CN112746522A - 一种高介电性能复合芳纶纸 - Google Patents

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Abstract

一种高介电性能复合芳纶纸，包括两层以上的单层芳纶纸，单层芳纶纸之间通过含无机纳米填料的耐高温胶粘剂层结合成一个整体，形成复合芳纶纸。将耐高温胶粘剂、无机纳米填料、稀释剂及分散剂共混后高速搅拌搅拌分散均匀，制成耐高温胶粘剂溶液后均匀喷涂到单层芳纶纸的待粘接面并烘焙使溶剂挥发，将两层以上的单层芳纶纸表面粘合后热轧形成整体。本复合芳纶纸通过粘合的方式使纸中含有无机纳米材料层，利用无机纳米材料具有抑制绝缘纸中空间电荷聚集，降低载流子运动速率，削弱过载脉冲电压的作用，使复合芳纶纸具有抗脉冲电压的耐电晕性能和更高的击穿强度，可大大提高电机绝缘系统的绝缘防护性能及使用寿命。

Description

一种高介电性能复合芳纶纸
技术领域
本发明涉及一种复合型芳纶纸，具体涉及一种高介电性能复合芳纶纸。
背景技术
在电气设备如电机的运行过程中，由脉冲过电压引起的电、热、机械以及环境等因素的共同作用会造成定子绕组匝绝缘材料快速老化并发生击穿而破坏电机的绝缘，因此，提高电机绝缘系统可以延长电机的使用寿命。
芳纶纸是由芳纶纤维和芳纶浆粕按一定比例混合抄造而成的特种纤维纸，因优良的机械、化学、电气和物理性能，在各类型中高压电机、电抗器、变压器等电器设备中作为绝缘防护材料得到了广泛的应用。
近年来，随着诸如新能源电机、电抗器、变压器设备向轻量化、小型化、高功率化发展，电机内部元器件需承受更高的脉冲电压应力、机械应力和热应力，频繁启动和长期使用后，电机绝缘系统更易受损失效，需要经常维护，因此对电机绝缘结构材料的要求越来越高。作为重要的绝缘材料之一，芳纶纸的介电防护性能直接影响电机电器设备的使用寿命，电机的维护成本及企业效益。而为了进一步提高电气设备的使用寿命，对其选取的绝缘材料实行各种改进以提高性能。
如申请号201810570092.5，名称为“一种低表面电阻柔性绝缘材料及其制备方法”的发明专利申请公开了一种低表面电阻柔性 绝缘材料及其制备方法，包括自上而下依次设置的低电阻涂层、第一绝缘纸层、第一胶粘剂层、薄膜层、第二胶粘剂层以及第二绝缘纸层，其中，低电阻涂层为内掺有纳米活性炭的改性绝缘漆，纳米活性炭在改性绝缘漆中的质量含量为10～25％。通过上述方式，本发明实施例的绝缘材料在保有较高的绝缘性能的同时降低了其表面电阻，可以将电机运行中产生的电荷及时引导出去，从而有效的提高电机运行的安全性及延长电机的使用寿命。
上述方案虽然是一种改进后的绝缘材料，但其只是在整个绝缘材料的上表面涂刷一层掺有纳米活性炭的改性绝缘漆，此方法难以根据使用要求形成不同介电性能的绝缘材料，耐热性及介电性能均难以达到理想状态。
令如申请号201410095722.X，名称为“一种纳米二氧化硅增强间位芳纶纸的制备方法”的发明专利公开了一种纳米二氧化硅增强间位芳纶纸的制备方法，将间位芳纶短切纤维用表面活化剂水溶液处理后，与间位芳纶浆粕按一定比例混合，制成芳纶纤维浆，然后向纸浆中加入经超声波处理的纳米二氧化硅得到混合悬浮液，混合悬浮液经脱水成型、湿压榨、干燥的过程得到芳纶原纸，芳纶原纸再经热压机进行热压即得间位芳纶纸。本发明在芳纶纸的制备过程中加入了纳米二氧化硅，提高了间位芳纶纸的抗张强度和耐压强度。
上述方案是在造纸打浆过程中把纳米二氧化硅及分散剂加入纸浆中，实现了芳纶纸介电性能增强的目的，然而该种改性方式易造成无机纳米填料和其它分散剂类化学添加剂易损耗、污染环境的危害。因此还是需要改进。
发明内容
