一种高平滑绝缘用间位芳纶纸的制备方法
【技术领域】
本发明属于绝缘纸领域,具体涉及一种高平滑绝缘用间位芳纶纸的制备方法。
【背景技术】
间位芳纶纸是全球公认的高品质绝缘材料,其耐温绝缘等级为C级(220℃),在超过200℃的高温环境中仍能保持良好的电气和机械性能,可使机电产品达到F级(155℃)、H级(180℃)耐温绝缘等级,因而间位芳纶纸是电气绝缘行业重要的基础材料。
目前,传统的间位芳纶纸制备方法是以间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维为原料,其中短切纤维纤度1.5~2D,采用斜网纸机单层抄造成形,再通过热压成型工艺制备而得,热压温度为200~380℃,如发明专利《制备间位芳纶纸所用的浆料、生产方法及由该浆料制成的间位芳纶纸及生产方法》(CN:200910216913.6)中所介绍。然而,芳纶纤维的表面惰性较高,纤维间结合疏松,且短切纤维的强度大模量高,难以熔融结合,导致热压后成纸的表面普遍存在起毛的现象。由于间位芳纶纸在后期应用过程中会经过表面喷涂绝缘漆工艺,起毛的纸面就会形成毛刺,在高电压环境中引起场强局部集中,进而出现瞬间击穿的现象,严重威胁电力设备的安全运行。
KaoruEndoo等针对这种问题,采用复合抄造工艺,在芳纶纸的表面覆合一层由纯沉析纤维抄造的薄纸,由于在热压过程中沉析纤维熔融软化,能够充分包裹镶嵌短切纤维,从而有效的避免了表面起毛现象。然而,沉析纤维尺寸较小,滤水性能极差,易于堵塞成型网孔,且表面惰性较大,难以结合,实际生产过程中纯沉析纤维湿法抄造难以实现。
专利《提高纸张压光效果的装置》(CN:201120227516.1)介绍了一种提高纸张压光效果的装置。用蒸汽润湿植物纸张表面,使纸页水分适当增加,改善了压光效果,有利于减少压光后纸张平滑度的两面差。这种方法主要是利用植物纤维易于吸水发生润涨,从而使纸面纤维变得柔软可塑的特性,然而,芳纶纤维本体憎水,吸水量较小,且传统工艺中后期热压成型温度高达280~350℃,纸张在进入压区之前已经完全烘干,因而该方法适用性较小。
专利《两面平滑度不同的间位芳纶纸的制备方法》(CN:200910216912.1)通过调节同一压区两个压辊的温度差来制备两面平滑度不同的间位芳纶纸,其中压区温度高达240~380℃。这种方法主要适合制备复合绝缘材料用间位芳纶纸,而绝大多数绝缘领域需要的是表面平滑且两面差较小的芳纶纸,如果借鉴此方法依靠高温高压(380℃,150kN/m)作用来制备,不仅效果较弱,平滑度仅达到180s,仍然存在局部起毛现象,并且耗能大,运行成本极高。
随着大型电机向小型化方向发展,特别是风电、核电、高铁牵引电机等设备都要求电机体积小、绝缘强度高、使用寿命长、安全可靠,因此芳纶纸的需求量也越来越大,其质量要求也日益突出,高品质芳纶纸的研究开发意义重大。
【发明内容】
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题,提供一种高平滑绝缘用间位芳纶纸的制备方法,在保证芳纶纸机械强度和介电性能的同时,有效解决纸张表面起毛的严峻问题。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
包括以下步骤:
(1)将间位芳纶沉析纤维在水中充分疏解,筛选出纤维长度分布≥100目的浆料A和纤维长度分布<100目的浆料B;
(2)将浆料A与粗间位芳纶短切纤维充分混合分散,进行成形抄造得到芯层湿纸幅;芯层的绝干质量为100%,其中,浆料A中的间位芳纶沉析纤维的绝干质量占40~60%,其余为粗间位芳纶短切纤维;
(3)将浆料B与超细间位芳纶短切纤维充分混合分散,进行成形抄造分别得到面层湿纸幅和底层湿纸幅;面层和底层的绝干质量相等且分别为100%,其中,浆料B中的间位芳纶沉析纤维的绝干质量占60~80%,其余为超细间位芳纶短切纤维;
(4)按照面层湿纸幅、芯层湿纸幅和底层湿纸幅的顺序从上到下复合,通过压榨、干燥得到芳纶原纸;
(5)将干燥后的芳纶原纸通过浸润液进行浸润处理,浸润液的吸入量相对芳纶原纸绝干质量为20~60%;
(6)将浸润后的芳纶原纸热压成型,制得高平滑绝缘用间位芳纶纸。
进一步地,步骤(1)中浆料A和浆料B的质量浓度均为1~5%g/mL。
