本發(fā)明涉及一種微/納米復(fù)合纖維電氣絕緣紙的制備方法，采用納米纖維與微米纖維復(fù)合來提高現(xiàn)有針葉木纖維絕緣紙的機(jī)械、電氣性能，屬于電氣絕緣紙技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

絕緣紙作為一種特殊用紙，具有性能優(yōu)異、成本低、環(huán)境友好、可再生等優(yōu)點。因此被廣泛應(yīng)用于各種電壓等級的油浸式電力變壓器和換流變壓器。目前，國際上通常采用棉漿和針葉木漿來制備絕緣紙，國內(nèi)則采用100％未漂白硫酸鹽針葉木漿。電力工業(yè)的快速發(fā)展對輸電距離和輸電容量提出了更高的要求，為實現(xiàn)“西電東送”乃至“亞歐洲際輸電”，需大力發(fā)展特高壓直流輸電技術(shù)。換流變壓器作為直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵核心設(shè)備，其閥側(cè)繞組復(fù)雜嚴(yán)峻的電場形式使得現(xiàn)有油紙絕緣材料故障不斷。因此有必要進(jìn)一步提高現(xiàn)有變壓器絕緣紙的性能。對于絕緣紙，在實際使用過程中會承受電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，因此絕緣紙不僅需要具備優(yōu)異的電氣性能，還需具備良好的機(jī)械性能和熱性能。其中機(jī)械性能對絕緣紙的老化具有重要影響，在一定程度上決定了紙絕緣材料的使用壽命，因此需著重關(guān)注。

除針葉木纖維外，常見的纖維還包括闊葉木纖維，麻纖維，棉纖維，竹纖維等微米纖維。闊葉木纖維同屬于木纖維，其采用闊葉木材制成，主要為雙子葉被子植物，常用的有桉木、楊木、樺木等。其特點是原木材質(zhì)較硬，纖維細(xì)胞含量低，纖維較短且直徑較小。以桉木為例，纖維細(xì)胞含量為82.4％，纖維平均長度僅為0.68mm，寬度僅為16.8μm。麻纖維長度較長，棉纖維的纖維素含量和結(jié)晶度較高。盡管我國森林資源匱乏，但竹資源十分豐富，竹漿的年產(chǎn)量占全世界的四分之一。因此，探索利用竹纖維制備絕緣紙，可有效解決對進(jìn)口針葉木纖維的依賴，促進(jìn)絕緣紙的國產(chǎn)化。與針葉木纖維相比，竹纖維細(xì)胞壁厚，表面紋孔小且分布稀疏，單根纖維強(qiáng)度高。單根moso竹纖維的抗張強(qiáng)度介于1.43gpa到1.69gpa,高于絕大多數(shù)針葉木纖維。將竹纖維加入到現(xiàn)在廣泛采用的針葉木纖維中有可能實現(xiàn)成本的降低和絕緣紙性能的提升。

納米改性是提高材料性能的一個重要手段。1994年，lewis首次正式提出了納米電介質(zhì)的概念。2002年，nelson等通過試驗證實了納米電介質(zhì)的可行性，之后納米電介質(zhì)研究成為熱點。對于絕緣紙，已有研究探討了添加無機(jī)納米顆粒來提升絕緣紙的電氣性能，如納米sio2、納米mgo、納米蒙脫土等，但由于無機(jī)納米粒子和有機(jī)植物纖維之間的相容性不好，使得纖維之間的結(jié)合強(qiáng)度降低，制備所得絕緣紙的機(jī)械性能下降。微米植物纖維的長度在毫米級別，寬度在微米級別，可稱之為微米纖維。由于微米植物纖維在結(jié)構(gòu)上可進(jìn)一步細(xì)分為微細(xì)纖維，原微細(xì)纖維，因此通過物理、化學(xué)方法對微米植物纖維進(jìn)行處理后便可得到納米纖維。納米纖維的寬度為幾十納米，長度可為幾百納米，甚至幾千納米。相比于無機(jī)納米粒子，納米級纖維具有如下優(yōu)點：首先納米級纖維作為有機(jī)納米添加劑，無需表面接枝處理，改性絕緣紙制備工藝簡單；其次納米級纖維與微米級纖維之間存在氫鍵作用，不容易從紙中擴(kuò)散到變壓器油中，改性效果相對更穩(wěn)定；再者納米級纖維屬于可再生資源、可降解、環(huán)境友好。