本发明为满足电气设备中对绝缘材料高电气性能的要求，提出了一种高介电性能复合芳纶纸，具有比普通绝缘材料更强的耐电晕性能及更高的介电击穿强度，能使电机对过载脉冲电压有更好的防护作用，可有效保护电机、电抗器及变压器设备、提高其使用寿命，降低其维护成本。
本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种高介电性能复合芳纶纸，包括两层以上的单层芳纶纸，单层芳纶纸之间通过含无机纳米填料的耐高温胶粘剂层粘接成一个整体，形成复合芳纶纸。
进一步地，单层芳纶纸为未经热轧的芳纶原纸，为间位芳纶原纸或对位芳纶原纸。
进一步地，单层芳纶纸克重为10~120g/m2。
进一步地，单层芳纶纸克重为12~30 g/m2。
进一步地，间位芳纶原纸中沉析纤维所占的份数为40~70份，短切纤维所占的份数为30~60份。
进一步地，对位位芳纶原纸中沉析纤维所占的份数为50~80份，短切纤维所占的份数为20~50份。
进一步地，间位芳纶原纸紧度为0.20~0.65g/cm3。
优选地，间位芳纶原纸紧度为0.25~0.55g/cm3。
进一步地，对位芳纶原纸紧度为0.25~0.68g/cm3。
优选地，对位芳纶原纸紧度为0.28~0.60g/cm3。
进一步地，耐高温胶粘剂层包括耐高温胶粘剂、无机纳米填料、稀释剂及分散剂。
进一步地，耐高温胶粘剂的耐温等级大于200℃。
进一步地，耐高温胶粘剂的耐温等级大于220℃。
进一步地，耐高温胶粘剂选自耐高温环氧胶粘剂、耐高温酚醛环氧胶粘剂、耐高温环氧亚胺胶粘剂、耐高温酚醛树脂胶粘剂、耐高温聚酰亚胺胶黏剂、耐高温氮杂环类胶黏剂、耐高温有机硅胶粘剂中的一种或多种的组合。
进一步地，无机纳米填料选自纳米氧化锌、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、纳米氮化硼中的一种或两种以上的组合。
进一步地，无机纳米填料粉体粒径为10~100nm。
进一步地，稀释剂选自酯类、酮类或苯类低沸点稀释剂中的一种或多种的组合。
进一步地，分散剂选自钛酸酯分散剂、丙烯酸类共聚物分散剂、高分子量磷酸酯共聚体、芳香胺类分散剂中的一种或两种以上的组合。
进一步地，两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中耐高温胶粘剂的含量为3~30 g/m2。
进一步地，两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中耐高温胶粘剂的含量为5~20 g/m2。
进一步地，两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中无机纳米填料的含量为0.01~6g/m2。
进一步地，两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中无机纳米填料的含量为0.5~3 g/m2。
进一步地，单层芳纶纸之间通过含无机纳米填料的耐高温胶粘剂层结合成一个整体是指：将耐高温胶粘剂、无机纳米填料、稀释剂及分散剂共混后高速搅拌搅拌分散均匀，制成耐高温胶粘剂溶液后均匀喷涂到单层芳纶纸的待粘接面并烘焙使溶剂挥发，将两层以上的单层芳纶纸表面粘合后热轧形成整体。
进一步地，两层以上的单层芳纶纸热轧过程中所采用的热轧温度为200℃~400℃，热轧线压力为100N/mm~700N/mm。
优选地，两层以上的单层芳纶纸热轧过程中所采用的热轧温度为250℃~350℃，热轧线压力为150N/mm~ 600N/mm。
本发明的有益效果是：
1. 本发明的复合芳纶纸采用与芳纶纤维材料的耐温等级相匹配的耐高温胶粘剂，相对传统的芳纶复合纸具有更为优良的耐高温性能。
2. 本发明的复合芳纶纸通过粘合的方式使纸中含有无机纳米材料层，利用无机纳米材料具有抑制绝缘纸中空间电荷聚集，降低载流子运动速率，削弱过载脉冲电压的作用，使复合芳纶纸具有抗脉冲电压的耐电晕性能和更高的击穿强度，可大大提高电机绝缘系统的绝缘防护性能及使用寿命。
