CN104798144B - 电绝缘纸 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电绝缘纸，所述电绝缘纸包含40‑80重量％芳族聚酰胺类纤维、10‑50重量％芳族聚酰胺纸浆和10‑50重量％芳族聚酰胺短纤维，其中芳族聚酰胺纸浆为具有0.5‑6mm的长度和15‑85的Schopper Riegler的对芳族聚酰胺纸浆。优选，类纤维为对芳族聚酰胺类纤维，和/或短纤维为对芳族聚酰胺短纤维。更优选，类纤维为对芳族聚酰胺类纤维，且短纤维为对芳族聚酰胺短纤维。发现满足以上要求的纸显示出与仅包含所述组分中的两种或者小于40重量％芳族聚酰胺类纤维的体系相比提高的介电强度(以kV/mm表示)和拉伸指数(以Nm/g表示)乘积值。该纸容易生产且具有良好的撕裂强度。该纸特别适用于绝缘导体中。
Description
本发明涉及电绝缘纸，包含所述纸的绝缘导体，包含所述绝缘导体的变压器、发生器或电动机，和制备所述纸的方法。
WO2012/093048描述了电绝缘纸，所述电绝缘纸包含40-100重量％对芳族聚酰胺类纤维，和至多60重量％的以下至少一种：芳族聚酰胺纸浆、芳族聚酰胺絮状物、芳族聚酰胺人造短纤维、芳族聚酰胺原纤维、间-芳族聚酰胺类纤维、间-/对芳族聚酰胺类纤维、导热填料，和常用的纸添加剂，例如填料如高岭土、粘合剂、纤维、增粘剂和粘着剂。纸可用于绝缘导体及其制成的变压器、发生器和电动机中。该申请的实施例中所述的纸显示出高介电强度。然而，介电强度仅是高质量电绝缘纸应当满足的参数之一。更具体而言，电绝缘纸应当结合高介电强度与高拉伸指数，其可表示为介电强度和拉伸指数的乘积。另外，纸的生产容易性也是一个重要特征，尤其是具有高类纤维含量的纸可能难以生产。
因此，需要具有改进的性能和改进的生产容易性的电绝缘纸。本发明提供这种纸。本发明的其它优点从进一步描述中获悉。
本发明涉及电绝缘纸，所述电绝缘纸包含：
40-80重量％芳族聚酰胺类纤维，
10-50重量％芳族聚酰胺纸浆，和
10-50重量％芳族聚酰胺短纤维(short-cut)，
其中芳族聚酰胺纸浆为具有0.5-6mm的长度和15-85的Schopper Riegler的对芳族聚酰胺纸浆。
发现满足以上要求的纸显示出与仅包含所述组分中的两种或者小于40重量％芳族聚酰胺类纤维的体系相比提高的介电强度(以kV/mm表示)和拉伸指数(以Nm/g表示)乘积值。包含100％芳族聚酰胺类纤维的纸显示出比本发明纸更高的介电强度(以kV/mm表示)和拉伸指数(以Nm/g表示)乘积值，但该纸可能较不具有吸引力，因为它难以生产。另外，全类纤维纸的撕裂强度对某些应用而言可能是不充分的。
应当指出，US5,026,456描述了包含10-40重量％芳族聚酰胺类纤维、5-30重量％耐高温絮状物和30-85重量％芳族聚酰胺纸浆的高孔隙率纸。芳族聚酰胺纸浆为例如通过湿法精制而由包含絮状物和类纤维的干芳族聚酰胺纸得到的纸浆。芳族聚酰胺类纤维、絮状物和纸浆都由间-芳族聚酰胺得到。本领域技术人员了解高孔隙率纸不适用作电绝缘纸，因为高孔隙率伴随低电阻。
在本说明书的上下文中，芳族聚酰胺指为芳族二胺和芳族二羧酸卤化物的缩聚物的芳族聚酰胺。芳族聚酰胺可以以间-和对-形式存在，这二者都可用于本发明中。其中芳族结构部分之间的至少85％键为对芳族聚酰胺键的芳族聚酰胺的使用被认为是优选的。作为这组的典型成员，提到聚(对苯撑对苯二甲酰胺)、聚(4,4'-苯酰替苯胺对苯二甲酰胺)、聚(对苯撑-4,4'-联苯撑二羧酸酰胺)和聚(对苯撑-2,6-萘二羧酸酰胺)或者共聚(对苯撑/3,4'-二氧二苯撑对苯二甲酰胺)。其中芳族结构部分之间至少90％，更特别是至少95％的键为对芳族聚酰胺键的芳族聚酰胺的使用被认为是优选的。特别优选使用也称为PPTA的聚(对苯撑对苯二甲酰胺)。这适用于存在于本发明纸中的所有芳族聚酰胺组分。
