CN103282412A - 电绝缘纸 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包含40-100重量%对-芳族聚酰胺纤条体的电绝缘纸，其中对-芳族聚酰胺在芳族结构部分之间具有至少95%的对位键。该纸可进一步包含至多60重量%的至少一种芳族聚酰胺浆,芳族聚酰胺絮凝物、芳族聚酰胺切断纤维、芳族聚酰胺原纤维、间-芳族聚酰胺纤条体、间-/对-芳族聚酰胺纤条体、填料、导热填料和常用纸添加剂，例如填料如高岭土、粘合剂、纤维、增粘剂和胶粘剂。该纸可用于绝缘导体及其制备的变压器、发电机和电动机中。

Description

电绝缘纸
本发明涉及电绝缘纸，涉及包含所述纸的绝缘导体，涉及包含所述绝缘导体的变压器、发电机或电动机，和涉及制备所述纸的方法。
包含间-芳族聚酰胺纤条体的电绝缘纸是本领域中已知的。
在JP2006200066中描述了电绝缘芳族聚酰胺纤维纸。芳族聚酰胺纤维纸含有共聚-对-亚苯基-3,4'-氧基二亚苯基-对苯二甲酰胺(
Figure BDA00003461206400011
)切断纤维和耐热有机聚合物作为主要组分。
在JP10130496中描述了适用作用于电子设备和器具中的绝缘材料的片材，其通过将间-芳族聚酰胺纤条体、芳族聚酰胺絮凝物、云母颗粒和导热无机颗粒配混而得到，且聚(间苯二甲酰间苯二胺)优选用作芳族聚酰胺。
在JP7032549中，芳族聚酰胺层状产物通过将由间-芳族聚酰胺纤条体和耐热短纤维组成的芳族聚酰胺纸与聚对苯二甲酸乙二醇酯膜通过加压和热结合层压并结合而形成。
在EP930393中，描述了主要由芳族聚酰胺短纤维和纤条体组成的电绝缘纸，所述纤条体由有机高分子量聚合物(包括
Figure BDA00003461206400012
)组成，其中纤条体部分软化和/或熔融以容许纤条体用作粘合剂。该参考文件还在实施例8和10中公开了包含共聚-对-亚苯基-3,4'-氧基二亚苯基-对苯二甲酰胺或PPTA切断纤维并称为“由聚对苯二甲酰对苯二胺组成的纤条体”的纤维片材。然而，显然这些实施例中的所谓“纤条体”必须为浆。这可直接衍生自平衡水含量5.4%，其为关于PPTA浆的典型值，而PPTA纤条体具有平衡水含量80-90%。最后，在提交日期时，PPTA纤条体是未知的。PPTA纤条体的首先报告日期为2005年6月30日，(WO2005/059247)，在该参考文献的优先权日期以后8年，其中使用新方法以能够首次制备对-芳族聚酰胺纤条体。该参考文献仅公开了使用90%芳族聚酰胺切断纤维和10%对-芳族聚酰胺浆(错误地称为纤条体)。
在US2006266486中，描述了适用于静电放电干扰和/或电磁干扰屏蔽的导电芳族聚酰胺纸。这些纸含有间-芳族聚酰胺纤条体和导电填料。因为它们是导电的，这类纸不适于电绝缘纸。
在US5126012中，高强度纤条体-絮凝物片材由可以为碳、芳族聚酰胺或玻璃的絮凝物构成。片材含有间-芳族聚酰胺纤条体。这些纸中的一些具有电性能。
US5026456涉及包含芳族聚酰胺纤条体的压延纸。没有公开该纸为电绝缘的。此外，没有描述该纸含有对-芳族聚酰胺纤条体，其在提交时(1990)是未知的且在WO2005/059247中在2006年以前没有公开，但仅公开了间-芳族聚酰胺纤条体，即聚(间苯二甲酰间苯二胺)，如从该参考文献的实验公开内容物中获悉。这也从这一事实中获悉：该参考文献涉及由含有絮凝物和纤条体的干纸制备的芳族聚酰胺纸浆，如美国专利Nos.2,999,788和3,756,908所述，二者仅公开了间-芳族聚酰胺纤条体。
对-芳族聚酰胺纸也是已知的，但通常这些不含对-芳族聚酰胺纤条体。在JP8074195中描述了高性能对位型芳族聚酰胺纸，其包括将由选自浆粕、短纤维和切断纤维的对位型芳族聚酰胺构成的纸用由含有碱金属或碱土金属氯化物的极性酰胺溶剂溶液组成的粘合剂浸渍。所得对-芳族聚酰胺纸用作电绝缘纸。
在WO2008/122374和WO2005/059247中，描述了包含对-芳族聚酰胺纤条体的纸。这些纸含有高量的对-芳族聚酰胺纤条体，分别50和100%。这些纸不是通过压延方法得到的，因此所得纸未被描述为电绝缘的。没有公开这些纸可用于导体和/或变压器中。发现未压延的含对-芳族聚酰胺的纸不适于其中电绝缘重要的应用中(参见实验部分)。
涉及纸的其它参考文献为WO2005/103376、US2009/162605和WO2004/031466，其各自仅公开了含有间-芳族聚酰胺纤条体的纸。
在电绝缘市场中需要改进已知
Figure BDA00003461206400021
