芳綸纖維/云母復(fù)合絕緣紙制備技術(shù)研究

張小偉 劉淑鵬

(石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院寶石與材料工藝學(xué)院,河北石家莊，050031)

云母屬硅酸鹽礦物,其晶體結(jié)構(gòu)是由2層硅氧四面體夾著1層鋁氧八面體組成的層片狀結(jié)構(gòu)。獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)決定了云母具有一系列優(yōu)良的物理化學(xué)性能，其廣泛應(yīng)用于電氣絕緣材料、窗口材料、耐高溫和耐化學(xué)腐蝕材料等[1-3]。

芳綸纖維屬高分子有機(jī)化合物,主鏈含有苯環(huán)和酰胺基,其中，85%以上的酰胺基直接跟苯環(huán)相連。芳綸纖維具有極高的強(qiáng)度(為同類(lèi)鋼絲的5～6倍)、模量(為同類(lèi)鋼絲的2～3倍)、韌性(為同類(lèi)鋼絲的2倍),且具有優(yōu)良的絕緣性能、耐高溫性能[4-6]。芳綸纖維可用于制備耐高溫絕緣材料，如電機(jī)絕緣、變壓器主絕緣、柔軟復(fù)合絕緣材料等；航空航天、各種交通工具等的次受力結(jié)構(gòu)材料；還可用作各種耐溫、隔熱材料[7-9]。

非金屬礦物云母與高分子絕緣材料芳綸纖維復(fù)合制備紙基絕緣材料,既可以克服傳統(tǒng)云母絕緣材料機(jī)械強(qiáng)度不高、可加工性能差的缺點(diǎn),又可以提高高分子紙基絕緣材料的耐高溫性能、耐電暈性能，這已成為國(guó)內(nèi)紙基絕緣材料的重點(diǎn)研究方向之一。同時(shí),國(guó)內(nèi)絕緣材料加工企業(yè)也提出了相關(guān)技術(shù)需求,即需要一種具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和介電強(qiáng)度、厚度薄、柔軟、可加工性能好的絕緣材料,為電機(jī)的小型化提供絕緣保障。

云母絕緣紙的制備借鑒了傳統(tǒng)紙張的抄造工藝,制備出的紙張強(qiáng)度主要依賴(lài)云母原料的質(zhì)量。本研究以芳綸漿粕、芳綸短切纖維和云母為原料，采用熱壓成型技術(shù),制備了熱壓復(fù)合絕緣紙；探討了芳綸短切纖維與芳綸漿粕的質(zhì)量比、芳綸短切纖維長(zhǎng)度和熱壓成型工藝對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙性能的影響,以期為高性能復(fù)合絕緣材料的制備提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1原料與儀器

原料：云母原料為印度產(chǎn)白云母,經(jīng)化學(xué)制漿法制備成云母漿料,并經(jīng)過(guò)云母鱗片的表面改性,改善云母鱗片與芳綸纖維的界面結(jié)合性能；與云母復(fù)合制備絕緣紙的芳綸纖維包括2種形態(tài),分別是芳綸漿粕和芳綸短切纖維。其中,芳綸漿粕(間位芳綸)由上海某公司提供,打漿度為50°SR；芳綸短切纖維(對(duì)位芳綸)由江蘇某公司提供,細(xì)度為1D,使用前分別以物理改性和化學(xué)改性法對(duì)纖維表面進(jìn)行處理,提高纖維表面的粗糙度和表面活性。

儀器：YT1.5高速分散機(jī),手持式超聲波分散儀,ZQJ1-B紙樣抄取器,XLB-D500平板硫化機(jī),DCP-KZ30抗張?jiān)囼?yàn)機(jī),NZ-1耐折度測(cè)試儀,CY2671抗電壓測(cè)試儀,NF2511A絕緣電阻測(cè)試儀,JSM-5610LV掃描電鏡,Pyris功率補(bǔ)償型差示掃描量熱儀。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1原料配比與預(yù)先抄造

實(shí)驗(yàn)中芳綸纖維的添加量為8%,其中,芳綸短切纖維經(jīng)過(guò)超聲波改性、硅烷偶聯(lián)劑改性。芳綸短切纖維與芳綸漿粕質(zhì)量比及芳綸短切纖維長(zhǎng)度可變；云母鱗片經(jīng)超聲波分散1 min后與芳綸纖維混合，在高速分散機(jī)中分散5 min后,制備混合漿料備用。采用ZQJ1-B紙樣抄取器抄紙,定量為90 g/m2。