本发明纸包含芳族聚酰胺类纤维。芳族聚酰胺类纤维是本领域中已知的。在本说明书上下文内，术语芳族聚酰胺类纤维指小的非粒状、非刚性膜状颗粒。膜状类纤维颗粒具有其三维尺寸中的两个在微米级内，且一个尺寸小于1μm。在一个实施方案中，本发明中所用类纤维具有0.2-2mm的平均长度，和10-500μm的平均宽度，和0.001-1μm的平均厚度。
在一个实施方案中，芳族聚酰胺类纤维包含小于40％，优选小于30％细粒，其中细粒定义为具有小于250μm的长度加权长度(LL)的颗粒。
间-芳族聚酰胺类纤维可通过如由美国专利No.2,999,788中熟知的，将聚合物溶液剪切沉淀到凝结液中而制备。全芳族聚酰胺(芳族聚酰胺)的类纤维还由美国专利No.3,756,908中已知，所述专利公开了制备聚(间苯撑间苯二甲酰胺)(MPD-I)类纤维的制备方法。对芳族聚酰胺类纤维借助晚得多开发的高剪切方法如例如所述WO2005/059247制备，所述类纤维也称为喷纺类纤维。
优选芳族聚酰胺类纤维为对芳族聚酰胺类纤维。最合适的纸由具有50-90，优选75-85的Schopper-Riegler(SR)值的对芳族聚酰胺类纤维制成。这些类纤维优选具有小于10m2/g，更优选0.5-10m2/g，最优选1-4m2/g的比表面积(SSA)。
在一个实施方案中，使用具有至少0.3mm，特别是至少0.5mm，更特别是至少0.7mm的LL0.25的类纤维。在一个实施方案中，LL0.25为至多2mm，更特别是至多1.5mm，仍更特别是至多1.2mm。LL0.25表示类纤维颗粒的长度加权长度，其中不考虑长度在0.25mm以下的颗粒。
本发明纸包含芳族聚酰胺纸浆。芳族聚酰胺纸浆是本领域中熟知的。纸浆为对芳族聚酰胺纸浆。
芳族聚酰胺纸浆可衍生自切成例如0.5-6mm的长度，然后经受原纤化步骤的芳族聚酰胺纤维，其中将纤维拉开以形成原纤维，无论是否附着在较厚的茎上。这类纸浆的特征可以是例如0.5-6mm的长度和15-85的Schopper-Riegler。在一些实施方案中，纸浆可具有4-20m2/g的表面积。
在本发明上下文中，术语纸浆还包括原纤维，即主要包含原纤化部分以及很少或不包含纤维茎(fiber stem)的“纸浆”。有时还表示为芳族聚酰胺原纤维的该纸浆可例如通过由溶液直接纺丝，例如如WO2004/099476所述得到。在一个实施方案中，纸浆具有结构不规则形，其表示为从未干燥的纸浆与干纸浆之间至少100，优选至少150的CSF(加拿大标准游离度)差。在一个实施方案中，使用具有在湿相中小于300ml的加拿大标准游离度(CSF)值以及在干燥以后小于7m2/g的比表面积(SSA)以及优选对长度>250μm的颗粒而言小于1.2mm，更优选小于1.0mm的重量加权长度(WL0.25)的原纤维。合适的原纤维和它们的制备方法描述于例如WO2005/059211中。
本发明纸包含芳族聚酰胺短纤维。在一个实施方案中，使用芳族聚酰胺短纤维，其在本发明中为切成例如0.5-15mm的长度，特别是2-10mm，更特别是3-8mm的长度的芳族聚酰胺纤维。芳族聚酰胺短纤维优选为对芳族聚酰胺短纤维。
本发明纸包含40-80重量％芳族聚酰胺类纤维、10-50重量％芳族聚酰胺纸浆和10-50重量％芳族聚酰胺短纤维。发现存在所有三种组分将得到具有良好性能的纸，如由提高的介电强度(以kV/mm表示)和拉伸指数(以Nm/g表示)乘积值证明。
在一个实施方案中，纸包含至多70重量％类纤维，或者甚至至多60重量％类纤维，一方面以容许存在较大量的其它组分，另一方面提高纸的可生产性。大量类纤维的存在与较低的生产速度相关，因为在生产期间从含类纤维纸中除去水是困难的。另外，包含非常高类纤维量的纸的撕裂强度可能是不足的。