(间-芳族聚酰胺)绝缘纸。现在发现基于对-芳族聚酰胺纤条体的对-芳族聚酰胺纸是
Figure BDA00003461206400022
的替代物。进一步显示这种纸显示与纸相比在其电绝缘及其导热性能方面的改进，且具有在300℃以上的提高温度下改进的尺寸稳定性。
本发明涉及包含40-100重量%对-芳族聚酰胺纤条体的电绝缘纸。优选，该纸含有60-100%，更优选80-100重量%对-芳族聚酰胺纤条体。很可能，以及在许多情况下优选使用100重量%对-芳族聚酰胺纤条体。
术语“对-芳族聚酰胺”意指在芳族结构部分之间具有至少95%，更优选仅具有(即100%)的对位键的芳族聚酰胺。还具有对位键以外的键的共聚物，例如含有约33%间位键的共聚对亚苯基/3,4'-氧基二亚苯基对苯二甲酰胺(
Figure BDA00003461206400031
)不包括在40-100重量%对-芳族聚酰胺纤条体的定义中。优选纤条体为聚(对苯二甲酰对苯二胺)(PPTA)纤条体。
如果纸含有小于100重量%纤条体，则至多60重量%的其它组分，例如芳族聚酰胺颗粒，包括芳族聚酰胺浆、芳族聚酰胺絮凝物、芳族聚酰胺切断纤维、芳族聚酰胺原纤维、间-芳族聚酰胺纤条体、间-/对-芳族聚酰胺纤条体也可用于纸中。如果尚未100%，则余量(其可以为至多总计60%)可由其它常用造纸组分，例如填料，包括云母、石墨、粘土如高岭土和膨润土、纳米管、导热填料如氮化铝、氧化铝、氮化硼、氧化镁和氧化锌、矿物、粘合剂、纤维、增粘剂、胶粘剂等构成。纸可以不含玻璃纤维。本发明的对-芳族聚酰胺纤条体纸因此可含有其它芳族聚酰胺颗粒，优选其它对-芳族聚酰胺颗粒如PPTA颗粒、间-芳族聚酰胺纤条体、间-/对位颗粒(例如)、常用于造纸方法中的添加剂、及其组合。高岭土为优选的添加剂。进一步优选将高岭土在纺丝方法期间引入纤条体中，例如如WO2008/122374所述。
本发明纸具有至少0.7g/cm3，优选0.9g/cm3或更高的堆积密度。发现具有小于0.7g/cm3的堆积密度的纸具有低介电强度。
纤条体为小的非粒状、非刚性纤维状或膜状颗粒。膜状纤条体颗粒其三维中的两维为微米级别，且一维小于1微米。它们的小尺寸和柔度容许它们以物理缠绕构型沉积，例如在由木浆制备的纸中常常发现的那样。间-芳族聚酰胺纤条体可通过将聚合物溶液剪切沉淀于凝结性液体中而制备，如由美国专利No.2,999,788中熟知的。在该发明中，仅使用膜状类型的纤条体(也称为膜状纤条体)。
完全芳族聚酰胺(芳族聚酰胺)的纤条体也由美国专利No.3,756,908已知，所述专利在第5栏第37-54行描述了制备聚(间苯二甲酰间苯二胺)(MPD-I)纤条体的方法。在用于纸或压制板生产中以前，可将纤条体精炼以提供在其制备的产品中的改进电性能以及提供在成纸机上更好的片材质量。
如本文所定义，对-芳族聚酰胺纤条体不能通过这些常用方法制备，并借助开发迟得多的喷射纺丝方法如EP1694914所述制备。
本发明还涉及制备以上电绝缘纸的方法。发现为得到合适的绝缘性能，至少40%的纸应为对-芳族聚酰胺纤条体。在造纸中，纤维在水中的稀悬浮液穿流通过筛网，使得铺设无规交织纤维的垫。水通过压制和干燥而从该纤维垫中除去以制备纸。然而，还发现如果在造纸方法的干燥步骤以后将纸压延，则这种纸仅含有足够的绝缘性能。还发现如果压延在升高的温度下，特别是在100℃或更高，优选150-300℃，更优选180-220℃，最优选180-200℃下进行，则可得到进一步改进。
最合适的导电纸由Schopper-Riegler(SR)值为60-85，优选70-80的对-芳族聚酰胺膜状颗粒制备，而它们的比表面积(SSA)应优选小于10m2/g，更优选0.5-10m2/g，更优选1-4m2/g。
术语“导热填料”涉及导热绝缘体材料，其为导热的电绝缘材料，设计用于需要高效热传递和电绝缘以阻挡螺旋安装应用中洞穿的多种应用，这些产物提供与其它绝缘结构相比更一致的击穿电压。这些材料通常适用于电力发电机、开关式电源和信号放大器中。这类材料的实例可在US4,869,954中找到，并包括氮化铝、氧化铝、氮化硼、氧化镁和氧化锌。
术语“电绝缘纸”涉及根据ASTM D-257的体积电阻系数方法，电阻为至少1013Ωcm的纸。优选，电阻为至少1015Ωcm。
对纸的电性能而言有利的可能是在它用于造纸方法中以前使纤条体(例如在韦林氏混合机中)经受剪切力。高度推荐仅使用对-芳族聚酰胺，但也可使用次要量的
Figure BDA00003461206400041