3. 本发明的复合芳纶纸无需在造纸过程中将无机纳米材料加入浆料中以实现增强芳纶纸性能的目的，避免了在打浆造纸过程中无机纳米填料和其它分散剂类化学添加剂易损耗、污染环境的危害，本发明通过简单的热轧粘合，即可实现无机纳米材料对芳纶纸的介电性能增强作用。
4. 本发明的高介电性能复合芳纶纸，制备艺操作简单，工艺过程环境友好，便于大规模生产，且可以根据实际情况选择单层芳纶纸的层数及耐高温胶粘剂层的数量来改变无机纳米填料的数量，满足介电性能的需求。
附图说明
图1为实施例一结构示意图；
图中：1. 单层芳纶原纸，2. 耐高温胶粘剂层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
一种高介电性能复合芳纶纸，包括两层以上的单层芳纶纸，单层芳纶纸之间通过含无机纳米填料的耐高温胶粘剂层结合成一个整体，形成复合芳纶纸。在未结合成整体之前的单层芳纶纸为未经热轧的芳纶原纸，为了使成型后的复合芳纶纸材料具有一定的柔韧性，选取单层芳纶原纸的克重为10~120g/m2，优选为12~30 g/m2，可采用间位芳纶原纸或对位芳纶原纸。考虑到原纸沉析纤维和短切纤维配比对产品综合性能的影响，及原纸紧度对胶黏剂渗透性的影响，选取间位芳纶原纸的沉析纤维所占的份数为40~70份，短切纤维所占的份数为30~60份，优选紧度范围为0.25~0.55g/cm3；选取对位芳纶原纸的沉析纤维所占的份数为50~80份，短切纤维所占的份数为20~50份，优选紧度范围为0.28~0.60g/cm3，使耐高温胶粘剂内的无机纳米填料更容易渗透到芳纶原纸内，且更加均匀分布，有利于提高复合芳纶纸的介电性能。含无机纳米填料的耐高温胶粘剂层包括耐高温胶粘剂、无机纳米填料、稀释剂及分散剂。将无机纳米填料直接分散在耐高温胶粘剂中，可以减少溶剂的使用，减少对环境的污染。其中耐高温胶粘剂选自耐高温环氧胶粘剂、耐高温酚醛环氧胶粘剂、耐高温环氧亚胺胶粘剂、耐高温酚醛树脂胶粘剂、耐高温聚酰亚胺胶黏剂、耐高温氮杂环类胶黏剂、耐高温有机硅胶粘剂中的一种或多种的组合，耐温等级大于200℃，优选大于220℃，使胶粘剂的耐温等级与芳纶纸的耐温等级匹配，保证复合芳纶纸的总体耐热性能；无机纳米填料选自纳米氧化锌、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、纳米氮化硼中的一种或多种的组合，粒径为10~100nm；稀释剂选自酯类、酮类或苯类低沸点稀释剂中的一种或多种的组合；分散剂选自钛酸酯分散剂、丙烯酸类共聚物分散剂、高分子量磷酸酯共聚体、芳香胺类分散剂中的一种或多种的组合。
单层芳纶原纸之间的耐高温胶粘剂层每单层含量为3~30 g/m2，优选为5~20 g/m2，既保证芳纶原纸之间的复合强度，使其有效结合，同时还避免胶粘剂层过厚而降低复合芳纶纸的柔韧性。每单层胶粘剂中无机纳米填料的含量为0.01~6 g/m2，优选0.5~3 g/m2，使纳米填料的含量既能起到增强复合芳纶纸介电性能的目的，又不至于过高而导致其在胶粘剂中容易絮聚难以分散，影响复合芳纶纸的综合性能。
多层芳纶原纸经过喷涂耐高温胶黏剂后进行热轧合，热轧温度和压力对产品的最终性能有重要影响，本发明中两层以上的单层芳纶纸热轧过程中所采用的热轧温度为200℃~400℃，优选热轧温度为250℃~350℃，热轧线压力为100~ 700N/mm，优选热轧线压力为150~ 600N/mm。
实施例一
本实施例中进行了对比试验，如图1所示，本复合芳纶纸包括三层单层芳纶纸，每相邻两层单层芳纶纸之间由耐高温胶粘剂层2粘合。其中单层芳纶纸为克重为20g/m2的间位芳纶原纸，其中沉析纤维所占的份数为51份，短切纤维所占的份数为49份，紧度为0.36g/cm3，耐高温胶粘剂层2分别采用以下两种方法制成：
