葉 燁 焦曉寧 柯 鵬

(1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)改性與功能纖維天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300387)

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芳砜綸絕緣紙制備的最優(yōu)工藝探討

葉 燁1焦曉寧2柯 鵬1

(1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)改性與功能纖維天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津，300387)

改變傳統(tǒng)的絕緣紙生產(chǎn)方法，采用纖維經(jīng)梳理成網(wǎng)后直接熱軋成紙的方法制備芳砜綸絕緣紙。探討了喂入量、熱軋溫度、熱軋壓力和熱軋時(shí)間等熱軋工藝條件對(duì)芳砜綸絕緣紙性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用該方法制備的芳砜綸絕緣紙，其介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切及電阻率能基本滿足絕緣紙的要求。最佳的制備工藝是：喂入量5 g，熱軋溫度355 ℃，熱軋壓力15 MPa，熱軋時(shí)間55 s。在該工藝條件下制備的芳砜綸絕緣紙其抗張強(qiáng)度為21.71 MPa，擊穿電壓為7.40 kV/mm。

芳砜綸，絕緣紙，熱軋工藝

絕緣紙通常是由植物纖維、礦物纖維、合成纖維或其混合物，通過水或其他介質(zhì)將纖維沉積在造紙機(jī)上而形成的薄頁狀材料。絕緣紙的抗張強(qiáng)度高，伸長(zhǎng)率小，絕緣性能好，廣泛地應(yīng)用于電機(jī)、電纜、電容器和變壓器的絕緣材料之中[1-2]。

芳砜綸又名聚砜酰胺纖維，是我國自行研發(fā)并已形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的的芳香族聚酰胺有機(jī)耐高溫纖維。芳砜綸的強(qiáng)度高，拉伸強(qiáng)度 3.1～4.4 cN/dtex，拉伸模量52.8 cN/dtex，耐熱性和熱穩(wěn)定性好，在沸水中熱收縮率為0.5%～1.0%，在300 ℃熱空氣中的熱收縮率為2%；同時(shí)，芳砜綸又具有絕緣、阻燃、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，是制備耐高溫絕緣紙非常好的材料[3-6]。

絕緣紙的傳統(tǒng)制備工藝是濕法造紙抄造成型技術(shù)，目前國內(nèi)外大多數(shù)絕緣紙都采用傳統(tǒng)工藝制作。傳統(tǒng)的絕緣紙制備方法工序多、能耗大、效率低[7-8]。本文利用芳砜綸的特性，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)生產(chǎn)絕緣紙的工序，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并極差分析其絕緣紙的抗張強(qiáng)度和擊穿電壓，探討得出熱軋法制備芳砜綸絕緣紙的最優(yōu)工藝。

1 試驗(yàn)部分

1.1 芳砜綸絕緣紙的制備

試驗(yàn)所使用的原料是國產(chǎn)芳砜綸，經(jīng)過開松、梳理、橫縱向90°交叉鋪網(wǎng)得到芳砜綸纖網(wǎng)，然后經(jīng)過熱軋機(jī)熱軋成型而制得芳砜綸絕緣紙。制備流程如下：

芳砜綸→開松→梳理→熱軋成紙。

本試驗(yàn)的關(guān)鍵部分是熱軋成型工藝。熱軋溫度、熱軋壓力和熱軋時(shí)間是影響熱軋工藝的三個(gè)主要因素。熱軋溫度的設(shè)置主要依據(jù)纖維的熔點(diǎn)，而芳砜綸沒有熔點(diǎn)，且極耐高溫[4]，因此選用其軟化溫度(367 ℃)作為一個(gè)參考界限。若是熱軋溫度設(shè)置過低，纖維沒有充分熔融，纖網(wǎng)無法熔結(jié)，則制備的絕緣紙將達(dá)不到要求；若是熱軋溫度設(shè)置過高，則絕緣紙的表面塑化發(fā)脆，不僅拉伸強(qiáng)力受到影響，而且電氣性能也會(huì)有明顯的損失。熱軋壓力主要影響纖網(wǎng)中纖維的黏結(jié)以及絕緣紙的結(jié)構(gòu)緊密性。熱軋時(shí)間則是模具溫度有效滲透卻不過度塑化的有效控制量。

