CN108894052A - 一种改性绝缘纸板及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改性绝缘纸板及其制备方法和应用，绝缘纸板表面含有Al2O3和PTFE的微纳复合功能膜；通过磁控溅射镀膜技术构筑Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面，制备工艺简单，制备得到的绝缘纸板能够同时提升直流击穿场强、热裂解性能和憎水性三重功能；制备得到的绝缘纸板可用于换流变压器中的阀侧出线装置，对于提高换流变压器乃至保障直流输电系统运行的安全可靠性具有重要意义。

Description

一种改性绝缘纸板及其制备方法和应用
技术领域
发明属于绝缘材料技术领域，具体涉及一种改性绝缘纸板及其制备方法和应用。
背景技术
换流变压器是特高压直流输电工程中最重要的设备之一。在直流输电系统中，由换流变压器故障引起的系统停运次数最多。我国目前已有多台换流变压器投入运行，在出厂试验和运行中也多次出现绝缘问题，其中以换流变压器阀侧绝缘问题为主。根据CIGRE统计，1972～1990年全球有14起换流变压器和油浸式平波电抗器绝缘故障全部是由阀侧出线端和套管故障引起的，1991～2002年又有6起同样的事故发生。换流变压器阀侧出线端绝缘易发生故障的主要原因是因为换流变压器阀侧在运行过程中承受着多种类型的电压，主要包括交流、直流、交直流复合电压。纤维素绝缘板及绝缘油构成的油纸复合绝缘是换流变压器阀侧出线装置的主要组成形式。阀侧出线装置油纸绝缘在变压器的长期运行过程中，除承受复杂电场应力作用外，还承受热应力作用，进而发生材料的电老化和热老化，进一步降低油纸绝缘的性能和使用寿命。
变压器油纸绝缘的使用寿命与运行温度密切相关，普遍认为变压器的绝缘寿命取决于绝缘纸纤维素的热老化寿命。Montsinger等认为温度每升高10℃绝缘寿命约减半；国际电工委员会(IEC)认为A级绝缘的变压器在80～140℃温度范围内，温度每增加6℃，变压器绝缘有效寿命缩短一半。此外，水分能严重降低油纸绝缘的电气强度，且加速油纸绝缘老化、缩短绝缘寿命，被喻为除温度外油纸绝缘的“头号敌人”。普遍认为水解是绝缘纸降解的主要形式；Fabre和Pichon等提出绝缘纸含水量与老化速率成正比；含水量为1％绝缘纸的老化速率是0.1％含水量老化速率的10倍。
由此可见，提升阀侧出线装置绝缘纸板的绝缘性能、热性能和材料憎水性，对于提高换流变压器乃至直流输电系统运行的安全可靠性具有重要意义。国内外研究表明，通过物理改性和化学改性，可以改善绝缘纸板某方面性能。例如，在绝缘电介质中掺杂少量的无机纳米粒子就可较为显著地改善聚合物的介电性能、热性能和机械性能。近年来重庆大学廖瑞金课题组对绝缘纸的改性开展了一系列的研究，张福州等通过向绝缘纸中掺杂微纳米级的空心微球降低了绝缘纸的介电常数，袁磊等通过向绝缘纸中掺杂微纳米级的蒙脱土提升了绝缘纸的击穿电压和耐局部放电性。此外，通过氰乙化和乙酰化化学改性处理绝缘纸，可以降低纤维素的亲水性，延缓绝缘纸的老化，但化学改性有一个很大的缺点就是这种改性技术在降低绝缘纸亲水性、延缓其老化的同时，导致了绝缘纸机械性能的下降。再例如，通过向绝缘纸中加入热稳定剂的物理改性方法，可以提升绝缘纸的特性能，常用热稳定剂主要与三聚氰胺、双氰胺、尿素、聚丙烯酰胺等。
综上所述，针对阀侧油纸绝缘装置在换流变内的运行环境，实现同时提升油浸绝绝缘纸(板)的击穿强度、憎水性和热性能，对于保障换流变压器可靠运行意义重大，而目前已有的对绝缘纸(板)进行改性处理的方法，不能同时实现对绝缘纸绝缘性能、憎水性和热性能的同时提升。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种改性绝缘纸板；本发明的目的之二在于提供一种改性绝缘纸板的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种改性绝缘纸板的应用。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
1、一种改性绝缘纸板，所述绝缘纸板表面含有Al2O3和PTFE的微纳复合功能膜。
进一步，所述微纳复合功能膜中Al2O3(三氧化二铝)位于内层，PTFE(聚四氟乙烯)位于外层。
2、一种改性绝缘纸板的制备方法，包括以下步骤：
(1)构筑Al2O3微纳界面：选用Al(铝)作为磁控溅射靶材，绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备Al2O3微纳结构界面，磁控溅射技术参数设置为：氩气气压1.5Pa，溅射功率80～120W，溅射时间分别为30～120min，通入氧气流量20sccm；
(2)构筑PTFE界面：选用PTFE作为磁控溅射靶材，步骤(1)中表面有Al2O3微纳结构界面的绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备PTFE微纳结构界面，磁控溅射技术参数设置为：氩气气压1.5Pa，溅射功率80～120W，溅射时间分别为10～90min。
优选的，步骤(1)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，通入氧气流量20sccm；步骤(2)所述磁控溅射技术参数为：：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为20min。
