新型纖維素絕緣紙基材料的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

摘要： 電網(wǎng)建設(shè)的高速發(fā)展和“雙碳”計劃的持續(xù)推進，對纖維素絕緣紙的需求和性能提出了更高的要求。目前，絕緣木漿是纖維素絕緣紙的主要原料，但仍然以進口為主；與此同時，傳統(tǒng)纖維素絕緣紙的性能不能滿足復(fù)雜環(huán)境的需求。在此背景下，開發(fā)我國特色新型纖維原料及新型增強材料，對于提升絕緣紙性能、緩解纖維原料短缺、保障電力設(shè)備穩(wěn)定運行具有重要意義。本文從新型纖維原料和新型增強材料2方面闡述了新型纖維素絕緣紙的研究現(xiàn)狀，對未來新型纖維素絕緣紙的開發(fā)提供了一定的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：纖維素纖維；絕緣紙；纖維原料；增強材料

中圖分類號：TS76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 03. 007

隨著電力行業(yè)的高速發(fā)展，我國電力傳輸展現(xiàn)了跨地域、長距離和廣泛覆蓋的特性。作為電力輸送的主要設(shè)備之一，變壓器可分為2類：由空氣和固體絕緣材料相配合形成絕緣材料的干式變壓器[1]和油紙復(fù)合絕緣形式的油浸式變壓器。在變壓器長期使用過程中，可以通過凈化或更換絕緣油，解決絕緣油的老化問題，但絕緣紙因老化而引起的性能下降是不可逆轉(zhuǎn)的，因此絕緣紙性能是影響變壓器運行安全性的主要因素[2]。高濕度、高熱量、高海拔和復(fù)雜電場等復(fù)雜而苛刻的環(huán)境對絕緣紙的機械性能、熱穩(wěn)定性和電絕緣性能提出了更高要求。

基于絕緣紙的纖維原料不同，可將其分為纖維素絕緣紙、礦物纖維絕緣紙和合成纖維絕緣紙。纖維素絕緣紙因其低成本、高機械強度、易于控制的尺寸、出色的電氣性能，以及對環(huán)境的友好性，被認(rèn)為是油浸式變壓器首選的絕緣材料。然而，我國木材資源短缺[3]，木漿消耗總量占紙漿消耗總量的42%，其中進口木漿占比高達(dá)55%[4]，制備絕緣紙的針葉木漿也以進口為主，這對電力設(shè)備所用基礎(chǔ)材料的國產(chǎn)化提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的不斷進步，傳統(tǒng)的纖維素絕緣紙已不能滿足變壓器電壓等級持續(xù)上升的需求，需開發(fā)性能優(yōu)異的新型纖維素絕緣紙，確保變壓器的可靠運行。本文基于當(dāng)前的研究，從新型纖維原料和新型增強材料2方面總結(jié)纖維素絕緣紙的研究進展，以期為新型纖維素絕緣紙的開發(fā)提供借鑒和參考。

1 新型纖維原料

纖維素絕緣紙的原料主要有2類：木材纖維和非木材纖維，木材纖維主要包括針葉木纖維和闊葉木纖維；非木材纖維有竹纖維、麻纖維、葉纖維、棉纖維等?？紤]到纖維特性、紙張性能及產(chǎn)品質(zhì)量與成本等因素，目前纖維素絕緣紙以針葉木纖維為主要原料。近年來，國內(nèi)外學(xué)者也嘗試采用非木材纖維取代或部分替代木材纖維制備新型纖維素絕緣紙，以緩解木材短缺、依賴進口及提升紙張機械強度的問題，并取得了一定進展。

1. 1 竹纖維

我國竹材資源豐富，擁有37屬和631種竹類，竹林覆蓋面積超過600萬ha，占全球竹林資源的30%以上[5-6]。竹材擁有出色的固碳能力， 1 ha 的竹林在60年的時間內(nèi)可以儲存高達(dá)306 t的碳，超過相同條件下杉木林的2倍[7]。全球森林面積逐年減少，但竹林面積以3%的速度逐年遞增。在合理砍伐基礎(chǔ)上，竹材的可持續(xù)利用潛力巨大[8]。竹材擁有成材快、產(chǎn)量高、纖維長、纖維素含量高及可再生等優(yōu)點，竹纖維性能在針葉木纖維和闊葉木纖維之間[9-11]。然而，與木纖維相比，竹纖維的壁腔比為4～9[12]，纖維較硬挺，在打漿過程中更難原纖化，導(dǎo)致成紙強度較低。除此之外，竹纖維的灰分較高且具有較多雜細(xì)胞，未漂白竹漿的灰分含量可達(dá)0.55%～1.0%[13]，含有鐵、鈉、鈣等多種不同的金屬離子，這也會導(dǎo)致成紙的電學(xué)性能下降。

