CN107059482A - 一种耐热抗老化绝缘纸及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐热抗老化绝缘纸及其制备方法和应用，所述方法为采用功能填料填充浓缩纸浆，并对填充后的纸浆进行改性。本发明通过在浓缩纸浆中添加功能性填料，且对填充后的纸浆进行改性，利用填料与改性剂的协同作用使得制备获得的纸浆具有良好的耐热性能和抗老化能力，因此能够应用于变压器中，延长变压器的使用寿命。

Description

一种耐热抗老化绝缘纸及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于换位导线线芯包装材料领域，涉及一种绝缘纸，尤其涉及一种耐热抗老化绝缘纸及其制备方法和应用。
背景技术
作为电力系统中的核心设备，电力变压器在电力系统中处于极其重要的地位，一旦发生故障，有可能造成大面积停电事故，给电力系统和国民经济造成严重损失。因此，通过实验室加速老化试验并结合现场实际，对油纸绝缘的老化特性和机理进行研究，从而为变压器绝缘状态评估和寿命预测提供依据和参考，具有学术和实际价值。
由绝缘纸（板）和绝缘油组成变压器绝缘系统在运行过程中，受温度、电场、水分、氧气等因素的影响，油纸绝缘系统逐渐老化，电气及机械性能降低。大量研究结果表明，温度（热应力）对油纸绝缘系统老化起着关键性的作用。鉴于此，大批国内外学者对油纸绝缘的热老化机理进行了相关的研究。主要有两个方面，一个是针对油纸绝缘老化过程中的化学参量及特征产物进行的研究，如聚合度、糠醛、油酸值、微水、油中溶解气体等，对这些非电参量变化规律的深入研究对油纸绝缘老化机理的揭示有着重要的作用；另外一方面是电气特性研究，这部分主要集中在油纸绝缘局部放电、极化电流、介电响应特性、击穿电压、介质损耗、绝缘电阻等，这些参量的研究反映了老化过程中油纸绝缘电气性能的变化，其研究成果将使我们能够直接掌握油纸绝缘的电绝缘状态。
但是，对于实际运行中的变压器，由于影响油纸绝缘老化的因素众多，老化的机理尚不完全清楚，目前还未形成一套令人信服的理论，更没有一种方法能够对变压器的老化状态进行准确的评估。
击穿电压是电介质材料一个非常重要的特征参量。在油纸绝缘击穿电压特性研究方面，I. Fofana等采用在矿物油介质在20℃、60℃、100℃三个环境温度下对纤维素绝缘纸（PSP3010）和NOMEX纸的击穿电压进行了研究，结果表明，对纯油和油、酯混合浸渍的绝缘纸而言，其击穿电压随着环境温度的增加没有明显的变化；在矿物油中加入酯能够提高浸油绝缘纸的击穿电压。该文章主要是对不同的环境温度进行了探索，并未研究不同老化程度的绝缘纸的击穿电压变化情况。
Anurag Joshi等对0.05mm厚的TufQUIN绝缘纸在27℃和200℃、210℃、220℃下热老化后的交流击穿电压进行了测试，结果表明击穿电压随着热老化温度的升高而上升。但是TufQUIN绝缘纸仅适用于干式变压器，且该文章在研究中，没有给出反映绝缘纸老化程度的参量（如聚合度等）的变化情况，使得试验结果的参考性下降；此外，T. K. Saha等认为，当温度高于150℃，纤维素绝缘纸的降解机理可能发生改变，因此该文献选取200℃及以上温度，这样的温度可能仅适用于局部老化。
总体上看，目前国内外针对绝缘纸老化过程中击穿电压特性的变化还缺少系统的研究，尚有待进一步深入。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了克服现有技术的缺陷，获得一种能够应用于变压器中，具有良好的耐热性能和抗氧化能力，延长变压器的使用寿命，本发明提供了一种耐热抗老化绝缘纸及其制备方法和应用。
技术方案：一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，所述方法为采用功能填料填充浓缩纸浆，并对填充后的纸浆进行改性；具体如下：
第1步、浓缩纸浆制备：按重量份计，将竹炭纤维16~34份、木素1~22份、棉纤维2~19份和聚酯纤维1~18份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.2~0.8MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.2~6.5m/s、电压为390~440V、三相为52~65Hz、打浆压力为1.5~3.8kg/cm；
第2步、功能填料制备：按重量份计，将矿物油1~18份、纳米二氧化钛1~9份、蚕丝蛋白1~20份和纳米氧化锌1~7份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为5500~6500r/min、搅拌8~15分钟，再超声分散14~20分钟获得填料液；
第3步、填料填充：将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌6~15分钟；
第4步、改性：向经第3步填充后的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离16～25分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比1～3:100混合并磁力搅拌10～25分钟；
第5步、将第4步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为120~140g/m2、厚度为0.19~0.26mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为24~30MPa、10~22分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.002~0.01 MPa，温度为96~115℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
优选的，第1步中按重量份计，将竹炭纤维28份、木素17份、棉纤维18份和聚酯纤维13份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.55MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.9m/s、电压为425V、三相为60Hz、打浆压力为3.4kg/cm。
优选的，第2步中按重量份计将矿物油16份、纳米二氧化钛8份、蚕丝蛋白16份和纳米氧化锌2份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为6000r/min、搅拌12分钟，再超声分散17分钟获得填料液。
优选的，第3步中将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌12分钟。
优选的，第4步中向经第3步填充后的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离20分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比1:100混合并磁力搅拌25分钟。
优选的，第5步中将第4步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为130g/m2、厚度为0.2mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为25 MPa、18分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.006 MPa，温度为103℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
以上任一所述方法制备获得的耐热抗老化绝缘纸。
所述耐热抗老化绝缘纸在变压器生产中的应用。
优选的，在变压器生产中，所述耐热抗老化绝缘纸用于包裹导线。