1.2.2熱壓復(fù)合絕緣紙的熱壓成型及性能測(cè)試

將所抄紙張放在平板硫化機(jī)上進(jìn)行熱壓成型,熱壓壓力10～25 MPa、熱壓溫度120～240℃、熱壓時(shí)間0.5～2.0 h。經(jīng)過(guò)熱壓后制備出芳綸纖維/云母熱壓復(fù)合絕緣紙(簡(jiǎn)稱(chēng)“熱壓復(fù)合絕緣紙”),并按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厚度(GB/T 20628.2—2006)、拉伸強(qiáng)度(GB/T 20628.2—2006)、耐折度(GB/T 457—2002)、介電強(qiáng)度(GB/T 5019.2—2009)、電阻率(GB/T 1410—2006)等性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1芳綸短切纖維與芳綸漿粕質(zhì)量比對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙性能的影響

芳綸短切纖維與芳綸漿粕的質(zhì)量比對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙性能的影響如圖1所示。

圖1 芳綸短切纖維與芳綸漿粕質(zhì)量比對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙性能的影響

從圖1可以看出,隨芳綸纖維中芳綸漿粕比例的增大,熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)楦邷馗邏簵l件下芳綸漿粕發(fā)生重結(jié)晶,保證了芳綸短切纖維、云母之間的黏結(jié)、包裹作用；但由于芳綸漿粕的纖維強(qiáng)度較芳綸短切纖維低,芳綸漿粕過(guò)量則會(huì)導(dǎo)致熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度有所下降。同時(shí),芳綸漿粕比例的增大使得熱壓復(fù)合絕緣紙的介電強(qiáng)度逐漸增大；大量芳綸漿粕的存在填充了復(fù)合材料間的空隙,經(jīng)過(guò)熱壓工藝后提高了材料的密實(shí)程度,減小了材料從空隙處被電擊穿的可能性,減薄了材料厚度,介電強(qiáng)度整體升高。綜合考慮,芳綸短切纖維與芳綸漿粕的質(zhì)量比為1∶4較為合適。

2.2芳綸短切纖維長(zhǎng)度對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙性能的影響

芳綸短切纖維長(zhǎng)度對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙性能的影響如圖2所示。

圖2 芳綸短切纖維長(zhǎng)度對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙性能的影響

從圖2可以看出,逐漸增加芳綸短切纖維的長(zhǎng)度，熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和介電強(qiáng)度均呈小幅提高再下降的趨勢(shì)；當(dāng)芳綸短切纖維長(zhǎng)度為5 mm時(shí),熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度最大,再增加芳綸短切纖維長(zhǎng)度,熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和介電強(qiáng)度稍有下降。主要原因是芳綸短切纖維的加長(zhǎng)增大了纖維間相互纏結(jié)的幾率,不宜分散,增大了熱壓復(fù)合絕緣紙的不均勻性,進(jìn)而影響紙張的整體強(qiáng)度。綜合考慮,芳綸短切纖維長(zhǎng)度為5 mm較為合適。

2.3對(duì)熱壓工藝的探討

熱壓的溫度、壓力、時(shí)間對(duì)復(fù)合絕緣紙厚度、拉伸強(qiáng)度、介電強(qiáng)度的影響通過(guò)三因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行考察(見(jiàn)表1)。

從表1可以看出,熱壓工藝中熱壓壓力對(duì)復(fù)合絕緣紙厚度影響最大,其次是熱壓溫度,對(duì)復(fù)合絕緣紙厚度影響最小的是熱壓時(shí)間；對(duì)復(fù)合絕緣紙拉伸強(qiáng)度影響較大的是熱壓溫度,熱壓壓力的影響次之,影響最小的是熱壓時(shí)間；對(duì)復(fù)合絕緣紙介電強(qiáng)度影響從大到小的因素依次是：熱壓溫度、熱壓壓力和熱壓時(shí)間。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,復(fù)合絕緣紙的最佳熱壓工藝條件可調(diào)整為：熱壓溫度240℃、熱壓壓力22 MPa、熱壓時(shí)間1 h,利用該條件制備的熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度為33.65 N/cm、介電強(qiáng)度為33.84 kV/mm、耐折度為1.74,材料性能優(yōu)異。