Huang等[14]用竹纖維部分替代木材纖維制備了絕緣紙，研究發(fā)現(xiàn)，加入10%竹纖維時，紙張的體積電阻率和介電性能與針葉木絕緣紙的性能相當(dāng)甚至更好，然而，由于竹漿本身灰分高且雜細(xì)胞多，添加50%竹纖維時，絕緣紙擊穿強度明顯下降，說明竹纖維可以較低比例替代部分絕緣木漿。針對竹漿灰分高這一問題，許天蕾等[15]使用鹽酸及醋酸鎂對竹漿進行純化處理，并制備了環(huán)氧/竹漿紙復(fù)合絕緣紙，研究了純化處理和環(huán)氧樹脂浸漬處理對紙張絕緣性能和熱學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，純化后竹漿灰分從0.55%下降至0.30%，降低了45.5%，同時，純化后竹漿絕緣紙的介電損耗和交流擊穿強度分別為0.4%和53.95 kV/mm，接近甚至優(yōu)于木漿絕緣紙。李盛世[16]采用硫酸和檸檬酸處理竹漿以降低灰分，采用純化后的電子級竹漿制備絕緣紙，電子級竹漿灰分僅為0.09%，當(dāng)電子級竹漿打漿度為85 °SR時，電子級竹漿絕緣紙擊穿強度和介質(zhì)損耗分別為50.7 kV/mm和0.161%。針對竹漿雜細(xì)胞多這一問題，張寧等[17]對漂白硫酸鹽竹漿進行了篩分，得到不同纖維長度的竹漿，對比了不同纖維長度竹絕緣紙的性能。研究表明，孔徑75 μm的篩網(wǎng)無法篩除竹漿中的微細(xì)纖維和雜細(xì)胞，導(dǎo)致絕緣紙的力學(xué)性能低于孔徑500、270和150 μm篩網(wǎng)篩分后制備的竹漿絕緣紙。

綜上所述，竹纖維在絕緣紙領(lǐng)域具有巨大的潛力，但由于竹材有雜細(xì)胞且灰分較高，因此在應(yīng)用過程中需要采用純化技術(shù)和篩分技術(shù)對竹漿進行處理。

1. 2 麻類纖維和葉部纖維

麻類纖維的常見原料是紅麻和劍麻，而馬尼拉麻是葉部纖維的主要原料。紅麻纖維的纖維長度為2.35 mm，劍麻纖維的綜纖維素含量為78%，木質(zhì)素含量低。馬尼拉麻細(xì)胞壁相對較薄，纖維的粗細(xì)均勻，并且具有良好的韌性和強度，木質(zhì)素含量也相對較低[18]，可以滿足絕緣紙的機械性能要求。然而，麻類纖維灰分普遍在1.26%～5.15%，純化困難，成本高且供應(yīng)量不穩(wěn)定，規(guī)?；a(chǎn)難度較大[19]。

肖大鋒[20]探索了麻漿的制備技術(shù)，發(fā)現(xiàn)使用低堿量長時間蒸煮方法所得的漿料得率較高，粗渣較少；再對所得漿料用硫酸鹽進行純化處理，但最終得到的麻漿卡伯值較高。為得到更高純度的麻漿，需要對經(jīng)過預(yù)處理的麻漿進行深度純化，去除其中的雜質(zhì)，并降低打漿損耗。在此基礎(chǔ)上，張誠[21]使用濃硫酸處理、清水置換洗滌、堿處理三步法對麻漿進行了處理，研究了加堿量和置換次數(shù)對洗滌效果的影響。結(jié)果表明，處理后麻漿灰分僅為0.08%，介電損耗為3.69%，電氣性能明顯提升。麻漿可作為增強材料與木漿配比制備電解電容器紙，添加12%麻漿制備的絕緣紙抗張強度和擊穿強度分別達(dá)0.78 kN/m 和18.33 kV/mm[22]。

