（纺织工程专业论文）耐高温聚苯硫醚纤维绝缘纸的研制.pdf

i 学位论文的主要创新点 一、在原料的选取上，本文以聚苯硫醚纤维为原料，并且不添 加任何其它纤维或填料，这在国内尚属首次，并且制备出的绝缘纸 耐高温，介电性能突出。 二、在制备工艺上，突破传统的湿法制备绝缘纸方法，与非织 造布工艺相结合，采取开松、梳理成网后热轧的方法而成。这种方 法工艺简单，工序少，能耗低，易于工业化实施。 摘要 绝缘纸广泛用作电机、电器设备中的绝缘材料，伴随着我国电力、电气等 行业的迅速发展，对绝缘纸的性能提出了越来越高的要求。普通的e 级、b 级 绝缘纸已难以满足发展的需求，长期以来，我国耐高温绝缘纸主要依赖进口， 因此开发出自主研制的价格适中、性能优异的新型耐高温f 、h 级绝缘纸，已 成为一项刻不容缓的课题。 - 不同于传统的湿法工艺，本文提出一个新方案，设计一种聚苯硫醚纤维绝缘 纸的制备方法。该制备方法采用1 0 0 聚苯硫醚纤维作为原料，经过开松、梳理 后成网，再经热轧而成。在原料上，不添加任何其它填料或纤维，可以充分发挥 聚苯硫醚纤维优异的耐高温、耐腐蚀和绝缘性能。在工艺上，产品制备简单，工 序少，生产效率高，能耗低，而且容易工业化实施。 本文通过大量的单因素实验和分析测试，研究了热轧的主要工艺技术条件温 度、压力、时间和p p s 纸的机械性能、透气性、电气性能之间的关系，以及在不 同的频率下的p p s 纸电气绝缘性能；通过正交分析实验，确定了实验室制备p p s 纸的最佳工艺条件；借助于热分析、扫描电镜、x 衍射分析、红外光谱分析等手 段，从熔融状态、结晶变化等角度对p p s 纸的性能进行了分析。实验研究了添加 不同比例的细旦p e t 纤维，对p p s 纸的性能产生的影响。最后对国产涤纶纸、杜 邦n o m e x t - 4 1 0 纸和自制的p p s 纸三者性能进行了对比分析。 结果表明，在热轧温度2 7 7 c 、热轧压力6 m p a 、热轧时间2 0 m i n 时，制得的 聚苯硫醚纤维绝缘纸的性能达到最佳。在此条件下制得的1 0 6 9 m 2 p p s 绝缘纸，其 厚度0 1 4 m m ，介电常数5 2 ，介电损耗0 0 0 3 ，电阻率7 2 9 x 1 0 1 8 q m ，介电强度 1 7 州m i l l ，2 5 0 热收缩率为1 1 ，已达到h 级绝缘纸的指标要求。 三种纸的性能对比表明，p p s 纤维绝缘纸的机械性能、热收缩性、电气性能 均明显优于国产涤纶纸；尺寸稳定性和绝缘性能好于n o r t g 纸，热收缩性与 n o m e x 纸不相上下，但机械性能与n o m e x 纸还有一定的差距。 添加入涤纶纤维后，热轧条件得到改善，但制得的p p s 纸的机械性能、绝缘 性能和热稳定性都有所下降，而且随着涤纶纤维含量的增多，下降的越明显。 关键词t 绝缘纸；聚苯硫醚；机械性能；电气性能；耐热性能；n o m e x a b s t r a c t w j t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a li n d u s l r y i no u rc o u n t r y , t h e p e r f o r m a n c eo fi n s u l a t i o np a p e rw h i c hw a sw i d e l yu s e da si n s u l a t i n gm a t e r i a l si nt h e m o t o ra n de l e c l r i c a le q u i p m e n t sa r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r eh i g h e r t h eh i g h t e m p e r a t u r er e s i s t a n ti n s u l a t i o np a p e ru s e di no u rc o t r yh a sb e e nr e l i e di m p o r t sf o r al o n gt i m e s oi ti sau r g e n ti s s u et od e v e l o pan o v e lk i n do f a f f o r d a b l ea n de x c e l l e n t h i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n ti n s u l a t i o np a p e rt om e e tt h efa n dh l e v e l u n l i k et h et r a d i t i o n a lw e tp r o c