導(dǎo)線繞包用聚芳酰胺纖維紙熱老化及應(yīng)用性能研究

宋 歡，丁 娉，楊 軍，黎 勇，李正勝，劉興隆，梁西川

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

0 引言

聚芳酰胺纖維紙基材料是一種高性能的合成纖維絕緣材料，具有優(yōu)異的力學性能和電絕緣性能，良好的熱穩(wěn)定性、阻燃特性、化學穩(wěn)定性及可加工性[1-3]，在國防軍工、航空航天、軌道交通及風力發(fā)電等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[3-5]。間位芳綸紙作為一種絕緣主材，常用于鐵路牽引設(shè)備以及配電設(shè)備當中，可用作槽絕緣、導(dǎo)線絕緣、層間絕緣及對地絕緣等[6-8]。

間位芳綸紙作為導(dǎo)線絕緣的典型應(yīng)用是在大功率油浸式牽引變壓器上，相對普通芳綸紙，間位芳綸紙用于制備柔軟復(fù)合材料（聚酯薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料、聚酰亞胺薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料）時，對其力學性能、絕緣性能，尤其是熱老化及應(yīng)用性能提出了更高的要求。由于它是直接繞包在金屬導(dǎo)線（銅、鋁等）上，設(shè)備工作時大量的熱量從金屬層傳遞到紙中，這種工況下芳綸紙不僅要保證在空氣中的熱老化性能，更要提高芳綸紙與金屬接觸時的熱老化性能以及與油的相容性等[8-10]，從而保證設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全的同時延長其使用壽命。

目前市場上常見的3種典型的導(dǎo)線繞包用間位芳綸紙（2mil）分別來自國外某公司、國內(nèi)某公司和株洲時代華先公司。已有關(guān)于這3種產(chǎn)品的成分結(jié)構(gòu)和常規(guī)性能的相關(guān)資料，但尚未見其與金屬接觸時的熱老化性能以及與油的相容性的研究報道。本文針對這3家公司的導(dǎo)線繞包用間位芳綸紙開展空氣中熱老化性能、金屬中熱老化性能、油中熱老化性能、吸油特性和油污染性研究。

1 試驗

1.1 主要原材料與儀器

國外某公司導(dǎo)線繞包用芳綸紙（1#），外購；某國產(chǎn)導(dǎo)線繞包用芳綸紙（2#），外購；株洲時代華先導(dǎo)線繞包用芳綸紙（3#），自制；合成酯油，M&I材料公司；二甲基硅油，日本信越公司；礦物油，中國石油天然氣股份有限公司；銅箔、鋁箔，深圳紅樹林金屬材料有限公司。

PTIS16502型厚度儀、PTIS81502型抗張強度儀，德國PTI公司；IBV-2/10 kV型擊穿電壓儀，桂林彰信檢測設(shè)備有限公司；GT-7017-EMU型換氣式熱老化箱，高鐵檢測儀器（東莞）有限公司；JYU-27型絕緣材料耐壓測試儀，美國Phenix公司；JYU-182821型介質(zhì)損耗測試儀，瑞士HAEFELY公司；GC-2014型氣相色譜儀，日本島津公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 空氣中熱老化

按照GB/T 11026.1—2016《電氣絕緣材料耐熱性第1部分：老化程序和試驗結(jié)果的評定》進行測試，老化試驗在換氣式熱老化箱中進行，不同老化溫度下以抗張強度下降至初始值的50%作為失效指標。

將裁好的試樣垂直懸掛在熱老化箱中，老化溫度選取為280℃，分別在老化200、400、600、800、1 000 h取樣，按GB/T 20629.2—2013中第6章、第9章分別測試不同老化時間試樣的抗張強度（縱、橫向）、空氣中的電氣強度。

