陳啟杰 鄭學(xué)銘 康美存 黃游宇 鄭小玲

摘要：天絲纖維是一種溶劑型再生纖維素纖維，研究了天絲纖維原纖化程度及其對(duì)漿料性能的影響，探討了天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)變壓器絕緣紙板機(jī)械性能和電氣性能的影響。研究結(jié)果表明，天絲纖維容易原纖化，原纖化程度越高，纖維變得更加柔軟和扭曲，表面更加粗糙，分絲帚化越多；相對(duì)100%針葉木漿抄造的絕緣紙板，針葉木漿與天絲纖維配比為85∶15配抄的絕緣紙板的緊度降低48%，抗張指數(shù)下降29%，吸油率提高119%，在空氣中的擊穿電壓提高58%，在油中的擊穿電壓提高258%，天絲纖維顯著提高了絕緣紙板的吸油率和電氣強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：天絲纖維；針葉木漿；絕緣紙板；電力變壓器

中圖分類號(hào)：TS727文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：1011981/jissn1000684220180328

Email： chenqijie@126com天絲纖維（Tencel fibers）是一種溶劑型再生纖維素纖維，其生產(chǎn)工藝為：以木漿為原料，以N甲基氧化嗎啉（NMMO）為溶劑，加入適當(dāng)添加劑和抗氧化劑，得到較高濃度的溶液，再在低溫水溶液或水/NMMO體系凝固成形，最后經(jīng)拉伸、水洗、去油、干燥和溶劑回收等工序制成[1]。該工藝中使用的NMMO溶劑可循環(huán)使用，回收率達(dá)99%以上，無毒、無污染，是一種綠色環(huán)保的紡絲技術(shù)。天絲產(chǎn)品使用后可生化降解，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，被稱為21世紀(jì)的“綠色纖維”。天絲纖維具有獨(dú)特的性能，如熱穩(wěn)定性好、耐化學(xué)腐蝕、阻隔絕緣性能好、尺寸穩(wěn)定性好等，在抄造特種紙領(lǐng)域得到較廣泛的應(yīng)用。陸燕華等[2]研究了天絲纖維在堿錳電池隔膜中的應(yīng)用，天絲纖維的加入可以生產(chǎn)出性能良好的電池隔膜紙；也研究了天絲纖維在醫(yī)療用紙的應(yīng)用，制備的天絲醫(yī)療用紙性能良好，適應(yīng)性強(qiáng)[3]。單洪琛等[4]探討了原纖化程度不同的天絲纖維在電池隔膜、超級(jí)電容器隔膜材料領(lǐng)域的應(yīng)用，天絲纖維能改善隔膜的孔徑結(jié)構(gòu)和吸液性能。陳繼偉等[5]研究了天絲纖維在高精度過濾及分離材料領(lǐng)域的應(yīng)用，原纖化的天絲纖維能有效提高紙張的強(qiáng)度性能。陶嘉誠[6]研究了天絲基鋰離子電池隔膜，制備的4種天絲基鋰離子電池隔膜性能與商業(yè)電池隔膜性能接近。

油浸式電力變壓器是輸配電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，其安全可靠性對(duì)保證電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定工作起著重要的作用[78]。油紙絕緣是油浸式電力變壓器的主要絕緣形式，即利用絕緣油浸漬變壓器絕緣紙板，消除變壓器絕緣紙板纖維孔隙產(chǎn)生的氣隙，提高其絕緣的電氣強(qiáng)度[9]。變壓器絕緣紙板是油浸式電力變壓器用的主要絕緣材料，具有良好的絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度，通常由硫酸鹽針葉木漿通過打漿、上網(wǎng)、成形、熱壓等工序制備。變壓器絕緣紙板的特殊用途要求其必須具備一些不同于其他紙種的特性，主要為機(jī)械性能和電氣性能，機(jī)械性能主要指紙板的抗張強(qiáng)度，電氣性能主要指紙板在電場(chǎng)作用下發(fā)生的極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗和擊穿特性[10]等。本研究將天絲纖維與針葉木漿配抄，抄造變壓器絕緣紙板，探討天絲纖維對(duì)變壓器絕緣紙板機(jī)械性能和電氣性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)

11主要實(shí)驗(yàn)原料

天絲纖維，奧地利蘭精（Lenzing）纖維公司生產(chǎn)；加拿大進(jìn)口硫酸鹽針葉木漿（電工級(jí)），取自湖南廣信科技股份有限公司；變壓器油，克拉瑪依25#。

12主要實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

光學(xué)顯微鏡（CX41，日本OLYMPUS），PFI（ZQS7，陜西科技大學(xué)機(jī)械廠），纖維疏解機(jī)（TD15A，通達(dá)輕工設(shè)備有限公司），紙頁成型器（TD10200，通達(dá)輕工設(shè)備有限公司），動(dòng)態(tài)濾水儀（BRITT Jar，美國PRM），熱壓試驗(yàn)機(jī)（XLB05MN，青島鑫城鳴橡膠機(jī)械有限公司），真空干燥箱（DZF6020，上海精密儀器儀表公司），電子萬能試驗(yàn)機(jī)（CMT5504QY，珠海市三思泰捷電氣設(shè)備有限公司），擊穿電壓測(cè)試儀（HT150，桂林電氣科學(xué)研究院有限公司）。

13實(shí)驗(yàn)方法

131天絲纖維打漿及光學(xué)顯微鏡觀察

利用PFI磨漿機(jī)對(duì)天絲纖維進(jìn)行打漿，打漿后分別進(jìn)行纖維長(zhǎng)度和漿料濾水性能的檢測(cè)，并用光學(xué)顯微鏡觀察打漿前后纖維形態(tài)的變化。