e s s ，an e w p r o g r a mt op r e p a r ei n s u l a t i o np a p e rw i t h t h er a wm a t e r i a lo fp o l y p h e n y l e n es u l f i d e ( p p s ) f i b e rw a sp r o p o s e di nt h i sw o r k t h e i n s u l a t i o np a p e rw a sm a d e 骨o mp u r ep p sf i b e r a n di tw a sp r e p a r e df o l l o w e db yf i b e r o p e n i n g ，c a r d i n ga n dt h e r m a lc a l e n d a r i n g 1 h ep p si n s u l a t i o np a p e rc a l lf u l l ye x e r t e x c e l l e n th i g ht e m p e r a t u r er e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n di n s u l a t i o np r o p e r t i e s b e c a u s en oo t h e rf i l l e r so rf i b e r sw e l e a d d e d c o m p a r e dt ow e tw a y ，t h e m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eh a dm a n yg r e a ta d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l ep r e p a r a t i o n ，l e s s p r o c e s s ，h i g h e rp r o d u c t i o ne f f i ci e n c y ，l o w e re n e r g yc o n s u m p t i o na n de a s i e ri n d u s t r i a l i m p l e m e n t a t i o n t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h em a i nt e c h n o l o g i e s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n d t i m ea n dm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fp p sp a p e rw a sr e s e a r c h e dt h r o u g ha l a r g en u m b e ro fs i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t sa n da n a l y t i c a lt e s t i n g ，a n dt h eo p t i m a l p r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ho r t h o g o n a la n a l y s i s t h ep e r f o r m a n c e s o f p p si n s u l a t i o np a p e rw e r er e s e a r c h e df r o mt h ev i e wo f t h em o l t e ns t a t e ，t h ec h a n g e o f c r y s t a l l i z a t i o nb yt h em e a n so f t h e r m a la n a l y s i s ，s e m , x r d , f t - i ra n ds oo i lt h e i n f l u e n c eo ft h ed i f f e r e n tp r o p o r t i o n so ff i n ed e n i e rp e tf i b e r so nt h ep r o p e r t yo fp p s f i b e rp a p e rw a si n v e s t i g a t e di nt h es t u d y f i n a l l y ，t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nw a s m a d ea m o n gt h ep p si n s u l a t i o np a p e r , t h ed u p o n tn o m e x t - 410p a p e ra n dt h e d o m e s t i cp o l y e s t e rp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo b t a i n e dp p si n s u l a t i n gp a p e rc a r la c h i e v et h eb e s t p e r f o r m a n c ew i t ht h eh o tc a l e n d a r i n gt e m p e r a t u r eb e i n g2 7 7 c ，t h eh o tc a l e n d a r i n g p r e s s u r eb e i n g 6i v i p aa n dt h eh o tc a l e n d a r i n gt i m e b e i n g2 0 m i n u n d e rt h e s e c o n d i t i o n s ，t h eo b t a i n e d10 6e g m 2p p si n s u l a t i n gp a p e rh a sa c h i e v e dt h ei n d i c a t o r so f hl e v e li n s u l a t i o np a p e rw i t ht h ef o l l o w e dp e r f o r m a n c e ：t h et h i c k n e s si s0 14r m n , t h e p e r m i t t i v i t yi s5 2 ，t h ed i e l e c t r i c l o s si s0 0 0 3 ，t h er e s i s t i v i t yi s7 2 9 x1 0 1 8f l - m , t h e d i e l e c t r i ca r e n g n li s1 7k v m m , t h eh e a ts h r i n k a g eu n d e r2 5 0 。ci s1 1 t h em e c h a n i c 她h o ts h r i n k a g ea n de l e c t r i c a lp e r f o r m a n c eo fp p si n s u l a t i o np a p e r a r co b v i o u s l yb e t t e rt h a nt h a to fd o m e s t i cp e tp a p e r c o m p a r e dw i t ht h en o m c x i n s u l a t i n gp a p e r , t h ep p sp a p e r sd i m e n s i o n a ls t a b i l i t ya n dt h ei n s u l a t i o na r eb e t t e r , a n dt h et h e r m a ls h r i n k a g ei sa l m o s tt h es a m e ，b u tt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fp p s p a p e ri sl e s st h a nt h a to f n o m e xp a p e r t h er e s u l t si n d i c a t e st h a tt h eh o tc a l e n d a r i n gc o n d i t i o ni si m p r o v e dw h e na d d i n g t h ep e tf i b e r , b u tt h eo b t a i n e dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r , i n s u l a t i o np r o p e r t ya n dh e a t r e s i s t i n gp r o p e r t yo fp p sp a p e rh a v ed e c l i n e d a n dw i t ht h ec o n t e n to ft h ep e tf i b e r i n c r e a s i n g ，t h ed e c l i n ei sm o r ee v i d e n t l y k e 舯r d s ：i n s u l a t i o np a p e r ；p o l y p h e n y l e n es u l f i d e ( p p s ) ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ； e l e c t r i c a lp r o p e r t y ；h e a tr e s i s t a n c e ；n o m e x 目录 第一章绪论1 1 1 绝缘纸概述l 1 1 1 绝缘纸的定义。