1.2.2 金屬中熱老化

牽引變壓器或電機中常見的導(dǎo)線為銅線或鋁線，因此將芳綸紙與金屬接觸時的老化試驗分為兩組：銅-銅和鋁-鋁催化老化。將裁好的試樣分別夾在銅-銅、鋁-鋁箔片之間，每組樣品放在烘箱隔板上，并用固定大小和質(zhì)量的重物壓實以保證試樣與金屬箔片緊密接觸。老化溫度選取為280℃，分別在老化200、400、600、800、1 000 h取樣，按GB/T 20629.2—2013中第6章、第9章分別測試不同老化時間試樣的抗張強度（縱、橫向）、空氣中的電氣強度。

1.2.3 油中熱老化

油浸式變壓器中常見的絕緣油分為硅油、合成酯油、礦物油，根據(jù)耐溫等級的不同[11]，不同種類的絕緣油中采用不同的老化溫度：硅油老化溫度選取為155℃，合成酯油老化溫度選取為130℃，礦物油老化溫度選取為105℃。將試樣置于（105±5）℃的烘箱中干燥16 h后置于不同的絕緣油中，試樣須完全浸沒于絕緣油，在不同的絕緣油中按對應(yīng)的老化溫度分別老化168、336、504 h，取出試樣后用濾紙吸干表面多余的油，按GB/T 20629.2—2013中第6章、第9章分別測試不同老化時間試樣的抗張強度（縱、橫向）、空氣中的電氣強度。

1.2.4 吸油特性

吸油處理方式按照GB/T 29627.2—2013中第18章進行：將試樣懸掛在真空干燥箱中，在（105±5）℃、壓力小于1 kPa條件下進行真空干燥處理24 h，緩慢解除真空，取出試樣放置于干燥箱中冷卻至室溫，稱量每塊試樣的質(zhì)量m1，精確至0.1 mg。將試樣再次放置在真空干燥箱的不銹鋼容器中，此時試樣與器壁之間、試樣與試樣之間互不接觸，并在溫度為（90±2）℃、壓力小于1 kPa條件下處理至少1 h，再將預(yù)熱至（90±2）℃的絕緣油以極為緩慢的速度輸入到油槽中，輸油期間壓力維持在1.5 kPa以下，待試樣完全浸沒于油中后，再解除真空，停止加熱。待試樣在浸油狀態(tài)下冷卻至室溫，取出試樣并用濾紙吸干其表面多余的油，稱量試樣質(zhì)量m2，精確到0.1 mg。浸油后，吸油率按照GB/T 29627.2—2013進行測試，抗張強度（縱、橫向）、伸長率（縱、橫向）、電氣強度按照GB/T 20629.2—2013相關(guān)要求進行測試。

1.2.5 油污染性

將試樣在（105±5）℃的烘箱中干燥16 h，然后按每800 mL絕緣油中放置2 000 cm2試樣的比例將干燥后的試樣浸入絕緣油中，持續(xù)通入氮氣10 min，在一定溫度下老化168 h（礦物油：105℃；合成酯油：130℃；硅油：155℃），每組測試單獨準備一組未添加試樣的空白合格油樣進行對比。相容性試驗后，每組空白油樣和試驗油樣的酸值按照IEC 62021-2-2017相關(guān)要求進行測試，介質(zhì)損耗因數(shù)（90℃，50 Hz）、擊穿電壓按照GB/T 507—2002相關(guān)要求進行測試，油中溶解氣體含量按照GB/T 17623—2017相關(guān)要求進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱老化性能

采用國內(nèi)常見的2mil（0.05 mm）導(dǎo)線繞包用芳綸紙開展熱老化性能研究，以測試值相對于原始值為縱坐標，計算縱、橫向抗張強度和電氣強度隨老化時間變化的保持率。

2.1.1 空氣中

圖1為3種常用的導(dǎo)線繞包用芳綸紙在空氣中的熱老化性能。從圖1可以看出，在280℃下分別老化200、400、600、800、1 000 h，3種芳綸紙的縱、橫向抗張強度和電氣強度保持率相差不大，基本保持在同一水平，且縱、橫向抗張強度保持率均在60%以上，電氣強度保持率均在75%以上，說明3種芳綸紙在空氣中均有很好的熱穩(wěn)定性。

圖1 導(dǎo)線繞包用芳綸紙在空氣中的熱老化性能Fig.1 Thermal ageing properties of aramid paper for wire wrapping in air