1. 3 棉漿纖維

棉漿具有纖維強度高、長度長、纖維素聚合度高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)高強度紙、高孔隙率紙及證券紙等多種特種紙，在衛(wèi)生用紙、絕緣和加固用纖維材料等中也有所涉及，是優(yōu)質(zhì)纖維素原料。與木材制漿相比，棉短絨制漿工藝簡單、流程短、消耗的能源和化學(xué)試劑少、產(chǎn)生的環(huán)境污染少，具有一定的制漿優(yōu)勢[23]。

劉桂德[24]制備了不同配比的木漿/棉漿復(fù)合絕緣紙，隨著棉漿含量的逐漸增加，絕緣紙的緊度逐漸降低，導(dǎo)致絕緣紙的機械性能和電學(xué)性能降低，若要滿足絕緣紙的性能要求，棉漿配比則不得超過30%。在此基礎(chǔ)上，霍上元等[25]研究了棉漿添加量對纖維素絕緣紙性能的影響， 并制備了絕緣紙成形件。結(jié)果表明，添加25%棉漿制備的絕緣紙的撕裂指數(shù)和電氣強度分別為21.36 mN·m2/g 和57.90 kV/mm，基本滿足絕緣紙的性能要求，且具有更好的柔性和吸油性。以上研究表明，棉漿纖維可以部分替代木纖維制備纖維素絕緣紙，緩解木材短缺問題，同時，棉漿纖維的加入可以提升纖維素絕緣紙的柔韌性，使其在后續(xù)加工過程中的可操作性提升，為拓展棉漿纖維在絕緣紙中的應(yīng)用提供了新的可能。纖維原料的特點見表1。

2 新型增強材料

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對纖維素絕緣紙的介電性能[28]、耐老化性能[29]和力學(xué)性能[30]提出了更高的要求，因此在纖維素絕緣紙中加入增強材料也成為該領(lǐng)域的研究熱點之一。

2. 1 新型納米粒子

納米材料是指至少在一個維度上達(dá)到納米級別（1～100 nm） 的材料。近幾年，通過在絕緣紙中加入納米材料，增強絕緣紙的介電性能已逐漸成為研究的熱點之一。目前在絕緣紙中添加的納米粒子主要包括納米二氧化硅、納米二氧化鈦、納米氧化鋁等[31]。

2. 1. 1 納米碳化硅

納米碳化硅（SiC） 具有低介電損耗、優(yōu)異熱穩(wěn)定性和低介電常數(shù)。在增強絕緣紙電學(xué)性能方面，Chen等[32]將納米SiC加入絕緣紙中，發(fā)現(xiàn)纖維素絕緣紙的直流電場分布變得更為均衡，電導(dǎo)率隨著納米SiC摻雜比例的上升而呈現(xiàn)指數(shù)增長，然而其相對介電常數(shù)僅略有上升。在增強絕緣紙力學(xué)、導(dǎo)熱性能方面，Zhang等[33]發(fā)現(xiàn)納米SiC具有較大的比表面積，不僅能與纖維素緊密結(jié)合，還能填補纖維間的孔隙，構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，顯著加快絕緣紙內(nèi)部的傳熱速率，改善局部過熱的問題。與純纖維素絕緣紙相比，加入9%納米SiC制備的復(fù)合絕緣紙的導(dǎo)熱系數(shù)和拉伸強度分別增加了44.3%和42.8%。以上研究表明，加入納米SiC可以顯著提升絕緣紙的機械強度和熱學(xué)特性，這為其在絕緣紙領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了新的途徑。

2. 1. 2 納米氮化硼

納米氮化硼（BN） 具有粒徑小、比表面積大、吸濕性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、相對介電常數(shù)低等特點。然而，納米BN存在分散性較差、易團聚的問題。針對該問題，Yang等[34]發(fā)現(xiàn)納米纖維素不僅可以作為纖維素與納米BN之間的橋梁，而且在一定程度上可以抑制納米BN的團聚現(xiàn)象。添加30%納米BN時，復(fù)合絕緣紙的熱導(dǎo)率為0.376 W/m·K，比純纖維素絕緣紙?zhí)岣吡?5.2%，但絕緣紙的電學(xué)性能改善不大。在此基礎(chǔ)上，Wei等[35]固定納米纖維素添加量為20% （相對于絕緣紙定量），進一步研究了納米BN的含量對絕緣紙機械和電學(xué)性能的影響。加入12% 納米BN 制備的復(fù)合絕緣紙的抗拉強度達(dá)68.93 MPa， 介電常數(shù)和介電損耗分別為2.41 和0.23%，與純纖維素絕緣紙相比分別降低了42.89%和70.60%，擊穿強度較純纖維素絕緣紙?zhí)岣?5.63%。以上研究結(jié)果表明，納米BN在增強纖維素絕緣紙機械、熱學(xué)和電學(xué)性能領(lǐng)域表現(xiàn)出一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2. 1. 3 納米氧化鋁