從絕緣紙的制備過程，選擇喂入量、熱軋溫度、熱軋壓力和熱軋時(shí)間作為四個(gè)考察因素，每個(gè)因素選取三個(gè)不同的水平，采用正交表L(34)進(jìn)行試驗(yàn)，正交因素水平表見表1。

表1 熱軋制備芳砜綸絕緣紙正交因素水平表

1.2 絕緣紙性能測(cè)試

1.2.1 物理性能

(1)面密度。參照標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗(yàn)方法 第1部分：?jiǎn)挝幻娣e質(zhì)量的測(cè)定》測(cè)試絕緣紙的面密度，單位為g/m2。

(2)厚度。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測(cè)定》，使用PARAM CHY-C2測(cè)厚儀測(cè)試絕緣紙的厚度，單位為mm。

(3)透氣性。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》，使用YG461H全自動(dòng)透氣量?jī)x，在規(guī)定的壓力差條件下，用單位時(shí)間內(nèi)通過的空氣量來衡量絕緣紙的透氣性，單位為mm/s。

(4)抗張強(qiáng)度。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 453—2002《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定》，使用美國INSTRON3369型強(qiáng)力測(cè)試儀，絕緣紙?jiān)诤闼倮斓臈l件下，將規(guī)定尺寸的試樣拉伸至斷裂，測(cè)試其抗張強(qiáng)度。試樣的尺寸為180 mm×15 mm，夾持距離為110 mm，拉伸速度為50 mm/min，預(yù)加張力0.2 N。

1.2.2 電氣性能

(1)介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切和電阻率。由BDS50寬頻介電譜儀測(cè)試。將絕緣紙剪裁成合適的尺寸，放入測(cè)量，測(cè)量的頻率范圍為1～107Hz。

(2)擊穿強(qiáng)度。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1408—2006《絕緣材料電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，用DDJ-50KV電壓擊穿試驗(yàn)儀進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)所使用的電極為不等直徑電極，上電極的直徑為25 mm，下直徑為75 mm，使用連續(xù)升壓方法，升壓速度500 V/s，直至樣品被擊穿，測(cè)得擊穿電壓。按下式計(jì)算絕緣紙的擊穿強(qiáng)度E：

式中：d——絕緣紙的厚度(mm)；

U——絕緣紙擊穿電壓(kV)。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理性能

芳砜綸絕緣紙的厚度、面密度、透氣量和抗張強(qiáng)度等物理性能的測(cè)試結(jié)果見表2。在面密度相似的情況下，透氣量越小，厚度越小，絕緣紙的結(jié)構(gòu)就越致密。

表2 芳砜綸絕緣紙物理性能測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試的四種物理性能中，選擇抗張強(qiáng)度作為指標(biāo)，探究熱軋制備芳砜綸絕緣紙的最優(yōu)工藝?？箯垙?qiáng)度的極差分析見表3。對(duì)于絕緣紙，要求抗張強(qiáng)度越大越好。通過抗張強(qiáng)度的極差分析可知，因素B(熱軋溫度)、因素C(熱軋壓力)和因素D(熱軋時(shí)間)在水平3下的抗張強(qiáng)度值最大，而因素A(喂入量)則是水平1下的抗張強(qiáng)度值最為理想。因此，可以得出最優(yōu)組合工藝為B3C3D3A1，即熱軋溫度355 ℃，熱軋壓力15 MPa，熱軋時(shí)間55 s，喂入量5 g。

表3 抗張強(qiáng)度的極差分析表 (單位：MPa)

注：K表示各水平下抗張強(qiáng)度之和，K′表示各水平下 抗張強(qiáng)度的平均值。

2.2 電氣性能

絕緣紙廣泛應(yīng)用在電氣設(shè)備上，因此其電氣性能是評(píng)價(jià)絕緣紙的重要指標(biāo)。芳砜綸絕緣紙電氣性能的測(cè)試結(jié)果見表4。從表4數(shù)據(jù)可知，本試驗(yàn)制備的絕緣紙的介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切及電阻率能基本滿足絕緣紙的要求。選擇擊穿強(qiáng)度作為指標(biāo)進(jìn)行極差分析，見表5。

表4 芳砜綸絕緣紙電氣性能測(cè)試結(jié)果

表5 擊穿強(qiáng)度的極差分析表 (單位：kV/mm)

