CN105155328B - 一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸及其制备方法和应用 - Google Patents
一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸，按照质量百分含量，其原料组成为：3％～70％的芳香族聚噁二唑纤维、2％～50％的芳香族聚噁二唑沉析纤维、28％～95％的云母。将POD纤维、POD沉析纤维进行超声和压电效应处理，然后与云母鳞片按比例配合，混合匀度处理，稳浆、圆网纸机抄造、成型处理；最后经热压处理得POD纤维云母纸成品或直接得到POD纤维云母纸成品。提高了单一POD纤维纸的耐高温、高电压性能；提升了单一云母纸的机械强度以及耐冲击性能(耐电晕)，是集POD纤维与云母特性于一体的新型绝缘材料。可广泛应用于需要绝缘的各种大型电气设备、发动机、特殊用途以及民用等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种合成纤维云母复合材料，特别涉及一种含芳香族聚噁二唑(简称POD)纤维和云母的高性能绝缘纸状复合材料。本发明还涉及POD纤维云母纸的原料配比、制备方法、工艺及其应用。
背景技术
绝缘材料是电工器材中使带电体与其他部分隔离的材料。常用的固态材料有云母、绝缘纸、层压板、橡皮、塑料、油漆、玻璃、陶瓷、绝缘套管等。
绝缘材料的作用是在电气设备中把电势不同的带电部分隔离开来。因此绝缘材料首先应具有较高的绝缘电阻和耐压强度，并能避免发生漏电、击穿等事故。其次耐热性能要好，避免因长期过热而老化变质；此外，还应有良好的导热性、耐潮防雷性和较高的机械强度以及工艺加工方便等特点。绝缘材料是决定电机、电器技术经济指标的关键因素之一。电机的重要技术经济指标之一是质量功率比，即kg/kW值。减少比值，对电机有重要意义。据报道，从1900年到1967年，1hp(0.75kW)的电机质量由40kg减少到10kg，目前已降低到6kg/kW水平。导致这种变化的重要原因是采用耐热性高的绝缘材料。降低kg/kW值可节约大量金属材料，降低电机成本。如一台A级(105℃)电动机采用H级(180℃)绝缘之后，可缩小体积30％～50％，节约铜20％、硅钢片30％～50％、铸铁25％。当然，采用同一型号机，用耐温指数更高的绝缘材料，可以提高功率或延长电机的使用寿命。从电机、电器产品的造价情况来看，绝缘材料所占费用约在一半，这些都说明了绝缘材料在电机、电器工业中所占的地位和作用。
不同的电工设备对绝缘材料性能的要求各有侧重。高压电工装置如高压电机、高压电缆等用的绝缘材料要求有高的击穿强度和低的介质损耗。低压电器则以机械强度、断裂伸长率、耐热等级等作为主要要求。因此，绝缘材料的电性能、热性能、力学性能、耐气候变化、耐腐蚀等性能指标也极其重要。能同时拥有这些特性的材料将是最有前途的绝缘材料。
芳香族聚噁二唑(Poly-1，3，4-oxadiazole，简称POD)是一种具备优良热稳定性、化学稳定性、电绝缘性的耐高温芳杂环高分子材料，基本分子链结构如下：
POD纤维及其POD纸状材料都是复合材料中的战略性材料。其耐温性及高温下的电绝缘性、尺寸稳定性等主要性能指标都显著优于间位芳纶纤维及芳纶纸材料，POD纸在高温下的电气强度保持率比芳纶纸高一倍多。这说明POD纸是一种比芳纶纸更加优异的电绝缘材料，特征是高热稳定性，高力学性能，高电气强度，低介电常数和介电损耗。POD纸的电阻率和厚度无关，绝缘强度不受温度、湿度影响，还具有优异的耐化学腐蚀性等特点，是电子电气行业必不可少的理想绝缘材料。POD纤维与其他高性能纤维材料对比如下：
表1 POD纤维与其它耐高温纤维的常规性能对比
表2 POD纤维与其它耐高温纤维的耐高温性能对比
