芳綸沉析纖維/云母復(fù)合絕緣紙的制備及性能

王淼林，李 俊，謝益民，李新輝，馮清華，

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 制漿造紙工程研究所，湖北 武漢 430068；2.湖北平安電工科技股份公司，湖北 咸寧 437400）

0 引言

小型化和高功率的電氣設(shè)備更加符合現(xiàn)代人的使用要求，對電氣設(shè)備中至關(guān)重要的絕緣材料提出了更高的要求[1]。云母因其特殊的結(jié)構(gòu)擁有優(yōu)異的電性能、耐熱性能、耐化學(xué)性能、耐電暈性和低成本，作為無機耐高溫絕緣材料在絕緣系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。但是隨著云母使用得越來越多，大片完好的云母變得很少，在這種情況下，碎云母片制得的云母紙引起了人們的關(guān)注[3]。但是，由于云母微片之間的范德華力較弱，制得的純云母紙易碎且較脆[4]，需用補強材料來提高云母紙的韌性和強度[5-7]。

王臘梅等[8]研究了添加芳綸纖維對云母紙性能的影響，結(jié)果表明，芳綸短切纖維和芳綸漿粕的加入可以提高芳綸云母復(fù)合紙的強度。具有超高強度、模量，耐高溫性能和絕緣性能良好的芳綸纖維[9-11]，應(yīng)用在建材、航空、國防等多個領(lǐng)域[12-13]。芳綸沉析纖維由于其比表面積大，與水、酰胺類樹脂更易結(jié)合[14]；其形態(tài)柔順，較易分散，可在濕法成形過程中制備強度和勻度良好的片狀材料[15]。由于芳綸纖維的這些優(yōu)異特性，使用芳綸纖維與云母復(fù)合抄造而成的芳綸云母紙成為云母絕緣材料的發(fā)展方向[16-18]。越來越多的研究者開始對芳綸云母紙進行研究，袁世波[19]研究了芳綸纖維與云母的界面結(jié)合改善機制，分別采用植物納米纖維（NFC）和芳綸納米纖維（ANFs）來提高紙基絕緣材料的性能。ZHAO Y S等[20]和LU Z Q等[21]也研究了加入NFC對于芳綸云母紙性能的影響，結(jié)果表明，芳綸纖維/云母-NFC復(fù)合紙具有高機械強度（拉伸強度約為29.04 MPa）、優(yōu)異的介電性能（電氣強度約為14.87 kV/mm）和良好的熱穩(wěn)定性。

雖然現(xiàn)在的研究已經(jīng)朝著加入纖維補強材料來提高云母紙性能的方向發(fā)展，但對于在芳綸云母紙中加入膠黏劑的研究仍在繼續(xù)[22]。一方面，加入膠黏劑的前提是此物質(zhì)能否允許加入，對于這方面的研究極少；另一方面，現(xiàn)有研究更多關(guān)注的是芳綸/云母復(fù)合絕緣紙的電氣強度和機械強度[23]，較少研究芳綸的引入對絕緣材料厚度、膠液滲透時間等方面的影響規(guī)律，而在實際應(yīng)用中，絕緣材料的厚度和膠液滲透時間等參數(shù)至關(guān)重要。

本研究以芳綸沉析纖維為芳綸纖維模型，通過在傳統(tǒng)的云母抄造體系中加入芳綸纖維，制備芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙，研究不同配比對芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙形貌、機械強度、絕緣性能、熱穩(wěn)定性和膠液滲透時間等性能的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 主要原材料

芳綸沉析纖維，長度為（1.175±0.019）mm，直徑為（38.2±1.2）μm，細小纖維含量為18.3%；白云母鱗片，湖北平安電工科技股份公司生產(chǎn)。

1.2 主要儀器及設(shè)備

95568.S型纖維解離器，RK-3A型快速K?then抄紙機，F(xiàn)rank-PTI公司；DC-HJY03型電腦測控厚度緊度儀，四川長江造紙儀器有限責任公司；SU8010型掃描電子顯微鏡，株式會社日立制作所；CMT6103型萬能拉力試驗機，MTS工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；YD2665型耐電壓測試儀，常州市揚子電子有限公司；Q500型熱重分析儀，美國TA儀器公司；Williams型滲透儀，桂林彰信檢測設(shè)備有限公司；991289型L&W透氣度測試儀，Lorentzen&Wettre公司。

1.3 試樣制備

芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的制備：復(fù)合紙定量為120 g/m2，將芳綸沉析纖維與白云母鱗片倒入纖維解離器中，在8 000 r轉(zhuǎn)速下疏解后，加到紙頁成形器中抄造成形，在0.1 MPa真空、97℃下干燥14 min后得到芳綸/云母復(fù)合紙。純云母紙對照樣記為M紙，芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙記為xA-M紙，x表示芳綸沉析纖維的含量。