有益效果：本发明通过在浓缩纸浆中添加功能性填料，且对填充后的纸浆进行改性，利用填料与改性剂的协同作用使得制备获得的纸浆具有良好的耐热性能和抗老化能力，因此能够应用于变压器中，延长变压器的使用寿命。
具体实施方式
实施例1
一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，所述方法为采用功能填料填充浓缩纸浆，并对填充后的纸浆进行改性；具体如下：
第1步、浓缩纸浆制备：按重量份计，将竹炭纤维16份、木素1份、棉纤维2份和聚酯纤维1份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.2MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.2m/s、电压为390V、三相为52Hz、打浆压力为1.5kg/cm；
第2步、功能填料制备：按重量份计，将矿物油1份、纳米二氧化钛1份、蚕丝蛋白1份和纳米氧化锌1份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为5500r/min、搅拌8分钟，再超声分散14分钟获得填料液；
第3步、填料填充：将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌6分钟；
第4步、改性：向经第3步填充后的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离16分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比1:100混合并磁力搅拌10～25分钟；
第5步、将第4步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为120g/m2、厚度为0.19mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为24MPa、10分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.002MPa，温度为96℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
实施例2
一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，所述方法为采用功能填料填充浓缩纸浆，并对填充后的纸浆进行改性；具体如下：
第1步、浓缩纸浆制备：按重量份计，将竹炭纤维28份、木素17份、棉纤维18份和聚酯纤维13份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.55MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.9m/s、电压为425V、三相为60Hz、打浆压力为3.4kg/cm；
第2步、功能填料制备：按重量份计，将矿物油16份、纳米二氧化钛8份、蚕丝蛋白16份和纳米氧化锌2份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为6000r/min、搅拌12分钟，再超声分散17分钟获得填料液；
第3步、填料填充：将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌12分钟；
第4步、改性：向经第3步填充后的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离20分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比1:100混合并磁力搅拌25分钟；
第5步、将第4步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为130g/m2、厚度为0.2mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为25 MPa、18分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.006 MPa，温度为103℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
实施例3
一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，所述方法为采用功能填料填充浓缩纸浆，并对填充后的纸浆进行改性；具体如下：
第1步、浓缩纸浆制备：按重量份计，将竹炭纤维34份、木素22份、棉纤维19份和聚酯纤维18份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.8MPa、底盘与刀辊之间的线速差为6.5m/s、电压为440V、三相为65Hz、打浆压力为3.8kg/cm；
第2步、功能填料制备：按重量份计，将矿物油18份、纳米二氧化钛9份、蚕丝蛋白20份和纳米氧化锌7份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为6500r/min、搅拌15分钟，再超声分散20分钟获得填料液；
第3步、填料填充：将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌15分钟；
第4步、改性：向经第3步填充后的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离25分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比3:100混合并磁力搅拌10～25分钟；
第5步、将第4步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为140g/m2、厚度为0.26mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为30MPa、22分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.01 MPa，温度为115℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
对照例1：
与实施例2的区别在于，未在浓缩纸浆中填充功能填料：
一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，所述方法为对浓缩纸浆进行改性；具体如下：
第1步、浓缩纸浆制备：按重量份计，将竹炭纤维28份、木素17份、棉纤维18份和聚酯纤维13份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.55MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.9m/s、电压为425V、三相为60Hz、打浆压力为3.4kg/cm；
第2步、改性：向第1步制备获得的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离20分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比1:100混合并磁力搅拌25分钟；
第3步、将第2步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为130g/m2、厚度为0.2mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为25 MPa、18分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.006 MPa，温度为103℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