云母是含锂、钠、铝、锌、铁、钒等金属元素并具有层状结构的含水铝硅酸盐族矿物的总称，是一种非常重要的绝缘材料；云母纸则是将云母破碎后采用造纸工艺制成的绝缘纸。具有无毒、无味、耐高温、耐老化、耐高压、防水、耐酸、碱、矿物油、化学药剂、抗风化，并有很好的弹性和挠曲性。在电气性能方面：具有较高的绝缘强度和较大的电阻，恒定介电常数及固定电容，较低的电介质损耗，较低热膨胀系数，超绝缘性，抗电弧等优良的介质性能而著称。据我国各矿区云母的测试结果统计，当云母片厚为0.015mm时，平均击穿电压2.0～5.7KV，击穿强度为133～407KV/mm。耐火、难熔化、不易燃、低热传导，超常热稳定性，暴露于高温条件下无任何异常变化。主要应用在大型发电机、电动机绝缘等大型电器设备和电工器材的绝缘材料；其次用于制造蒸汽锅炉、冶炼炉的炉窗和机械上的零件；同时也是各行各业如烤面包机、吹风机、微波炉等无处不用的重要部件中的主要绝缘材料。云母纸的出现，在某种程度上推动了电气工业特别是电机制造工业的发展，被誉为当代电气电子工业做出重要贡献的四大技术之一。
从单一绝缘性能上看，POD纤维纸有其它材料不能取代的特性。特别是在温度波动和电压突然波动(电晕)下绝缘性能高度稳定，这是POD材料在高温和温度波动时其材料温度损耗极小的特性所决定的。但是在高温和高电压的耐受能力上不及云母绝缘材料；而云母纸制成的云母带同样也是大型发电机和高压电机中的重要绝缘材料。云母纸由于天然材料结构特性决定，强度较低，在耐冲击的性能上远不如芳纶纤维纸。由于云母产品的特性，制成的云母纸分布不够均匀，在温度波动和电压突然波动下耐电晕性能差，绝缘性能大幅下降。将POD纤维与云母结合制成纤维云母纸，这样将两者优势结合，成为一种新型的绝缘材料，耐温可达900℃，击穿电压可达30KV/mm，弥补了云母分布不均匀的缺陷，特别是耐电晕能力大幅提高。将推动电工产业的飞跃发展，市场前景极其广阔。
随着全世界的发电机和电动机的电压增高和波动的增加，如欧洲用于牵引电机和发电机的高速火车上，火车提速需要带来的必然是电压增加和波动增加。因此，对于绝缘产品的更高要求促使新型“POD纤维云母绝缘材料”的需求迫在眉睫。但是由于常规的云母纸中很难加入纤维，成纸性不好，无法满足下游产品的需求，一直以来无法解决这一难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种以POD纤维和云母作为原材料的新型纤维云母绝缘纸，使得该材料具有耐高温、耐腐蚀、阻燃、绝缘、机械强度高、表面光滑平整、电气性能好、加工性好等优势，获得更加稳定的绝缘性能以及耐电晕能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸，按照质量百分含量，其原料组成为：3％～70％的芳香族聚噁二唑短切纤维、2％～50％的芳香族聚噁二唑沉析纤维、28％～95％的云母。
所述的云母为煅烧云母或非煅烧云母；
所述的非煅烧云母为金云母、白云母或人工晶体云母。
云母选型：
所述的云母，其鳞片大小为16目～140目。
所述的云母，其组成，按鳞片大小及质量百分比为：16～20目的鳞片8～15％、20～40目的鳞片25～40％、40～60目的鳞片15～25％、60～80目的鳞片10～20％、80～100目的鳞片3～6％、100～120目的鳞片1～3％、120～140目的鳞片1～3％。通过对POD纤维电荷的分析和云母鳞片的配比，在此情况下为最佳的比例分配。纤维与云母之间通过强电荷的吸引力和范德华力，使纤维表面布满云母，而且分布均匀，使产品抗电晕能力更强，弥补了纯云母纸局部抗电晕差的弱点，超过此范围的鳞片配比制得的POD纤维云母纸的最重要指标渗透率、透气性、强度和均匀度都很差，无法满足下游产品的生产工艺，因此采用本方法生产的产品性能更加稳定、应用更加宽广。
所述的POD短切纤维：纤维的纤度为0.1～5D、纤维的长度为2～20mm；
所述的POD沉析纤维：由POD树脂直接制备而成；
POD短切纤维是芳香族聚噁二唑(Poly-1，3，4-oxadiazole，简称POD纤维)纤维，纤维纤度为1～2d、长度为2～10mm；POD沉析纤维为芳香族聚噁二唑(Poly-1，3，4-oxadiazole)树脂制备而成(简称POD沉析纤维)。由于纤维和云母的比例分配不同，可选择不同的云母鳞片比例。
先将POD纤维通过超声波进行分散处理，然后经过特制盘磨对POD纤维进行压电效应处理。当纤维和云母接触时，纤维所产生的电荷以及范德华力使纤维对云母鳞片具有极强的吸附力，使纤维与云母分布均匀。
表3 POD纤维处理后电荷对比表
| 名称 | 处理前 | 处理后 |
| POD短切纤维 | 29mV | 75mV |