进一步地,步骤(2)中的粗间位芳纶短切纤维长度为6~12mm,纤度为2~4D。
进一步地,步骤(3)中的超细间位芳纶短切纤维长度为1~4mm,纤度为0.5~2D。
进一步地,步骤(2)和步骤(3)中成形抄造均采用超低浓斜网,且成形抄造浓度均为0.01%~0.1%。
进一步地,步骤(4)中制得的芳纶原纸绝干质量为100%,其中,面层和底层的质量总和占10~40%,其余为芯层。
进一步地,步骤(5)中芳纶原纸的浸润液为去离子水或增塑剂。
进一步地,增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯或增塑剂GX-68。
进一步地,步骤(6)中浸润后的芳纶原纸采用辊式热压机热压成型。
进一步地,热压条件为温度150~200℃,线压力100~150kN/m,辊速为10~40m/min。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明中通过筛选得到纤维长度不同的浆料A和浆料B,并通过与不同规格的间位芳纶短切纤维混合形成芯层、面层、底层的湿纸幅,然后采用层合压榨得到界面结合良好的复合纸幅,相对传统抄造工艺的单层抄造,本发明有效地增加了芳纶纸表面沉析纤维的相对含量,有利于其在热压过程更好的包裹镶嵌短切纤维,同时解决了纯沉析纤维难以湿法抄造的难题;此外,本发明对热压工艺进行改进,采用浸润增塑技术,在较低热压温度条件下热压,纸张表面完全结晶化,平滑度显著提高;本发明解决了间位芳纶纸表面易于起毛问题,所制备间位芳纶纸的两面平滑度均可同时达到300s甚至更高,且两面平滑度差小;而且在保证其良好撕裂强度的同时,显著提高了纸张的抗张强度和介电击穿强度,介电强度达到21kV/mm以上,为机电领域提供了高品质绝缘材料,同时大幅降低了热压过程的能耗,具有重大的市场前景和现实意义。
【附图说明】
图1是本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1,本发明包括以下步骤:
(1)将间位芳纶沉析纤维在水中充分疏解,筛选出纤维长度分布≥100目的浆料Ⅰ和纤维长度分布<100目的浆料Ⅱ,将浆料Ⅰ加水稀释得到浆料A,将浆料Ⅱ加水稀释得到浆料B,浆料A和浆料B的质量浓度均为1~5%g/mL;
(2)将间位芳纶沉析纤维浆料A与粗间位芳纶短切纤维充分混合分散,采用超低浓斜网成形抄造芯层;其中,芯层的总绝干质量为100%,浆料A中的间位芳纶沉析纤维的绝干质量占40~60%,其余为粗间位芳纶短切纤维;粗间位芳纶短切纤维长度为6~12mm,纤度为2~4D;超低浓斜网成形抄造浓度为0.01%~0.1%;
(3)将间位芳纶沉析纤维浆料B与超细间位芳纶短切纤维充分混合分散,采用超低浓斜网成形抄造面层和底层;其中面层和底层的原料配比及抄造工艺均相同,以尽量保证两者品质相同,面层和底层的绝干质量相等且分别为100%,浆料B中的间位芳纶沉析纤维的绝干质量占面层或底层的60~80%,其余为超细间位芳纶短切纤维;超细间位芳纶短切纤维长度为1~4mm,纤度为0.5~2D;超低浓斜网成形抄造浓度为0.01%~0.1%;
(4)将上述成形的湿纸幅按照面层、芯层、底层的顺序从上到下复合,其中面层和底层的质量总和共占芳纶原纸绝干质量10~40%,芯层占芳纶原纸绝干质量的60~90%,通过压榨、干燥得到芳纶原纸;
(5)将干燥后芳纶原纸进行浸润处理,浸润液的吸入量相对芳纶原纸绝干质量为20~60%;浸润液为去离子水或增塑剂,增塑剂为邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯或增塑剂GX-68其中的一种;
(6)将浸润后芳纶原纸经辊式热压机热压处理成型,得到高平滑绝缘用间位芳纶纸;其中,热压条件为温度150~200℃,线压力100~150kN/m,辊速均为10~40m/min,收卷分切即可。
实施例1
(1)将间位芳纶沉析纤维在水中充分疏解,筛选出纤维长度分布≥100目的浆料A和纤维长度分布<100目的浆料B,浆料A和浆料B的质量浓度均为1%g/mL;