l 1 1 2 绝缘纸的分类1 1 1 3 绝缘纸的性能要求3 1 1 4 绝缘纸的应用6 1 2 合成纤维绝缘纸7 1 2 1 合成纤维绝缘纸的原料种类8 1 2 2 合成纤维绝缘纸的制备方法9 1 3 国内外绝缘纸概况1 2 1 3 ，l 国外情况1 2 1 3 2 国内情况1 3 1 4 课题的研究目的、意义及内容1 5 1 4 1 课题的提出l5 1 4 2 主要研究内容1 5 1 4 3 课题的研究目的及意义1 6 第二章聚苯硫醚纤维的结构及其特性1 7 2 1 聚苯硫醚的结构1 7 2 2 聚苯硫醚纤维的生产工艺1 8 2 2 1 聚苯硫醚的合成1 8 2 2 2 聚苯硫醚纤维的制备。1 9 2 3 聚苯硫醚纤维的特性2 0 2 3 1 耐热性能2 0 2 3 2 耐化学腐蚀性2 0 2 3 3 阻燃性2l 2 3 4 电绝缘性2 2 2 - 3 5 价格较低2 2 2 4 聚苯硫醚纤维的应用2 2 2 4 1 高温针刺过滤袋2 2 2 4 2 其它领域2 3 第三章实验部分2 5 3 1 实验原料及仪器设备2 5 3 1 1 实验原料2 5 3 1 2 实验仪器2 5 3 2 聚苯硫醚纤维绝缘纸的制备2 5 3 3 性能测试2 6 3 3 1 纤维性能的测试2 6 3 3 2 绝缘纸物理性能的测试2 7 3 3 3 绝缘纸电气性能的测试2 7 3 3 4 绝缘纸热性能测试3 0 3 3 5 材料特征指标的测试3 l 第四章结果与讨论3 3 4 1 热轧工艺参数的初步探索。3 3 4 2 热轧工艺参数对p p s 纸机械性能和透气性的影响3 4 4 2 1 热轧温度对p p s 纸机械性能和透气性的影响。3 4 4 2 2 热轧压力对p p s 纸机械性能和透气性的影响。3 9 4 2 3 热轧时间对p p s 纸机械性能和透气性的影响。4 l 4 3 热轧工艺参数对p p s 纸电气性能的影响4 4 4 3 1 热轧温度对p p s 纸电气性能的影响4 4 4 3 2 不同厚度下p p s 纸的电气性能一4 7 4 3 3 不同频率下p p s 纸的电气性能4 8 4 4 正交实验分析5 0 4 5 添加入涤纶纤维的p p s 纸5 3 第五章聚苯硫醚纤维绝缘纸和国内外绝缘纸的对比研究5 5 5 1 热轧后p p s 纸变黄的问题。5 5 5 2 机械性能和透气性对比5 6 5 3 电气性能对比5 9 5 4 耐热性能对比6 0 5 5 成本分析6 l 第六章结论与展望6 3 6 1 全文结论6 3 6 2 下一步工作“ 参考文献6 5 硕士期间发表论文和参加科研情况6 9 致 射7 1 第一章绪论 第一章绪论 改革开放以来，随着我国电力、电器、电子、通讯和家电等行业的快速发展， 全国绝缘材料产品的产销量持续增长。据资料介绍，我国绝缘材料总产量在2 0 世纪末已居世界首位，1 9 9 5 年产量为1 2 9 8 万吨，2 0 0 0 年已达到1 6 8 万吨。进入2 l 世纪后，全国绝缘材料除产量继续增长外，在品种需求结构方面也发生了很大变 化。据f r e e d o n i a 集团最新公布的一份市场报告称，从现在起到2 0 1 3 年，预计中国 的绝缘材料消费年增长将达到8 2 ，总额将达3 5 7 亿元人民币( 5 2 2 7 亿美元) 。根 据“十二五”国民经济和社会发展规划，参照国外绝缘材料发展趋势，考虑未来的 绝缘材料市场需求，我国绝缘材料行业将加强各种新型绝缘材料的开发和应用研 究。其中，研究耐高温绝缘材料对各种电机实现小型化、大容量化和使用环境多 样苛刻化有着重要意义，是现代绝缘材料产品的重点发展方向。根据我国国情， 今后将加强现有f 、h 级绝缘材料的推广应用，开拓新用途，并在此基础上发展 价格适中的新型f 、h 级耐热纤维纸，牵引电机和航空电机用c 级绝缘纸，超耐热 ( 3 0 0 c 以上) 有机或半无机绝缘纸等新产品n 唰。 1 1 绝缘纸概述 1 1 1 绝缘纸的定义 绝缘纸是由植物纤维、动物纤维、合成纤维、矿物纤维或薄片或其混合物， 添加或不添加其它物质，在流动的悬浮液中沉积到适当的成型设备上，制成的片 状或卷片状的系列材料的通称b 1 。