| POD沉析纤维 | -48mV | 82mV |
本发明所要解决的第二个技术问题是：提供一种POD纤维云母绝缘纸的制备方法。
为解决第二个技术问题，本发明采用的技术方案是：一种POD纤维云母绝缘纸的制备方法，其步骤为：将POD短切纤维进行超声和压电效应处理，将POD沉析纤维经超声和压电效应处理，直至打浆度为55～75o SR；然后将处理后的POD短切纤维、POD沉析纤维与云母鳞片按比例配合，POD短切纤维及POD沉析纤维与云母混合匀度处理，稳浆、圆网纸机抄造、成型处理；最后经热压处理得POD纤维云母纸成品或直接得到POD纤维云母纸成品。
在POD短切纤维与云母混合生产过程中，是通过圆网纸机进行一次抄造成型。同时根据客户需求可对纸张表面热压处理，调整孔隙、渗透率及纸张厚度。根据不同的需求采取不同的原料配比以满足绝缘产品的制造工艺要求。在该工艺要求的范围内制造出的绝缘纸，具有很好的绝缘性能，以及现有产品中不具备的机械性能、物理性能、化学性能等特性，可在绝缘复合材料方面使用。目前，这种POD纤维云母绝缘纸制造工艺在国内外还未见报道。
通过上述工艺方法获得的POD纤维云母绝缘纸应用于绝缘材料中。
本发明有益效果：本发明的POD纤维云母绝缘纸，提高了单一POD纤维纸的耐高温、高电压性能；提升了单一云母纸的机械强度以及耐冲击性能(耐电晕)，是集POD纤维与云母特性于一体的新型绝缘材料。特别是强度、渗透、均匀度指标，强度高为下游使用提供方便，渗透好对做成纤维云母带时渗胶好，均匀好使耐电晕能力大幅提供。可广泛应用于需要绝缘的各种大型电气设备、发动机、特殊用途以及民用等领域。
在生产过程中，不添加任何表面活性剂/改性剂等化学物品，保证了产品性能更稳定。
附图说明
图1是POD纤维云母纸制备工艺流程图；
图2是不同配比的纤维云母浆料电镜照片；
图3是国内纯云母纸浆料电镜照片；
图4是国外纯云母纸浆料电镜照片。
具体实施方式：
以上是对本发明的一般性描述，下面将通过具体实施方式对本发明的权利要求作进一步解释。
材料来源：
POD短切纤维：江苏宝德新材料有限公司；
POD沉析纤维：江苏宝德新材料有限公司；
云母：雅安兴美公司。
为实现上述目的，本发明的技术方案具体是：在浆料制备过程中，将3％～70％重量份的POD纤维经过超声和压电效应处理，再使用同样压电效应方法将2％～50％重量份的POD沉析纤维制成打浆度为55～75o SR、再将28％～95％重量份的云母与处理后的POD短切纤维和POD沉析纤维，按重量份加入去离子水中，通过水力搅拌机充分搅拌。
由于POD纤维是非极性材料，不溶于水。云母是极性材料溶于水，由于比重大，会沉于水底。因此直接将POD纤维与云母混合是分散不均匀的。先将纤维进行超声和压电效应处理，使得POD纤维表面电荷增强，加上范德华力的作用，POD纤维与云母紧密吸附并分散均匀(见图2)，不再使用任何分散剂等人为添加化学物品，同样使得云母无流失，纤维和云母也均匀分散于水。
将经过分散处理的浆料送入稳浆箱流向抄造系统，然后通过圆网纸机抄造成型，干燥，生产出合格的产品。根据不同的用途采用不同比例配比原材料，绝缘性能突出。
通过图2、图3和图4对比，可以清楚的看到，只要采用合适的云母鳞片配比，无论多少纤维含量，纤维表面都均匀的覆满不同大小的云母鳞片。充分说明该发明的结构完全不同于现有产品，将完全体现出POD纤维与云母的完美结合，其机械结构的稳定性和电绝缘性能都大幅提高，纸机车速可控制在15-25m/分。通过我们的生产工艺生产的产品不但成纸性好，还具有很好的韧性，更便于绝缘产品应用中的冲、切、机加工等有利的加工性能。弹性好、挠曲性能好，能经受高强度的机械压力。因此质量更加稳定，应用更广泛。
根据下述的实施例具体的说明本发明，但本发明并不受这些实施例的限制。
实施例1
按下述比例配制纤维云母绝缘纸：
POD短切纤维 10重量份；
煅烧云母 70重量份；
POD沉析纤维 20重量份；
先将上述含量的POD短切纤维和POD沉析纤维分别经超声和压电效应处理，制得打浆度为55～75°SR后与上述含量的煅烧云母一并加入配浆罐中，然后用水力搅拌机充分搅拌8～20分钟直到原料分散均匀。然后将分散均匀的浆料流入稳浆箱，调节稳浆箱上网阀门，使浆料均匀分布到圆网纸机的成型网上。当浆料沿成型网运行时，利用伏辊的压力，将多余水分从浆料中滤出，通过毛毯带动纸胚经过表面温度75℃～90℃的烘缸进一步脱去水分，通过收卷机一次成型。最后形成表面平整、匀度均匀、特性突出的POD纤维云母绝缘纸。得到的结果见表3：