表1 熱壓工藝對(duì)復(fù)合絕緣紙性能影響正交分析表

圖3 熱壓成型前后復(fù)合絕緣紙的SEM照片

2.4熱壓成型對(duì)復(fù)合絕緣紙性能的影響

(1)對(duì)強(qiáng)度性能的影響

熱壓復(fù)合絕緣紙、未熱壓復(fù)合絕緣紙和云母紙的拉伸強(qiáng)度和耐折度見(jiàn)表2。

從表2可知,與未熱壓復(fù)合絕緣紙相比,熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度和耐折度分別提高了65.7%和38.1%；與云母紙相比,熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度提高了10倍以上,耐折度也大幅提升，增強(qiáng)了熱壓復(fù)合絕緣紙的可加工性能。這也可以從復(fù)合絕緣紙的SEM照片(見(jiàn)圖3)得到驗(yàn)證。熱壓成型后云母鱗片與芳綸短切纖維被重結(jié)晶后的芳綸漿粕緊緊包裹,提高了材料間的界面結(jié)合效果；同時(shí)，空隙減少,有效提高了材料的介電強(qiáng)度。

(2)對(duì)介電強(qiáng)度的影響

熱壓復(fù)合絕緣紙、未熱壓復(fù)合絕緣紙及云母紙的介電強(qiáng)度見(jiàn)表3。

從表3可知,與未熱壓復(fù)合絕緣紙相比,熱壓復(fù)合絕緣紙的介電強(qiáng)度提高了42.8%；與云母紙相比,芳綸漿粕的存在有效填充了材料中的空隙,降低弱點(diǎn)擊穿的可能性,使得熱壓復(fù)合絕緣紙的介電強(qiáng)度提高了33.3%。本研究還測(cè)定了3種絕緣紙的體積電阻率。結(jié)果表明，熱壓復(fù)合絕緣紙的體積電阻率與云母紙的相近，且均大于1014Ω·cm。

(3)對(duì)耐溫性能的影響

熱壓復(fù)合絕緣紙和芳綸纖維絕緣紙的TG-DSC圖譜見(jiàn)圖4。

由圖4可知，從室溫至240℃時(shí)，熱壓復(fù)合絕緣紙失去吸附水分,失重較小(只有0.32%)；而芳綸纖維絕緣紙失重較大,達(dá)4.26%。溫度升高，熱壓復(fù)合絕緣紙?jiān)?92.0℃處出現(xiàn)放熱峰,主要是因?yàn)榉稚┡c改性劑的分解；相比于芳綸纖維絕緣紙,熱壓后芳綸漿粕的重結(jié)晶作用和存在的大量云母使得熱壓復(fù)合絕緣紙玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg=292.0℃)和熔融溫度(Tm=471℃)比芳綸纖維絕緣紙的Tg(275.0℃)和Tm(245℃)均有明顯提高,即材料耐溫性能有所提高。

表2 不同絕緣紙強(qiáng)度性能比較

表3 不同絕緣紙絕緣強(qiáng)度的比較

圖4 熱壓復(fù)合絕緣紙與芳綸纖維絕緣紙的TG-DSC圖譜

3 結(jié) 論

3.1芳綸纖維/云母熱壓復(fù)合絕緣紙(簡(jiǎn)稱(chēng)“熱壓復(fù)合絕緣紙”)制備過(guò)程中,添加的芳綸纖維中芳綸短切纖維與芳綸漿粕的質(zhì)量比和芳綸短切纖維長(zhǎng)度對(duì)熱壓復(fù)合絕緣紙的性能有較大影響；實(shí)驗(yàn)得出，芳綸短切纖維與芳綸漿粕的質(zhì)量比為1∶4、芳綸短切纖維長(zhǎng)度為5 mm較為合適。

3.2熱壓成型過(guò)程中,熱壓的溫度和壓力對(duì)復(fù)合絕緣紙的厚度、拉伸強(qiáng)度和介電強(qiáng)度影響較大；適宜的熱壓條件為：熱壓溫度240℃,熱壓壓力22 MPa,熱壓時(shí)間1 h。

3.3熱壓成型對(duì)復(fù)合絕緣紙的機(jī)械強(qiáng)度、介電強(qiáng)度提升效果明顯。與未熱壓復(fù)合絕緣紙相比,熱壓復(fù)合絕緣紙的拉伸強(qiáng)度、耐折度、介電強(qiáng)度分別提高了65.7%、38.1%和42.8%。

3.4通過(guò)掃描電鏡照片,可以從微觀層面看出材料

性能的提升；經(jīng)熱壓成型處理后，材料間空隙減少,界面結(jié)合增強(qiáng),提高了材料的機(jī)械強(qiáng)度和介電強(qiáng)度；熱重分析進(jìn)一步驗(yàn)證了熱壓復(fù)合絕緣紙的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和熔融溫度均明顯提高,即制備的熱壓復(fù)合絕緣紙具有優(yōu)異的耐溫性能。

參 考 文 獻(xiàn)

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