在一般情况下，克数( 基准重量) 小于2 2 5 9 m 2 时称为纸。绝缘纸具有高的抗撕裂强度，伸长率小，耐油性好，浸渍性好，与同 样作为绝缘材料的聚合物薄膜相比，尽管聚合物薄膜具有很高的抗拉强度和介电 性能，但它的这些性能不如绝缘纸。绝缘纸广泛用作电机、电缆、电容器和变压 器中的绝缘材料，也是层压制品、复合材料和预浸材料等绝缘材料的主要组成材 料h 1 。 1 1 2 绝缘纸的分类 按照原料来源嵋1 ，绝缘纸可以分为植物纤维纸、矿物纤维纸、合成纤维纸三 大类，如图1 1 所示。 绝缘纸 天津工业大学硕士学位论文 如快巴纸、牛皮纸等 聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺纤维纸等 图1 1 绝缘纸按原料来源的分类情况 植物纤维纸由未漂白的硫酸盐木浆经抄纸而成，按用途可以分为电缆纸、电 话纸、电容器纸、卷缠纸盒浸渍纸等。传统的以植物纤维为原料的各种绝缘纸如 快巴纸、牛皮纸等，基本成分为纤维素( c 6 h i 0 0 5 ) 。，分子化学结构式见图1 2 。植 物纤维纸的最大缺点是耐热性低，其最大耐温极限仅为1 0 5 。当植物纤维绝缘 纸处在高温环境中时，纤维素分子链会逐渐断裂降解，从而使绝缘纸的机械强度 急剧下降。由于纤维素每个结构单元中含有3 个极性基团o h ，因此吸湿性大， 水分不易排出，极易受潮，这会对绝缘纸的介电性能产生很大的影响。另外，植 物纤维绝缘纸介质损耗角正切值大，容易老化，满足不了电工设备耐高电压、大 容量、耐高温和耐环境因素影响的要求。同时，植物纤维造纸要消耗大量的木材、 棉花、麻等，上述这些缺点大大限制了植物纤维纸的应用睁引。 。曹。啦 c h 2 0 h 图1 - 2 纤维素的分子结构式 矿物纤维，因为在开采和造纸过程中产生大量粉尘，会对操作工人的健康造 成影响已停止使用，有的矿物纤维在造纸时需要添加胶粘剂，使用也不普遍。长 期以来，我国电机工业以云母等为主要绝缘材料，由于云母等材料的耐热性能差， 纸纸纸 维维维纸 纤纤纤维纸璃瓷属纤母玻陶金碳云 厂 一， 纸 纸 纸 维 维 维 纤 纤 纤 物 物 成 植 矿 合 j，。l 第一章绪论 绝缘厚度大，因此制成的电机功率较小，体积较大，并且大部分电机都是e 级( 长 期工作温度为1 2 0 ) 或b 级( 长期工作温度为1 3 0 ) 绝缘。若要制造f 级( 长 期工作温度为1 5 5 ) 或h 级( 长期工作温度为1 8 0 ) 电机，则由于采用的云母 纸厚度较大，机械强度差，因此制成的电机体积较大，并且功率不够，电机的可 靠性较差怕1 。 到了2 0 世纪初，随着交流发电机和三相输电线路的出现，对绝缘材料提出了 越来越高的要求。以前的天然材料已经很难满足电工技术的要求，这就促进了合 成材料的产生。到了5 0 年代，伴随着现代聚合物化学工业的发展，真正开始了以 合成聚合物为基础的新型绝缘材料的发展时期n0 。此后，陆续出现了一些具有特 殊功能的合成纤维，并应用于造纸工业上。这类绝缘纸具有优异的耐热、阻燃、 耐腐蚀性能等，得到了广泛的应用，为我国的电机行业带来了福音。 1 1 3 绝缘纸的性能要求 由于绝缘纸的特殊用途，要求它必须具备一些不同于其它纸种的特性，主 要包括机械性能、电气性能和热稳定性3 。 1 1 3 1 机械性能 绝缘纸在使用过程中，会同时承受各种外力的影响，如高压大容量发电机所 用的绝缘纸要能承受高速旋转、起动停止以及突然短路造成的很大机械应力，因 此要求绝缘纸有较高的机械性能，主要包括抗张强度、伸长率和撕裂度等n 别。 1 1 3 2 电气性能 绝缘纸是用于电器中的一种绝缘介质，也称为电介质，除了满足一定的物理 性能和化学性能要求外，还必须满足电气性能要求。绝缘纸的电气性能就是指其 在电场作用下发生的极化、电导、介质损耗和击穿等特性n3 。 ( 1 ) 极化 在电场作用下，电介质分子结构中的正、负电荷分别向两极分化位移，在电 介质两表面呈现电极性( 或出现束缚电荷) 的性能称为极化性能。极化的基本形 式包括电子极化、离子极化、电偶极子取向极化和空间电荷极化，其中偶极的取 向极化对高聚物介电性能影响最大。 表示电介质在电场作用下极化程度的物理量叫做相对介电常数，简称介电常 数，用舀表示。f 可以用下列公式计算： e , = c c o ( 1 - 1 ) c - 一充电介质后极板间的电容量( 单位：f ) ； c 0 一真空下极板间的电容量( 单位：f ) 。 冀 天津工业大学硕士学位论文 图1 3 所示为极性固体电介质的，和温度的关系。在不同的温度下，高聚物的 分子结构、凝聚态结构通常会发生不同程度的改变，从而影响材料的介电常数， 如支化会使高分子链之间作用力减弱，分子链活动能力增加，介电常数增大n 副。 t l t 图1 3 极性固体介质的，与温度关系示意图 ( 2 ) 电导 ， 电介质的绝缘性能与电导性能是相对立的，导电性能越差则绝缘性能越好。 