綜上可知，不同種類的微米纖維具有各自的特性優(yōu)勢，將針葉木纖維與其他微米纖維共混，有助于取長補(bǔ)短，提升復(fù)合電氣絕緣紙的機(jī)械性能。納米纖維可在針葉木絕緣紙的微米多孔結(jié)構(gòu)上形成新型二次結(jié)構(gòu)，改變平均孔徑分布，從而提高針葉木纖維絕緣紙的機(jī)械性能和電氣性能。納米纖維作為電氣絕緣紙的納米添加劑前景可觀。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是一種提高電氣絕緣紙機(jī)電性能的制備方法，對已有的電氣絕緣紙制備方法進(jìn)行改進(jìn)，在其中添加微米纖維或納米纖維，以提高電氣絕緣紙的機(jī)械、電氣性能。

本發(fā)明提出的微/納米復(fù)合纖維電氣絕緣紙的制備方法，包括以下步驟：

(1)在環(huán)境溫度下，分別將針葉木干漿板和植物納米纖維干漿板浸沒在去離子水中，浸泡12小時，得到針葉木濕漿板和植物納米纖維濕漿板，所述的植物納米纖維為闊葉木纖維、竹纖維、麻纖維和棉纖維中的任何一種或多種以任何比例混合；

(2)分別對上述針葉木濕漿板和植物納米纖維濕漿板進(jìn)行疏解、打漿，使?jié){液的質(zhì)量百分比濃度為0.5～2％，打漿時間為10分鐘～50分鐘，使?jié){料的肖伯爾打漿度為10°sr～60°sr，分別得到第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液；

(3)將納米纖維分散在去離子水中，得到質(zhì)量百分比濃度為0.5～2％的第三紙漿懸浮液，對第三紙漿懸浮液進(jìn)行超聲分散處理，超聲功率為500w～1800w，超聲時間為5分鐘～30分鐘；

(4)將上述第一紙漿懸浮液、第二紙漿懸浮液和第三紙漿懸浮液進(jìn)行共混，共混的懸浮液中固體纖維質(zhì)量比為：第一紙漿懸浮液:第二紙漿懸浮液:第三紙漿懸浮液＝1:(0～0.2):(0～0.2)，共混后攪拌均勻，攪拌時間5分鐘～20分鐘，得到微/納米復(fù)合纖維懸浮液；

(5)將上述微/納米復(fù)合纖維懸浮液放入紙頁成型設(shè)備中進(jìn)行脫水成型，得到絕緣濕紙頁；

(6)對上述絕緣濕紙頁進(jìn)行熱壓處理，熱壓壓強(qiáng)為100n/cm²～500n/cm²，熱壓溫度為100℃～150℃，熱壓時間為5分鐘～30分鐘，得到熱壓干燥后的電氣絕緣紙。

(7)將上述制備好的電氣絕緣紙成品置于溫度25℃、相對濕度為50％的恒溫恒濕環(huán)境中存儲備用。

本發(fā)明提出的微納米復(fù)合纖維電氣絕緣紙制備方法，其優(yōu)點是，本制備方法向針葉木絕緣紙中添加一定比例的非針葉木纖維和納米纖維，工藝過程簡單、易操作，可在不增添生產(chǎn)設(shè)備的前提下，直接應(yīng)用本制備方法，有效提升電氣絕緣紙的抗張強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)。本方法中的去離子水可替換為蒸餾水，純凈水，或其他經(jīng)過凈化處理的低電導(dǎo)率生產(chǎn)用水。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備受限時，打漿亦可采用混合打漿方式，即將經(jīng)過預(yù)處理的針葉木漿板和其他微米纖維漿板直接按比例混合，然后利用打漿機(jī)進(jìn)行疏解、打漿，肖伯爾打漿度同樣控制在10°sr到60°sr之間。利用本發(fā)明所述方法，可將電氣絕緣紙的抗張強(qiáng)度和擊穿場強(qiáng)提升20％左右。

附圖說明

圖1為針葉木纖維絕緣紙的孔徑分布。

圖2為10％納米纖維與90％微米纖維復(fù)合絕緣紙的孔徑分布。

圖3為針葉木纖維絕緣紙的掃描電子顯微鏡圖。

圖4為10％納米纖維與90％微米纖維復(fù)合絕緣紙的掃描電子顯微鏡圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的含有闊葉木纖維的電氣絕緣紙制備方法，包括以下步驟：

