。
2.根据权利要求1所述的高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述间位芳纶短切纤维的打浆转数为3500～5500转，打浆浓度为3.0～5.0％，打浆度为40～60°；间位芳纶沉析纤维的打浆转数为5500～7500转，打浆浓度为2.0～5.0％，打浆度为25～35°。
3.根据权利要求1所述的高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述分散剂是聚丙烯酸钠，分子量为2000～5000。
4.根据权利要求1所述的高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，步骤(1)打浆后，间位芳纶短切纤维在分散液中的质量浓度为0.4～0.7％，间位芳纶沉析纤维在分散液中的质量浓度为1.8～2.4％。
5.根据权利要求1所述的高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述芳纶纤维浆料中间位芳纶短切纤维与间位芳纶沉析纤维的绝干质量比为1：1～1：3。
6.根据权利要求1所述的高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述植物纤维素纳米纤丝的直径为20～46nm，长度为783～1245nm；所述植物纤维素纳米纤丝的加入量为混合浆料绝干质量的2.0～10.0％。
7.根据权利要求1所述的高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述搅拌的转速为3000-5000r/min。
8.根据权利要求1所述的高机械强度芳纶绝缘纸的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的斜网超低浓成型中浆料的质量浓度为0.10～0.15％；所述高温热压条件为：温度为250～270℃，压力为6.0～10.0MPa，时间为0.5～1.0h。
9.一种高机械强度芳纶绝缘纸，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的高机械强度芳纶绝缘纸在变压器或电机线圈中的应用。
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