在一个实施方案中，纸包含至少15重量％，更特别是至少20重量％芳族聚酰胺短纤维，因为这使得纸具有提高的强度。可优选纸包含至多40重量％短纤维。如果短纤维的量太高，则可能有害地影响绝缘性能。如果短纤维的量太低，则不会得到本发明的性能。
在一个实施方案中，纸包含至少15重量％纸浆。可优选纸包含至多40重量％纸浆，更特别是至多30重量％纸浆。如果纸浆的量太高，则可能有害地影响绝缘性能。如果纸浆的量太低，则不会得到本发明的性能。
在一个实施方案中，纸包含40-60重量％如上所述芳族聚酰胺类纤维、20-40重量％如上所述对芳族聚酰胺短纤维和15-30重量％如上所述对芳族聚酰胺纸浆。
如果需要的话，纸可包含一种或多种常用造纸组分，例如填料，包括云母、粘土如高岭土和膨润土，导热电绝缘填料、矿物、粘合剂、纤维、增粘剂、粘着剂等。可优选纸包含高岭土作为添加剂。进一步优选通过类纤维，例如通过使用在纺丝方法期间将高岭土引入类纤维中而生产的含高岭土类纤维而将高岭土引入纸中，例如如WO 2008/122374所述。
导热电绝缘填料是本领域中已知的。它们通常应用于电力发生器、开关模式电源和信号放大器中。这类材料的实例可在US 4,869,954中找到，且包括氮化铝、氧化铝、氮化硼、氧化镁和氧化锌。
在一个实施方案中，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较低的介电强度。作为最大值，可提到1.4g/cm3的值。
在一个实施方案中，本发明纸具有根据ASTM D-257的体积电阻率方法为至少1013Ωcm的电阻。优选，电阻为至少1015Ωcm。
在一个实施方案中，本发明纸具有20-1000g/m2，更特别是30-300g/m2的克重。
在一个实施方案中，本发明纸具有20μm至1mm，更特别是30-300μm的厚度。
本发明还涉及制备以上电绝缘纸的方法。在本发明方法中，制备包含如上所述芳族聚酰胺类纤维、纸浆和短纤维的悬浮液，通常含水悬浮液。将悬浮液应用于多孔筛上，以使随机交织材料垫铺在筛上。水例如通过压制和/或施加真空而从该垫中除去，其后干燥以制备纸。显现出可得到的具有改进性能的纸为经受压延步骤的干纸。压延步骤是本领域中已知的。它们通常涉及使纸经过一组辊。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℃下进行时，可得到进一步改进。
对纸的性能可以有利的是在它用于造纸方法中以前使类纤维例如在韦林氏混合机中经受剪切力。
在生产绝缘电绕组，例如电动机或电力变压器中所用那些中，通常的实践是通过将绝缘片材料放在绕圈之间而将绕组的各个圈绝缘。这类片材料绝缘通常仅是高电压绕组或者具有固有地发展绕组的相邻圈之间较高的电压的较大圈数的绕组上所需的。本发明纸适于绝缘导体和制备变压器、发生器和电动机。因此，本发明还涉及本发明纸在绝缘导体中的用途，以及这类绝缘导体在变压器、发生器和电动机中的用途。本发明还涉及包含如本文所述纸或者如通过本文所述生产方法所得纸的绝缘导体，和包含所述绝缘导体的变压器、发生器或电动机。
在一个实施方案中，本发明纸用于旋转式电设备中，例如用于导线、线圈、狭缝、相、楔块和末端绝缘。在另一实施方案中，本发明纸在变压器中用于圈、层、屏障和搭接件绝缘。
应当指出本文所述纸的实施方案可以以技术人员了解的方式相互组合。关于纸描述的所有实施方案和性能也单独或组合地适用于生产纸的方法。关于纸描述的所有实施方案和性能也单独或组合地适用于其在任何应用中的用途。
实验
造纸方法(一般程序)
所有纸配方根据ISO 5269-2的方法在Rapid Koethe(RK)纸样抄取器上制备。干燥使用RK干燥器在真空下在95℃下进行。干燥过的纸的压延在200℃下以10μm间隙控制进行。对于压延，使用两个钢棍。