一、将100份耐高温环氧胶粘剂、10份纳米氧化铝填料、50份甲苯及0.2份钛酸酯共混后高速搅拌分散均匀，制成耐高温胶粘剂混合溶液；
二、将100份耐高温环氧亚胺胶粘剂、10份纳米二氧化硅填料、50份甲苯及0.2份钛酸酯共混后高速搅拌分散均匀，制成耐高温胶粘剂混合溶液；
配置完成后，分别利用喷枪将上述两种溶液分别喷涂到两张未经热轧的中间层的单层芳纶原纸1上，使中间层间位芳纶原纸上下表面均匀吸附一层胶粘剂混合溶液；然后快速将该层芳纶纸传送至烘箱中烘焙使溶剂挥发，烘焙温度为150℃，烘焙时间为200s，烘焙后的中间层间位芳纶原纸上下表面粘附胶粘剂含量为8 g/m2。
通过导纸辊分别在上述处理后的两张中间层芳纶纸的上下表面均粘合一层间位单层芳纶原纸1，将粘合后的三层间位芳纶纸进行热轧合，热轧温度为280℃，热轧运行速率为12m/min，热轧线压力为500N/mm。再将制得的三层复合芳纶纸置于封闭烘房中烘干粘结，温度控制在180℃，连续烘干5小时，至耐高温环氧胶粘剂完全固化，烘干后进行收卷，得到两种高介电性能复合芳纶纸，此处分别称为样本一和样本二。
同时，将与上述复合芳纶纸克重相同的纤维原料经过正常打浆、流送成型、压榨、烘干、热轧成型，制成较厚的单层间位芳纶纸，此处称为样本三。
对上述样本一、样本二和样本三进行克重、拉伸强度、电气强度、起始局部放电电压、额定电压下局部放电量测试对比，结果见下表：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由上表检测结果可知，样本一和样本二所制备的高介电性能复合芳纶纸其拉伸强度相对样本三提高了约4.8%、电气击穿强度强度提高了约12.4%、耐电晕性能同样有大大提升，说明通过无机纳米材料胶粘复合改性，芳纶纸的机械性能、介电性能均能得到显著提升，可为大型电机、电抗器、变压器设备提供更高的介电防护性能，起到延长电机使用寿命，降低维护成本，提高生产效益的目的。
本实施例中的产品具有普通芳纶纸不具有的耐电晕性能及更高的电气强度，可对大型电机、电抗器、变压器等电器设备提供更好的过载脉冲电压保护，延长大型电机、电抗器和变压器等电器设备的使用寿命，降低维护成本，提高生产效益。
此外在实际使用中，可以根据要求的复合芳纶纸的厚度及介电性能，选取合适数量的单层芳纶原纸1，如两层、四层等等，每两层之间通过耐高温胶粘剂层2结合。当纸的层数不同时，耐高温胶粘剂层的数量也不同，因此，渗透入芳纶原纸中的无机纳米填料的数量也不同，复合芳纶纸的厚度及介电性能也不同，以满足不同的使用需求。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (16)

1.一种高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：包括两层以上的单层芳纶纸，单层芳纶纸之间通过含无机纳米填料的耐高温胶粘剂层粘接成一个整体，形成复合芳纶纸。
2.如权利要求1所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：单层芳纶纸为未经热轧的芳纶原纸，为间位芳纶原纸或对位芳纶原纸；耐高温胶粘剂层包括耐高温胶粘剂、无机纳米填料、稀释剂及分散剂。
3.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：单层芳纶纸克重为10~120g/m2。
4. 如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：单层芳纶纸克重为12~30g/m2。