1.4 測試方法

采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察2.0 kV加速電壓下芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的表面微觀形貌特征；用萬能拉力試驗機對復(fù)合紙進行機械強度測試，樣品大小為10 cm×1.5 cm；采用熱重分析儀進行熱穩(wěn)定性測試，樣品用量為3～5 mg，測試條件為：從室溫加熱到80℃并保溫10 min，然后繼續(xù)加熱到800℃，加熱速率均為20℃/min，氮氣流速為100 mL/min；樣品厚度按照GB/T 451.3—2002采用電腦測控厚度緊度儀進行測試；透氣度按照GB/T 458—2008采用L&W透氣度測試儀進行測試，樣品為半徑0.1 m的圓形；滲透性按照GB/T 5019.2—2009采用滲透儀進行測試，甲苯和蓖麻油的體積分數(shù)分別為40%和60%，樣品尺寸為75 mm×75 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌

圖1為芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙表面和截面的代表性SEM圖像。從圖1(a)可以看到，大小不一的云母片隨機堆積在一起，表面出現(xiàn)縫隙和溝槽，云母呈現(xiàn)層片狀結(jié)構(gòu)，鱗片表面光滑、無斑點。從圖1(b)～(f)可以看出，芳綸沉析纖維外觀呈帶狀，有褶皺，其卷曲分布在云母片上，將云母包覆其中，利用其自身比表面積大的特點同時將另一個云母鱗片粘接起來。當纖維含量較低時（10%A-M紙），大多數(shù)纖維存在于云母鱗片之間的空隙中。隨著纖維含量的增加，纖維更傾向于平整地附著在云母表面，并填補云母片的空隙，彌補了純云母紙的缺陷，從而提高復(fù)合紙的整體性能。當沉析纖維含量到達50%時，可以看出沉析纖維對界面附著力的改性很好，沉析纖維很好地實現(xiàn)了包覆和粘結(jié)，起到了缺陷改性劑的作用。圖2為芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖2可以看出，復(fù)合紙為層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，比較緊密的層狀結(jié)構(gòu)表明了纖維與云母的復(fù)合效果不錯。層狀結(jié)構(gòu)的形成歸因于片狀的云母和飄帶狀的芳綸沉析纖維相間有序堆疊，形成類似“磚-泥”結(jié)構(gòu)，看起來就像是結(jié)構(gòu)緊密的一面墻。

圖1 芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙表面及截面SEM圖像Fig.1 SEM images of surface and section of aramid fibrid/mica composite paper

圖2 芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of aramid fibrid/mica composite paper

2.2 機械強度

圖3為芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可以看出，與對照樣（M紙）相比，A-M紙的拉伸應(yīng)力和拉伸應(yīng)變隨著芳綸沉析纖維含量的增加而逐漸增大，這主要是由于云母片與芳綸沉析纖維之間的界面粘結(jié)增強。當芳綸沉析纖維含量僅為10%、20%時，復(fù)合紙的拉伸應(yīng)力相比于M紙（1.28 MPa）變化不大，但當芳綸沉析纖維含量達到30%時，復(fù)合紙的拉伸應(yīng)力為1.60 MPa，并且隨著沉析纖維含量的增加，其拉伸應(yīng)力變得更大，當芳綸沉析纖維含量達到50%時，拉伸應(yīng)力達到最大值，為1.86 MPa。這表明芳綸沉析纖維的加入可以提高云母紙的機械強度。

圖3 芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Tensile stress-strain curves of aramid fibrid/mica composite paper

2.3 絕緣性能

圖4為芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的絕緣性能測試結(jié)果。從圖4(a)可以看出，云母本身具有較大的電氣強度，約為12.88 kV/mm，使M紙具有良好的電絕緣性能。引入芳綸纖維后，電氣強度隨著芳綸纖維含量的增加而降低。電氣強度降低有多方面原因，其中一個原因是芳綸本身的電氣強度就比云母小，加入之后自然會降低復(fù)合紙的絕緣性能。另外，電氣強度還與復(fù)合紙的結(jié)構(gòu)有關(guān)，由圖1可知加入的纖維存在于云母片之間的表面或者空隙中，使得復(fù)合紙的厚度不斷增加（如圖4(b)所示），致使電場在紙張結(jié)構(gòu)中分布不均勻，無法散出大量的熱，導(dǎo)致電氣強度降低。反之，紙張厚度較小時，電子電離概率減小，其電氣強度較高[24]。雖然芳綸沉析纖維的加入使得復(fù)合紙的電氣強度下降，但只有加入10%的芳綸沉析纖維時，其電氣強度的下降比較明顯，后面芳綸含量再增加，其下降幅度較小。

