纖維素基電絕緣材料的制作方法
【專利摘要】本公開涉及一種電裝置(4)，包括呈紙張或壓制板形式的纖維素基電絕緣復(fù)合材料(1)，該復(fù)合材料包括：纖維素纖維；以及電絕緣熱塑性聚合物材料；其中該聚合物材料在纖維素纖維周圍和之間布置，并且將所述纖維彼此粘合。
【專利說明】纖維素基電絕緣材料

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開涉及一種包括纖維素基電絕緣材料的電裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 油浸式配電式電力變壓器的絕緣材料由纖維素制成。纖維素借助于紙張機(jī)被轉(zhuǎn)變 成壓制紙或壓制板。壓制板進(jìn)一步被轉(zhuǎn)變成在變壓器中使用的不同絕緣元件。這些元件包 括隔板、擋板、壓環(huán)和帶。對于在較高溫度下操作的變壓器，或者變壓器中的熱點(diǎn)，還使用諾 梅克斯（Nomex)基絕緣材料或者諾梅克斯和纖維素的組合物。
[0003] 壓制板由未漂白的硫酸鹽紙漿制成。通過同時加熱并按壓來制備紙漿并且然后將 其干燥成薄板。
[0004] 纖維素基絕緣材料與油結(jié)合具有非常良好的絕緣特性（例如，抗電子流）。然而， 纖維素基絕緣材料可以在變壓器變干燥時經(jīng)歷收縮（典型地壓制板厚度的2-6%)。收縮 可能使得由于繞組的隔板的收縮而在干燥變壓器繞組期間的迭代過程中有必要調(diào)節(jié)變壓 器繞組的高度。
[0005] US2010/0193116公開了一種制造具有減小的機(jī)械吸附蠕變的復(fù)合材料的方法。該 方法包括木質(zhì)纖維材料與熱塑性材料的混合纖維，其中熱塑性材料呈纖維形式。
[0006] W003/104559公開了一種在變壓器中使用的紙，其中木質(zhì)紙漿已與作為干燥強(qiáng)度 添加劑的多烴基聚合物（諸如聚乙烯醇）混合。
[0007] US2004/140072公開了一種在變壓器中使用的纖維素纖維、聚合物粘合劑和芳族 聚酰胺纖維制成的紙。聚合物粘合劑可以是聚乙烯醇，再次作為干燥強(qiáng)度添加劑。
[0008] W02009/008822涉及一種制造具有減小的機(jī)械吸附蠕變的復(fù)合材料的方法，該方 法包括如下步驟：a)木質(zhì)纖維材料與熱塑性材料的混合纖維，其中熱塑性材料呈纖維形 式，b)將步驟a)中制成的混合物加入到濕網(wǎng)上，從而形成復(fù)合材料以及c)熱壓制該復(fù)合 材料。優(yōu)選地，在接近熱塑性材料的熔點(diǎn)的溫度下執(zhí)行壓制。
[0009] US2002/012759涉及用于形成紙容器（諸如用于食物的杯或盤）和各種工業(yè)產(chǎn)品 的模制原紙。該紙在其至少一個表面上包括合成樹脂層。
[0010] W092/105311涉及由包含具有改進(jìn)的濕強(qiáng)度和干強(qiáng)度的多烴基酸的樹脂粘合的纖 維素紙漿產(chǎn)品，以及它們的制備。有必要熱軟化樹脂聚合物以粘合纖維素纖維或者熔化聚 合物以浸漬和涂覆纖維素紙漿纖維。
[0011] EP0304693涉及通過用含鹵素不飽和聚酯樹脂的浸漬基材，并且然后固化該含鹵 素不飽和聚酯樹脂來制備的阻燃電層壓板，其中所述含鹵素不飽和聚酯樹脂是通過將含鹵 素不飽和聚酯溶解到聚合單體中來制備的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種包括以紙張或壓制板形式的纖維素基電絕緣復(fù)合 材料的電裝置，所述材料包括：纖維素纖維；以及電絕緣熱塑性聚合物材料；其中聚合物材 料布置在纖維素纖維周圍和之間，并且將所述纖維彼此粘合。
[0013] 改進(jìn)的電裝置通過利用根據(jù)本發(fā)明的電絕緣復(fù)合材料獲得。通過形成纖維素纖維 和熱塑性聚合物材料的復(fù)合材料，所述聚合物材料已在纖維素纖維周圍被熔化，可以獲得 具有改進(jìn)的特性的電絕緣材料。具體地，復(fù)合材料在干燥時，例如在干燥包括復(fù)合材料的變 壓器時顯示減小的收縮。復(fù)合材料可以例如從大約2%至大約5%的含水量被干燥。該干 燥不應(yīng)與在復(fù)合材料的壓制和生產(chǎn)期間的干燥混淆。減小的收縮可能部分地歸因于與規(guī)則 的壓制板材料相比的減小的復(fù)合材料水分吸收，以及部分地歸因于使復(fù)合材料更具剛性的 熱塑性聚合物材料。本發(fā)明的復(fù)合材料還展示了改進(jìn)的機(jī)械特性，諸如減小的蠕變和改進(jìn) 的耐壓強(qiáng)度。由于熱塑性聚合物材料，復(fù)合材料也可以是可熱成形的，從而允許生產(chǎn)不同形 狀（諸如復(fù)雜形狀）的復(fù)合材料。
