專利名稱：一種特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電子和電氣絕緣材料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及聚丙烯高分子聚合物的加工、高聚物的結(jié)晶及其結(jié)晶轉(zhuǎn)換、雙向拉伸技術(shù)工藝的新型生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
我國(guó)幅員遼闊，能源分布不均，大量能源需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的輸送。在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面，特高壓電網(wǎng)輸電工程具有較高的性價(jià)比，符合我國(guó)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景，建設(shè)特高壓電網(wǎng)是我國(guó)優(yōu)化資源配置和調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的基本途徑。我國(guó)生產(chǎn)力發(fā)展水平地區(qū)差異很大，一次能源分布嚴(yán)重不均衡。能源需求主要集中在東部和中部經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，約占需求總量的3/4左右；用于發(fā)電的煤炭和水力資源主要分布在西部和北部地區(qū)。這種能源分布與消費(fèi)的不平衡狀況決定了能源資源必須在全國(guó)范圍內(nèi)優(yōu)化配置，以大煤電基地、大水電基地為依托，實(shí)現(xiàn)煤電就地轉(zhuǎn)換和水電大規(guī)模開發(fā)，并通過(guò)建設(shè)特高壓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)、跨流域水火互濟(jì)，將清潔電能從西部和北部大規(guī)模輸送到中東部地區(qū)。據(jù)中國(guó)電力網(wǎng)資料顯示，特高壓電網(wǎng)建成后，可節(jié)約發(fā)電機(jī)組2000萬(wàn)千瓦， 每年可減少發(fā)電耗煤2000萬(wàn)噸。電網(wǎng)改造、長(zhǎng)距離電力傳輸和城市輸變電設(shè)施的小型化， 需要大量的電力設(shè)施建設(shè)和電力設(shè)備的更新?lián)Q代，在遠(yuǎn)距離、大容量輸電方面，電容器用粗化膜需求進(jìn)入高速增長(zhǎng)期，“十二五”期間我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)用電力電容器需求量復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)了 35%。高壓電力電容器由于其工藝和使用特點(diǎn)，要求聚丙烯薄膜不但要有較高的擊穿電壓值，同時(shí)還要求表面具有一定的粗糙度，以適應(yīng)電力電容器浸油性能的要求，利用電容器油可以完全浸入到電容器元件芯子內(nèi)部，排除芯子內(nèi)殘余氣體，保證電容器良好的散熱性及電絕緣性。表面粗糙度小，當(dāng)空隙率小時(shí)，擊穿電壓提高，但不能滿足電容器制造時(shí)浸油的需要；表面粗糙度大，當(dāng)空隙率大時(shí)，能滿足電容器制造時(shí)浸油的需要，但電容器的擊穿電壓會(huì)下降，電弱點(diǎn)增多，因此制造聚丙烯粗化膜這兩項(xiàng)性能指標(biāo)需要達(dá)到一個(gè)平衡(即擊穿電壓和表面粗糙度同時(shí)滿足電容器要求的性能指標(biāo))。現(xiàn)有技術(shù)的電容器用粗化膜大多采用平膜法雙向兩次拉伸的方法生產(chǎn)，即對(duì)于高等規(guī)的聚丙烯，通過(guò)控制其熔體的冷卻溫度，在成型的厚片表面產(chǎn)生α晶和β晶，然后在一定的溫度下拉伸成薄膜時(shí)使β晶轉(zhuǎn)化成α晶，由于β晶體的密度大于α晶體的密度， 因此β晶體轉(zhuǎn)化成α晶體后，在薄膜的表面形成大量細(xì)密的且相互連通的凹凸?fàn)畲植诒砻?