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高性能復合云母紙的制造技術及增強機理的研究

發布日期:2020-05-18 訪問次數:6909
          云母作為絕緣材料用于各種電氣、電機工業中,具有優良的性能。隨著大片優質云母資源的枯竭,利用碎云母制備的云母紙因其厚度均勻、介電強度波動小、電暈起始電壓高而穩定成為云母絕緣材料的主力軍。云母紙是將破碎后的細小鱗片在造紙機上抄造成大面積的紙張,它的成形主要靠鱗片間的靜電引力和范德華力。然而,這兩種力較小,抄造的云母紙強度低不能直接應用,需要預先補強,通常的方法是在粘結劑的作用下將云母紙和補強材料粘合在一起形成云母紙材料。然而,這種補強工藝需要大量的粘結劑,極大的降低了材料中云母的含量,影響材料的絕緣性能、使用壽命等。為了保持云母材料的絕緣性能,并提高材料的機械強度,新的補強材料和補強工藝是云母紙材料發展的方向。芳綸纖維具有極高的強度,且具有優良的絕緣性能,芳綸纖維與云母鱗片通過合適的工藝復合提高云母紙材料的強度是新興研究的熱點。

         本文添加8%含量的芳綸纖維與云母鱗片復合制備芳綸云母紙復合材料,選擇合適的云母原料、制漿方式獲得云母漿料后,通過云母鱗片的表面改性和芳綸纖維的分散、改性,提高芳綸纖維與云母鱗片的界面結合強度、均勻度等。在添加8%含量的芳綸纖維的情況下制備的芳綸云母紙復合材料的性能基本達到了國外添加50%芳綸纖維抄造的復合云母紙的水平,極大的提高了紙張的強度,省去了以往云母紙材料需要浸膠、補強的工藝,可直接使用,簡化了工藝流程。通過大量的試驗研究,獲得了各項工藝參數的最佳條件,主要得到以下結果:

         一、選定了云母原料后,通過對比水力制漿法和煅燒化學制漿法制備的云母漿料抄造的云母紙和芳綸云母紙的性能,可知煅燒化學制漿法制備的云母漿料更利于提高紙張的介電強度和拉伸強度;通過正交試驗獲得了煅燒化學制漿工藝的最佳條件。進行了云母漿料粒度組成對芳綸云母紙復合材料性能的影響研究,并通過正交試驗獲得了最佳的云母鱗片粒度組成用于芳綸云母紙的制備。

         二、盡量減少生產用水中雜質金屬離子、懸浮物,避免堿性水質是提高芳綸云母紙強度性能的前提;凈化水質后,可選用不同的改性劑對云母鱗片進行表面改性提高云母鱗片的表面性質;通過對比幾類不同的改性劑可知,聚丙烯酰胺類改性劑和淀粉類改性劑對云母鱗片的改性效果明顯。其中淀粉類改性劑較好,以陽離子淀粉改性劑為最佳;當陽離子淀粉改性劑的用量為10kg/t,改性云母漿料濃度為16%,改性時間30min改性后的云母鱗片抄造的芳綸云母紙比未經改性云母鱗片抄造的芳綸云母紙的拉伸強度提高了277.5%,改性效果十分明顯,且改性劑的添加不影響材料的介電性能。

         三、通過不同的改性方式對芳綸纖維進行表面改性研究,發現超聲波改性對提高芳綸纖維的表面活性,促使纖維表面微纖維、帚化較有利;同時,輔以硅烷偶聯劑改性,可有效的提高芳綸纖維的表面力,提高材料的強度。經過600W的超聲波改性5min,再以30kg/t的硅烷偶聯劑改性5h后的芳綸纖維與云母鱗片混合抄造的芳綸云母紙的拉伸強度由23.97N/cm提高至28.56N/cm,提高了19.1%,改性效果明顯。聚氧化乙烯和十二烷基苯磺酸鈉同時使用作為芳綸纖維的分散劑,可實現芳綸纖維的均勻分散,提高抄造的芳綸云母紙的均勻度。

         四、通過對比三種不同的抄造成形工藝,最終確定了最適合芳綸云母紙抄造的工藝:混漿抄造工藝,其工藝流程簡單,操作方便,芳綸纖維的補強效果好,極大的提高了云母紙材料的強度。

         五、進行了芳綸云母紙的熱壓操作,獲得了最佳的熱壓工藝參數,即在平板硫化機上以240℃的溫度,22MPa的壓力下熱壓1h。經過熱壓后,芳綸云母紙的拉伸強度可達33.65N/cm,介電強度33.84KV/mm、耐折度1.74,材料的密實度、柔軟性能增強。并對比了自制芳綸云母紙與NOMEX418紙的各項性能,包括機械性能、耐溫性能、絕緣性能和使用穩定性,自制芳綸云母紙的拉伸強度、介電強度較高,耐溫性能和穩定性與NOMEX418類似,體積電阻率和介質損耗有待進一步提高。課題研究中,芳綸云母紙均在實驗室條件下制得,工業化生產時紙張的性能會進一步提升。

         六、探討了芳綸云母紙復合增強的機理:云母鱗片的級配提高了材料的密實度,減少了材料內部的裂隙,降低了材料從裂隙處破壞的幾率;改性劑在云母鱗片表面的物理吸附和化學鍵和提高了云母鱗片的表面力,超聲波空化作用和偶聯劑的偶聯作用提高了芳綸纖維的表面活性,有效的改善了材料的界面結合性能,增加了材料的塑性,提高了材料的整體性能。

         芳綸云母紙復合材料的研制具有重要的意義:首先,本課題芳綸云母紙的制備可填補國內無相關產品的空白,打破對國外產品的依賴。其次,芳綸纖維的補強云母紙基材料可以達到很高的強度,制備的芳綸云母紙可直接使用,無需再添加補強材料,提高了材料中云母的含量,有利延長云母紙材料的使用壽命,提高電氣設備的安全性。通過合適的工藝流程,可一次成形,省去了傳統工藝的浸膠、補強工藝,簡化了工藝流程。再次,芳綸纖維的使用,有利于減薄了紙基絕緣的厚度,對電氣設備的小型化有重要的意義。最后,添加少量的芳綸纖維極大的降低了芳綸云母紙生產的成本,增加了產品的經濟效益。
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