介电强度测量根据ASTM D149 97A 920040进行。纸的厚度根据TAPPI 411om-05在介电击穿的位置上测量。该厚度用于计算介电强度。对于各类纸测量至少5个介电击穿以得到平均介电强度(其表示于表中)。
拉伸指数(TI)和断裂伸长率(EAB)根据ISO 1924-2测定。Gurley根据ISO5636-5测定。
原料如下：
PPTA类纤维：来自Teijin Aramid，荷兰的 D8016，
PPTA短纤维：来自Teijin Aramid，荷兰的 T1000，6mm
PPTA纸浆：来自Teijin Aramid，荷兰的 1094，
实施例
除非不同地指出，纸根据ISO 5269-2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为1.6g材料(基于干重)，产生50g/m2的纸片。各种纸的组成、克重和厚度显示于下表1中。实施例1为本发明纸。纸A-E为对比例。
表1：组成
| 实施例 | 类纤维 | 短纤维 | 纸浆 | 克重 | 厚度 |
| [％] | [％] | [％] | [g/m2] | [um] | |
| Ex 1 | 50 | 30 | 20 | 50 | 49.5 |
| A | 20 | 30 | 50 | 50 | 52.3 |
| B | 50 | 50 | 50 | 55.0 | |
| C | 100 | 50 | 48.7 | ||
| D | 50 | 50 | 50 | 49.0 | |
| E | 50 | 50 | 50 | 55.6 |
测定这些纸的各种性能，其结果显示于下表2中。
表2：结果
| 实施例 | 介电强度 | TI | EAB | Gurley | TI*DiS |
| [kV/mm] | [Nm/g] | [％] | [Gs] | ||
| 实施例1 | 36.2 | 50.6 | 1.5 | 91400 | 1832 |
| A | 19.6 | 37.8 | 1.1 | 1230 | 741 |
| B | 23.4 | 54.4 | 1.9 | 7150 | 1273 |
| C | 67.1 | 69.5 | 3.2 | 1986096 | 4663 |
| D | 44.3 | 31.2 | 2.2 | 30000 | 1382 |
| E | 12.0 | 6.5 | 0.7 | 12 | 78 |
从表2的结果中可以看出根据本发明的实施例1的纸显示出关于拉伸指数和介电强度乘积的高值，这使得它适用于各种应用中。仅包含类纤维的纸仅具有关于该参数的非常高的值，但生产期间的水脱除是困难的且撕裂强度为低的。
Claims (33)
1.电绝缘纸，其包含：
40-80重量％芳族聚酰胺类纤维，
10-50重量％芳族聚酰胺纸浆，和
10-50重量％芳族聚酰胺短纤维，
其中芳族聚酰胺纸浆为具有0.5-6mm的长度和15-85的Schopper Riegler的对芳族聚酰胺纸浆，且其中芳族聚酰胺类纤维具有50-90的Schopper-Riegler(SR)值，和/或小于10m2/g的比表面积(SSA)。
2.根据权利要求1的纸，其中芳族聚酰胺类纤维具有75-85的Schopper-Riegler(SR)值。
3.根据权利要求1的纸，其中芳族聚酰胺类纤维具有0.5-10m2/g的比表面积(SSA)。
4.根据权利要求1的纸，其中芳族聚酰胺类纤维具有1-4m2/g的比表面积(SSA)。
5.根据权利要求1的纸，其中类纤维为对芳族聚酰胺类纤维，和/或短纤维为对芳族聚酰胺短纤维。
6.根据权利要求1的纸，其中类纤维为对芳族聚酰胺类纤维且短纤维为对芳族聚酰胺短纤维。