納米氧化鋁（Al2O3） 因其出色的耐熱特性、高電阻率和低介電常數(shù)，在開發(fā)新型的復(fù)合絕緣材料時具有一定優(yōu)勢。目前，納米Al2O3主要用于提升纖維素絕緣紙的耐老化性能。鄢水強等[36]在纖維素絕緣紙中加入了2%納米Al2O3，研究了在不同熱老化階段復(fù)合絕緣紙的電學(xué)性能。納米Al2O3的加入可以使復(fù)合絕緣紙的界面極化程度降低，從而降低介電常數(shù)和介電損耗。同時，納米Al2O3的加入可以加快絕緣紙內(nèi)部熱量的傳遞，改善局部過熱情況，因此與純纖維素絕緣紙相比，復(fù)合絕緣紙耐熱老化性能更優(yōu)異。絕緣紙失效形式除熱老化失效之外，還包括電老化失效。在之前的研究基礎(chǔ)上，莫洋等[37]對復(fù)合絕緣紙介電特性和加速電老化進行了研究。相對于純纖維素絕緣紙，加入2%納米Al2O3的復(fù)合絕緣紙在介電常數(shù)和介質(zhì)損耗方面均表現(xiàn)得更為優(yōu)異，同時，其抗電老化特性更為突出， 使用壽命提高了20%。因此， 納米Al2O3不僅可以提升絕緣紙的耐熱老化性能，而且對絕緣紙的耐電老化性能也有一定程度的提升。

2. 1. 4 納米二氧化鈦

納米二氧化鈦（TiO2） 具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及較大的比表面積。葉敬[38]研究了納米TiO2 的粒徑和用量對復(fù)合纖維素絕緣紙性能的影響。通過加入納米TiO2，復(fù)合絕緣紙的表面微觀結(jié)構(gòu)有一定的改善，減少了復(fù)合絕緣紙中陷阱的數(shù)量，并延緩了電老化進程。為了進一步探究納米TiO2在電熱復(fù)合老化條件下對復(fù)合絕緣紙性的影響，劉道生等[39]制備了不同摻雜比例的納米TiO2復(fù)合絕緣紙。結(jié)果表明，加入適量的納米TiO2可以填補紙張表面孔隙，使表面更加光滑緊致，但過量納米TiO2會在紙張表面產(chǎn)生團聚，導(dǎo)致發(fā)生局部放電和擊穿現(xiàn)象，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%納米TiO2復(fù)合絕緣紙的耐電熱老化性能最好。因此，納米TiO2在增強纖維素絕緣紙耐電、熱和電熱復(fù)合老化性能方面具有顯著的效果，但納米TiO2易團聚，會導(dǎo)致發(fā)生局部放電和擊穿現(xiàn)象，影響絕緣紙性能。

2. 1. 5 納米二氧化硅

納米二氧化硅（SiO2） 具有表面能高、粒徑小及比表面積大等特點。但其高比表面積容易導(dǎo)致聚集，從而引發(fā)局部擊穿和放電現(xiàn)象。因此，對納米SiO2進行表面處理成為制備纖維素絕緣紙的關(guān)鍵技術(shù)之一。張福州等[40]使用苯乙烯和聚乙烯吡咯烷酮對納米SiO2進行了表面改性得到低介電納米SiO2，并制備添加有不同含量納米SiO2的復(fù)合絕緣紙。結(jié)果表明，與純纖維素絕緣紙相比，復(fù)合絕緣紙的介電常數(shù)下降了34%， 油紙復(fù)合絕緣系統(tǒng)的整體擊穿電壓提高了15.5%。在此基礎(chǔ)上，為進一步改善納米SiO2比表面積對紙張性能的影響，姜楠等[41]先對納米SiO2進行羥基化改性，再用硅烷偶聯(lián)劑修飾。改性后納米SiO2復(fù)合絕緣紙的體積電阻率和擊穿場強分別達(dá)17.45×109 Ω·m 和18.35 kV/mm，明顯優(yōu)于純纖維素絕緣紙和未改性納米SiO2復(fù)合絕緣紙。以上結(jié)果表明，對納米SiO2進行表面修飾是用其作為增強材料必須要考慮的問題，改性納米SiO2可以改善其團聚現(xiàn)象，進一步提升復(fù)合絕緣紙的性能。