，從而形成了粗化的電容器用聚丙烯薄?簡(jiǎn)稱粗化膜)?，F(xiàn)時(shí)粗化膜生產(chǎn)的主要工藝方法為熔體擠出溫度220°C 230°C ；激冷輥溫度95°C 110°C ；加熱氣刀溫度90°C IOO0C ；縱向拉伸比4. 8 1 5 1 ；縱向拉伸溫度150°C 155°C ；橫向拉伸比8 1 ；橫向拉伸溫度150°C 155°C。但采用此方法生產(chǎn)的粗化膜在擊穿電壓和電弱點(diǎn)等性能指標(biāo)都只能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的一般要求，容易造成薄膜的粗化結(jié)構(gòu)不均勻，形成主粗糙面和次粗糙面，且對(duì)于粗化膜厚度在微米級(jí)的調(diào)整難度很大；因此，利用現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)的粗化膜產(chǎn)品質(zhì)量和性能較差，難以滿足電力電容器在高電壓強(qiáng)度下?lián)舸╇妷?、電弱點(diǎn)等指標(biāo)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
由于特高壓電網(wǎng)配套用的電容器要求損耗小，比特性好，溫升低、可靠性高、壽命長(zhǎng)，因此滿足特高壓電網(wǎng)配套電容器制造的材料必須要達(dá)到厚度均勻性好、熱收縮率低、電氣強(qiáng)度高和電氣弱點(diǎn)少的技術(shù)要求。本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的粗化膜所存在的缺陷，提供一種技術(shù)成熟、實(shí)用可行、穩(wěn)定可靠，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜的生產(chǎn)方法。本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中存在問(wèn)題所使用的技術(shù)方案是一種特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜的生產(chǎn)方法，生產(chǎn)流程為預(yù)熱、塑化擠出、壓力控制、計(jì)量輸出、擠出機(jī)模頭、冷卻成型、縱向拉伸預(yù)熱、縱向拉伸、橫向拉伸預(yù)熱、橫向拉伸、熱處理，具體的步驟為
(1)聚丙烯原材料經(jīng)過(guò)預(yù)熱，進(jìn)入塑化擠出機(jī)加熱熔化塑化擠出；
(2)在一定的壓力控制下，由計(jì)量泵控制擠出量輸出聚丙烯熔融流體；
(3)聚丙烯熔融流體通過(guò)擠出機(jī)的T型模頭輸出聚丙烯熔體，聚丙烯熔體通過(guò)激冷輥和加熱的鑄片氣刀迅速冷卻成型制得厚片，厚片生成了大量的β結(jié)晶體；
(4)進(jìn)入縱向拉伸預(yù)熱階段，β結(jié)晶體逐漸熔化，并出現(xiàn)較大的球形晶體，在縱向拉伸階段開始時(shí)，β結(jié)晶體完全轉(zhuǎn)化為α結(jié)晶體，經(jīng)過(guò)縱向拉伸后厚片變?yōu)楸∧ぃ∧け砻骈_裂，形成多種形態(tài)的粗糙表面；
(5)進(jìn)入橫向拉伸預(yù)熱階段，薄膜的表面層面上熔貼有粗化紋，經(jīng)橫向拉伸后形成有弧狀粗花紋的薄膜；
(6)橫向拉伸后的熱處理使薄膜的粗化紋完全熔貼良好，粗化紋細(xì)密均勻。作為對(duì)前述技術(shù)方案的進(jìn)一步設(shè)計(jì)前述的擠出機(jī)模頭溫度為230°C 250°C，擠出機(jī)的溫度設(shè)置在230°C 260°C;激冷輥的表面溫度為80°C 95°C，加熱的鑄片氣刀溫度為60°C 90°C ；縱向拉伸預(yù)熱階段的溫度為90°C 110°C，厚片經(jīng)過(guò)5 7倍的縱向拉伸形成薄膜；橫向拉伸預(yù)熱階段的溫度為 175°C，薄膜經(jīng)過(guò)6 8倍的橫向拉伸，薄膜表面形成弧狀的粗化紋；熱處理的溫度為165°C 180°C。