中密度芳綸紙板的制備及應(yīng)用研究

鮑時(shí)寬，楊 軍，宋 歡，劉含茂，梁西川，黎 勇，李正勝

（1. 株洲時(shí)代華先材料科技有限公司，湖南 株洲 412100；2. 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；3. 中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

電氣用聚芳酰胺纖維紙板（以下簡稱芳綸紙板）是由間位芳綸短切纖維和沉析纖維經(jīng)抄造熱壓[1]而成，依據(jù)密度可以分為低密度芳綸紙板、中密度芳綸紙板和高密度芳綸紙板三大類。其中中密度芳綸紙板用于制作變壓器中的角環(huán)、角槽、絕緣筒等成型件[2]。芳綸紙板具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、電氣性能和力學(xué)性能，可以大幅提升高耐熱等級(jí)、高燃點(diǎn)油浸式變壓器的使用壽命和安全性。

牽引變壓器的尺寸、質(zhì)量受到車輛空間和質(zhì)量的嚴(yán)格限制，為了實(shí)現(xiàn)牽引變壓器的大功率與輕量化[2]，通常采用芳綸紙板與高燃點(diǎn)硅油[3]或合成酯油[4]組成的高耐熱等級(jí)油紙絕緣系統(tǒng)。

海上風(fēng)電油浸式變壓器一般置于機(jī)艙或塔筒內(nèi)，受空間限制，常在高溫條件下運(yùn)行，同時(shí)由于環(huán)保要求，設(shè)計(jì)時(shí)常采用高耐熱等級(jí)的芳綸紙板和高燃點(diǎn)可降解的合成酯油組成的油紙絕緣系統(tǒng)[5-6]。

為了滿足軌道交通領(lǐng)域和海上風(fēng)電領(lǐng)域?qū)Ω吣蜔岱季]紙板的需求，開發(fā)了一種中密度芳綸紙板，并對(duì)芳綸紙板的常規(guī)性能、加工工藝性及其與硅油、合成酯油的相容性進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原材料及樣品制備

芳綸短切纖維、芳綸沉析纖維，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司；進(jìn)口中密度芳綸紙板，厚度為2.4 mm，典型密度為0.8 g/cm3；合成酯油，M&I material公司；二甲基硅油，日本信越公司。

將芳綸沉析纖維疏解到工藝打漿度，然后與芳綸短切纖維按照質(zhì)量比為1∶1[1]進(jìn)行混合，稀釋至工藝濃度后經(jīng)成形器形成單層漿層，單層漿層傳遞至復(fù)合成型冷缸，在缸面按照定量要求多層卷繞疊加制備出紙坯，紙坯從冷缸取下后傳送至熱壓工序熱壓成型，得到中密度芳綸紙板。

中密度芳綸紙板經(jīng)絕緣筒模具卷繞熱定型成絕緣筒，經(jīng)U 型槽模具模壓定型成U 型槽。卷繞與彎折成型等加工過程要求紙板具備較好的拉伸強(qiáng)度、層間結(jié)合力以及柔韌性，同時(shí)芳綸紙板需要易于變壓器油浸透，具備較高的吸油率。紙板吸油率與密度成反比，而力學(xué)性能與密度成正比，參照進(jìn)口中密度芳綸紙板，本文制備了典型密度為0.8 g/cm3、厚度為2.4 mm的中密度芳綸紙板A696。

1.2 儀器及設(shè)備

JYU-27 型絕緣材料耐壓測試儀，美國phenix 公司；JYU-18 2821 型介質(zhì)損耗測試儀，瑞士HAEFELY 公司；JYW-77 UTM2103型微機(jī)控制電子拉力試驗(yàn)機(jī)，深圳三思縱橫科技股份有限公司。

1.3 性能測試

紙板常規(guī)性能按照GB/T 29627.2—2013 進(jìn)行測試；水分含量按照GB/T 462—2008進(jìn)行測試。

中密度芳綸紙板和硅油以及合成酯油的相容性參照ASTM D3455-2011進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)樣品預(yù)處理及實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）芳綸紙板與絕緣油的用量：每1 000 mL 硅油或合成酯中芳綸紙板用量為100 g，芳綸紙板尺寸為10 mm×10 mm，厚度小于1 mm。

（2）實(shí)驗(yàn)前，將芳綸紙板置于（105±5）℃的烘箱中干燥16 h。

（3）取100 g 干燥后的芳綸紙板試樣浸入放有1 000 mL 絕緣油的潔凈容器中，向油中持續(xù)通入干燥氮?dú)饧s10 min，密封容器。

（4）將密封好的容器放在烘箱中作為實(shí)驗(yàn)組開始老化。芳綸紙板與合成酯和硅油的相容性實(shí)驗(yàn)老化溫度均為155℃，老化時(shí)間均為164 h。