注：K表示各水平下?lián)舸?qiáng)度之和，K′表示各水平下 擊穿強(qiáng)度的平均值。

對(duì)于絕緣紙，同樣要求擊穿強(qiáng)度越大越好。根據(jù)擊穿強(qiáng)度的極差分析表， 因素B、因素C和因素D在水平3下的擊穿強(qiáng)度值最大，因素A則是在水平1下的擊穿強(qiáng)度值最佳。因此，可以得出最優(yōu)組合工藝亦為B3C3D3A1，即熱軋溫度355 ℃，熱軋壓力15 MPa，熱軋時(shí)間55 s，喂入量5 g。對(duì)選定的優(yōu)化組合方案進(jìn)行指標(biāo)估計(jì)，計(jì)算結(jié)果是抗張強(qiáng)度為21.71 MPa，擊穿電壓為7.40 kV/mm。該方案是所有正交試驗(yàn)組合中的最優(yōu)組合，即本試驗(yàn)得到的最優(yōu)工藝。

3 結(jié)論

(1)本試驗(yàn)改變了傳統(tǒng)的絕緣紙生產(chǎn)方法，采用纖維經(jīng)梳理成網(wǎng)后直接熱軋成紙的方法可以制備芳砜綸絕緣紙，其介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切及電阻率能基本滿足絕緣紙的要求。

(2)通過正交試驗(yàn)和極差分析，得到熱軋制備芳砜綸絕緣紙的最佳工藝是：喂入量5 g，熱軋溫度設(shè)定355 ℃，熱軋壓力15 MPa，熱軋時(shí)間55 s。在該工藝條件下制備的芳砜綸絕緣紙其抗張強(qiáng)度為21.71 MPa，擊穿電壓為7.40 kV/mm。

[1] 電氣電子絕緣技術(shù)手冊(cè)編輯委員會(huì).電氣電子絕緣技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2] 肖鵬遠(yuǎn)，焦曉寧.絕緣紙的性能及Nomex 絕緣紙的特性和應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2010，28(1)：31-36.

[3] 鐘洲，吳延灃.X-FIPERTM 芳綸絕緣紙及其復(fù)合材料AMATM[C]//中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)，中國電器工業(yè)學(xué)會(huì).2007年全國絕緣材料與絕緣技術(shù)專題研討會(huì)論文集,2007：137-141.

[4] 汪曉峰，張玉華.芳砜綸的性能及其應(yīng)用[J].紡織導(dǎo)報(bào)，2005(1)：18-23.

[5] 汪曉峰.芳砜綸發(fā)展概況及市場(chǎng)前景[J].高科技纖維與應(yīng)用，2008，33(6)：39-45.

[6] 宋江超.芳砜綸纖維的發(fā)展和應(yīng)用[J].國外絲綢，2007(2)：38-39.

[7] 王祖行，苾密.芳砜綸纖維紙——我國自行研制制造的H、F 級(jí)耐高溫絕緣紙[J].絕緣材料通訊，1993(3)：1-13.

[8] 胡銘華.提高芳砜綸絕緣紙物理性能的研究實(shí)踐和認(rèn)識(shí)[J].上海造紙，1994,25(1)：32-39.

Discussion on optimum process of the preparation of polysulphonamide insulation paper

YeYe1,JiaoXiaoning2,KePeng1

(1. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University；2. Tianjin Key Laboratory of Fiber Modification and Functional Fiber, Tianjin Polytechnic University)

The polysulphonamide insulation paper was prepared by web being directly hot rolled after fibers being carded, instead of traditional methods. The hot rolling process conditions including feeding amount, hot-rolled temperature, hot-rolled pressure and hot-rolled time and so on were discussed to study their effects on the properties of the insulation paper. The experiments show that properties of the polysulphonamide insulation paper made through hot rolling, such as dielectric constant, dielectric loss tangent and resistivity can basically meet the requirements of the insulation paper. Its best preparation process parameters are feeding quantity of 5 g, hot-rolled temperature at 355 ℃, hot rolled pressure of 15 MPa, hot rolled time over 55 s, under which the tensile strength of the paper is 21.71 MPa and its breakdown voltage is 7.40 kV/mm.

polysulphonamide, insulation paper, hot-rolling technology

2015-02-04

葉燁，女，1993年生，在讀本科生。主要研究方向是芳砜綸絕緣紙的制備和性能。

TS761.2;TS174.5

A

1004-7093(2015)07-0011-03