CN111235958B - 一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，通过采用一定的工艺技术采用磨浆机进行分散处理即可得到分散良好的玄武岩纤维悬浮液，将其与绝缘浆混合抄造后可得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。本发明的分散方法省时高效，方法简单，无需采用传统的酸或者碱溶液进行处理，优势明显。

Description

一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法
技术领域
本发明属于造纸领域，具体涉及一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法。
背景技术
玄武岩纤维是以火山喷发形成的特定玄武岩为原料生产出的连续纤维、岩棉等产品，其生产过程中不产生有毒物质，无废气、废水、废渣排放，是一种绿色的工业材料。作为一种高性能无机纤维，玄武岩具有较高的强度性能、优良的热稳定性、良好的介电性能以及很好的化学稳定性，此外，还具有抗辐射、绝热隔音的特点，在防火隔热、过滤环保、建筑建材、电子技术、电工绝缘等领域具有广阔的应用前景。
新能源技术的发展和现有对电器设备小型化、高性能化需求的增加使新型绝缘材料的开发成为了绝缘领域的研究热点和企业关注的焦点之一。纸基绝缘材料具有质量轻、密度小、易加工等优势。目前纸基绝缘材料主要有由植物纤维制备的绝缘材料和芳纶纤维制备的绝缘材料(如Nomex纸)。植物纤维绝缘纸价格低，但由于其自身化学特性使其应用温度一般不超过120℃；而芳纶绝缘纸热稳定性好，可在200℃下连续使用十年，但价格极高。当材料使用温度需求在120℃～200℃之间时，往往需要采用将植物纤维与芳纶纤维进行混合抄造制备绝缘纸，但芳纶纤维的加入无疑增加了材料使用成本。此外，当在极端环境时，由于植物纤维和芳纶纤维无法满足要求，也会产生材料失效的问题。
玄武岩纤维作为一种高性能纤维不仅耐高温，而且也具有极好的耐低温特性。此外，玄武岩纤维的体积电阻率大于1012Ω·m，比E玻璃纤维高一个数量级，因此也具有较高的绝缘性能。然而，采用玄武岩短切纤维造纸存在纤维分散性极差、易团聚，在湿法造纸过程中成纸匀度差，导致综合性能差的问题，无法满足使用要求。现有的分散方法通常需要采用大量的酸或者碱溶液对玄武岩纤维进行处理(CN102454128B、CN101503280B、CN110219201A)，该方法容易带来二次污染，同时会降低设备使用寿命并可能会危害人员健康。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，以克服采用玄武岩纤维湿法抄造过程中分散性能不佳以及玄武岩纤维制备性能差异化绝缘纸的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，包括以下步骤：
(1)将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解质量浓度为1％～7％；
(2)采用过滤浓缩方法将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的质量浓度为5％～12％；
(3)将浓缩后的玄武岩纤维浆料放在PFI磨浆机中进行处理，处理条件为：磨浆间隙为0.1～0.15mm，磨浆转数100r～600r，磨浆时间为4s～21s，使玄武岩纤维浆料的打浆度为14～18°SR；
(4)将经磨浆处理后的玄武岩纤维浆料加水稀释至质量浓度为1.0％～1.5％，进行疏解，疏解过程中加入无机胶粘剂，无机胶粘剂占玄武岩纤维的质量比例为0％～20％；
(5)将步骤(4)疏解后的玄武岩纤维浆料与有机纤维按照绝干质量比为10:0～5:5进行混合后，进一步稀释至质量浓度为0.2‰～0.6‰，经上网成形，压榨、烘干后得到绝缘纸原纸；
(6)对绝缘纸原纸进行热压处理，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
进一步地，步骤(1)所述的超细玄武岩纤维是由玄武岩连续纤维切断而成，其长度3～8mm，直径7～15μm，优选直径为8～12μm。
进一步地，步骤(4)所述的无机胶粘剂为硅酸盐类无机胶粘剂。
进一步地，步骤(4)中疏解15000r。
进一步地，步骤(5)所述的有机纤维为植物纤维本色绝缘浆、芳纶沉析纤维或芳纶浆粕纤维，有机纤维的打浆度在45°SR～70°SR。
进一步地，步骤(6)中热压温度为25℃～230℃，压力为10MPa～20MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明采用磨浆机对玄武岩纤维进行处理可获得比采用酸或者碱更好的分散效果，且方法简单，省时省力，可操作性强，同时由于省去酸碱处理过程，因此可有效降低过程处理成本，同时不引入二次污染。
需要指出的是，本发明采用磨浆机处理玄武岩纤维与造纸技术采用的传统磨浆工艺技术在目的和方法上均有所不同。磨浆作为处理植物纤维的常用手段，主要目的在于提高纤维的细纤维化程度，从而提高纤维之间的氢键结合，改善纸张强度，因此传统工艺对纤维进行磨浆处理一般磨浆的纤维时间较长，且纤维的打浆度较高(一般为30°SR～50°SR)，因为只有在此条件下，纤维之间的结合性能才能得到显著改善；而本发明采用的是玄武岩纤维，该纤维属于无机纤维，在长时间机械力的作用下纤维容易断裂，且不会出现像植物纤维细纤维化的现象，因此本发明采用的磨浆目的是为了分散而不是提高纤维结合。同时，为了尽量保留纤维长度，采用磨浆机处理的时间不能过长，且考虑到测量误差，磨浆前后打浆度几乎没有变化，说明对纤维长度的影响并不大。