(1)在環(huán)境溫度下，分別將針葉木干漿板和植物納米纖維干漿板浸沒在去離子水中，浸泡12小時，得到針葉木濕漿板和植物納米纖維濕漿板，所述的植物納米纖維為闊葉木纖維、竹纖維、麻纖維和棉纖維中的任何一種或多種以任何比例混合；

(2)分別對上述針葉木濕漿板和植物納米纖維濕漿板進(jìn)行疏解、打漿，使?jié){液的質(zhì)量百分比濃度為0.5～2％，打漿時間為10分鐘～50分鐘，使?jié){料的肖伯爾打漿度為10°sr～60°sr，分別得到第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液；

(3)將納米纖維分散在去離子水中，得到質(zhì)量百分比濃度為0.5～2％的第三紙漿懸浮液，對第三紙漿懸浮液進(jìn)行超聲分散處理，超聲功率為500w～1800w，超聲時間為5分鐘～30分鐘；

(4)將上述第一紙漿懸浮液、第二紙漿懸浮液和第三紙漿懸浮液進(jìn)行共混，共混的懸浮液中固體纖維質(zhì)量比為：第一紙漿懸浮液:第二紙漿懸浮液:第三紙漿懸浮液＝1:(0.～0.2):(0～0.2)，第二紙漿懸浮液和第三紙漿懸浮液不同時為0，共混后攪拌均勻，攪拌時間5分鐘～20分鐘，得到微/納米復(fù)合纖維懸浮液；微/納米復(fù)合纖維懸浮液中，納米纖維的比例不超過20％，其他微米纖維的比例不超過20％，剩余為針葉木纖維，以實現(xiàn)對針葉木纖維微米級多孔結(jié)構(gòu)的有效填隙；

(5)將上述微/納米復(fù)合纖維懸浮液放入紙頁成型設(shè)備中進(jìn)行脫水成型，得到絕緣濕紙頁；

(6)對上述絕緣濕紙頁進(jìn)行熱壓處理，熱壓壓強(qiáng)為100n/cm²～500n/cm²，熱壓溫度為100℃～150℃，熱壓時間為5分鐘～30分鐘，得到熱壓干燥后的電氣絕緣紙。

(7)將上述制備好的電氣絕緣紙成品置于溫度25℃、相對濕度為50％的恒溫恒濕環(huán)境中存儲備用。

本發(fā)明方法中的打漿方式，可以分別將針葉木漿干漿板和其他微米纖維漿干漿板浸泡在去離子水中12小時，浸泡好后將漿板撕成25mm×25mm的小片。接著利用打漿機(jī)對處理好的針葉木漿板和其他微米纖維漿板分別進(jìn)行疏解、打漿。然后對納米纖維懸浮液進(jìn)行超聲分散處理，處理完成后，依據(jù)質(zhì)量配比，取適量的針葉木漿纖維、其他微米纖維和納米纖維進(jìn)行混合，為保證混合均勻，利用攪拌裝置處理5分鐘～20分鐘。也可以采用混合打漿方式，即將經(jīng)過預(yù)處理的針葉木漿板和其他微米纖維漿板直接按比例混合，然后利用打漿機(jī)進(jìn)行疏解、打漿，肖伯爾打漿度同樣控制在10°sr到60°sr之間。

以下介紹本發(fā)明制備方法的實施例：

實施例1

(1)在環(huán)境溫度下，將針葉木漿干漿板浸沒在去離子水中浸泡12小時，得到針葉木漿濕漿板。本實施例中使用的針葉木漿干漿板為加拿大喬治王子紙漿；

(2)利用打漿機(jī)，對上述針葉木漿濕漿板進(jìn)行疏解、打漿，使?jié){料質(zhì)量百分比濃度為0.5％，打漿時間為25分鐘，所得到的漿料的肖伯爾打漿度為37°sr。

(3)紙頁定量490g/m²，取12l上述針葉木纖維懸浮液，放入紙頁成型設(shè)備中進(jìn)行脫水成型，得到所需規(guī)格的電氣絕緣紙濕紙頁；

(4)對上述絕緣濕紙頁進(jìn)行熱壓處理，熱壓壓強(qiáng)為500n/cm²，熱壓溫度為115℃，熱壓時間為5分鐘，得到熱壓干燥后的電氣絕緣紙成品。

(5)將上述制備好的電氣絕緣紙成品置于溫度25℃、相對濕度為50％的恒溫恒濕環(huán)境中存儲備用。

測試結(jié)果：紙頁緊度為0.95g/cm³，抗張強(qiáng)度為109mpa，體積電阻率為2.1×10¹⁴ω·m，空氣中交流擊穿場強(qiáng)為10.9kv/mm，空氣中直流擊穿場強(qiáng)為20.7kv/mm，針葉木纖維絕緣紙的孔徑分布圖如圖1所示，針葉木纖維絕緣紙的掃描電子顯微鏡圖如圖3所示。