。对-芳族聚酰胺优选为聚(对苯二甲酰对苯二胺)(=PPTA)。
生产绝缘电绕组(如用于电动机或电力变压器中的那些)中的通常实践是通过将绝缘片材放入绕组圈之间而使绕组的各个圈彼此绝缘。这类片材绝缘通常仅在高压绕组或固有地在绕组的相邻圈之间发展相对高电压的具有较大圈的绕组上需要。本发明纸适于使导体绝缘并用于制备变压器。
实验
造纸方法(一般程序)
所有纸配方在Rapid Koethe(RK)手抄纸成型机上根据ISO5269-2的方法制备。干燥使用RK干燥器在真空下在95℃下进行。干燥纸的压延在200℃下以10μm间隙控制进行。对于压延，使用两个钢辊。
介电强度的测量根据ASTM D14997A920040在Technical Universityof Delft(Netherlands)进行。纸的厚度根据TAPPI411om-05在介电击穿的位置处测量。该厚度用于计算介电强度。对于各类纸测量至少5次击穿，以得到平均介电强度(其表示于表中)。
导热率根据ASTM C1114-98测量。
实施例
除非不同地指出外，纸根据ISO5269-2的方法制备，其后根据一般程序压延。用于制备纸的成分总计达1.6g材料(基于干重)，产生50g/m2的片。在用于ISO5269-2的程序中以前将PPTA纤条体与高岭土的混合物在韦林氏混合器中混合。
结果
Figure BDA00003461206400061
PPTA纤条体：
Figure BDA00003461206400062
D8016，来自Teijin Aramid，荷兰
60%PPTA纤条体+40%高岭土：
Figure BDA00003461206400063
D8114，来自Teijin Aramid，荷兰
40%PPTA纤条体+60%高岭土：
Figure BDA00003461206400064
D8116，来自Teijin Aramid，The Netherlands
短切PPTA纤维：T1000，6mm，来自Teijin Aramid，TheNetherlands
PPTA浆：
Figure BDA00003461206400066
1094，来自Teijin Aramid，The Netherlands
间-芳族聚酰胺纤条体如美国专利No.3,756,908所述由聚(间苯二甲酰间苯二胺)制备。
热导率
进行实验以测量热导率(根据ASTM C1114-98测量)，其中将对-芳族聚酰胺纤条体纸与Nomex410(间-芳族聚酰胺纤条体)纸对比：
*热导率不取决于纸的厚度。

Claims (13)

1.制备堆积密度为至少0.7g/cm3的电绝缘纸的方法，其包含40-100重量%对-芳族聚酰胺膜状纤条体颗粒，其中对-芳族聚酰胺在芳族结构部分之间具有至少95%的对位键，且其中将在干燥以后在造纸设备上所得到的纸压延。
2.根据权利要求1的方法，其中压延在100℃或更高下进行。
3.根据权利要求2的方法，其中压延在150-300℃之间进行。
4.根据权利要求3的方法，其中压延在180-200℃之间进行。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其中纤条体颗粒具有60-85，优选70-80的Schopper-Riegler(SR)值。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其中纤条体颗粒具有小于10m2/g的比表面积(SSA)。
7.包含40-100重量%对-芳族聚酰胺膜状纤条体颗粒的电绝缘纸，其中对-芳族聚酰胺在芳族结构部分之间具有至少95%的对位键，该电绝缘纸通过根据权利要求1-6中任一项的方法得到。
8.根据权利要求7的电绝缘纸，其包含至多60重量%的至少一种芳族聚酰胺浆、芳族聚酰胺絮凝物、芳族聚酰胺切断纤维、芳族聚酰胺原纤维、间-芳族聚酰胺纤条体、间-/对-芳族聚酰胺纤条体、填料、导热填料和任选常用纸添加剂。
9.根据权利要求8的纸，其中芳族聚酰胺浆、芳族聚酰胺絮凝物、芳族聚酰胺切断纤维和芳族聚酰胺原纤维为对-芳族聚酰胺浆、絮凝物、切断纤维或原纤维。
10.根据权利要求8的纸，其中对-芳族聚酰胺为聚(对苯二甲酰对苯二胺)。
11.根据权利要求7-10中任一项的纸，其中对-芳族聚酰胺膜状纤条体颗粒为聚(对苯二甲酰对苯二胺)纤条体颗粒。
12.包含根据权利要求7-11中任一项的纸的绝缘导体。
13.包含根据权利要求12的绝缘导体的变压器、发电机或电动机。
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