(2)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对芯层纤维总绝干质量百分比为50%的浆料A,与相对芯层纤维总绝干质量百分比为50%的粗间位芳纶短切纤维充分混合分散,粗间位芳纶短切纤维长度12mm,纤度2D,采用超低浓斜网成形抄造芯层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.05%;
(3)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对面层纤维总绝干质量百分比为80%的浆料B,与相对面层纤维总绝干质量百分比为20%的超细间位芳纶短切纤维充分混合分散,超细间位短切纤维长度4mm,纤度0.5D,采用超低浓斜网成形抄造面层,同时采用相同的工艺条件和步骤制得底层;超低浓斜网成形抄造浓度为0.05%;
(4)将上述成形的湿纸幅按照面层、芯层和底层的顺序从上到下复合,通过压榨、干燥得到芳纶原纸,其中面层和底层共占芳纶原纸绝干质量10%,芯层占芳纶原纸绝干质量的90%;
(5)将干燥后芳纶原纸在去离子水内进行浸润处理,浸润量为相对芳纶原纸绝干质量的20%;
(6)然后经过辊式热压,得到高平滑绝缘用间位芳纶纸;其中热压条件为温度150℃,线压力150kN/m,热压辊速10m/min,复卷分切后包装。
实施例2
(1)将间位芳纶沉析纤维在水中充分疏解,筛选出纤维长度分布≥100目的浆料A和纤维长度分布<100目的浆料B,浆料A和浆料B的质量浓度均为3%g/mL;
(2)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对芯层纤维总绝干质量百分比为60%的浆料A,与相对芯层纤维总绝干质量百分比为40%的粗间位芳纶短切纤维充分混合分散,粗间位芳纶短切纤维长度8mm,纤度3D,采用超低浓斜网成形抄造芯层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.01%;
(3)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对面层纤维总绝干质量百分比为70%的浆料B,与相对面层纤维总绝干质量百分比为30%的超细间位芳纶短切纤维充分混合分散,超细间位短切纤维长度3mm,纤度1.5D,采用超低浓斜网成形抄造面层,同时采用相同的工艺条件和步骤制得底层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.01%;
(4)将上述成形的湿纸幅按照面层、芯层和底层的顺序从上到下复合,通过压榨、干燥得到芳纶原纸,其中面层和底层共占芳纶原纸绝干质量20%,芯层占芳纶原纸绝干质量的80%;
(5)将干燥后芳纶原纸在去离子水内进行浸润处理,浸润量为相对芳纶原纸绝干质量的30%;
(6)然后经过辊式热压,得到高平滑绝缘用间位芳纶纸;其中热压条件为温度180℃,线压力140kN/m,热压辊速30m/min;复卷分切后包装。
实施例3
(1)将间位芳纶沉析纤维在水中充分疏解,筛选出纤维长度分布≥100目的浆料A和纤维长度分布<100目的浆料B,浆料A和浆料B的质量浓度均为5%g/mL;
(2)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对芯层纤维总绝干质量百分比为40%的浆料A,与相对芯层纤维总绝干质量百分比为60%的粗间位芳纶短切纤维充分混合分散,粗间位芳纶短切纤维长度6mm,纤度4D,采用超低浓斜网成形抄造芯层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.1%;
(3)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对面层纤维总绝干质量百分比为60%的浆料B,与相对面层纤维总绝干质量百分比为40%的超细间位芳纶短切纤维充分混合分散,短切纤维长度1mm,纤度2D,采用超低浓斜网成形抄造面层,同时采用相同的工艺条件和步骤制得底层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.1%;
(4)将上述成形的湿纸幅按照面层、芯层和底层的顺序从上到下复合,通过压榨、干燥得到芳纶原纸,其中面层和底层共占芳纶原纸绝干质量30%,芯层占芳纶原纸绝干质量的70%;
