CN106283836A - 一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其步骤如下：将间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维、间位芳纶纸浆分别在水中疏解，混合后利用斜网成型器进行湿法抄造成形，成型器内采用超声波处理；压榨烘干后进行表面涂布处理，再将湿纸幅通过叠层辊进行卷取，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入板式热压机进行分段热压；降温后卸板进入半成品室平衡处理，切边整饰，最终得到高密度芳纶绝缘硬纸板产品。本发明所制得的芳纶绝缘纸板由纯间位芳纶纤维组成，其厚度1.0～10mm，密度1.1～1.2g/cc，尺寸精度高，具备优异的机械强度和介电特性，耐温等级高，且对油和漆的相容性好，能够广泛应用于电机、变压器等电力设备中。

Description

一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法

技术领域

本发明属于造纸工业和绝缘工业交叉领域，具体涉及一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法。

背景技术

芳纶绝缘纸板是以间位芳纶纤维为主要原料，通过湿法抄造和层合板压工艺制备而成的高性能绝缘材料。因其具备突出的机械强度、绝缘特性和耐高温性能，并且对油和漆有良好的渗透性和相容性，可作为垫片、端圈、撑条、角环、螺栓、螺杆、压环、绝缘筒等成型件和一些油浸设备的结构件而应用到电机、变压器等电力设备中，市场前景十分广阔。

间位芳纶纤维具有高强度、高模量以及优异的绝缘性和热学稳定性，是制备耐高温绝缘纸板的首选材料。然而由于芳纶纤维的表面惰性强，纤维间难以结合，同时绝缘纸板的厚度大定量高，采用常规纸板的制备方法所生产的纸板机械强度和绝缘特性极低，且易于分层，无法满足实际应用的要求，其制备难度较高，目前的专利涉及较少，主要是采用与木材纤维配抄或树脂浸渍增强的方法。

中国专利CN：201310418332.7提出将20～70％的芳纶浆粕纤维进行接枝改性，再与30～80％的木材纤维混合配抄，采用真空层压机制得复合绝缘纸板，有效提高了机械强度，并降低了介电常数，满足了特高压变压器的使用要求。

中国专利CN：00810718.1采用60～97％的短切纤维和3～40％的间位芳纶浆粕纤维制备芳纶纸，并采用热固性树脂进行浸渍后压板。该方法制备出的芳纶层压纸板主要应用于电路板中，机械强度和介电性能较好。

中国专利CN：200710050007.4提出将含芳杂环芳纶纤维与热固性树脂复合成膜，再将多层膜叠加热压成型，制得的层压纸板强度大，质量轻，阻燃性和绝缘性好，可用于低温绝缘领域。

上述专利所介绍的绝缘纸板制备方法对其机械强度和绝缘特性起到了一定的增强作用，但也存在着耐热等级低及相容性差等问题。其中，木材纤维在高温、水份、氧及油中酸性化合物的共同作用下易于降解，从而极大降低产品使用寿命；而树脂的存在会引起绝缘纸板的耐热性下降，同时损害其对油和漆的渗透性和相容性，这严重限制了绝缘纸板的应用。因此，采用纯间位芳纶纤维制备绝缘纸板成为技术发展趋势。

野崎正兴等介绍了将干燥的间位芳纶纸多层叠合后进行高温高压，使其局部产生熔融粘合，从而制备出纯芳纶绝缘纸板，耐热性得到大幅改善。但这种方法需要很大的劳动力和时间，所制备的纸板尺寸精度低，层间粘合不充分，表现为在弯曲加工时，内侧产生脱层，外侧发生龟裂。

美国专利US：5089088采用20～95％间位芳纶沉析纤维和5～80％间位芳纶短切纤维制备芳纶湿纸幅，将多层湿纸幅叠合后进行热压处理，温度100～200℃，然后将纸板加湿至含水量5～25％，再进行二次热压处理，温度200～315℃，最后制得密度0.14～0.45g/cc的纯芳纶绝缘纸板。该方法所制备的纸板耐热性好，对油和漆的吸收性突出，减少了层间粘合不足而分层现象，但其密度小，机械强度较低。

随着科学技术的发展，电机、变压器等设备朝着小型化、大容量化、安全可靠化的方向发展，实际应用中密度为1.1～1.2g/cc的高密度绝缘硬纸板的需求量逐渐增加，但相关研究报道较少。而市场上现有的产品一般是采用高温高压处理制备而成，由于芳纶纤维本体强度较大，将其机械压缩成高密度纸板难度极高，不仅资源消耗大、生产成本高，同时厚度尺寸的精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明所制备的芳纶绝缘纸板厚度1.0～10mm，密度1.1～1.2g/cc，尺寸精度高，具备优异的机械强度和绝缘特性，耐温等级高，且对油和漆具有良好相容性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，所述芳纶绝缘纸板厚度1.0～10mm，密度1.1～1.2g/cc，包括以下步骤：