2.1.2 金屬中

（1）銅中

圖2為3種芳綸紙在銅中的熱老化性能。從圖2可以看出，與銅接觸時，在280℃下分別老化200、400、600、800、1 000 h，1#和3#的縱、橫向抗張強度保持率均在47%左右，電氣強度保持率均在65%左右，而2#的縱、橫向抗張強度保持率均為26%左右，電氣強度保持率為42%左右。說明1#、3#芳綸紙在銅中老化時，各項性能保持率基本一致，明顯高于2#芳綸紙，老化1 000 h后各項性能差距已達到20%以上。此外，對比在空氣中的熱老化結(jié)果，3種導(dǎo)線繞包用芳綸紙在銅中老化的保持率比空氣中的低。這是因為銅的價電子構(gòu)型使其具有催化活性，能催化自由基的生成，從而加速聚合物的降解。自制的3#芳綸紙采用了獨特配方，添加了高溫抗氧劑，其含有X元素的化合物，X元素易與金屬銅等成形成絡(luò)合或螯合物，致其鈍化，降低銅的活性，減少銅催化自由基的生成，從而有效減緩了聚芳酰胺在銅中的高溫氧化降解。

圖2 導(dǎo)線繞包用芳綸紙在銅中的熱老化性能Fig.2 Thermal ageing properties of aramid paper for wire wrapping in copper

（2）鋁中

圖3為3種芳綸紙在鋁中的熱老化性能。從圖3可以看出，與鋁接觸時，在280℃下分別老化200、400、600、800、1 000 h，1#、3#芳綸紙的縱、橫向抗張強度保持率和電氣強度保持率分別約為51%、51%、69%，而2#芳綸紙的縱、橫向抗張強度保持率和電氣強度保持率分別約為36%、36%、53%，說明在與鋁接觸時，1#、3#芳綸紙的熱老化性能明顯優(yōu)于2#芳綸紙。這3種導(dǎo)線繞包用芳綸紙在鋁中熱老化的情況與在銅中熱老化的變化趨勢相似，只是與鋁接觸老化1 000 h后2#芳綸紙的縱、橫向抗張強度、電氣強度保持率與1#、3#芳綸紙的差距縮小至15%左右，說明鋁相對于銅來說，對芳綸紙的催化降解作用稍弱。

圖3 導(dǎo)線繞包用芳綸紙在鋁中的熱老化性能Fig.3 Thermal ageing properties of aramid paper for wire wrapping in aluminum

2.1.3 油中

導(dǎo)線繞包用芳綸紙常用于牽引變壓器的導(dǎo)線絕緣，應(yīng)用環(huán)境為浸在絕緣油中。根據(jù)絕緣等級，選取了3種典型的絕緣油，3種芳綸紙在絕緣油中的老化結(jié)果如表1～3所示。從表1～3可知，3種芳綸紙在礦物油、合成酯油、硅油經(jīng)對應(yīng)的溫度分別老化168、336、504 h后，其縱、橫向抗張強度基本保持不變，但電氣強度均有明顯提高，這是因為浸油后紙張表面及內(nèi)部均被絕緣油所包裹、吸附，紙張擊穿電壓大幅提高。

表1 芳綸紙在礦物油中的老化數(shù)據(jù)(105℃)Tab.1 Ageing data of aramid paper in mineral oil(105℃)

表2 芳綸紙在合成酯油中的老化數(shù)據(jù)(130℃)Tab.2 Ageing data of aramid paper in synthetic ester oil(130℃)

表3 芳綸紙在硅油中的老化數(shù)據(jù)(155℃)Tab.3 Ageing data of aramid paper in silicone oil(155℃)