每組測試準(zhǔn)備一組空白組油樣，空白組油樣中不加入任何材料并與實(shí)驗(yàn)組同步加熱老化。分別按 照GB/T 5654—2007 和NB/SH/T 0836—2010 測試空白組油樣和實(shí)驗(yàn)組油樣老化后的介質(zhì)損耗因數(shù)和酸值。

2 結(jié)果與討論

2.1 短切纖維長度的選擇

芳綸紙板由短切纖維和沉析纖維組成，其中短切纖維為骨架提供機(jī)械強(qiáng)度，沉析纖維起粘結(jié)作用同時(shí)提供介電性能[7]。芳綸紙板的拉伸強(qiáng)度與單層漿層之間的結(jié)合情況以及單層漿層的強(qiáng)度有關(guān)，而單層漿層的強(qiáng)度與其勻度以及短切纖維的長度相關(guān)。本研究選用長度為3～9 mm 的短切纖維制備了厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板A696，測得其縱向拉伸強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 芳綸短切纖維長度對(duì)試樣縱向拉伸強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of the length of meta-aramid chopped fibers on the tensile strength of samples

從圖1 可以看出，芳綸紙板的縱向拉伸強(qiáng)度隨著短切纖維長度的增加先增大后減小，并在短切纖維長度為7 mm 時(shí)達(dá)到最大值（89 MPa）。這是由于隨著短切纖維長度的增加，較長的短切纖維可以增大纖維間的結(jié)合面積，提高其縱向拉伸強(qiáng)度，而當(dāng)短切纖維長度大于7 mm 時(shí)，其在漿池、泵和管道等紙機(jī)流送系統(tǒng)中容易絮聚纏繞[7]，纖維的分散性變差，絮聚越來越明顯，造成單層漿層勻度變差，多層漿層復(fù)合后紙板內(nèi)部的薄弱點(diǎn)逐漸增多[8-9]，導(dǎo)致紙板的拉伸強(qiáng)度開始減小。因此中密度芳綸紙板用短切纖維的長度選擇為7 mm。

2.2 單層漿層定量的選擇

芳綸紙板由單層漿層復(fù)合疊加熱壓而成，芳綸紙板的機(jī)械強(qiáng)度受單層漿層的絕干定量與水分影響。采用長度為7 mm 的短切纖維制備了不同定量的單層漿層，測試單層漿層的水分含量，然后將單層漿層復(fù)合后壓制成厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板，并測試其縱向拉伸強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 漿層定量對(duì)漿層的水分含量及試樣縱向拉伸強(qiáng)度的影響Fig.2 Effects of stock layer gram weight on the moisture content of single stock layer and the tensile strength of samples

從圖2可以看出，隨著單層漿層定量的增加，單層漿層的水分含量逐漸升高，而中密度芳綸紙板的縱向拉伸強(qiáng)度整體呈減小趨勢，而在單層漿層定量為45～64 g/m2時(shí)略有增大。這是由于單層漿層定量越小，漿層厚度越薄，芳綸紙板需要的復(fù)合層數(shù)越多，層間接觸面更大，熱壓過程中層間纖維擠壓搭接更緊密，因而單層漿層越薄，紙板的力學(xué)性能越好[10]。當(dāng)單層漿層定量為64 g/m2時(shí)，芳綸紙板的縱向拉伸強(qiáng)度略大于定量為45 g/m2時(shí)的芳綸紙板，這是由于定量為64 g/m2的漿層水分含量高于定量為45 g/m2的漿層，水分被真空抽吸時(shí)形成的纖維垂直穿刺漿層的占比更高，復(fù)合收卷和熱壓過程中纖維在z向的位移更大，增大了層間的交織，增大了層間結(jié)合力[11]，從而使得紙板的縱向拉伸強(qiáng)度增大；水分含量提高還有利于提高熱壓過程中短切纖維的表面活性，從而提高其與沉析纖維的界面結(jié)合作用，也能一定程度上增大縱向拉伸強(qiáng)度[12]。另外，單層漿層定量越高，紙坯生產(chǎn)效率越高，綜合考慮性能與生產(chǎn)效率，芳綸紙板適宜的單層漿層定量為64 g/m2。