(1)取间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维和间位芳纶纸浆在水中疏解后混合；

(2)利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005～0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为50～100kHz；

(3)成形后压榨干燥，压榨干燥后经过表面涂布处理，再将涂布后纸幅压榨至含水率30～40％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并送入板式热压机进行分段热压；

(4)降温后卸板进入半成品室平衡处理，使纸板含水量达到2～5％，切边整饰，最终得到芳纶绝缘纸板产品。

进一步地，间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维和间位芳纶纸浆用量分别为：

(a)间位芳纶短切纤维，相对于绝干总质量20～60％；

(b)间位芳纶沉析纤维，相对于绝干总质量20～60％；

(c)间位芳纶纸浆，相对于绝干总质量20～40％。

进一步地，间位芳纶沉析纤维通过多级筛分，且间位芳纶沉析纤维的尺寸组合质量比例为≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0～2：1～3：3～7：1～5。

进一步地，间位芳纶纸浆是将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料通过机械切割后再经水力打浆而制得，平均长度为0.1～0.4mm。

进一步地，间位芳纶纸浆预先经过低温等离子体处理，处理功率70～120W，压力50～100Pa。

进一步地，间位芳纶纸浆经过低温等离子体处理后表面O/C比例为150～250％。

进一步地，表面涂布处理是在芳纶纸表面涂覆一层尺寸≤150目的纯间位芳纶沉析纤维。

进一步地，分段热压工艺包括以下步骤：

(a)第一段：温度120～150℃，压力5～10MPa，时间0.5～1h；

(b)第二段：温度180～240℃，压力20～30MPa，时间1～3h。

进一步地，第一段热压处理后，纸坯的含水量为10～20％。

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，间位芳纶沉析纤维的多级筛分重组处理是决定绝缘纸板尺寸精度的重要因素。由于绝缘纸板是将一定定量的纸坯在设定的压力和温度作用下热压至一定厚度而成，即绝缘纸板的厚度精度取决于纸坯定量得稳定性，而影响纸坯定量稳定的主要因素是湿法抄造过程中间位芳纶沉析纤维的尺寸波动性。本发明通过将间位芳纶沉析纤维进行多级筛分，选取不同目数的纤维重新组合，即可控制湿法抄造过程中间位芳纶沉析纤维的尺寸保持持续稳定，制备出定量稳定的湿纸坯，从而保证绝缘纸板的尺寸精度。

本发明中，表面涂布处理是提升高密度绝缘硬纸板性能的重要因素。芳纶绝缘纸板的分层现象主要是因为纸张层间结合强度不足，因而为了提高层间结合强度，本发明在芳纶纸张的表面涂覆一层细小的间位芳纶沉析纤维，使其在高温条件下产生本体熔融，有效粘附周围的纤维，显著提高层间结合的强度，有效解决了绝缘纸板分层的问题。间位芳纶沉析纤维的尺寸大小是其涂布效果的关键因素，纤维尺寸为≤150目时，间位芳纶沉析纤维易于分散，涂布效果最好。

本发明中，间位芳纶纸浆的添加是制备高密度绝缘硬纸板的关键技术。由于传统方法中芳纶纸坯厚度难以压缩，本发明将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料等通过机械切割，再经水力打浆制得间位芳纶纸浆，该纸浆的纤维细小，能够填充在纤维间的孔隙中，所制得的纸坯易于压缩，但该纸浆纤维的表面惰性较高，纤维界面结合强度较弱，因此采用低温等离子体处理工艺，增加纤维表面的O/C比例，提高纤维间的结合力，从而在不影响纸板强度的同时，提高了纸板的密度。该技术利用了芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料等难以自然降解的化合物材料，保护了生态环境，同时有效提高了芳纶纸坯的可压缩性，大幅地降低了生产成本。