將擠出機(jī)溫度設(shè)置在230°C 260°C，擠出機(jī)模頭溫度設(shè)置在230°C 250°C，保證聚丙烯粒料充分熔融，均勻流至激冷輥。激冷輥溫度設(shè)置在80°C 95°C，加熱的鑄片氣刀溫度設(shè)置在60V 90°C，此時(shí)厚片生成了大量的β結(jié)晶體(結(jié)晶生成)，在縱向拉伸預(yù)熱時(shí)，β結(jié)晶體逐步熱熔，在縱向拉伸開始時(shí)，β結(jié)晶體已全部消失(結(jié)晶熱熔)，β結(jié)晶體全部轉(zhuǎn)化為α結(jié)晶體(結(jié)晶轉(zhuǎn)化)， 薄膜表面開裂，形成多重形態(tài)的粗糙表面，然后熔貼在下層面上，經(jīng)橫向拉伸后成為弧狀的粗化紋。厚片在冷輥表面形成的β結(jié)晶體數(shù)量，是決定薄膜粗化紋密度的關(guān)鍵。縱向拉伸前的預(yù)熱階段，可使β結(jié)晶體進(jìn)一步完善，甚至出現(xiàn)較大的球形晶體，有利于后續(xù)工序形成粗化紋。完成上述的生產(chǎn)工序后，粗化膜便進(jìn)入后續(xù)的包裝工藝，包括入庫(kù)、包裝、最后檢驗(yàn)和分切等步驟，此包裝工藝為大家所公知的。聚丙烯熔體在激冷輥表面迅速冷卻時(shí)，表面溫度是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，比激冷輥表面溫度高，β結(jié)晶體的生成與擠出模頭擠出時(shí)的溫度、激冷輥表面溫度、鑄片氣刀氣壓、鑄片氣刀氣量及鑄片氣刀溫度、物料前進(jìn)速度、物料厚度等諸因素均有關(guān)。
在合成高聚物的晶體中，分子鏈通常采取比較伸展的構(gòu)象。聚丙烯是具有較大取代基的高分子鏈，采取螺旋形構(gòu)象，在晶體中作緊密堆砌時(shí)，采取主鏈中心軸互相平行的方式排列，高分子一旦結(jié)晶，排列在晶相中的高分子鏈的構(gòu)象就不再改變。高聚物分子中取代基團(tuán)的對(duì)稱性直接影響薄膜的結(jié)晶，為此，如要提高聚丙烯薄膜的結(jié)晶度，首先要提高原料的等規(guī)度。高聚物的分子結(jié)構(gòu)是能否結(jié)晶的根本原因，但高聚物能否實(shí)現(xiàn)結(jié)晶，還必須有一定的外部條件。欲使結(jié)晶過(guò)程能自發(fā)地進(jìn)行，體系的自由能必須減少，即AG= AG晶一 AG 非晶<0。根據(jù)高聚物結(jié)晶過(guò)程分析，影響聚合物結(jié)晶的外部條件有兩個(gè) 1)溫度當(dāng)聚合物溫度接近熔點(diǎn)Tm時(shí)，鏈段遷移擴(kuò)散容易，而晶核形成困難，成核速率??；當(dāng)溫度接近玻璃化溫度Tg時(shí)，成核速率大，而分子鏈擴(kuò)散進(jìn)入晶格困難，晶體生長(zhǎng)慢。一般在Tm和Tg 之間有一個(gè)最大結(jié)晶速率的溫度，它與Tm的關(guān)系粗略地服從Tmax ^ 0. 85Tm。 2)進(jìn)行拉伸或應(yīng)力取向在拉伸過(guò)程中，原來(lái)卷曲的分子鏈伸展開來(lái)，其構(gòu)象大大減少，分子排列有序性提高，拉伸后的熵S非晶比拉伸前的熵非晶小，因此，拉伸取向有利于結(jié)晶。另外，拉伸后的薄膜在張緊的情況下進(jìn)行熱處理(熱定型)，即在高于拉伸溫度，低于熔點(diǎn)溫度的某一適宜溫度(該過(guò)程溫度控制在聚合物最大結(jié)晶速率的溫度Tmax，接近于一種等溫和靜態(tài)的結(jié)晶過(guò)程)對(duì)薄膜進(jìn)行熱處理以加速聚合物二次結(jié)晶或后結(jié)晶過(guò)程。熱處理為一松弛過(guò)程，通過(guò)適當(dāng)?shù)募訜?通常為幾秒)能促使分子鏈段加速重排以提高結(jié)晶度和使晶體結(jié)構(gòu)趨于完善，后冷卻至室溫，其內(nèi)部分子鏈的相對(duì)位置不易發(fā)生移動(dòng)。而且聚合物中晶體(微晶)類似“交聯(lián)點(diǎn)”有限制鏈段運(yùn)動(dòng)的作用，高結(jié)晶度微晶密度較高，使大分子鏈非晶部分變短。