(5)将干燥后芳纶原纸在增塑剂邻苯二甲酸二辛酯内进行浸润处理,浸润量为相对芳纶原纸绝干质量的60%;
(6)然后经过辊式热压,得到高平滑绝缘用间位芳纶纸;其中热压条件为温度200℃,线压力130kN/m,热压辊速40m/min;复卷分切后包装。
实施例4
(1)将间位芳纶沉析纤维在水中充分疏解,筛选出纤维长度分布≥100目的浆料A和纤维长度分布<100目的浆料B,浆料A和浆料B的质量浓度均为2%g/mL;
(2)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对芯层纤维总绝干质量百分比为45%的浆料A,与相对芯层纤维总绝干质量百分比为55%的粗间位芳纶短切纤维充分混合分散,粗间位芳纶短切纤维长度10mm,纤度2.5D,采用超低浓斜网成形抄造芯层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.03%;
(3)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对面层纤维总绝干质量百分比为75%的浆料B,与相对面层纤维总绝干质量百分比为25%的超细间位芳纶短切纤维充分混合分散,短切纤维长度2mm,纤度1D,采用超低浓斜网成形抄造面层,同时采用相同的工艺条件和步骤制得底层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.03%;
(4)将上述成形的湿纸幅按照面层、芯层和底层的顺序从上到下复合,通过压榨、干燥得到芳纶原纸,其中面层和底层共占芳纶原纸绝干质量40%,芯层占芳纶原纸绝干质量的60%;
(5)将干燥后芳纶原纸在增塑剂邻苯二甲酸二丁酯内进行浸润处理,浸润量为相对芳纶原纸绝干质量的40%;
(6)然后经过辊式热压,得到高平滑绝缘用间位芳纶纸;其中热压条件为温度160℃,线压力100kN/m,热压辊速20m/min;复卷分切后包装。
实施例5
(1)将间位芳纶沉析纤维在水中充分疏解,筛选出纤维长度分布≥100目的浆料A和纤维长度分布<100目的浆料B,浆料A和浆料B的质量浓度均为4%g/mL;
(2)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对芯层纤维总绝干质量百分比为55%的浆料A,与相对芯层纤维总绝干质量百分比为45%的粗间位芳纶短切纤维充分混合分散,粗间位芳纶短切纤维长度7mm,纤度3.5D,采用超低浓斜网成形抄造芯层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.08%;
(3)将间位芳纶沉析纤维的绝干质量相对面层纤维总绝干质量百分比为65%的浆料B,与相对面层纤维总绝干质量百分比为35%的超细间位芳纶短切纤维充分混合分散,短切纤维长度2.5mm,纤度2D,采用超低浓斜网成形抄造面层,同时采用相同的工艺条件和步骤制得底层;其中超低浓斜网成形抄造浓度为0.08%;
(4)将上述成形的湿纸幅按照面层、芯层和底层的顺序从上到下复合,通过压榨、干燥得到芳纶原纸,其中面层和底层共占芳纶原纸绝干质量25%,芯层占芳纶原纸绝干质量的75%;
(5)将干燥后芳纶原纸在增塑剂GX-68内进行浸润处理,浸润量为相对芳纶原纸绝干质量的50%;
(6)然后经过辊式热压,得到高平滑绝缘用间位芳纶纸;其中热压条件为温度190℃,线压力120kN/m,热压辊速25m/min;复卷分切后包装。
针对芳纶纸的特性和现有技术的缺陷,本发明首先对复合抄造工艺进行改进。纸张表面难以熔融的短切纤维是影响其平滑度的主因,增加芳纶原纸表面沉析纤维的相对含量,使其在热压过程中更好的包裹短切纤维,这是行之有效的方法,然而纯沉析纤维无法结合成纸,本发明采用三层复合抄造,其中面层和底层的芳纶纸定量较小,由1~4mm超细短切纤维和长度分布≥100目沉析纤维组成,既在满足实际工业生产的条件下,尽量有效地降低了短切纤维起毛的程度,与此同时,为了避免损害芳纶纸的整体性能,其芯层定量较大,由6~12mm粗短切纤维和长度分布<100目沉析纤维组成。