实施例2
按下述比例配制纤维云母绝缘纸：
POD短切纤维 10重量份；
金云母 70重量份；
POD沉析纤维 20重量份。
制备方法与实施例1相同，得到的结果见表3：
实施例3
按下述比例配制纤维云母绝缘纸：
POD短切纤维 10重量份；
白云母 70重量份；
POD沉析纤维 20重量份；
制备方法与实施例1相同，得到的结果见表3：
实施例4
按下述比例配制纤维云母绝缘纸：
POD短切纤维 10重量份；
人工晶体云母 70重量份；
POD沉析纤维 20重量份；
制备方法与实施例1相同，得到的结果见表3：
实施例5
按下述比例配制纤维云母绝缘纸：
POD短切纤维 25重量份；
白云母 30重量份；
POD沉析纤维 45重量份；
制备方法与实施例1相同，得到的结果见表3：
通过以上实施例可看出，不同的云母产品生产出的绝缘产品性能指标都差不多，唯一的区别是原料的根本性能有所差异，根据用户需求选择具体原料。
表3 实施例结果
实施例6
低纤维含量制得的纤维云母绝缘纸，通过实际测试数据与纯云母纸对比，按下述比例配制纤维云母绝缘纸：
POD短切纤维 2重量份；
白云母 93重量份；
POD沉析纤维 5重量份；
制备方法与实施例1相同，得到的结果见表4：
表4
通过以上两个产品中常用型号的数据比较，很明显的看出，添加少量的POD纤维将大幅改变产品性能。
本发明不限于以上实施方式，可根据客户特殊要求改变配比，本领域技术人员可根据本发明做出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。
Claims (6)
1.一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸，按照质量百分含量，其原料组成为：3％～70％的芳香族聚噁二唑短切纤维、2％～50％的芳香族聚噁二唑沉析纤维、28％～95％的云母；
所述的云母，其鳞片大小为16目～140目；其组成，按鳞片大小及质量百分比为：16～20目的鳞片8～15％、20～40目的鳞片28～40％、40～60目的鳞片15～25％、60～80目的鳞片10～20％、80～100目的鳞片3～6％、100～120目的鳞片1～3％、120～140目的鳞片1～3％。
2.根据权利要求1所述的一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸，其特征在于：所述的云母为煅烧云母或非煅烧云母。
3.根据权利要求2所述的一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸，其特征在于：所述的非煅烧云母为金云母、白云母或人工晶体云母。
4.根据权利要求1所述的一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸，其特征在于：所述的芳香族聚噁二唑短切纤维：纤维的纤度为0.1～5D、纤维的长度为2～20mm。
5.权利要求1所述的一种芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸的制备方法，其步骤为：将芳香族聚噁二唑短切纤维进行超声和压电效应处理，将芳香族聚噁二唑沉析纤维经超声和压电效应处理到打浆度为55～75° SR；然后将处理后的芳香族聚噁二唑短切纤维、芳香族聚噁二唑沉析纤维与云母鳞片按比例配合，芳香族聚噁二唑短切纤维及芳香族聚噁二唑沉析纤维与云母混合匀度处理，稳浆、圆网纸机抄造、成型处理；最后经热压处理得芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸成品或直接得到芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸成品。
6.权利要求1所述的芳香族聚噁二唑纤维云母绝缘纸在绝缘材料中的应用。
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