2. 1. 6 玄武巖納米片

玄武巖納米片是以高品質(zhì)的天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)過高溫融化、澄清、均化成形和篩選等加工技術(shù)制成的二維片狀材料。玄武巖納米片中的SiO2、Al2O3使其不僅具有良好的絕緣性能，并且具有優(yōu)異的耐酸堿和耐腐蝕性能，其工作溫度范圍為?200～1 100 ℃，可以適應(yīng)應(yīng)用過程中的大溫差及惡劣環(huán)境[42]。目前，玄武巖納米片的剝離方法包括化學(xué)機械法[43]、質(zhì)子化剝離法[44]、插層剝離法[45]及離子交換法[46]等。

Ji等[47]通過化學(xué)法和機械法相結(jié)合的方法，用玄武巖納米片制備得到高徑厚比的玄武巖納米片，并將其作為增強材料制備了玄武巖納米片/芳綸納米纖維復(fù)合絕緣紙。研究表明，玄武巖納米片可以通過羥基相互作用與分散的芳綸納米纖維形成化學(xué)鍵，與純芳綸納米纖維絕緣紙相比，復(fù)合絕緣紙的拉伸強度和擊穿強度達(dá)269.40 MPa 和77.91 kV/mm， 分別提高了87%和133%。用羥基化玄武巖納米片和芳綸納米纖維作為增強材料制備懸浮液，將其涂布在纖維素紙表面得到復(fù)合紙。結(jié)果表明，添加5%羥基化玄武巖納米片制得的復(fù)合紙的拉伸強度和擊穿強度分別為23.15 MPa和20.14 kV/mm，與純纖維素紙相比，分別提高了229%和145%[48]。玄武巖納米片與芳綸納米纖維涂布后，紙張的電學(xué)、力學(xué)性能的提升為玄武巖納米片增強纖維素絕緣紙性能提供了一定的思路，為擴展玄武巖納米片的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的方向。

綜上所述，納米粒子的加入可以改善纖維素絕緣紙的微觀形貌，對絕緣紙的電學(xué)性能均有一定提升，但由于納米粒子普遍存在團聚的問題，導(dǎo)致產(chǎn)生局部缺陷，無法兼顧機械、熱學(xué)性能，同時可作為增強材料的納米粒子的種類較少。因此，未來研究過程中，可以通過開發(fā)新型納米粒子或復(fù)合型納米粒子來提升纖維素絕緣紙整體性能。

2. 2 新型纖維增強材料

由于傳統(tǒng)纖維素絕緣紙的耐熱溫度最高為105 ℃，要想提升絕緣紙的耐溫等級，還可以加入高性能有機合成纖維或無機礦物纖維來增強絕緣紙的性能。

2. 2. 1 玄武巖纖維

玄武巖纖維是以玄武巖礦石為原料，通過清洗、粉碎和熔融后，經(jīng)鉑銠合金漏鈑拉制而得到的一種高性能無機纖維[49]。玄武巖纖維具有優(yōu)異的隔音和隔熱性、良好的機械強度及優(yōu)異的耐酸堿性能、良好的電絕緣性，且易于加工。此外，玄武巖纖維在生產(chǎn)過程中不添加任何添加劑，對環(huán)境和生態(tài)無害，被稱為綠色纖維[50]。