實施例2

(1)在環(huán)境溫度下，分別將針葉木漿干漿板和闊葉木漿干漿板浸沒在去離子水中浸泡12小時，得到針葉木漿濕漿板和闊葉木漿濕漿板；本實施例使用的闊葉木漿干漿板為福建青州馬尾松槳板，針葉木漿干漿板為加拿大喬治王子紙漿；

(2)利用打漿機(jī)，分別對上述針葉木漿濕漿板和闊葉木漿濕漿板進(jìn)行疏解、打漿，使得針葉木漿漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％，打漿時間為25分鐘，所得到漿料的肖伯爾打漿度為37°sr；闊葉木漿漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％，打漿時間為20分鐘，所得到漿料的肖伯爾打漿度為37°sr，如此分別得到第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液；

(3)將上述第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液進(jìn)行共混，共混的懸浮液中固體纖維質(zhì)量比例為：針葉木纖維97.5％，闊葉木纖維2.5％。共混后攪拌均勻，攪拌時間5分鐘，得到針葉木與闊葉木混合纖維懸浮液；。

(4)紙頁定量490g/m²，取12l上述紙漿懸浮液，放入紙頁成型設(shè)備中進(jìn)行脫水成型，得到所需規(guī)格的電氣絕緣紙濕紙頁；

(5)對上述絕緣濕紙頁進(jìn)行熱壓處理，熱壓壓強(qiáng)為500n/cm²，熱壓溫度為105℃，熱壓時間為5分鐘，得到熱壓干燥后的電氣絕緣紙成品。

(6)將上述制備好的電氣絕緣紙成品置于溫度25℃、相對濕度為50％的恒溫恒濕環(huán)境中存儲備用。

測試結(jié)果：紙頁緊度為1g/cm³，抗張強(qiáng)度為112.4mpa，空氣中交流擊穿場強(qiáng)為11.8kv/mm，空氣中直流擊穿場強(qiáng)為20.8kv/mm?？箯垙?qiáng)度提升3％，交流擊穿場強(qiáng)提升8％，。

實施例3

(1)在環(huán)境溫度下，分別將針葉木漿干漿板和竹漿干漿板浸沒在去離子水中浸泡12小時，得到針葉木漿濕漿板和竹漿濕漿板。本實施例中使用的針葉木漿干槳板為加拿大虹魚紙漿，竹漿干槳板由四川永豐公司生產(chǎn)；

(2)利用打漿機(jī)，分別對上述針葉木漿濕漿板和竹漿濕漿板進(jìn)行疏解、打漿，使得針葉木漿漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％，打漿時間為25分鐘，所得漿料的肖伯爾打漿度為37°sr；竹漿漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％，打漿時間為15分鐘，所得漿料的肖伯爾打漿度為37°sr，如此得到第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液；

(3)將上述第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液進(jìn)行共混，共混的懸浮液中固體纖維質(zhì)量比例為：針葉木纖維90％，竹纖維10％。共混后攪拌均勻，攪拌時間5分鐘，得到針葉木與竹混合纖維懸浮液；

(4)紙頁定量490g/m²，取12l上述紙漿懸浮液，放入紙頁成型設(shè)備中進(jìn)行脫水成型，得到所需規(guī)格的電氣絕緣紙濕紙頁；

(5)對上述絕緣濕紙頁進(jìn)行熱壓處理，熱壓壓強(qiáng)為500n/cm²，熱壓溫度為115℃，熱壓時間為10分鐘，得到熱壓干燥后的電氣絕緣紙成品。

(6)將上述制備好的電氣絕緣紙成品置于溫度25℃、相對濕度為50％的恒溫恒濕環(huán)境中存儲備用。

測試結(jié)果：紙頁緊度為1.01g/cm³，抗張強(qiáng)度為115mpa，體積電阻率為2.4×10¹⁴ω·m，空氣中交流擊穿場強(qiáng)為12.4kv/mm，空氣中直流擊穿場強(qiáng)為21.9kv/mm?？箯垙?qiáng)度提升5.5％，交流擊穿場強(qiáng)提升13.8％，直流擊穿場強(qiáng)提升5.8％。