7.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至多70重量％类纤维。
8.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至多60重量％类纤维。
9.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至少15重量％芳族聚酰胺短纤维。
10.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至少15重量％芳族聚酰胺短纤维，和至多40重量％短纤维。
11.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至多40重量％芳族聚酰胺短纤维。
12.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至少20重量％芳族聚酰胺短纤维，和至多40重量％短纤维。
13.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至少20重量％芳族聚酰胺短纤维。
14.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至少15重量％纸浆。
15.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至少15重量％纸浆和至多40重量％纸浆。
16.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至多40重量％纸浆。
17.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至少15重量％纸浆和至多30重量％纸浆。
18.根据权利要求1-6中任一项的纸，其中纸包含至多30重量％纸浆。
19.根据权利要求1-6中任一项的纸，其具有至少0.7g/cm3的堆积密度。
20.根据权利要求1-6中任一项的纸，其具有0.9g/cm3或更高的堆积密度。
21.根据权利要求1-6中任一项的纸，其具有根据ASTM D-257的体积电阻率方法为至少1013Ωcm的电阻。
22.根据权利要求1-6中任一项的纸，其具有根据ASTM D-257的体积电阻率方法为至少1015Ωcm的电阻。
23.生产根据前述权利要求中任一项的纸的方法，其包括步骤：
-制备包含芳族聚酰胺类纤维、芳族聚酰胺纸浆和芳族聚酰胺短纤维的悬浮液，
-将悬浮液应用于多孔筛上，以使随机交织材料的垫铺在筛上，
-通过压制和/或施加真空将水从垫中除去，
-使除去水的垫经受干燥步骤。
24.根据权利要求23的方法，其中使干燥过的纸经受压延步骤。
25.根据权利要求23的方法，其中使干燥过的纸经受在升高的温度下的压延步骤。
26.根据权利要求24的方法，其中压延在100℃或更高下进行。
27.根据权利要求24的方法，其中压延在150-300℃下进行。
28.根据权利要求24的方法，其中压延在180-220℃下进行。
29.根据权利要求24的方法，其中压延在180-200℃下进行。
30.根据权利要求1-22中任一项的纸或根据权利要求23-29中任一项生产的纸在绝缘导体中的用途。
31.绝缘导体，其包含根据权利要求1-22中任一项的纸或根据权利要求23-29中任一项生产的纸。
32.变压器、发生器或电动机，其包含权利要求31的绝缘导体。
33.根据权利要求31的绝缘导体在变压器、发生器或电动机中的用途。
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