玄武巖纖維易產(chǎn)生靜電，在水中的分散性差。針對該問題，可使用無機酸調(diào)節(jié)懸浮液的pH值，當(dāng)pH值為4～5時，玄武巖纖維的分散性得到顯著改善[51]。王淼林等[52]利用玄武巖纖維作為增強材料，并通過濕法造紙的方法，成功制備了芳綸與玄武巖的復(fù)合絕緣紙。復(fù)合絕緣紙的熱穩(wěn)定性和膠液滲透性隨著玄武巖纖維含量的增加而提高；當(dāng)玄武巖纖維占比達(dá)50%時，復(fù)合絕緣紙的抗張強度達(dá)到了1.67 MPa，同時，復(fù)合絕緣紙的擊穿強度保持穩(wěn)定。由以上研究可以看出，玄武巖纖維可以在保持擊穿電壓不下降的同時，增強芳綸絕緣紙的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。目前，將玄武巖纖維作為增強材料提升纖維素絕緣紙性能的研究較少，具有一定的應(yīng)用前景。

2. 2. 2 聚酰亞胺纖維

聚酰亞胺纖維是化學(xué)結(jié)構(gòu)中包含酰亞胺環(huán)和芳雜環(huán)等剛性共軛結(jié)構(gòu)的一種新型高性能有機纖維，具有優(yōu)越的機械性能、耐高低溫性能、耐化學(xué)性能及良好的介電性能等，因此在電力、微電子、工程和航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

Wei等[53]首次將聚酰亞胺纖維作為增強纖維加入纖維素絕緣紙中，并研究了納米SiO2的添加量對聚酰亞胺/纖維素絕緣紙的性能影響，研究表明，過量納米SiO2會產(chǎn)生團聚，導(dǎo)致局部放電和擊穿現(xiàn)象；加入3%納米SiO2的復(fù)合絕緣紙抗拉強度提高26.24%，介電常數(shù)降和介電損耗分別為2.39和0.2%，交流擊穿強度提高了26.82%。為了進一步確定聚酰亞胺纖維作為增強材料對纖維素絕緣紙力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能的影響，Wei 等[54]發(fā)現(xiàn)，添加6% 聚酰亞胺纖維后，與純纖維素絕緣紙相比，復(fù)合纖維素絕緣紙的拉伸強度提高了26.24%，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度從113.4 ℃上升至124.7 ℃，介電常數(shù)從4.22降低至3.25，介電損耗降低了58.33%，擊穿強度提高了30.35%。這表明聚酰亞胺纖維在纖維素絕緣紙領(lǐng)域具有一定的發(fā)展前景，但由于聚酰亞胺纖維與纖維素的相容性較差，導(dǎo)致添加量過高時纖維素絕緣紙的力學(xué)性能發(fā)生明顯的下降，未來可以通過對聚酰亞胺纖維進行表面改性來改善二者的相容性，開發(fā)出具有更高性能的新型纖維素絕緣紙。

2. 2. 3 納米纖維素

根據(jù)納米纖維素的尺寸和生產(chǎn)工藝，可以將其分為納米微晶纖維素、纖維素納米纖絲以及細(xì)菌纖維素3類[55]。納米纖維素是天然纖維的產(chǎn)物，其具有比表面積大、機械強度高、生物降解性好等特性[56]。與無機納米粒子相比，納米纖維素與纖維素的結(jié)合更為緊密，并且具有更好的相容性。

在提升絕緣紙電學(xué)性能方面，Huang等[57]將未改性的納米原纖化纖維素、陽離子納米原纖化纖維素、陰離子納米原纖化纖維素和纖維素納米晶體作為增強材料，研究了納米纖維素的處理條件對絕緣紙絕緣性能的影響。結(jié)果表明，陽離子納米纖維素復(fù)合絕緣紙的性能最佳，其拉伸強度和交流擊穿強度分別為136 MPa和13.5 kV/mm，分別提升了19.9% 和21.5%。Zhang等[58]在研究增強絕緣紙的熱力學(xué)特性時，成功制備了摻雜不同納米原纖化纖維素含量的復(fù)合絕緣紙。結(jié)果表明，納米原纖化纖維素填充了絕緣紙的內(nèi)部孔隙，增加了氫鍵的含量，有效地提升了絕緣紙在熱力學(xué)方面的性能，加入15%納米原纖化纖維素時的復(fù)合絕緣紙拉伸強度為58.1 MPa，與純纖維素絕緣紙相比提高了34.5%，導(dǎo)熱系數(shù)提高了28.44%。以上研究表明，納米纖維素的加入可以提升纖維素之間的界面結(jié)合力，從而提升纖維素絕緣紙的機械、電學(xué)和熱學(xué)性能。