优选的，步骤(1)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，通入氧气流量20sccm；步骤(2)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min。
优选的，步骤(1)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为60min，通入氧气流量20sccm；步骤(2)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min。
3、所述的一种改性绝缘纸板在换流变压器中的应用。
本发明的有益效果在于：
1、提供一种改性绝缘纸板，同时提升绝缘纸板的直流击穿性能、憎水性以及热裂解性能，具体表现为内层为Al2O3功能层，具有抑制空间电荷注入并提升直流击穿电压的功能，外层为PTFE，是一种耐强酸、强碱和腐蚀的物质，不仅能够保护内层的Al2O3功能层，而且提升了绝缘纸板的憎水性。
2、提供一种改性绝缘纸板的制备方法，工艺流程简单，容易操作。
3、一种改性绝缘纸板在换流变压器中的应用，对于提高换流变压器乃至直流输电系统运行的安全可靠性具有重要意义，降低换流变压器故障引起的系统停运次数。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
图1为实施例1制备的表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的改性绝缘纸板的SEM图；
图2为实施例2制备的表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的改性绝缘纸板的SEM图；
图3为实施例1制备的表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的改性绝缘纸板的SEM图；
图4为各种绝缘纸板直流预压击穿试验图；
图5为各种绝缘纸板与水的接触角测试图；
图6为各种绝缘纸板裂解性能测试图(a为新鲜的绝缘纸板，b为实施例1制备的改性绝缘纸板，c为实施例2制备的改性绝缘纸板；d为实施例3制备的改性绝缘纸板)；
图7为各种绝缘纸板热重分析的初始分解温度图。
具体实施方式
下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
实施例1
首先设置磁控溅射镀膜的技术为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，通入氧气流量20sccm，选用Al作为磁控溅射靶材，绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备Al2O3微纳结构界面；然后设置磁控溅射镀膜的技术为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为20min，选用PTFE作为磁控溅射靶材，表面有Al2O3微纳结构界面的绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备PTFE微纳结构界面，得到表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的绝缘纸板，SEM图如图1所示。
实施例2
首先设置磁控溅射镀膜的技术为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，通入氧气流量20sccm，选用Al作为磁控溅射靶材，绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备Al2O3微纳结构界面；然后设置置磁控溅射镀膜的技术为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，选用PTFE作为磁控溅射靶材，表面有Al2O3微纳结构界面的绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备PTFE微纳结构界面，得到表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的绝缘纸板，SEM图如图2所示。
实施例3
首先设置磁控溅射镀膜的技术为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为60min，通入氧气流量20sccm，选用Al作为磁控溅射靶材，绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备Al2O3微纳结构界面；然后设置磁控溅射镀膜的技术为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，选用PTFE作为磁控溅射靶材，表面有Al2O3微纳结构界面的绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备PTFE微纳结构界面，得到表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的绝缘纸板，SEM图如图3所示。