[0014] 通常，權(quán)利要求書中所使用的所有術(shù)語都要根據(jù)【技術(shù)領(lǐng)域】中它們的普通意義來解 釋，除非本文另外明確定義。所有涵義"一 / 一個/元件、設(shè)備、部件、裝置、步驟等"開放地 解釋為意指元件、設(shè)備、部件、裝置、步驟等的至少一個實(shí)例，除非另外明確指出。本文公開 的任何方法的步驟不必以所公開的準(zhǔn)確順序來執(zhí)行，除非明確指出。針對本公開的不同特 征/部件的"第一"、"第二"的使用僅旨在將這些特征/部件與其他相似的特征/部件區(qū)分 而且并不旨在賦予這些特征/部件任何順序或?qū)蛹墶?br>
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 將參照附圖通過示例來描述實(shí)施例，附圖中：
[0016] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的纖維素基電絕緣復(fù)合材料的實(shí)施例的示意圖。
[0017] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的變壓器的實(shí)施例的示意圖。
[0018] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)施例的示意性流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 現(xiàn)在將在下文中參照附圖更充分地描述實(shí)施例，其中示出了一些實(shí)施例。然而，呈 許多不同形式的其他實(shí)施例在本公開的范圍內(nèi)是可能的。而且，下列實(shí)施例通過示例來提 供使得本公開將是徹底且完整的，并且將本公開的范圍充分地傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在 整個說明書中相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件。
[0020] 纖維素纖維可以為本質(zhì)上純的纖維素纖維，或者除纖維素以外，它們可以包含半 纖維素和木質(zhì)素。
[0021] 電裝置可以是包括電絕緣材料的任何電裝置，例如電變壓器或電動機(jī)，其尤其受 益于復(fù)合材料。
[0022] 復(fù)合材料是電絕緣的并且適于用作電子裝置中的絕緣材料。復(fù)合材料可以例如用 作高電壓裝置（諸如高電壓變壓器）中的高電壓絕緣材料，由此復(fù)合材料可以是高電壓絕 緣材料。
[0023] 本發(fā)明的復(fù)合材料可以呈纖維素纖維和熱塑性聚合物材料基體的形式。復(fù)合材料 因此不包括或多或少彼此松散地粘合的纖維素的纖維和熱塑性聚合物材料的纖維。復(fù)合材 料也不是纖維素層和熱塑性聚合物層的層壓板。相反地，熱塑性聚合物材料可以已被熔化， 或者至少被充分軟化以獲得粘性，使得其涂覆纖維素纖維并且填滿纖維素纖維之間的空間 以形成復(fù)合材料和/或使得聚合物材料將纖維素纖維粘合在一起。
[0024] 復(fù)合材料可以呈紙張、隔板、擋板、帶或壓環(huán)的形式以用于電裝置中的絕緣或電裝 置的絕緣，該電裝置諸如是電導(dǎo)體、電變壓器或電動機(jī)。復(fù)合材料具有電絕緣特性，該特性 在任何電裝置中都可以是有用的，諸如用于使電導(dǎo)管絕緣，但是復(fù)合材料在油環(huán)境中，諸如 在電變壓器中是尤其有利的。具體地，復(fù)合材料可以用于制造變壓器繞組中的電絕緣隔板。
[0025] 復(fù)合材料可以本質(zhì)上為純的，或者其可以至少部分地被浸漬。復(fù)合材料可以在例 如電動機(jī)或油浸式電變壓器（例如配電變壓器）中用絕緣液體（諸如浸漬油）來浸漬。附 加地或可替換地，復(fù)合材料可以用絕緣氣體來浸漬，該絕緣氣體諸如是氮?dú)?、干燥空氣? 或SF6。附加地或可替換地，復(fù)合材料可以用固體材料來浸漬，該固體材料諸如是凝固液體， 例如反應(yīng)熱固樹脂（例如，環(huán)氧樹脂，例如用于干式變壓器中）。
[0026] 熱塑性聚合物材料可以被加入呈不同形式的纖維素纖維中并且與該纖維素纖維 混合，例如在溶解過程中纖維素纖維被涂覆有聚合物材料，作為聚合物材料的纖維或者作 為聚合物材料的粉末。熱塑性聚合物材料可以例如在研磨紙漿之前或之后已被加入包括纖 維素纖維的紙漿中，或者在稍后階段與纖維素纖維混合。