本發(fā)明通過(guò)利用χ射線衍射儀分析厚片在冷輥生成的β結(jié)晶體數(shù)量及其熱熔轉(zhuǎn)變?chǔ)两Y(jié)晶體狀態(tài)，利用掃描電子顯微鏡觀察薄膜的粗化形態(tài)，選取合適的預(yù)熱、塑化擠出、 厚片成型、厚片預(yù)熱、縱向拉伸、橫向拉伸和熱處理等各加工區(qū)溫度和縱橫向拉伸速率、比率，形成了一套生產(chǎn)厚度為微米級(jí)、厚度均勻一致性好的薄膜生產(chǎn)設(shè)備；薄膜的浸漬性能良好，而且與電容器絕緣油有良好的相容性；薄膜具有優(yōu)異的電氣性能和機(jī)械性能等，滿足特高壓電網(wǎng)配套電容器制造技術(shù)要求的粗化膜的生產(chǎn)工藝方法。本發(fā)明特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜生產(chǎn)技術(shù)的工藝關(guān)鍵點(diǎn)為 (1)薄膜的厚度均勻性控制
聚丙烯原材料預(yù)熱后，經(jīng)過(guò)塑化擠出機(jī)、穩(wěn)定的壓力控制、精確的計(jì)量泵流量控制，在擠出機(jī)模頭均勻流延至激冷輥冷卻成型，縱向拉伸、橫向拉伸和熱處理，全過(guò)程由在線厚度測(cè)量和控制計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)、調(diào)整，有效地保證了薄膜的厚度均勻性，薄膜厚度公差可達(dá)到士2%(μ ) O(2)厚片的定型
激冷輥的熱容量較大，導(dǎo)熱好，溫度波動(dòng)一般不大，因此激冷輥溫度變化引起粗化紋變化的可能性較少。要增大粗化紋的突出度及層次感，除主要控制激冷輥溫度外，激冷輥上面的鑄片氣刀的氣壓、氣流量、氣溫必須加以控制，而且縱向拉伸預(yù)熱的前段加熱輥溫度略為提高1 5°C，可以使球形晶體增大而加強(qiáng)粗化效果。β結(jié)晶體的生成與擠出機(jī)模頭擠出時(shí)的溫度、激冷輥表面溫度、鑄片氣刀氣壓、鑄片氣刀氣量及鑄片氣刀溫度、物料前進(jìn)速度、 物料厚度等諸因素均有關(guān)。(3)縱向拉伸前預(yù)熱溫度和縱向拉伸溫度薄膜表面的β結(jié)晶體轉(zhuǎn)化為α結(jié)晶體，在縱向拉伸預(yù)熱時(shí)，β結(jié)晶體逐步熱熔，在縱向拉伸開始時(shí)，β結(jié)晶體已全部消失?？v向拉伸前的預(yù)熱階段，前期可使β結(jié)晶體進(jìn)一步完善，甚至出現(xiàn)較大的球形晶體，有利于后續(xù)工序形成粗化紋。在縱向拉伸開始時(shí)，β結(jié)晶體全部轉(zhuǎn)化為α結(jié)晶體，薄膜表面開裂，形成多重形態(tài)的粗糙表面，若拉伸溫度太低，β結(jié)晶體熔化差，發(fā)生的晶態(tài)轉(zhuǎn)變率低，薄膜的粗化形態(tài)差；若拉伸溫度太高，聚丙烯分子鏈發(fā)生蠕變，容易斷裂而破膜，無(wú)法正常生產(chǎn)。(4)熱定型溫度的確定
從薄膜的粗糙度及空隙率測(cè)定數(shù)據(jù)，結(jié)合與電子顯微鏡觀察的粗化紋密度及粗化紋突出的形態(tài)，橫向拉伸后熱處理程度的溫度和時(shí)間對(duì)薄膜的性能有重要的影響，薄膜粗化紋熔貼良好，粗化紋細(xì)密均勻，薄膜的介電強(qiáng)度較高、電弱點(diǎn)少。但也要防止熱處理過(guò)度形成球珠。本發(fā)明中薄膜的介電強(qiáng)度平均值可達(dá)到彡MO MV/m，最低值彡450 MV/m;電弱點(diǎn)數(shù) ^ 0. 15 個(gè)/m2。(5)縱向和橫向拉伸比的確定
