CN113652900A - 一种玄武岩/芳纶/云母纸及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玄武岩/芳纶/云母纸及其生产方法，将纤维以及高导热填料引入云母纸基材料，利用湿法抄造成形成功制备了芳纶/玄武岩/云母纸，所述纤维为玄武岩纤维与芳纶纤维的组合，所述高导热填料为氮化硼纤维、片状氮化硼、氧化铝纤维、氧化铝颗粒或它们的组合。本发明提供的玄武岩/芳纶/云母纸具有较高的强度、绝缘性能以及导热能力，生产方法简单，具有优异的可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及绝缘复合材料技术领域，具体涉及一种玄武岩/芳纶/云母纸及其生产方法。
背景技术
云母作为一种无机硅酸盐类矿物，具有特殊的结构决定了其具有优异的化学稳定性、耐温性和绝缘性，是一种重要的无机耐高温绝缘材料。但是随着云母的利用，优质大片云母资源匮乏，在这种情况下，利用碎云母片在造纸机上抄造而成的云母纸出现。但是，由于云母微片之间的范德华相互作用弱，纯云母纸易碎且变脆，断裂应变约为1％，抗张强度<1MPa，这就需用胶粘剂、补强材料制成各种制品。与此同时，云母纸在高压电机的应用上由于导热系数不高，导致绝缘材料的耐电性能、使用寿命降低，以及绝缘件容易松动，因此，云母纸及其绝缘材料的导热能力尤其受到关注。
为了提高云母纸的使用性能，专家学者采用了不同的补强材料和方式进行云母纸的增强。美国DuPont公司在芳纶云母纸研究方面走在世界前列，早在2006 年公开专利US6991845B2中就提及到一种用于抗阻燃的复合绝缘材料，该复合绝缘材料是由一层高云母含量层(80％以上)、一层低云母含量(60％以上)层以及一层以玻璃布等作为补强材料，两层云母层中均添加了芳纶纤维作为增强材料以提高云母层的强度性能。专利CN105544285A公开了一种间位芳纶纤维云母纸及其制备方法，该方法使用间位芳纶短切纤维和间位芳纶沉析浆粕配比云母片浆料，使用阳离子聚丙烯酰胺溶液作为分散剂，经过湿法抄造成形制成芳纶云母纸。王典新和江明等在专利CN105544286A中公开了一种对位芳纶纤维云母纸的制备方法，主要利用对位芳纶短切纤维和沉析纤维混合云母，通过湿法造纸和热压工艺制备得到对位芳纶纤维云母纸。制备的对位芳纶纤维云母纸具有良好的纸张匀度、优异的机械性能和耐温性能。为了解决云母纸在高压电机的应用上热传导不足的问题，专利CN103757977A提供了一种通过在云母纸上添加无机粉体获得导热云母纸的方法，制得的云母纸具有导热性高和电气绝缘性能好的优点。
上述专利所介绍的方法中，虽然采用了间位芳纶或者对位芳纶进行改性，可以提高云母纸的机械性能和绝缘性能，但间位芳纶长期使用温度只有200℃，其耐温性能较差，不能使云母纸投入高端领域的应用。而对位芳纶与云母结合强度较低，同样是可以提高机械强度，但是会降低耐温性能。将高导热无机粉体添加到云母纸中，虽然可以提高导热系数，但当添加量较少时导热率非常低，当导热填料的量达到一定程度时，无机粉体又会提高硅树脂的粘度，使纸加工困难。21 世纪以来，经济越来越发达，随之人们也提高了自身的生活水平，小型化和高功率的电气设备符合现代人的使用要求，这就对电气设备中至关重要的电气绝缘材料提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种玄武岩/芳纶/云母纸及其生产方法，该方法采用导热能力更强的氮化硼纤维、片状氮化硼、氧化铝纤维、氧化铝颗粒或它们的组合增加云母纸的导热性能，加入玄武岩纤维和芳纶纤维增强云母纸的机械强度。该生产方法简单，条件易于控制，不会对后续纸加工有影响，制备出的高导热云母纸机械性能突出，热学性能优异。作为本发明的优选方案，所述高导电填料为氮化硼纤维、氮化铝纤维、氧化铝纤维或它们的组合。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种玄武岩/芳纶/云母纸，按质量百分数计，包括纤维5-50％和云母鳞片 50％-95％。
进一步地，包括纤维5-50％和云母鳞片50％-95％以及0-20％高导热填料。
进一步地，所述纤维由芳纶纤维与玄武岩纤维构成，其中芳纶纤维与玄武岩纤维的质量比为1:0.1-9。
进一步地，所述芳纶纤维为芳纶沉析纤维和芳纶浆粕中的一种或两种组合，芳纶纤维的直径为3-40μm，长度为0.1-4mm。
进一步地，所述玄武岩纤维直径为7-16μm，长度为0.5-5mm。
进一步地，所述云母鳞片为白云母、金云母、氟金云母和合成云母中的一种或几种。
进一步地，所述高导热填料为氮化硼纤维、片状氮化硼、氧化铝纤维、氧化铝颗粒或它们的组合。
本发明还提供了一种玄武岩/芳纶/云母纸的生产方法，包括以下步骤：
1)将芳纶纤维与玄武岩纤维在水中分散，得到纤维悬浮液；其中，芳纶纤维与玄武岩纤维的质量比为1:0.1-9；纤维悬浮液中纤维的质量浓度为0.01％-1％；
2)按纤维占5％-50％、云母磷片占50％-95％、高导热填料占0-20％的重量配比，将云母鳞片和高导热填料加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
3)将纤维/云母浆在圆网纸机上抄造，干燥后得到玄武岩/芳纶/云母纸。