[0027] 熱塑性聚合物材料應(yīng)該是熱塑性的以便在復(fù)合材料的生產(chǎn)期間能夠熔化和凝固。 熱塑性聚合物材料因此可以具有允許聚合物材料熔化的熔點(diǎn)溫度和/或玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度， 以在沒有高到使生產(chǎn)不適當(dāng)?shù)匕嘿F或者破壞纖維素纖維的溫度下使聚合物材料變成液體。 另一方面，聚合物材料應(yīng)具有允許復(fù)合材料耐受在用作例如變壓器或電動機(jī)中的電絕緣材 料時其經(jīng)受的溫度的熔點(diǎn)溫度和/或玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。因此，熱塑性聚合物材料可以具有 小于200°C，諸如小于190°C或小于180°C的熔點(diǎn)。熱塑性聚合物材料可以具有140°C以上， 諸如150°C以上、160°C以上或170°C以上的熔點(diǎn)。熱塑性聚合物材料可以具有小于120°C， 諸如小于ll〇°C、小于100°C、小于90°C、小于80°C或小于70°C的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。熱塑性 聚合物材料可以具有50°C以上，諸如60°C以上的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。
[0028] 便利地，熱塑性聚合物材料在復(fù)合材料中以按重量計從1 %至30%的量存在，該 百分比諸如為lwt%至15wt%，或者在一些實(shí)施例中優(yōu)選地為5wt%至10wt%。該量可以 適于將纖維素纖維彼此涂覆或粘合以形成復(fù)合材料。
[0029] 熱塑性聚合物材料可以優(yōu)選地是可透氣的從而在其生產(chǎn)期間不會在復(fù)合材料中 存留氣泡。例如，聚酯可能不適合作為用于本發(fā)明的熱塑性聚合物材料，因?yàn)樗梢圆皇峭?氣的。類似地，熱塑性聚合物材料可以優(yōu)選地是可透水分的從而不會在其生產(chǎn)期間或者在 干燥包括其的電裝置（例如變壓器）期間在復(fù)合材料中存留水分。類似地，熱塑性聚合物 材料可以優(yōu)選地是可透油的從而不會在油用于干燥時阻礙復(fù)合材料和包括其的任何電裝 置的干燥。然而，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，聚合物材料可以不是可透氣和/或可透油的。
[0030] 熱塑性聚合物材料可以在油中穩(wěn)定，使得如果復(fù)合物例如被用絕緣油浸漬，聚合 物材料是穩(wěn)定的。聚合物材料可以具有敞開的蜂窩/泡沫結(jié)構(gòu)，使得絕緣油或其他絕緣液 體可以填充由聚合物材料形成的蜂窩/空隙并且/或者使得空氣或其他氣體不被存留在聚 合物材料中。因此，聚合物材料可以形成敞開泡沫結(jié)構(gòu)，即，不具有、具有低水平的或具有至 少被減少的封閉孔。
[0031] 熱塑性聚合物材料可以包括聚乳酸（PLA)或由該聚乳酸構(gòu)成，該聚乳酸也被稱為 聚交酯。PLA具有合適的熔點(diǎn)和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度并且是可生物降解的。交酯的手性允許若干 種形式的PLA，但是其可以優(yōu)選使用聚-L-交酯（PLLA)，也被稱為聚-L，L-交酯，或者不同 交酯形式的混合物。PLLA具有大約介于173°C至178°C之間的熔點(diǎn)溫度和大約介于60°C至 65°C之間的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度?？商鎿Q地，熱塑性聚合物材料可以包括聚酯或由聚酯構(gòu)成，該 聚酯諸如為聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET)，在該情況下，熱塑性聚合物材料可以具有200°C 以上的熔點(diǎn)，并且用于生產(chǎn)聚合物材料的加熱步驟可以包括加熱到200°C以上的溫度。
[0032] 如上所述，復(fù)合材料可以在油環(huán)境中具有特別有益的電絕緣特性。因此，復(fù)合材料 可以至少部分地在油中浸泡。
[0033] 下面討論圖。還參考本公開的其余部分，其中即使未明確參照附圖也進(jìn)一步討論 附圖的元件。
[0034] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的纖維素基電絕緣復(fù)合材料的實(shí)施例的示意圖。復(fù)合材料1呈 壓制板的形式。復(fù)合材料1包括纖維素纖維2,在圖1在由幾條線2示意地表示。在纖維素 纖維之間所形成的空間中，存在已在纖維2周圍和之間熔化的并且然后被凝固的熱塑性聚 合物材料3。
[0035] 圖2是根據(jù)本發(fā)明的變壓器4的實(shí)施例的示意圖。變壓器4的實(shí)施例包括具有導(dǎo) 電繞組的多個線圈5。復(fù)合材料1可以用于變壓器4中的電絕緣。例如，由復(fù)合材料1制成 的擋板la可以定位在兩個線圈5之間以使線圈5彼此絕緣?？商鎿Q地或附加地，由復(fù)合材 料1制成的隔板lb可以用于線圈5中。應(yīng)該注意，變壓器4可以包括除圖2所示的那些之 外的多個更多的結(jié)構(gòu)零件，并且復(fù)合材料1可以以多種不同方式用于在變壓器4中并且用 于變壓器4中不同的位置的絕緣。而且，變壓器4已被選為可以包括復(fù)合材料1的電裝置 的例示性示例。許多其他示例也存在，諸如電動機(jī)或用于電流的導(dǎo)管。