薄膜在拉伸過(guò)程中，原來(lái)卷曲的分子鏈伸展開來(lái)，其立體構(gòu)象減少，分子排列有序性提高，拉伸使分子取向而有利于結(jié)晶。拉伸后的薄膜在張緊的情況下進(jìn)行熱處理，加速了薄膜的二次結(jié)晶或后結(jié)晶過(guò)程，促使分子鏈段加速重排以提高結(jié)晶度和使晶體結(jié)構(gòu)趨于完善， 后冷卻至室溫，其內(nèi)部分子鏈的相對(duì)位置不易發(fā)生移動(dòng)。經(jīng)過(guò)充分拉伸的薄膜，其機(jī)械性能提高。薄膜的熱收縮率縱向<4%，橫向彡洲。綜上所述，本發(fā)明的特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜的生產(chǎn)方法與GB/ T13542. 3 - 2006及GB/T12802 — 1996所提出電容器用粗化膜的技術(shù)指標(biāo)相比，利用本發(fā)明方法生產(chǎn)的薄膜的厚度公差、熱收縮率、電氣強(qiáng)度和電氣弱點(diǎn)等技術(shù)性能指標(biāo)有較大的提高(見(jiàn)下表1)。本發(fā)明技術(shù)成熟、實(shí)用可行、穩(wěn)定可靠。 表1 12 14 μ m特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜技術(shù)指標(biāo)情況
權(quán)利要求
1.一種特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜的生產(chǎn)方法，其特征在于所述的生產(chǎn)流程為預(yù)熱、塑化擠出、壓力控制、計(jì)量輸出、擠出機(jī)模頭、冷卻成型、縱向拉伸預(yù)熱、縱向拉伸、橫向拉伸預(yù)熱、橫向拉伸、熱處理，具體的步驟為聚丙烯原材料經(jīng)過(guò)預(yù)熱，進(jìn)入塑化擠出機(jī)加熱熔化塑化擠出； 在一定的壓力控制下，由計(jì)量泵控制擠出量輸出聚丙烯熔融流體； 聚丙烯熔融流體通過(guò)擠出機(jī)的T型模頭輸出聚丙烯熔體，聚丙烯熔體通過(guò)激冷輥和加熱的鑄片氣刀迅速冷卻成型制得厚片，厚片生成了大量的β結(jié)晶體；進(jìn)入縱向拉伸預(yù)熱階段，β結(jié)晶體逐漸熔化，并出現(xiàn)較大的球形晶體，在縱向拉伸階段開始時(shí)，β結(jié)晶體完全轉(zhuǎn)化為α結(jié)晶體，經(jīng)過(guò)縱向拉伸后厚片變?yōu)楸∧?，薄膜表面開裂，形成多種形態(tài)的粗糙表面；進(jìn)入橫向拉伸預(yù)熱階段，薄膜的表面層面上熔貼有粗化紋，經(jīng)橫向拉伸后形成有弧狀粗花紋的薄膜；橫向拉伸后的熱處理使薄膜的粗化紋完全熔貼良好，粗化紋細(xì)密均勻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粗化膜生產(chǎn)方法，其特征在于所述的擠出機(jī)模頭溫度為 230°C 250°C，擠出機(jī)的溫度設(shè)置在230°C 260°C ；激冷輥的表面溫度為80°C 95°C，加熱的鑄片氣刀溫度為60°C 90°C ；縱向拉伸預(yù)熱階段的溫度為90°C 110°C，厚片經(jīng)過(guò)5 7倍的縱向拉伸形成薄膜；橫向拉伸預(yù)熱階段的溫度為155°C 175°C，薄膜經(jīng)過(guò)6 8倍的橫向拉伸，薄膜表面形成弧狀的粗化紋；熱處理的溫度為165°C 180°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種特高壓電網(wǎng)配套電容器用粗化膜的生產(chǎn)方法，其主要工藝流程為預(yù)熱、塑化擠出、壓力控制、計(jì)量輸出、擠出機(jī)模頭、冷卻成型、縱向拉伸預(yù)熱、縱向拉伸、橫向拉伸預(yù)熱、橫向拉伸、熱處理。利用x射線衍射儀分析厚片在冷輥生成的β晶數(shù)量及其熱熔轉(zhuǎn)變?chǔ)辆顟B(tài)，利用掃描電子顯微鏡觀察粗化膜的粗化形態(tài)，選取合適的預(yù)熱、塑化擠出、厚片成型、厚片預(yù)熱、縱向拉伸、橫向拉伸和熱處理等各加工區(qū)溫度和縱橫向拉伸速率、比率。粗化膜的厚度為微米級(jí)，厚度均勻一致性好；粗化膜的浸漬性能良好，而且與電容器絕緣油有良好的相容性；粗化膜具有優(yōu)異的電氣性能和機(jī)械性能。
文檔編號(hào)H01G4/14GK102324298SQ201110255489
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月1日
發(fā)明者李健榮 申請(qǐng)人:江門市潤(rùn)田實(shí)業(yè)投資有限公司