将本发明实施例制得的芳纶纸与其它工艺条件制备的芳纶纸进行对比,热压工艺采用传统方法,即原纸直接在200~350℃热压成型,其结果如下表1所示:
表1抄造方式及纤维形态对芳纶纸性能的影响
注:对比例1是采用传统单层抄造制备的芳纶纸(短切纤维纤度1.5~2D),无浸润步骤;
对比例2是采用三层复合抄造制备的芳纶纸,仅对表层抄造工艺改进,即其表层原料与本发明相同,芯层仍采用传统抄造工艺,无浸润步骤;
对比例3采用本发明复合抄造制备的芳纶纸,表层与芯层抄造工艺原料均改进;但是没有浸润的工艺步骤。
由上表1可看出,相对于对比例1,对比例2的芳纶纸平滑度得到较大幅度提升,其原因是沉析纤维平均长度较短,有利于将短切纤维更好的包裹缠绕,其次纸张的表面平滑度随纤维的粗度增加而降低,而本发明中短切纤维的本体长度和粗度较小,降低了其对纸张平滑度的损害程度。然而,实验发现对比例2的芳纶纸的机械强度降幅较大。对比例3采用本发明对表层和芯层均进行改进的抄造工艺,芳纶纸在保持表面平滑度的同时,其机械强度已经达到甚至超过对比例1的芳纶纸的性能指标,尤其是介电性能提高非常显著,说明本发明方法中对表层和芯层的改进在一定程度上有效克服了复合抄造工艺的缺陷,对于提高芳纶纸表面平滑度效果显著。
其次,本发明对热压成型工艺进行改进。虽然复合抄造工艺能够显著提高芳纶纸的表面平滑度,但是起毛的问题尚未得到根本杜绝,尤其是芳纶纸在运输和使用过程中表面摩擦力过大时,起毛现象变得非常严重。分析其原因,芳纶纸的热压成型是指芳纶纤维的高温高压过程中变得柔软可塑,沉析纤维产生部分熔融,将短切纤维包裹镶嵌在其中,形成类似钢筋混凝土结构。然而,芳纶纤维的玻璃化转变温度高达275℃左右,在热压过程中很难由玻璃态迅速转变到高弹态,因而纤维之间未能完全结合,从而易于脱离开来并形成起毛现象。
水分或增塑剂的加入能够大幅降低芳纶纸表面的玻璃化转变温度。与植物纸张喷雾湿压,水分使得植物纤维润涨软化的原理不同,芳纶纤维是一种高强度高分子材料,本体憎水,水分主要存在于纤维之间残留的空隙中,而水的玻璃化转变温度极低(-135℃),芳纶材料吸水后,整个材料的玻璃化转变温度=(芳纶材料的玻璃化转变温度×质量分数+水的玻璃化转变温度×质量分数),因而芳纶纸的玻璃化转变温度随水分的吸入量增大而降低。实验发现浸润后芳纶纸的玻璃化转变温度降低至150~200℃,因此本发明中热压在150~200℃完成,这不仅能够使得芳纶纸在热压过程中其表面出现迅速软化和结晶,并且大幅降低了芳纶纸的热压温度,有利于节能降耗。
本发明中,浸润液的吸入量是影响间位芳纶纸表面平滑度的重要因素。吸入量较小时,纸张局部出现“白斑”纸病;吸入量过大时,纸张表面结晶过度,孔隙率太小,渗透性差,从而影响后续绝缘漆的喷涂效果。本发明通过控制浸润液吸入量,确保芳纶纸两面平滑度均为300s左右,此时纸张表面起毛问题得到有效解决,同时其孔隙率也适合绝缘漆的渗透。将经过上述改进抄造工艺得到的复合芳纶原纸进行热压实验,其对比结果如表2所示。
表2热压工艺对芳纶纸性能的影响
注:对比例3是采用传统热压工艺制备的芳纶纸(原纸直接在200~350℃热压);
实施例2是本发明采用浸去离子水后热压工艺制备的芳纶纸;
实施例3是本发明采用浸润增塑剂后热压工艺制备的芳纶纸。
由表2可看出,芳纶纸表面浸润一定量的水分或增塑剂后,热压成纸的平滑度得到明显提高,完全杜绝了表面起毛的现象,与此同时纸张的撕裂强度得到保持,抗张强度和介电强度出现明显上升,说明该方法对于提高芳纶纸表面平滑度效果显著。
本发明采用超细间位芳纶短切纤维、粗间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析纤维为原料,将间位芳纶沉析纤维疏解筛分,并与不同规格的间位芳纶短切纤维混合疏解制成面层、芯层、底层所用浆料;通过超低浓斜网复合抄造工艺成型,湿纸幅按照面、芯、底的顺序从上往下复合,压榨干燥,以及浸润湿压工艺等制备高品质绝缘用间位芳纶纸,这种纸的表面平滑度高,表面不起毛,两面平滑度均≥300s;且具备优异的抗张强度、撕裂强度和介电击穿强度。本发明显著提高了芳纶纸的表面平滑度,有效地解决了表面起毛的难题,在保证其良好机械强度的同时,显著提高了芳纶纸的介电性能,并大幅降低了热压过程的能耗。本发明生产的芳纶纸可以适用于更高要求的变压器、电机等电气绝缘领域。