[0036] 圖3是用于生產(chǎn)例如用于電變壓器的纖維素基電絕緣材料1的根據(jù)本發(fā)明的方 法10的實(shí)施例的示意性流程圖。提供11纖維素紙漿，例如硫酸鹽紙漿（典型地未經(jīng)漂白 的）。而且提供12熱塑性聚合物材料3。紙漿和聚合物材料然后彼此混合13。壓紙機(jī)、多 個日光熱壓機(jī)等繼而用于壓制14混合物以提供本文所討論的復(fù)合材料1的壓制板或壓制 紙等。壓制14還包括加熱15和干燥16混合物，以及將混合物壓制17成壓制板或壓制紙。 加熱是取決于所使用的熱塑性聚合物材料的溫度，但應(yīng)該足夠高以允許熱塑性聚合物材料 充分熔化以在凝固時將纖維素纖維彼此粘合。干燥16可以至少部分地借助于加熱15,從混 合物蒸發(fā)水分來實(shí)現(xiàn)，并且/或者至少部分地借助于壓制17,從混合物按壓水分來實(shí)現(xiàn)。在 干燥16之后，由此已經(jīng)出去足夠量的水分并且混合物被充分干燥，經(jīng)壓制17的混合物被允 許冷卻18。聚合物材料3由于加熱15已被熔化，在紙漿的纖維素纖維2周圍和之間熔化， 如本文所討論的。在冷卻18期間，聚合物材料3凝固，從而使板1具有剛性。冷卻18可以 額外地或可替換地與利用壓紙機(jī)的壓制14分開執(zhí)行。加熱15和壓制17可以在壓紙機(jī)中 同時進(jìn)行，干燥16混合物并且將其形成為壓制板等。經(jīng)冷卻18的壓制板可以繼而被切割 成期望的絕緣部件la、lb，例如用于變壓器或任何其他電裝置中。例如，用于使電變壓器絕 緣的隔板、擋板、帶或壓環(huán)，能夠例如通過切割復(fù)合材料1由該復(fù)合材料制成。
[0037] 示例
[0038] 根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料1針對其特性被生產(chǎn)和測試，所述復(fù)合材料是包括作為熱 塑性聚合物材料的PLA的纖維素壓制板。這些特性與根據(jù)國際電工委員會（IEC)、IEC標(biāo)準(zhǔn) IEC60641-3-2的相應(yīng)的要求相比較。

【權(quán)利要求】
1. 一種電裝置（4)，所述電裝置包括呈紙張或壓制板形式的纖維素基電絕緣復(fù)合材料 (1)，所述復(fù)合材料包括： 纖維素纖維（2);以及 電絕緣熱塑性聚合物材料（3); 其中所述聚合物材料（3)被布置在所述纖維素纖維（2)周圍和之間，并且將所述纖維 彼此粘合。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電裝置，其中所述電裝置（4)是電變壓器或電動機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電裝置，其中所述復(fù)合材料（1)呈用于電變壓器（4)中 的絕緣的隔板（lb)、擋板（la)、帶或壓環(huán)的形式。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電裝置，其中所述熱塑性聚合物材料（3)具有介 于140°C和200°C之間的熔點(diǎn)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電裝置，其中所述熱塑性聚合物材料（3)具有介 于50°C和120°C之間的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電裝置，其中所述熱塑性聚合物材料（3)包括聚 乳酸，PLA，諸如聚-L-交酯，PLLA，或聚酯，諸如聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電裝置，其中所述熱塑性聚合物材料⑶以1至 30wt%的量存在于所述復(fù)合材料（1)中，所述量諸如是1至15wt%或5至10wt%。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電裝置，其中所述復(fù)合材料（1)具有開放泡沫結(jié) 構(gòu)。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的電裝置，其中所述復(fù)合材料（1)例如用絕緣液 體、絕緣氣體和/或絕緣固體來浸漬。
【文檔編號】D21H17/33GK104066887SQ201380005888
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月20日
【發(fā)明者】L·哈克曼, T·布拉特伯格, A·瓦爾伯格, L·施密特 申請人:Abb技術(shù)有限公司