圖4 芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的絕緣性能Fig.4 Insulation performance of aramid fibrid/mica composite paper

2.4 熱穩(wěn)定性

圖5為不同芳綸含量的芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的熱穩(wěn)定性測試結(jié)果。從圖5可以看出，在整個升溫過程中，純云母紙的殘留率基本不變，這說明云母的耐熱性能良好，因此復(fù)合紙的熱穩(wěn)定性就取決于芳綸的熱穩(wěn)定性。由圖5(a)可以看出，沉析纖維含量不同的復(fù)合紙熱分解溫度都在410℃左右，其分解過程大致分為3個階段：首先，從室溫升到410℃失去芳綸中的結(jié)合水，其殘留率變化很?。蝗缓?，從410℃升溫到600℃的過程中，纖維獲得能量，分子鏈發(fā)生斷裂，產(chǎn)生強烈的降解、交聯(lián)等復(fù)雜反應(yīng)，其質(zhì)量損失現(xiàn)象顯著[25]；最后，從600℃升到800℃，沉析纖維大分子降解為小分子，基本完全降解碳化。不同的是最后剩余樣品的殘留率分別為93.7%、84.3%、73.2%，說明隨著芳綸含量的增加，樣品殘留率逐漸降低，復(fù)合紙的穩(wěn)定性逐漸減弱，但是殘留率的下降并不是很多，與普通植物纖維相比都具有較好的熱穩(wěn)定性，故芳綸纖維對于制備耐高溫的云母復(fù)合紙有很好的保障作用[26]。由圖5(b)可知，不同芳綸含量的復(fù)合紙溫度變化最大值都在472℃左右，區(qū)別在于峰面積的不同，其代表了芳綸含量的不同?？偟膩碚f，芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖5 芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的熱穩(wěn)定性Fig.5 Thermal stability of aramid fibrid/mica composite paper

2.5 膠液滲透性能

材料透氣度的好壞和滲透時間的長短對于施膠來說是重要的參數(shù)指標。圖6為芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙膠液滲透性能的測試結(jié)果。從圖6可以看出，純云母紙的透氣度比較小，只有1.5μm/(Pa·s)，隨著沉析纖維含量的增加，透氣度成“U”型趨勢先下降后上升，但均比純云母紙小，其值都在0.5 μm/(Pa·s)以下。同樣地，隨著芳綸含量的增加，復(fù)合紙的滲透時間越來越長，說明膠液滲透復(fù)合紙所需要的時間更長，這對于提高復(fù)合紙的性能有一定的阻礙作用，但滲透時間最長不超過90 s，因此對復(fù)合紙加膠改性影響不大。

圖6 芳綸沉析纖維/云母復(fù)合紙的透氣度和滲透時間Fig.6 Air permeability and penetration time of aramid fibrid/mica composite paper

趙夢雅等[22]將不同類型的膠黏劑和云母作為絕緣涂料制備了芳綸/云母復(fù)合紙，從其研究結(jié)果可以看出，加膠之后芳綸/云母紙的抗張強度最小為25 N/cm，而本研究中復(fù)合紙最大抗張強度不超過6 N/cm，加膠之后抗張強度是未加膠的4倍。加膠之后復(fù)合紙的電氣強度最小也有18 kV/mm，遠大于未加膠的芳綸/云母紙，這說明對芳綸/云母紙進行加膠改性是沒有問題的。

3 結(jié)論

（1）芳綸沉析纖維可以增強云母片之間的界面附著力，也可以填充云母片之間的空隙。因此A-M復(fù)合紙的拉伸應(yīng)力隨著芳綸沉析纖維含量的增加而逐漸變大。當芳綸沉析纖維含量達到50%時，拉伸應(yīng)力達到最大值，為1.86 MPa。

（2）芳綸沉析纖維的加入使得復(fù)合紙紙張厚度變大，電子碰撞的電離概率變大，復(fù)合紙的電氣強度降低。但只有加入10%的芳綸沉析纖維時，其電氣強度的下降比較明顯，之后再隨著芳綸含量的增加，其下降幅度較小。

（3）芳綸/云母復(fù)合紙的熱穩(wěn)定性隨著芳綸含量的增加而降低，但芳綸/云母復(fù)合紙仍具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

（4）隨著芳綸沉析纖維含量的增加，芳綸/云母復(fù)合紙的透氣度相應(yīng)降低，滲透時間隨之延長，但對其加膠改性影響不大。