通常情况下，用电导率丫来表示电介质在电导过程中的强弱程度。绝缘材料的电 导率很小，如2 0 时纤维素的电导率约为1 0 。1 4f l - i c m 。1 。因此，可以从导电这 个角度来评价电介质的绝缘性能好坏。与导体相比，在绝缘材料电导过程中所流 过的电流非常小，一般以衅计，此电导电流称为泄漏电流。泄漏电流在直流电 压下对应的电阻称为绝缘电阻。绝缘电阻、泄漏电流等绝缘特性参数是用来判断 电介质材料绝缘性能好坏的重要参数u 引。 绝缘纸的导电性能受杂质和水分的影响较大n 引，当绝缘纸中杂质和水分含量 高时，其导电性会增大，导致泄漏电流值增大，绝缘电阻值减小，因此在绝缘纸 的生产过程中应严格控制成品中的杂质和水分含量。相应的标准对绝缘纸的杂质 和水分含量也作出了明确规定，例如g b 7 9 6 9 2 0 0 3 规定电力电缆纸中灰分含量小 于0 7 ，水分控制在6 0 0 0 9 0 范围内。 ( 3 ) 介质损耗 在交流电压下，除电导损耗外，还有因介质极化而引起的能量损耗。人们一 般习惯用电介质损耗角正切值t a n g 来描述电介质的损耗，t a n g 主要与材料本身特 性有关。决定高聚物材料介电损耗值大小的内在原因，一个是高聚物分子的极性 大小和极性基团的密度，另一个是极性基团的可动性n 引。高聚物分子的极性越大， 极性基团密度越大，n t a n g 越大。在电气绝缘机构中应用的电介质，要求t a n g 尽 可能的小。在并联等效电路中，由损耗公式1 2 可知1 ，t a n g 越小，电介质的发热 和能量损失越小，因为介质发热加剧而加速材料老化或导致绝缘热击穿的可能性 第一章绪论 则越小。 p = u 2 w c p t a n 5( 1 - 2 ) 式中：卜电介质能量损耗( 单位：j ) u - - - 等效电压( 单位；v ) w 一电场频率( 单位：h z ) c 厂等效电容器电容( 单位：f ) t 锄卜电介质损耗角正切 同样，绝缘纸的介质损耗受杂质和水分的影响也非常大。当绝缘纸中杂质和 水分的含量多时，会增加材料的电导电流和极化率，绝缘电阻值因此而增大，尤 其当含有金属离子时绝缘纸的绝缘损耗增加明显渤1 。另外，人们常常会根据 t a n 8 u 曲线的测量，来判断电介质中是否含有气泡，因为在一定的电场强度下气 泡会发生电离，导致t a n 8 急剧上升心。 ( 4 ) 击穿 电导、极化、损耗是指电介质在电场作用下发生的各种变化，当施加到电介 质上的电场强度增大到一定程度时，电介质便由介电状态突变为完全导电状态， 该过程称为电介质击穿，此时的电场强度称为击穿场强。当发生电介质击穿时， 通过绝缘纸的电流急增，如图1 4 所示，把d i d u = o o 处的电压称为击穿电压u b 。 u i u 图l - 4 电介质的u 1 曲线 固体电介质的击穿可分为电击穿、热击穿、电化学击穿和树枝化击穿等多种 形式。一般来说，当温度低于玻璃化转变温度时，击穿强度随温度的升高而下降 很少，击穿机理主要是电击穿嘲。实际上，绝缘材料发生击穿，常常是电、热、 放电等多种击穿方式同时存在，共同作用，难以区别。固体绝缘材料的击穿有两 个特点：( 1 ) 击穿强度较高；( 2 ) 击穿后其绝缘性能不能恢复。 绝缘纸的击穿强度受其紧度和透气度的影响最大池1 。紧度过大或过小都会降 低绝缘纸的击穿强度，当紧度相同时，绝缘纸的透气度越小，其击穿强度越大。 天津工业大学硕士学位论文 因此，在制备绝缘纸的过程中，可通过降低绝缘纸的透气度来提高击穿强度。 1 1 3 3 热稳定性 热稳定性是绝缘纸很重要的一个指标，是使绝缘纸产生低压绝缘老化的一个 主要因素，决定了它的使用寿命。在正常运行情况下，电场强度对绝缘老化过程 仅产生轻微的影响。绝缘纸长时间在高温环境下使用，就会因热老化而发脆，逐 渐失去其机械性能和电气性能。国内外许多学者采用加速老化的方式对绝缘纸的 热老化进行了研究，通过采用原子力显微镜及光谱分析等方式心4 。，发现绝缘纸 在热应力的作用下，纤维形态及分子结构受到破坏，聚合度降低，抗张强度下降 乜副。国际电工委员会( i e c ) 绝缘系统技术委员会( t c 9 8 ) 根据其使用寿命，把 绝缘纸划分为若干耐热等级，分别对应一定的最高允许温度乜引，如表1 1 所示。 表1 1 绝缘纸的耐热等级 各种耐温等级的绝缘材料，如果使用温度超过其规定的温度，那么材料将加 速老化，其寿命会大大缩短。如a 级绝缘材料使用温度超过允许温度8 ，寿命 将缩短一半左右；b 级绝缘材料若使用温度高1 0 。c ，h 级绝缘材料使用温度超过 1 2 ( 2 ，那么寿命均缩短一半幅3 。 1 1 4 绝缘纸的应用 1 1 4 1 绝缘纸在变压器中的应用 绝缘纸广泛地应用在各种变压器中，包括各种干式变压器和油浸式变压器， 它可以用作导线包纸、层绝缘、相绝缘、芯线绝缘、线端绝缘、静电环、撑条、 垫块等。