2.3 紙坯水分含量的選擇

紙坯水分含量是紙坯的關(guān)鍵控制參數(shù)，影響芳綸紙板的層間結(jié)合力以及生產(chǎn)效率。曹衛(wèi)忠[13]研究認(rèn)為植物纖維絕緣紙板單層漿層水分含量控制在84%～90%，復(fù)合工藝脫水10%后紙坯水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%～80%時(shí)對(duì)層間結(jié)合力最有利。芳綸纖維為合成纖維，對(duì)水的潤濕性差，芳綸紙板單層漿層水分含量低于植物纖維紙板，采用定量為64 g/m2，水分含量為75%的單層漿層復(fù)合成不同水分含量的紙坯，測試紙坯的水分含量，觀察紙坯從復(fù)合冷缸取下后的起皺情況，并采用不同水分含量的紙坯壓制厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板用于變壓器U 型絕緣槽部件的壓制，通過U 型槽成型的工藝性來觀察層間結(jié)合情況。不同水分含量紙坯起皺和U型絕緣槽成型情況見表1和圖3。

表1 水分含量對(duì)紙坯和U型絕緣槽的影響Tab.1 Effect of moisture content on the paper billet and the U-shaped insulating component

圖3 不同水分含量的紙坯壓制的U型絕緣槽Fig.3 U-shaped insulating component pressed by paper billet with different moisture content

從表1 和圖3 可以看出，紙坯水分含量越高，從復(fù)合冷缸上取出時(shí)越容易起皺，而且紙坯水分含量越高，紙板所需紙坯質(zhì)量越大，熱壓階段能耗也越大，結(jié)合紙坯起皺情況以及U 型絕緣槽成型狀態(tài)，綜合考慮能耗和紙板層間結(jié)合力，中密度芳綸紙板紙坯最優(yōu)的水分含量為63%。

2.4 芳綸紙板與硅油和合成酯油的相容性

絕緣油是決定變壓器絕緣性能的關(guān)鍵材料之一，芳綸紙板與硅油或合成酯的相容性對(duì)變壓器的絕緣性能有重要影響[14]。使用長度為7 mm 的短切纖維制備厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板分別與硅油和合成酯油進(jìn)行相容性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分別見表2和表3。從表2可以看出，中密度芳綸紙板與硅油在155℃下老化164 h 后，空白組硅油酸值為0.004 mgKOH/g，加入芳綸紙板的實(shí)驗(yàn)組硅油酸值為0.005 mgKOH/g；空白組硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)為1.3×10-4，實(shí)驗(yàn)組硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)為1.5×10-4，介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大。從表3 可以看出，加入芳綸紙板前后，合成酯的酸值和介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大?？梢娭忻芏确季]紙板與硅油和合成酯都有良好的相容性。

表2 芳綸紙板與硅油的相容性Tab.2 The compatibility between aramid pressboard and silicone oil

表3 芳綸紙板與合成酯的相容性Tab.3 The compatibility between aramid pressboard and synthetic ester

2.5 中密度芳綸紙板性能對(duì)比

采用長度為7 mm 的芳綸短切纖維按照定量為64 g/m2制備單層漿層，經(jīng)復(fù)合熱壓制備厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板A696，并與進(jìn)口中密度芳綸紙板進(jìn)行性能對(duì)比，結(jié)果如表4 所示。從表4 可以看出，中密度芳綸紙板A696 各項(xiàng)性能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品同等水平，其中拉伸強(qiáng)度優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品。自制的A696 和進(jìn)口中密度芳綸紙板的壓縮特性和壓縮可回復(fù)部分十分相近，這是由于二者具備相近的密度。

表4 中密度芳綸紙板性能Tab.4 The performance of the aramid pressboard

2.6 中密度芳綸紙板加工性能驗(yàn)證

中密度芳綸紙板不僅需要具備優(yōu)異的電氣性能與力學(xué)性能，還需要具備良好的加工性，采用厚度為2.4 mm 的A696芳綸紙板進(jìn)行了變壓器絕緣筒成型驗(yàn)證，產(chǎn)品實(shí)物圖片見圖4。

圖4 絕緣筒Fig.4 Insulating cylinder

從圖4 可以看出，中密度芳綸紙板A696 具備良好的柔性，卷繞高溫定型制備的絕緣筒圓弧度好，無褶皺分層，滿足絕緣筒成型要求，適用于軌道交通牽引變壓器和海上風(fēng)電油浸式變壓器。

3 結(jié)論

（1）采用長度為7 mm 的短切纖維制備的中密度芳綸紙板具備優(yōu)異的力學(xué)性能，其適宜的單層漿層克重為64 g/m2，紙坯水分含量為63%。

（2）制備的中密度芳綸紙板具備良好的柔性與層間結(jié)合力，滿足變壓器絕緣筒成型及U 型槽成型應(yīng)用要求。

（3）制備的中密度芳綸紙板具備良好的力學(xué)性能與電氣性能，達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品同等技術(shù)水平，且與硅油和合成酯油具有良好的相容性，適用于軌道交通牽引變壓器和海上風(fēng)電油浸式變壓器。