實施例4

(1)在環(huán)境溫度下，分別將針葉木漿干漿板和棉漿干漿板浸沒在去離子水中浸泡12小時，得到針葉木漿濕漿板和棉漿濕漿板，本實施例中針葉木漿干漿板為白俄羅斯明斯克紙漿，棉漿干漿板則由天津科技大學(xué)提供；

(2)利用打漿機(jī)，分別對上述針葉木漿濕漿板和棉漿濕漿板進(jìn)行疏解、打漿，使針葉木漿漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％，打漿時間為25分鐘，所得漿料的肖伯爾打漿度為37°sr；棉漿漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％，打漿時間為16分鐘，所得漿料的肖伯爾打漿度為37°sr，如此得到第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液；

(3)將上述的第一紙漿懸浮液和第二紙漿懸浮液進(jìn)行共混，共混的懸浮液中固體纖維質(zhì)量比例為：針葉木纖維95％，棉纖維5％。共混后攪拌均勻，攪拌時間10分鐘，得到針葉木與棉的混合纖維懸浮液；(4)紙頁定量490g/m²，取12l上述紙漿懸浮液，放入紙頁成型設(shè)備中進(jìn)行脫水成型，得到所需規(guī)格的電氣絕緣紙濕紙頁；

(5)對上述絕緣濕紙頁進(jìn)行熱壓處理，熱壓壓強(qiáng)為500n/cm²，熱壓溫度為115℃，熱壓時間為10分鐘，得到熱壓干燥后的電氣絕緣紙成品。

(6)將上述制備好的電氣絕緣紙成品置于溫度25℃、相對濕度為50％的恒溫恒濕環(huán)境中存儲備用。

測試結(jié)果：紙頁緊度為1.01g/cm³，抗張強(qiáng)度為109mpa，空氣中交流擊穿場強(qiáng)為11.3kv/mm，空氣中直流擊穿場強(qiáng)為21.7kv/mm。交流擊穿場強(qiáng)提升3.7％，直流擊穿場強(qiáng)提4.8％。

實施例5

(1)在環(huán)境溫度下，將針葉木漿干漿板浸沒在去離子水中浸泡12小時，得到針葉木漿濕漿板，本實施例中針葉木漿干漿板為加拿大喬治王子紙漿；

(2)利用打漿機(jī)，對上述針葉木漿濕漿板進(jìn)行疏解、打漿，使?jié){液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％，打漿時間為25分鐘，所得漿料的肖伯爾打漿度為37°sr，得到第一紙漿懸浮液。

(3)將闊葉木納米纖維素分散在去離子水中，形成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％的第三紙漿懸浮液，對第三紙漿懸浮液進(jìn)行超聲分散處理，超聲功率為1260w，超聲時間為5分鐘。

(4)將上述的第一紙漿懸浮液和第三紙漿懸浮液進(jìn)行共混，共混的懸浮液中固體纖維質(zhì)量比例為：針葉木纖維90％，納米纖維10％。共混后攪拌均勻，攪拌時間5分鐘，得到微納米復(fù)合纖維懸浮液；

(5)紙頁定量490g/m²，取12l上述紙漿懸浮液，放入紙頁成型設(shè)備中進(jìn)行脫水成型，得到所需規(guī)格的電氣絕緣紙濕紙頁；

(6)對上述絕緣濕紙頁進(jìn)行熱壓處理，熱壓壓強(qiáng)為500n/cm²，熱壓溫度為115℃，熱壓時間為5分鐘，得到熱壓干燥后的電氣絕緣紙成品。

(7)將上述制備好的電氣絕緣紙成品置于溫度25℃、相對濕度為50％的恒溫恒濕環(huán)境中存儲備用。

測試結(jié)果：紙頁緊度為0.99g/cm³，抗張強(qiáng)度為136mpa，空氣中交流擊穿場強(qiáng)為12.9kv/mm，空氣中直流擊穿場強(qiáng)為24.9kv/mm?？箯垙?qiáng)度提升24.8％，交流擊穿場強(qiáng)提升18％，直流擊穿場強(qiáng)提升20％，為10％納米纖維與90％微米纖維復(fù)合絕緣紙的孔徑分布如圖2所示，10％納米纖維與90％微米纖維復(fù)合絕緣紙的掃描電子顯微鏡圖如圖4所示。