绝缘纸也可以与其它材料一起使用，如n o m e x 纸与m i d e l 、r - t e m p 和硅 树脂等耐高温油一起使用，可以使变压器的重量和体积减少3 0 ，比采用常规矿 物油制造的设备更加安全。合成纤维绝缘纸与植物纤维纸一起使用的混合绝缘系 统也在变压器中得到应用。混合绝缘是指在变压器线圈高温部分采用耐高温合成 纤维纸，如芳纶纸、碳纤维纸等，而在其它不太热的部分使用植物纤维纸。这种 绝缘系统的应用，使得变压器的可靠性得到很大的提高。目前这种绝缘系统已在 欧洲、北美、澳大利亚以及亚洲和南美的许多国家得到使用。混合绝缘技术除应 用于常规变压器外，还应用于整流变压器中。我国的成都铁路供电系统，就是采 用了一台1 3 5 m v a 混合绝缘整流变压器取代原来的两台1 0 m v a 常规整流变压 第一章绪论 器，大大节省了成本乜瑚1 。 1 1 4 2 绝缘纸在电动机和发电机中的应用 绝缘纸也广泛地应用于发电机和电动机等设备中，包括直流、交流电动机 以及不规则成形线圈，从微型伺服电动机到1 3 6 k v 的工业装置和1 5 0 m w 的汽轮发 动机均可应用。其具体应用包括导线包纸、相绝缘、槽绝缘衬、整流子v 形环、 楔块中部和项部的撑条、极片和线圈支架、对地绝缘和引线绝缘等。另外，高性 能合成纤维绝缘纸还可以代替较厚的绝缘材料，增大槽内的额外空间。 1 2 合成纤维绝缘纸 表1 2 绝缘纸用材料发展概况 纸作为电气设备的绝缘材料已有悠久的历史了。早在1 8 6 1 年，人们就已经用 天津工业大学硕士学位论文 纸作为电容器的介质，1 8 9 3 年开始用作电缆的线芯绝缘h 1 。相应地，随着经济的 飞速前进，绝缘纸行业也得到了快速发展，制备绝缘纸的材料也随之发生了巨大 变化，如表1 2 所示乜刚。近些年来，新型合成纤维不断涌现，并应用在造纸工业 上，制备出了许多高性能合成纤维纸，如聚酯纤维纸、聚芳酰胺纤维纸、聚砜纤 维纸、聚嗯二唑纤维纸等，特别是芳纶绝缘纸的应用最为普遗，最为成功。由于 具有良好的综合性能，以及用户对高性能绝缘纸产品的需求日益增大，合成纤维 纸越来越受到市场的青睐。 1 2 1 合成纤维绝缘纸的原料种类 表1 3 常见合成纤维的特性 聚酯聚酰胺聚丙烯 纤维纤维腈纤维 聚烯烃聚乙烯聚四氟乙 纤维醇纤维 烯纤维 密度( g c 一) 1 3 8 断裂强度( n r e x ) 0 3 3 伸长率( ) 3 0 4 0 吸湿率( 蚴0 4 耐酸性优 耐碱性优 抗老化能力优 耐热性良 水接触角( o ) 8 1 1 2 6 0 3 6 - 0 4 0 2 0 2 5 5 o 优 优 良 差 3 7 3 9 用于制备绝缘纸的合成纤维原料种类很多，常用的主要有以下几种1 ： ( 1 ) 聚酯纤维：主要品种是涤纶( t e r y l e n e ) ，制成的绝缘纸强度高，电气性能 好。 ( 2 ) 聚酰胺纤维：商品名称为尼龙( n y l o n ) ，这类纤维种类很多，其中最常用 的是尼龙6 及尼龙6 6 ，可用于需要特殊强度和韧度的产品，但由于经济原因， 尼龙使用不如聚酯纤维普遍。 ( 3 ) 聚烯烃纤维：主要是由乙烯、丙烯等烯烃经单聚或共聚制得。常用的有 聚乙烯纤维与聚丙烯纤维，主要在湿法中作为粘结剂用纤维。 ( 4 ) 聚丙烯腈纤维：是由丙烯腈单独聚合或与其它单体共聚制成，其中最有 代表性的是腈纶( o r l o n ) 。 ( 5 ) 聚乙烯醇纤维：商品名称维尼纶( v m y l o n ) ，是种很重要的合成纤维，在 造纸中应用很多，它可分为可溶型与不溶型两种，其中可溶型纤维可作为纤维的 2 2 ， 2 2 m啪叫。优优优优 z m 2 9 5 2 5帅蛐o优优良差如肌蚍蚴m优优优良”嘣姗舶良优姥良加 第一章绪论 胶粘剂应用；不溶型纤维可抄制成纤维纸。 几种常见的用于制备绝缘纸的合成纤维的特性如表1 3 所示。 1 2 2 合成纤维绝缘纸的制备方法 要想获得具有足够机械强度和介电性能的绝缘纸，纤维问必须实现良好粘 合，目前主要靠施加胶粘剂或热粘合的方法达到纤维粘结的目的。在制备工艺上， 它不仅可以采用常规的湿法造纸工艺来抄造，即调制成水分散液后脱水成形，胶 粘剂可以加在纸料内一起抄造，或者成形后对纸幅进行浸渍或喷淋；也可以采用 干法制备，即用机械或气流的方法使合成纤维形成均匀的纤维网，然后再利用化 学粘合或热粘合法使纤维形成良好粘结。这两种制备绝缘纸的方法分别对纤维的 长度、线密度和卷曲度有一定的要求婚。 1 2 2 1 合成纤维绝缘纸的湿法制备 合成纤维的抄造适应性较差，因此在采用湿法抄造时，关键问题是解决好纤 维的良好分散、均匀成形和良好结合三个问题。其中均匀成形还与成形设备有关 【3 2 】 o ( 1 ) 合成纤维的水分散 为使合成纤维在水中良好分散，最好是从纤维自身来解决，即通过改性等方 法，提高纤维的亲水性，制取易分散于水的合成浆。