进一步地，所述纤维/云母浆中纤维、云母和高导热填料总的质量浓度为 0.01％-1％。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：玄武岩纤维可以增强云母纸的刚度，经芳纶纤维缠绕，聚集困难，有利于纸的加工。沉析纤维对界面附着力的改性很好，可以很好地包裹在云母片上，从而起到了不同云母片之间的附着力，同时也起到了缺陷改性剂的作用。与云母生产过程中不需要额外添加助剂，也不需要对芳纶纤维进行预处理。增强树脂中不需要另加导热粉体，不影响纸页强度和透气度。片状氮化硼填料在造纸过程中留着率较低，而芳纶沉析纤维和芳纶浆粕比表面积较大，导热填料可以很好地附着在芳纶纤维的表面，提高其留着率。因此利用本发明制备出的高导热云母纸力学性能优异，热稳定性，导热性更好，极大地提高了云母纸的品质。并且，本发明操作简单方便，生产时间短，具有良好的工业应用前景。
附图说明
图1玄武岩/芳纶/云母纸表面SEM照片，a：10％纤维；b：30％纤维；c： 50％纤维；
图2玄武岩/芳纶/云母纸的拉伸应力/应变曲线，a：10％纤维；b：30％纤维； c：50％纤维；
图3玄武岩/芳纶/云母纸的击穿强度；
图4玄武岩/芳纶/云母纸的透气度和渗透时间。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
图1～图4为玄武岩/芳纶/云母纸的测试数据，其中，实施例1代表了50％纤维含量的c；实施例2代表了30％纤维含量的a；实施例4代表了10％纤维含量的a。
实施例1
(1)称取直径16μm、长度0.5mm的玄武岩纤维，直径40μm、长度0.1mm 的芳纶沉析纤维各15000kg，加入到3000000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取白云母鳞片30000kg，加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到玄武岩/芳纶/云母纸。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为1.9μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.5 MPa，导热系数0.21W/(m·k)。
实施例2
(1)分别称取直径14μm、长度0.7mm的玄武岩纤维13714kg，直径30μm、长度0.3mm的芳纶浆粕纤维3000kg，加入到3000000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取金云母鳞片39000kg，加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到玄武岩/芳纶/云母纸基绝缘材料。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为16.875μm/(Pa·s)，拉伸应力为0.441MPa，，导热系数0.25W/(m·k)。
实施例3
(1)称取直径12μm、长度0.9mm的玄武岩纤维，直径20μm、长度0.6mm 的芳纶沉析纤维各7500kg，加入到3000000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取氟金云母鳞片45000kg，加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到玄武岩/芳纶/云母纸基绝缘材料。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为1.7μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.5 MPa，导热系数0.27W/(m·k)。
实施例4
(1)分别称取直径11μm、长度0.9mm的玄武岩纤维1633kg，直径10μm、长度0.8mm的芳纶浆粕纤维1200kg，加入到1200000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)分别称取金云母鳞片25500kg，加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到玄武岩/芳纶/云母纸基绝缘材料。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为6.505μm/(Pa·s)，拉伸应力为0.761MPa，导热系数0.28W/(m·k)。
实施例5
(1)称取直径9μm、长度1.1mm的玄武岩纤维，直径5μm、长度1.1mm 的芳纶沉析纤维各1500kg，加入到3000000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取金云母鳞片、氟金云母鳞片28500kg，加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到玄武岩/芳纶/云母纸基绝缘材料。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为0.751μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.196MPa，导热系数0.29W/(m·k)。
从实施例1-5可以看出，没有加导热填料的绝缘纸，导热系数较低。
实施例6
(1)称取直径16μm、长度0.5mm的玄武岩纤维，直径15μm、长度0.4mm 的芳纶沉析纤维各6250kg，加入到1250000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取白云母鳞片11250kg，氮化硼纤维1250kg加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到玄武岩/芳纶/云母高导热纸。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为2.0μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.4 MPa，导热系数为1.12W/(m·k)。