对照例2：
与实施例2的区别在于，未对填充后的浓缩纸浆进行改性：
一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，所述方法为采用功能填料填充浓缩纸浆，具体如下：
第1步、浓缩纸浆制备：按重量份计，将竹炭纤维28份、木素17份、棉纤维18份和聚酯纤维13份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.55MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.9m/s、电压为425V、三相为60Hz、打浆压力为3.4kg/cm；
第2步、功能填料制备：按重量份计，将矿物油16份、纳米二氧化钛8份、蚕丝蛋白16份和纳米氧化锌2份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为6000r/min、搅拌12分钟，再超声分散17分钟获得填料液；
第3步、填料填充：将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌12分钟；
第4步、将第3步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为130g/m2、厚度为0.2mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为25 MPa、18分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.006 MPa，温度为103℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
对实施例1~3及对照例1～2制备获得的耐热抗老化绝缘纸的性能进行检测，其中纸张的抗张强度的测量采用济南安尼麦特仪器有限公司的AT-L-1型拉力试验机，最大拉力450N。根据ISO 1924-2:1994、GB/T 12914—2008中恒速拉伸法测量，原理：抗张强度试验仪在恒速拉伸的条件下，将规定尺寸的试样拉伸至断裂，测定其抗张力。样品宽12mm，拉力试验机夹距9cm，断裂时间为（20±5）s。
纸张的击穿电压测试，绝缘纸工频击穿场强按照GB/T 1408—2006进行，采用25号矿物油作为周围媒质，测试绝缘纸连续升压时样品的12~20s击穿强度。试验变压器容量为50 kVA/50 kV，试验电压220 V，升压速度为500 V/s。每次测量试样数量5个，最后求取平均值。试验环境温度24℃，相对温度52%。
绝缘纸介电性能采用Concept80宽带介电谱测试系统（Novocontrol GmbH）测试绝缘纸的频域介电谱、频域介损谱和频域内的体积电导率；同时根据IEC 60093标准测试绝缘纸直流体积电导率。将浸好油的绝缘纸从油中取出，擦净表面多余绝缘油，放在两片直径4cm的镀金铜电极中间进行测量。测量频率范围为10−2~107。为保证试验重复性，每次试验测试2~3次，并且为了排除偶然性，重复测量采用的不是同一个样品进行测试，而是对同一种状态的样品取样2~3次进行测试选取重复性良好的数据进行分析。
结果如下表所示：

Claims (9)

1.一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，其特征在于，所述方法为采用功能填料填充浓缩纸浆，并对填充后的纸浆进行改性；具体如下：
第1步、浓缩纸浆制备：按重量份计，将竹炭纤维16~34份、木素1~22份、棉纤维2~19份和聚酯纤维1~18份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.2~0.8MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.2~6.5m/s、电压为390~440V、三相为52~65Hz、打浆压力为1.5~3.8kg/cm；
第2步、功能填料制备：按重量份计，将矿物油1~18份、纳米二氧化钛1~9份、蚕丝蛋白1~20份和纳米氧化锌1~7份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为5500~6500r/min、搅拌8~15分钟，再超声分散14~20分钟获得填料液；
第3步、填料填充：将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌6~15分钟；
第4步、改性：向经第3步填充后的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离16～25分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比1～3:100混合并磁力搅拌10～25分钟；
第5步、将第4步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为120~140g/m2、厚度为0.19~0.26mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为24~30 MPa、10~22分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.002~0.01 MPa，温度为96~115℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
2.根据权利要求1所述的一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，其特征在于，第1步中按重量份计，将竹炭纤维28份、木素17份、棉纤维18份和聚酯纤维13份送至磨浆机中，所述磨浆机的气源为0.55MPa、底盘与刀辊之间的线速差为5.9m/s、电压为425V、三相为60Hz、打浆压力为3.4kg/cm。
3.根据权利要求1所述的一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，其特征在于，第2步中按重量份计将矿物油16份、纳米二氧化钛8份、蚕丝蛋白16份和纳米氧化锌2份加入水中，将悬浊液进行机械搅拌分散，转速为6000r/min、搅拌12分钟，再超声分散17分钟获得填料液。
4.根据权利要求1所述的一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，其特征在于，第3步中将第2步制得的填料液加入第1步制得的纸浆中，在解离器中搅拌12分钟。
5.根据权利要求1所述的一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，其特征在于，第4步中向经第3步填充后的浓缩纸浆中加入蒙脱土的乙醇溶液继续解离20分钟，其中蒙脱土与乙醇按体积比1:100混合并磁力搅拌25分钟。
6.根据权利要求1所述的一种耐热抗老化绝缘纸的制备方法，其特征在于，第5步中将第4步制备获得的混合物置于纸页成型器中制成质量为130g/m2、厚度为0.2mm的湿纸坯；将湿纸坯送入热压机中热压，热压条件为25 MPa、18分钟，然后置于真空干燥箱中干燥，真空度为0.006 MPa，温度为103℃，制得耐热抗老化绝缘纸。
7.权利要求1～6任一所述方法制备获得的耐热抗老化绝缘纸。
8.权利要求7所述耐热抗老化绝缘纸在变压器生产中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，在变压器生产中，所述耐热抗老化绝缘纸用于包裹导线。
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