此外，玄武岩纤维表面含有SiO2、Al2O3、CaO、Na2O等成分，二氧化硅代表弱酸组分，而氧化钙等代表强碱组分，纤维在水中时表面容易形成带相反电荷的基点，从而使纤维与纤维之间容易互相吸引、絮聚成团，因而不易分散。采用PFI磨浆机处理玄武岩纤维过程中，动盘与定盘的高速旋转过程中产生强烈的水力剪切作用，同时纤维之间也会发生相互摩擦，一方面有利于分散纤维团和短切纤维之间的缠结点，另一方面，在磨浆过程中，无机组分在机械力作用下产生活化效应，使表面发生水化或者羟基化作用，从而有利于纤维的分散。
另外，玄武岩纤维价格低于制造绝缘纸的芳纶纤维，采用玄武岩纤维替代部分芳纶纤维，有利于降低生产成本；与芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等具有优异介电性能的有机高性能有机纤维相比，玄武岩纤维具有更加优异的耐高温和低温性能(-269℃～800℃)，因此采用本发明制备的绝缘纸耐高温和耐低温性能均有所改善。
附图说明
图1为不同处理方式对玄武岩纤维在水相分散效果的对比，a.未处理b.酸处理(pH＝3)c.本发明实施例5处理后的玄武岩纤维。
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：
一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，包括以下步骤：
(1)将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解质量浓度为1％～7％，所述的超细玄武岩纤维是由玄武岩连续纤维切断而成，其长度3～8mm，直径7～15μm，优选直径为8～12μm；
(2)采用过滤浓缩方法将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的质量浓度为5％～12％；
(3)将浓缩后的玄武岩纤维浆料放在PFI磨浆机中进行处理，磨浆间隙为0.1～0.15mm，磨浆转数100r～600r，磨浆时间为4s～21s；磨浆后，玄武岩纤维浆料的打浆度为14～18°SR。
(4)将经磨浆处理后的玄武岩纤维加水稀释至质量浓度为1.0％～1.5％，疏解15000r，疏解过程中加入无机胶粘剂，所述的无机胶粘剂为硅酸盐类无机胶粘剂，无机胶粘剂占玄武岩纤维的质量比例为0％～20％；
(5)将疏解后的玄武岩纤维浆料与其他有机纤维按照配比为10:0～5:5比例(绝干量)进行混合后，进一步稀释至质量浓度0.2‰～0.6‰，经上网成形，压榨、烘干后得到绝缘纸原纸。
其中，有机纤维指的是植物纤维本色绝缘浆，芳纶沉析纤维，芳纶浆粕纤维，纤维的打浆度在45°SR～70°SR；所述的玄武岩纤维纸(玄武岩纤维含量100％)或者玄武岩与其他纤维混合后抄造制成的纸张在湿纸幅成形后，含有胶粘剂的水进行循环回用。
(6)对原纸进行热压处理，热压温度为25℃～230℃，压力为10MPa～20MPa，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例1
采用玄武岩短切纤维为原料，其长度3mm，平均直径为11μm。将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解浓度为1％；将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的浓度为9.5％。之后，采用PFI磨浆机进行处理，磨浆间隙为0.1mm，磨浆转数100r，磨浆时间为4s；磨浆后，玄武岩纤维浆料的打浆度为14°SR(磨浆前纤维的打浆度为13°SR)。磨浆完成后，加水稀释至浓度为1.0％，疏解15000r，疏解过程中加入胶粘剂硅酸钠，其用量为绝干玄武岩纤维的3％；
将疏解后的玄武岩纤维进与芳纶沉析纤维按照8:2进行混合，其中芳纶沉析纤维打浆度为52°SR。将混合浆料稀释至0.4‰后上网成形，经压榨、烘干后得到绝缘纸原纸。对原纸进行热压处理，热压温度为230℃，压力为20MPa，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
实施例2
采用玄武岩短切纤维为原料，其长度8mm，平均直径为12μm。将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解浓度为2％；将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的浓度为10.2％。之后，采用PFI磨浆机进行处理，磨浆间隙为0.15mm，磨浆转数400r，磨浆时间为15s；磨浆后，玄武岩纤维浆料的打浆度为17°SR(磨浆前纤维的打浆度为16°SR)。磨浆完成后，加水稀释至浓度为1.1％，疏解15000r，疏解过程中加入胶粘剂硅酸钠，其用量为绝干玄武岩纤维的5％；
将疏解后的玄武岩纤维进与芳纶浆粕纤维按照10：5比例进行混合，其中浆粕纤维的打浆度在55°SR。将混合浆料稀释至0.3‰后上网成形，经压榨、烘干后得到绝缘纸原纸。对原纸进行热压处理，热压温度为160℃，压力为15MPa，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
实施例3