对实施例中制备得到的改性绝缘纸板的表面形貌表征如图所示(图1、图2、图3)，可以清楚地看到由无序交叉的纤维丝构成的改性绝缘纸板表面覆盖有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能膜。
直流预压击穿试验结果如图4所示：与新鲜的绝缘纸板相比，实施例1～3中制备的改性绝缘纸板的直流击穿电压都有所提升，具体提升数据如表1所示，由此可以证明，在绝缘纸板的表面镀Al2O3/PTFE微纳结构复合功能膜有助于提升绝缘纸板的预压直流击穿场强。
表1绝缘纸板的预压直流击穿场强
改性绝缘纸板表面构筑的Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面中，PTFE有很多C-F键，具有极强的疏水性，可以增加绝缘纸板的疏水性。如图5所示，在开始时与水滴接触时，新鲜的缘纸板与水的接触角是0°，而表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的改性绝缘纸板的接触角分别为100.4°、103.5°、112.7°、114.5°，同时随着与水接触时间的增加，表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的改性绝缘纸板与水的接触角也逐渐减小，但与新鲜的绝缘纸板相比，表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的改性绝缘纸板具有非常高的接触角，Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的构筑提升了绝缘纸板的憎水性能。
实施例中绝缘纸板表面构筑Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面后的裂解性能测试如图6所示，测试条件为：50ml/min的氮气流量环境下，对每个绝缘纸板样品(5.0-5.2mg)在33℃～500℃下进行热裂解性能测试，加热速率为7℃/min。TG是物质质量与温度关系的热重曲线，DTG是程序温度控制下的导数热重曲线。100℃之前主要为物理吸附的水分，绝缘纸板自身的重量几乎不会丢失，而绝缘油的分解发生在约100-200℃，最后绝缘纸板在250-380℃分解。DTG曲线可以更清楚地反映初始反应温度，最大反应速率和反应终止温度，并且可以用来区分热裂解过程中的不同阶段。初始分解温度(IOT)是曲线下降部分的切线与基线延长线的交点。由于其良好的重复性，该值通常用于指示材料的热稳定性。图7显示了热重分析的初始分解温度对比结果，由此可见，新鲜的绝缘纸板的初始分解温度为约321.66℃，绝缘纸板表面构筑Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面后的初始分解温度明显比未处理的纸板提升了3-6℃。
以上测试结果表面，通过上述方法制备的表面具有Al2O3/PTFE微纳结构复合功能界面的改性绝缘纸板在预压直流击穿、憎水性和热裂解性能方面得到了同步提升，可以应用于换流变压器，对保障换流变压器可靠运行具有意义重大。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种改性绝缘纸板，其特征在于，所述绝缘纸板表面含有Al2O3和PTFE的微纳复合功能膜。
2.根据权利要求1所述的一种改性绝缘纸板，其特征在于，所述微纳复合功能膜中Al2O3位于内层，PTFE位于外层。
3.根据权利要求1所述的一种改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)构筑Al2O3微纳界面：选用Al作为磁控溅射靶材，绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面构筑Al2O3微纳结构界面，磁控溅射技术参数设置为：氩气气压1.5Pa，溅射功率80～120W，溅射时间分别为30～120min，通入氧气流量20sccm；
(2)构筑PTFE界面：选用PTFE作为磁控溅射靶材，步骤(1)中表面构筑有Al2O3微纳结构界面的绝缘纸板作为基片，采用磁控溅射技术在绝缘纸板表面制备PTFE微纳结构界面，磁控溅射技术参数设置为：氩气气压1.5Pa，溅射功率80～120W，溅射时间分别为10～90min。
4.根据权利要求3所述的一种改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，通入氧气流量20sccm；步骤(2)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为20min。
5.根据权利要求3所述的一种改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min，通入氧气流量20sccm；步骤(2)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min。
6.根据权利要求3所述的一种改性绝缘纸板的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为60min，通入氧气流量20sccm；步骤(2)所述磁控溅射技术参数为：氩气气压1.5Pa，溅射功率100W，溅射时间分别为30min。
7.权利要求1～2任一项所述的一种改性绝缘纸板在换流变压器中的应用。
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