本发明中，采用分段热压工艺制备芳纶绝缘纸板，其中，第一段热压温度120～150℃，压力5～10MPa，其作用是排除纸坯内的自由水，使湿纸坯层间产生一定的机械结合；第二段热压提高了温度和压力，其作用是利用温度和压力的联合作用蒸发纸坯内的水分，使得水分将热量均匀传递至厚纸坯的内部，促进纤维间的结合。其中，第一段热压处理后纸坯中的水分含量是影响热压效果的重要因素，其最佳含水量为10～20％。含水量太低，水分无法将热量均匀传递至纸板内部，降低了纸板的机械强度；含水量太高，水分蒸发速度较快，无法及时排出，此时高压水蒸汽容易形成瞬间的冲击力而导致纸板鼓泡变形。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，所述芳纶绝缘纸板厚度1.0～10mm，密度1.1～1.2g/cc，包括以下步骤：

(1)以质量分数计，取20～60％间位芳纶短切纤维、20～60％间位芳纶沉析纤维和20～40％间位芳纶纸浆在水中疏解后混合，其中间位芳纶沉析纤维通过多级筛分，且间位芳纶沉析纤维的尺寸组合质量比例为≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0～2：1～3：3～7：1～5，间位芳纶纸浆是将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料通过机械切割后再经水力打浆而制得，平均长度为0.1～0.4mm，且间位芳纶纸浆经低温等离子体处理，处理功率70～120W，压力50～100Pa，间位芳纶纸浆经过低温等离子体处理后表面O/C比例为150～250％；

(2)利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005～0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为50～100kHz；

(3)成形后压榨干燥，压榨干燥后在芳纶纸表面涂覆一层尺寸≤150目的纯间位芳纶沉析纤维，再将涂布后纸幅压榨至含水率30～40％，通过叠层辊卷取一定定量的湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并送入板式热压机进行分段热压，分段热压工艺包括以下步骤：

(a)第一段：温度120～150℃，压力5～10MPa，时间0.5～1h；

(b)第二段：温度180～240℃，压力20～30MPa，时间1～3h；

第一段热压处理后，纸坯的含水量为10～20％；

(4)降温后卸板进入半成品室平衡处理，使纸板含水量达到2～5％，切边整饰，最终得到芳纶绝缘纸板产品。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

选取相对绝干总质量60％的间位芳纶短切纤维、相对绝干总质量20％的间位芳纶沉析纤维和相对绝干总质量20％的间位芳纶纸浆在水中疏解；其中间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0：1：7：2的尺寸组合而成；间位芳纶纸浆是将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料等通过机械切割后再经水力打浆而制得，平均长度为0.4mm，将其经过低温等离子体处理，功率70W，压力50Pa，使其表面O/C比例达到150％；将纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005％，成型器内采用超声波处理，频率为50kHz；压榨干燥后在芳纶纸表面涂覆一层尺寸≤150目的纯间位芳纶沉析纤维，再将涂布后纸幅压榨至含水率30％；通过叠层辊卷取一定定量的湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入热压机进行分段热压；第一段热压温度120℃，压力5MPa，时间0.5h，使得纸坯的含水量为20％；第二段温度180℃，压力20MPa，时间1h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使纸板含水量达到2％，切边整饰，最终得到厚度1.0mm，密度1.1g/cc的高密度芳纶绝缘硬纸板产品。

实施例2

选取相对绝干总质量20％的间位芳纶短切纤维、相对绝干总质量60％的间位芳纶沉析纤维和相对绝干总质量20％的间位芳纶纸浆在水中疏解；其中间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝2：3：4：1的尺寸组合而成；间位芳纶纸浆是将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料等通过机械切割后再经水力打浆而制得，平均长度为0.3mmmm，将其经过低温等离子体处理，功率90W，压力80Pa，使其表面O/C比例达到200％；将纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005％，成型器内采用超声波处理，频率为80kHz；压榨干燥后在芳纶纸表面涂覆一层尺寸≤150目的纯间位芳纶沉析纤维，再将涂布后纸幅压榨至含水率35％；通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入热压机进行分段热压；第一段热压温度120℃，压力7MPa，时间0.5h，使得纸坯的含水量为15％；第二段温度200℃，压力25MPa，时间2h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使纸板含水量达到3％，切边整饰，最终得到厚度2.0mm，密度1.15g/cc的高密度芳纶绝缘硬纸板产品。