2. 2. 4 芳綸纖維

芳綸纖維是另一種高性能有機纖維?？煞譃榉季]短切纖維、芳綸沉析纖維、芳綸漿粕和芳綸納米纖維。芳綸纖維展現(xiàn)出了卓越的阻燃、電絕緣、耐高溫及化學(xué)穩(wěn)定的特性，在航空、軍事、電子通信和造紙等多個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[59]。

徐振等[60]將芳綸沉析纖維作為增強纖維加入闊葉木漿中，制備了不同間位芳綸沉析纖維含量的復(fù)合纖維素絕緣紙。結(jié)果表明，復(fù)合紙的抗張指數(shù)隨芳綸沉析纖維含量的提升而先上升后下降，當(dāng)加入30%的芳綸沉析纖維后，復(fù)合紙的抗張指數(shù)達(dá)14.9 N·m/g。與此同時，芳綸纖維優(yōu)異的熱穩(wěn)定性也提升了復(fù)合纖維素紙的熱穩(wěn)定性。但芳綸纖維的表面極性基團相對較少，這使得其與纖維素的相容性不佳，從而降低其機械強度。因此Mo等[61]在針葉木漿中加入低溫等離子法處理后的芳綸漿粕，使其表面極性基團暴露，同時加入納米纖維素來增強纖維網(wǎng)絡(luò)的界面結(jié)合能力，改善力學(xué)性能下降的問題，復(fù)合絕緣紙的介電常數(shù)和介電損耗與純纖維素絕緣紙相比分別下降了29.6%和43.2%，芳綸漿粕的引入降低了復(fù)合紙的極化率，從而降低了其介電常數(shù)和損耗，含納米纖維素的復(fù)合紙比不含納米纖維素復(fù)合紙的抗張強度提升了29.5%。

芳綸納米纖維具有高比表面積、長徑比大、強度高以及熱穩(wěn)定性優(yōu)異等特點，在增強材料、能源設(shè)備、絕緣領(lǐng)域和吸附材料等多個方面的應(yīng)用十分廣泛[62]。Yang等[63]將芳綸納米纖維作為增強材料分別以直接加入、原位生長、涂布3種方式加入棉纖維素紙中，研究發(fā)現(xiàn)，將芳綸納米纖維制備為懸浮液涂布在纖維素紙表面，使其更加光滑緊密，界面結(jié)合較好，添加1.5%芳綸納米纖維增強纖維素紙的抗張指數(shù)達(dá)79.1 N·m/g。將芳綸納米纖維作為的增強材料與纖維素共混，可實現(xiàn)纖維原位質(zhì)子化還原及高效復(fù)合，得到兼?zhèn)涓弑缺砻娣e、優(yōu)異機械強度和耐溫性能的復(fù)合纖維，并制備了復(fù)合纖維素紙[64]。

綜上所述，芳綸纖維由于表面極性基團少，與纖維素相容性較差，因此需要對芳綸纖維進行表面改性，增強界面結(jié)合力。芳綸納米纖維作為增強纖維加入纖維素紙中使紙張表面更加致密，對纖維素紙張的力學(xué)性能有一定的提升。芳綸納米纖維自身具有優(yōu)異的絕緣性能，因此將其作為增強材料增強纖維素絕緣紙的力學(xué)性能和絕緣性能具有一定的研究前景。

3 結(jié)語

隨著國家電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，對電力變壓器用纖維素絕緣紙的需求不斷提高。未來開發(fā)新型纖維素絕緣紙對保障電力設(shè)備國有化具有重要意義。本文從新型纖維原料和新型增強材料2個方面總結(jié)了纖維素絕緣紙的研究現(xiàn)狀。在新型纖維原料方面，采用竹纖維、麻纖維、棉纖維取代或部分替代木材纖維取得了一定的成效，但漿料的灰分和雜細(xì)胞含量較高，導(dǎo)致制漿時純化難度較大；新型增強材料在增強絕緣紙機械、電學(xué)、熱學(xué)性能方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但納米材料分散性較差導(dǎo)致單一納米材料不能實現(xiàn)纖維素絕緣紙整體性能的提升。提升現(xiàn)有纖維原料純化技術(shù)的高效性并改善增強材料與纖維素的相容性是目前需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題，此外，開發(fā)新型增強材料或?qū)ΜF(xiàn)有增強材料進行混合使用也是值得關(guān)注的方向。

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（責(zé)任編輯：楊苗秀）