实施例7
(1)分别称取直径11μm、长度2mm的玄武岩纤维7000kg，直径12μm、长度3mm的芳纶沉析纤维1750kg，加入到1250000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取金云母鳞片15000kg，片状氮化硼1250kg加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到玄武岩/芳纶/云母高导热纸。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为1.7μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.3 MPa，导热系数为0.87W/(m·k)。
实施例8
(1)分别称取直径11μm、长度4mm的玄武岩纤维5625kg，直径20μm、长度4mm芳纶浆粕625kg，加入到1250000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取氟金云母鳞片17500kg，氧化铝纤维1250kg加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到芳纶/云母纸基绝缘材料。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为1.6μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.6 MPa，导热系数为0.56W/(m·k)。
实施例9
(1)分别称取直径7μm、长度5mm的玄武岩纤维3000kg，直径7μm、长度3mm芳纶浆粕750kg，加入到1250000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取白云母鳞片、氟金云母鳞片各9375kg，氮化硼纤维、片状氮化硼各1250kg加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到芳纶/云母纸基绝缘材料。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为1.1μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.4 MPa，导热系数为0.74W/(m·k)。
实施例10
(1)分别称取直径11μm、长度3mm的玄武岩纤维，直径25μm、长度2 mm的芳纶沉析纤维各62.5kg，加入到1250000kg水搅拌分散，形成纤维悬浮液；
(2)称取白云母鳞片23375kg，片状氮化硼、氧化铝颗粒各750kg加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
(3)利用圆网云母纸机进行造纸，共分五重圆网上浆，通过脱水，烘干即可得到芳纶/云母纸基绝缘材料。
经测试，该实施例制备的云母纸的透气度为0.7μm/(Pa·s)，拉伸应力为1.2 MPa，导热系数为0.37W/(m·k)。
从实施例6-10可以看出，随着导热填料的加入，绝缘纸导热系数较高。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种玄武岩/芳纶/云母纸，其特征在于，按质量百分数计，包括纤维5-50％和云母鳞片50％-95％。
2.如权利要求1所述的玄武岩/芳纶/云母纸，其特征在于，包括纤维5-50％和云母鳞片50％-95％以及0-20％高导热填料。
3.如权利要求1～2任一所述的玄武岩/芳纶/云母纸，其特征在于，所述纤维由芳纶纤维与玄武岩纤维构成，其中芳纶纤维与玄武岩纤维的质量比为1:0.1-9。
4.如权利要求3所述的玄武岩/芳纶/云母纸，其特征在于，所述芳纶纤维为芳纶沉析纤维和芳纶浆粕中的一种或两种组合，芳纶纤维的直径为3-40μm，长度为0.1-4mm。
5.如权利要求3所述的玄武岩/芳纶/云母纸，其特征在于，所述玄武岩纤维直径为7-16μm，长度为0.5-5mm。
6.如权利要求1～2任一所述的玄武岩/芳纶/云母纸，其特征在于，所述云母鳞片为白云母、金云母、氟金云母和合成云母中的一种或几种。
7.如权利要求1～2任一所述的玄武岩/芳纶/云母纸，其特征在于，所述高导热填料为氮化硼纤维、片状氮化硼、氧化铝纤维、氧化铝颗粒或它们的组合。
8.一种玄武岩/芳纶/云母纸的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将芳纶纤维与玄武岩纤维在水中分散，得到纤维悬浮液；其中，芳纶纤维与玄武岩纤维的质量比为1:0.1-9；纤维悬浮液中纤维的质量浓度为0.01％-1％；
2)按纤维占5％-50％、云母磷片占50％-95％、高导热填料占0-20％的重量配比，将云母鳞片和高导热填料加入到纤维悬浮液中，得到纤维/云母浆；
3)将纤维/云母浆在圆网纸机上抄造，干燥后得到玄武岩/芳纶/云母纸。
9.如权利要求8所述的玄武岩/芳纶/云母纸的生产方法，其特征在于，其特征在于，所述纤维/云母浆中纤维、云母和高导热填料总的质量浓度为0.01％-1％。
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