实施例3

选取相对绝干总质量30％的间位芳纶短切纤维、相对绝干总质量40％的间位芳纶沉析纤维和相对绝干总质量30％的间位芳纶纸浆在水中疏解；其中间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝1：3：4：2的尺寸组合而成；间位芳纶纸浆是将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料等通过机械切割后再经水力打浆而制得，平均长度为0.3mm，将其经过低温等离子体处理，功率90W，压力75Pa，使其表面O/C比例达到200％；将纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.01％，成型器内采用超声波处理，频率为75kHz；压榨干燥后在芳纶纸表面涂覆一层尺寸≤150目的纯间位芳纶沉析纤维，再将涂布后纸幅压榨至含水率35％；通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入热压机进行分段热压；第一段热压温度140℃，压力8MPa，时间0.5h，使得纸坯的含水量为15％；第二段温度200℃，压力25MPa，时间2h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使纸板含水量达到3％，切边整饰，最终得到厚度3.2mm，密度1.15g/cc的高密度芳纶绝缘硬纸板产品。

实施例4

选取相对绝干总质量30％的间位芳纶短切纤维、相对绝干总质量30％的间位芳纶沉析纤维和相对绝干总质量40％的间位芳纶纸浆在水中疏解；其中间位芳纶沉析纤维经过多级筛分后，按照≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝1：1：3：5的尺寸组合而成；间位芳纶纸浆是将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料等通过机械切割后再经水力打浆而制得，平均长度为0.1mm，将其经过低温等离子体处理，功率120W，压力100Pa，使其表面O/C比例达到250％；将纤维浆料混合均匀，利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为100kHz；压榨干燥后在芳纶纸表面涂覆一层尺寸≤150目的纯间位芳纶沉析纤维，再将涂布后纸幅压榨至含水率40％；通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并通过送料小车送入热压机进行分段热压；第一段热压温度150℃，压力10MPa，时间1h，使得纸坯的含水量为10％；第二段温度240℃，压力30MPa，时间3h；降温后卸板进入半成品室平衡处理，使纸板含水量达到5％，切边整饰，最终得到厚度10mm，密度1.2g/cc的高密度芳纶绝缘硬纸板产品。

以本发明实施例3制成的高强度芳纶绝缘纸板主要性能指标与同类产品相比较，如表1所示。

表1实施例3与同类产品性能指标对比

从表1中数据可以看出，按照本发明制备的高密度芳纶绝缘硬纸板在机械强度和绝缘性能方面具有显著优势，同时其制造难度较小，生产成本较低，有利于为电气绝缘和电子电工领域提供了高品质新型材料。

Claims (9)

1.一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，所述芳纶绝缘纸板厚度1.0～10mm，密度1.1～1.2g/cc，包括以下步骤：

(1)取间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维和间位芳纶纸浆在水中疏解后混合；

(2)利用斜网成型器进行湿法抄造成形，上网浓度0.005～0.02％，成型器内采用超声波处理，频率为50～100kHz；

(3)成形后压榨干燥，压榨干燥后经过表面涂布处理，再将涂布后纸幅压榨至含水率30～40％，通过叠层辊卷取湿纸幅，切断后在输送机上展开，形成湿纸坯，并送入板式热压机进行分段热压；

(4)降温后卸板进入半成品室平衡处理，使纸板含水量达到2～5％，切边整饰，最终得到芳纶绝缘纸板产品。

2.根据权利要求1所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，间位芳纶短切纤维、间位芳纶沉析纤维和间位芳纶纸浆用量分别为：

(a)间位芳纶短切纤维，相对于绝干总质量20～60％；

(b)间位芳纶沉析纤维，相对于绝干总质量20～60％；

(c)间位芳纶纸浆，相对于绝干总质量20～40％。

3.根据权利要求1所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，间位芳纶沉析纤维通过多级筛分，且间位芳纶沉析纤维的尺寸组合质量比例为≤30目：30～50目：50～100目：100～150目＝0～2：1～3：3～7：1～5。

4.根据权利要求1所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，间位芳纶纸浆是将芳纶纸、芳纶废丝、芳纶边角料通过机械切割后再经水力打浆而制得，平均长度为0.1～0.4mm。

5.根据权利要求1所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，间位芳纶纸浆预先经过低温等离子体处理，处理功率70～120W，压力50～100Pa。

6.根据权利要求5所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，间位芳纶纸浆经过低温等离子体处理后表面O/C比例为150～250％。

7.根据权利要求1所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，表面涂布处理是在芳纶纸表面涂覆一层尺寸≤150目的纯间位芳纶沉析纤维。

8.根据权利要求1所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，分段热压工艺包括以下步骤：

(a)第一段：温度120～150℃，压力5～10MPa，时间0.5～1h；

(b)第二段：温度180～240℃，压力20～30MPa，时间1～3h。

9.根据权利要求1所述的一种高密度芳纶绝缘硬纸板的制备方法，其特征在于，第一段热压处理后，纸坯的含水量为10～20％。