2.2 油中相容性

為了對比芳綸紙的應(yīng)用工藝性，開展了芳綸紙在絕緣油中的相容性研究。吸油特性用于表征芳綸紙浸油后的紙張性能，油污染性用于表征芳綸紙浸油后對絕緣油的影響。

2.2.1 吸油特性

表4為芳綸紙吸油特性的試驗結(jié)果。由表4可知，2#芳綸紙的縱、橫向抗張強度及縱、橫向伸長率低于其余兩種芳綸紙。3種芳綸紙的吸油率結(jié)果都較為接近，吸油率最低的是1#芳綸紙，最高的是2#芳綸紙，推測與紙的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，說明2#芳綸紙孔隙結(jié)構(gòu)稍多，絕緣油相對容易滲透進入芳綸紙內(nèi)部[10]。3#芳綸紙在礦物油、合成酯油、硅油中的電氣強度均高于1#芳綸紙，這與其吸油率較1#芳綸紙稍高有關(guān)，而2#芳綸紙在油中的電氣強度與吸油率不成正比，這可能與其本體材料結(jié)構(gòu)不致密、兩種纖維包裹性不佳有關(guān)。

表4 芳綸紙吸油特性試驗結(jié)果Tab.4 The oil absorption characteristics test results of aramid paper

2.2.2 油污染性

3種芳綸紙在3種絕緣油中經(jīng)不同溫度老化168 h后，每種油的測試結(jié)果如表5～7所示。

表5 芳綸紙在礦物油中試驗結(jié)果Tab.5 Test results of aramid paper in mineral oil

從表5～7可知，3種導(dǎo)線繞包用芳綸紙分別在礦物油、合成酯油、硅油中加熱老化，對應(yīng)污染油的外觀與空白油相同（透明清澈，未見沉淀物），且其酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓、油中溶解氣體含量與空白油的基本接近，說明這3種芳綸紙對這3種絕緣油均無污染性，應(yīng)用性良好。

3 結(jié)論

（1）3種常見的導(dǎo)線繞包用芳綸紙（2mil）在空氣中的熱老化性能無明顯差異，在280℃下分別老化200、400、600、800、1 000 h，3種芳綸紙的縱、橫向抗張強度和電氣強度保持率相差不大，且縱、橫向抗張強度保持率均在60%以上，電氣強度保持率均在75%以上，說明3種芳綸紙在空氣中均有很好的熱穩(wěn)定性。

表6 芳綸紙在合成酯油中試驗結(jié)果Tab.6 Test results of aramid paper in synthetic ester oil

表7 芳綸紙在硅油中試驗結(jié)果Tab.7 Test results of aramid paper in silicone oil

（2）與金屬接觸時的熱老化性能，國外某公司導(dǎo)線繞包用芳綸紙（1#）和自制的導(dǎo)線繞包用芳綸紙（3#）的縱、橫向抗張強度、電氣強度保持率基本一致，明顯高于國內(nèi)某廠家導(dǎo)線繞包用芳綸紙（2#），但均低于其在空氣中的熱老化性能。1#、3#芳綸紙在金屬中的熱老化性能保持率相對于2#芳綸紙在銅中的優(yōu)勢達20%以上，在鋁中的優(yōu)勢也有15%左右。

（3）3種芳綸紙在礦物油、合成酯油、硅油中分別經(jīng)105、130、155℃老化后，其縱、橫向抗張強度基本保持不變，但電氣強度均有明顯提高。3種芳綸紙在油中經(jīng)168、336、504 h老化后熱老化性能基本無明顯下降。

（4）芳綸紙在3種絕緣油中熱處理168 h后，與空白油對比，3種絕緣油仍保持透明清澈，未見沉淀物，且油的酸值、介質(zhì)損耗因數(shù)、擊穿電壓、油中溶解氣體含量與空白油基本接近，說明芳綸紙對這3種絕緣油無明顯的污染性。結(jié)合吸油特性和油污染性結(jié)果，說明這3種芳綸紙與絕緣油相容性較好。

結(jié)合上述3種芳綸紙的熱老化性能及油中相容性結(jié)果，3#芳綸紙的綜合性能優(yōu)于2#芳綸紙，可完全替代1#芳綸紙，用于銅、鋁等導(dǎo)線的繞包，滿足牽引變壓器、牽引電機等對主絕緣材料的性能要求，可以保證關(guān)鍵電氣設(shè)備的壽命和可靠性問題，實現(xiàn)高端芳綸絕緣紙的國產(chǎn)化替代。