但对于多数合成纤维，必须 采取其它措施来实现纤维的良好分散。 与亲水性纤维混抄。把亲水性纤维分散在水中，再混入合成纤维的分散液， 因为亲水性纤维的承托和阻隔作用，可以防止合成纤维的沉降和絮集。 添加分散剂。分散剂溶于水后，溶液粘度会大大提高，纤维的运动阻力因 此加大，彼此不能互相接触，从而避免絮聚。有的分散剂还可以形成一层水化膜， 包覆在纤维表面，防止纤维互相接触。水化膜还可以因带上一定电荷而产生势垒， 使纤维互相排斥而防止絮聚。 采用泡沫成形法。当大量分散的细微气泡聚集在一起时，它们各自具有一 定的强度，不易破裂。在轻微的外力作用下，这些气泡可以显示出一定的抵御能 力，具有较高的“粘度”。因此当纤维均匀分散在泡沫中时，可以达到限制纤维 的自由运动而防止其絮集的目的。泡沫分散液的主要成分是表面活性剂，在调制 过程中如果加入适量的聚氧化乙烯等胶粘剂，效果会更好。 合成纤维水分散性的影响因素可以简单归纳如下：纤维本身亲水性越强越有 利于分散：纤维越长，越容易絮聚；纤维越细，比表面积越大，表面自由能越大， 亲水性越好，对纤维分散有利；纤维相对密度过低易飘浮絮聚，过高则易发生沉 天津工业大学硕士学位论文 聚；纤维浓度高，提供给每根纤维的活动空间减小，易互相干扰、缠结而絮聚； 浆料的温度高，介质粘度下降，纤维运动变得容易，易互相接触而絮聚。 ( 2 ) 合成纤维的结合 为了提高成纸纤维间的结合力，保证绝缘纸具有一定的机械强度和介电性 能，通常采用施加胶粘剂或热熔的方法。 添加胶粘剂。适合于合成纤维抄纸用的胶粘剂种类很多，生产中多用合成 树脂类胶粘剂，其分类如表1 4 所示。 液体状的多采用胶乳( 或乳胶) ，可以加入纸料中，也可以在成形后对纸幅进 行喷淋或浸渍。常用的粉末状和纤维状胶粘剂多为聚乙烯醇类，在打浆过程中加 入。聚乙烯醇类胶粘剂只能在干燥过程中完成粘结，这是因为聚乙烯醇在冷水中 不溶，只能在加热时溶解m 1 。熟可塑型的粉末状或纤维状胶粘剂，其作用方式是 在加热加压过程中，发生软化熔融，起到粘结的作用。这就要求胶粘剂的软化点 和熔点要低于纸页纤维的软化点。 在选择胶粘剂时，如果采用与合成纤维自身原料相同的胶粘剂，粘结效果会 更好。 表l - 4 合成树脂类胶粘剂的分类 采用热粘合法。热粘合法适合于热塑性纤维。在温度和压力的作用下，热 塑性纤维会发生软化熔融，而使纤维之间产生粘结。对于熔点高而不便于采用热 粘合法的纤维，可以加入低熔点纤维，降低热熔温度。 究竟采用何种提高结合力的方法和何种胶粘剂，应该根据最终产品的性能要 求来确定。例如从耐热性方面来说，采用合成树脂胶乳，使用温度不能超过1 2 0 第一章绪论 1 3 0 ，若绝缘纸工作温度在2 5 0 - 3 0 0 之间，胶粘剂应考虑采用酚醛、脲醛等热 硬性树脂b 刳。 1 2 2 2 合成纤维纸的干法制备 合成纤维纸的干法制备，是以空气作为纤维的载体，在成型网上形成纤维薄 层，然后通过化学粘合或热粘合的方式成纸。其一般工艺流程为： 纤维原料一成网一浸渍胶粘剂干燥熟处理一卷绕。 与传统湿法相比，干法不以水为介质，能耗低2 3 倍；设备与生产过程较简 单，投资成本可低4 5 倍n 引；生产效率高，车速可达5 0 0 m m i n 。 ( 1 ) 合成纤维的成网 干法造纸纤维成网的方法，大致可分为机械成网、气流成网与静电成网三类 其中静电成网是使纤维带上一定量的电荷，然后被带有相反电荷的表面吸引而形 成纤维网的方法，这种方法目前应用较少。应用较多的是气流成网，其次是机械 成网m 1 。 机械成网 机械成网指纤维经过开松后，采用罗拉式梳理机，将纤维分梳成单根纤维状 而形成均匀的纤网。如果为几种纤维混合的原料，则通过梳理机可以达到均匀混 合的目的。 采用这种方法制成的纤网，纤维呈定向排列状态，纵横向强力比较大，需要 添加铺网工艺来调节纵横向差异，减小各项异性。 气流成网 气流成网是指利用气流的作用使纤维成网，即利用离心力与气流的作用使纤 维从锡林锯齿上脱落下来，凝聚在尘笼上形成纤网，其中纤维呈无定向排列状态。 ( 2 ) 纤维网的粘结 浸渍粘合法 这是最常使用的方法，所用粘合剂以液体状的胶乳为主，主要有聚乙烯一醋 酸乙烯胶乳( e v a ) 、丙烯酸苯乙烯胶乳( a c r ) 、苯二烯- 丁烯胶乳( s b r ) 等1 。 浸渍的方法主要有两种，一种是饱和浸渍法，浸渍时间一般为2 5 3 5 s ，粘合 剂含量高达3 0 4 0 ，纤维网强度高，但硬度较大；另外一种是喷雾浸渍法，将 粘合剂喷布在纤维网的表面，粘合剂含量为1 0 - 1 5 ，纤网蓬松性好，但强度较 差。 热粘合法 是指在温度和压力的作用下使纤维发生软化熔融，相互粘结而成为绝缘纸， 可分为添加粘合剂和不添加粘合剂两种。前者所用粘合剂为热塑性树脂粉末；后 者则是依靠热塑性纤维自身熔融产生