5.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：所述的间位芳纶原纸中沉析纤维所占的份数为40~70份，短切纤维所占的份数为30~60份；所述的对位芳纶原纸中沉析纤维所占的份数为50~80份，短切纤维所占的份数为20~50份。
6.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：所述的间位芳纶原纸紧度为0.20~0.65g/cm3，对位芳纶原纸紧度为0.25~0.68g/cm3。
7.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：所述的间位芳纶原纸紧度为0.25~0.55g/cm3，对位芳纶原纸紧度为0.28~0.60g/cm3。
8.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：耐高温胶粘剂的耐温等级大于200℃。
9.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：耐高温胶粘剂的耐温等级大于220℃。
10.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：耐高温胶粘剂选自耐高温环氧胶粘剂、耐高温酚醛环氧胶粘剂、耐高温环氧亚胺胶粘剂、耐高温酚醛树脂胶粘剂、耐高温聚酰亚胺胶黏剂、耐高温氮杂环类胶黏剂、耐高温有机硅胶粘剂中的一种或多种的组合；
无机纳米填料选自纳米氧化锌、纳米二氧化硅、纳米氧化铝、纳米二氧化钛、纳米碳化硅、纳米氮化硼中的一种或两种以上的组合；
稀释剂选自酯类、酮类或苯类低沸点稀释剂中的一种或多种的组合；
分散剂选自钛酸酯分散剂、丙烯酸类共聚物分散剂、高分子量磷酸酯共聚体、芳香胺类分散剂中的一种或两种以上的组合。
11.如权利要求10所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：无机纳米填料粉体粒径为10~100nm。
12. 如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中耐高温胶粘剂的含量为3~30 g/m2；
两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中无机纳米填料的含量为0.01~6 g/m2。
13. 如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中耐高温胶粘剂的含量为5~20 g/m2；
两层芳纶纸之间的耐高温胶粘剂层中无机纳米填料的含量为0.5~3 g/m2。
14.如权利要求2所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：单层芳纶纸之间通过含无机纳米填料的耐高温胶粘剂层结合成一个整体是指：将耐高温胶粘剂、无机纳米填料、稀释剂及分散剂共混后高速搅拌搅拌分散均匀，制成耐高温胶粘剂溶液后均匀喷涂到单层芳纶纸的待粘接面并烘焙使溶剂挥发，将两层以上的单层芳纶纸表面粘合后热轧形成整体。
15.如权利要求14所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：两层以上的单层芳纶纸热轧过程中所采用的热轧温度为200℃~400℃，热轧线压力为100N/mm~700N/mm。
16. 如权利要求14所述的高介电性能复合芳纶纸，其特征在于：两层以上的单层芳纶纸热轧过程中所采用的热轧温度为250℃~350℃，热轧线压力为150N/mm~ 600N/mm。
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