采用玄武岩短切纤维为原料，其长度6mm，平均直径为7μm。将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解浓度为1％；将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的浓度为5％。之后，采用PFI磨浆机进行处理，磨浆间隙为0.15mm，磨浆转数600r，磨浆时间为21s；磨浆后，玄武岩纤维浆料的打浆度为18°SR(磨浆前纤维的打浆度为17°SR)。磨浆完成后，加水稀释至浓度为1.2％，疏解15000r，疏解过程中无需胶粘剂。
将疏解后的玄武岩纤维进与植物纤维本色绝缘浆按照8：2比例进行混合，其中植物纤维本色绝缘浆的打浆度为70°SR，稀释至0.6‰后上网成形，经压榨、烘干后得到绝缘纸原纸。对原纸进行热压处理，热压温度为100℃，压力为10MPa，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
实施例4
采用玄武岩短切纤维为原料，其长度3mm，平均直径15μm。将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解浓度为7％；将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的浓度为12％。之后，采用PFI磨浆机进行处理，磨浆间隙为0.13mm，磨浆转数300r，磨浆时间为12s；磨浆后，玄武岩纤维浆料的打浆度为15°SR(磨浆前纤维的打浆度为14°SR)。磨浆完成后，加水稀释至浓度为1.5％，疏解15000r，疏解过程中无需加入胶粘剂。
将疏解后的玄武岩纤维进与芳纶沉析纤维按照5：5混合，其中芳纶沉析纤维的打浆度在45°SR。将混合浆料稀释至0.3‰后上网成形，经压榨、烘干后得到绝缘纸原纸。对原纸进行热压处理，热压温度为180℃，压力为15MPa，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
实施例5
采用玄武岩短切纤维为原料，其长度3mm，直径11μm。将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解浓度为2％；将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的浓度为10％。之后，采用PFI磨浆机进行处理，磨浆间隙为0.15mm，磨浆转数200r，磨浆时间为15s；磨浆后，玄武岩纤维浆料的打浆度为14°SR(磨浆前纤维的打浆度为13°SR)。磨浆完成后，加水稀释至浓度为1.1％，疏解15000r，疏解过程中加入胶粘剂硅酸钠，其用量为绝干玄武岩纤维的20％；
将疏解后的玄武岩纤维稀释至0.2‰后上网成形，经压榨、烘干后得到绝缘纸原纸。对原纸进行热压处理，热压温度为25℃，压力为10MPa，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
图1为经过不同处理方法得到的玄武岩纤维经过疏解后，在相同时间所呈现的分散状态。由图可知，未经处理的玄武岩纤维经过简单疏解后，在水中仍然存在大量团聚体，纤维沉降快；采用现有技术，即采用酸溶液对玄武岩纤维处理，可在一定程度上改善玄武岩纤维的分散性能，但仍存在大量团聚体；采用本发明实施例5处理的玄武岩纤维，可在水中呈良好的分散状态，且纤维团聚情况明显改善。

Claims (5)

1.一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将超细玄武岩纤维与水混合，采用疏解机进行分散，疏解质量浓度为1％～7％；所述的超细玄武岩纤维是由玄武岩连续纤维切断而成，其长度3～8mm，直径7～15μm；
(2)采用过滤浓缩方法将疏解后的玄武岩纤维进行浓缩，浓缩后的质量浓度为5％～12％；
(3)将浓缩后的玄武岩纤维浆料放在PFI磨浆机中进行处理，处理条件为：磨浆间隙为0.1～0.15mm，磨浆转数100r～600r，磨浆时间为4s～21s，使玄武岩纤维浆料的打浆度为14～18°SR；
(4)将经磨浆处理后的玄武岩纤维浆料加水稀释至质量浓度为1.0％～1.5％，进行疏解，疏解过程中加入无机胶粘剂，无机胶粘剂占玄武岩纤维的质量比例为0％～20％；
(5)将步骤(4)疏解后的玄武岩纤维浆料与有机纤维按照绝干质量比为10:0～5:5进行混合后，进一步稀释至质量浓度为0.2‰～0.6‰，经上网成形，压榨、烘干后得到绝缘纸原纸；所述的有机纤维为植物纤维本色绝缘浆、芳纶沉析纤维或芳纶浆粕纤维，有机纤维的打浆度在45°SR～70°SR；
(6)对绝缘纸原纸进行热压处理，得到含有玄武岩纤维的绝缘纸。
2.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的超细玄武岩纤维直径为8～12μm。
3.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，其特征在于，步骤(4)所述的无机胶粘剂为硅酸盐类无机胶粘剂。
4.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，其特征在于，步骤(4)中疏解15000r。
5.根据权利要求1所述的一种玄武岩纤维分散及采用玄武岩纤维制造绝缘纸的方法，其特征在于，步骤(6)中热压温度为25℃～230℃，压力为10MPa～20MPa。
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