132變壓器絕緣紙板的制備

采用纖維疏解機(jī)對(duì)浸泡好的硫酸鹽針葉木漿進(jìn)行疏解，然后用PFI磨漿機(jī)對(duì)其進(jìn)行打漿，和適當(dāng)比例的天絲纖維漿料配漿后，稀釋漿料，用紙頁成型器脫水成形，得到濕紙幅。紙幅抄造過程用水均采用去離子水，全程不添加任何化學(xué)助劑；多層濕紙幅復(fù)合后，進(jìn)行熱壓處理，設(shè)置合適的熱壓溫度和時(shí)間，得到干燥的變壓器絕緣紙板試樣，備用。

133抗張強(qiáng)度的測(cè)定

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22898—2008測(cè)定絕緣紙板的抗張強(qiáng)度。試樣尺寸為200 mm×15 mm，測(cè)試時(shí)，電子萬能試驗(yàn)機(jī)的夾頭初始距離為100 mm，拉伸速度為100 mm/min。

134擊穿電壓的測(cè)定

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1408—2016，采用對(duì)稱不銹鋼圓柱電極，直徑25 mm，試樣直徑50 mm，試驗(yàn)變壓器容量為 50 kVA/50 kV，試驗(yàn)電壓為220 V，升壓速度為100 V/s，分別測(cè)定絕緣紙板在空氣中和油中的擊穿電壓值。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度（20±3）℃，相對(duì)濕度（50±3）%。

天絲纖維在變壓器絕緣紙板中的應(yīng)用第33卷第3期第33卷第3期天絲纖維在變壓器絕緣紙板中的應(yīng)用135吸油率的測(cè)定

按照國際IEC標(biāo)準(zhǔn)60641—2008，絕緣紙板在真空箱干燥24 h，稱量，然后加入變壓器油，浸漬6 h，取出，稱量，按式（1）計(jì)算絕緣紙板的吸油率（X）。

X=M1-M0M0×100%（1）

式中，M0為吸油前的紙板質(zhì)量（g），M1為吸油后的紙板質(zhì)量（g）。

2結(jié)果與討論

21天絲纖維原纖化程度對(duì)漿料性能的影響

天絲纖維在水溶液中容易溶脹，使其在濕態(tài)的機(jī)械作用力下容易原纖化[11]。表1為天絲纖維原纖化程度對(duì)漿料性能的影響。從表1可以看出，未打漿的天絲纖維平均長(zhǎng)度接近6 mm，打漿度僅為13°SR；在打漿初期，天絲纖維打漿度上升得較慢，當(dāng)打漿轉(zhuǎn)數(shù)為6000轉(zhuǎn)，天絲纖維的打漿度僅為30°SR，但纖維被迅速切斷，纖維長(zhǎng)度顯著下降，天絲纖維的平均長(zhǎng)度為068 mm；在打漿轉(zhuǎn)數(shù)超過6000轉(zhuǎn)，天絲纖維的打漿度快速提高，當(dāng)打漿轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)到10000轉(zhuǎn)，天絲纖維漿料的打漿度為62°SR，天絲纖維的平均長(zhǎng)度僅為021 mm。隨著打漿的進(jìn)行，PFI磨漿機(jī)對(duì)纖維進(jìn)行切斷并使其細(xì)纖維化，纖維平均長(zhǎng)度顯著下降，纖維的濕重也顯著下降，打漿度為62°SR的天絲纖維濕重僅為未打漿天絲纖維濕重的354%。表1天絲纖維原纖化程度對(duì)漿料性能的影響

PFI打漿

轉(zhuǎn)數(shù)/r打漿度

/°SR纖維濕重

/g濾水速率

/g·（10 s）-1纖維平均長(zhǎng)度

/mm01321538205893000211876735097600030135458306870003611175100418000439534750369000528643120271000062761270021

隨著打漿的進(jìn)行，天絲纖維漿料的濾水性能變化較大，未打漿的天絲纖維漿料，濾水阻力非常小，濾水速率非常快，纖維之間沒有形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的阻滯力。當(dāng)打漿轉(zhuǎn)數(shù)為3000轉(zhuǎn)時(shí)，漿料濾水性能略有降低，但濾水速率還是較快，達(dá)到735 g/10 s。隨著打漿程度的進(jìn)一步提高，漿料濾水速率逐漸下降，當(dāng)打漿轉(zhuǎn)數(shù)為10000轉(zhuǎn)，漿料濾水速率僅為原漿的329%。

22不同原纖化程度的天絲纖維的光學(xué)顯微鏡觀察

圖1為不同原纖化程度的天絲纖維的光學(xué)顯微鏡照片。從圖1可以看出，不同原纖化程度的天絲纖維形態(tài)相差較大。未打漿前，天絲纖維細(xì)長(zhǎng)，表面十分光滑，無任何分支；當(dāng)采用PFI磨漿，轉(zhuǎn)數(shù)到6000轉(zhuǎn)時(shí)，天絲纖維吸水潤(rùn)脹變軟，纖維表面變粗糙，有少許的分絲帚化；隨著PFI打漿轉(zhuǎn)數(shù)到8000轉(zhuǎn)，天絲纖維原纖化程度提高，纖維變得更加柔軟、扭曲，且纖維的主干變細(xì)，纖維表面更加粗糙且其分絲帚化越來越多，有利于提高天絲纖維間的結(jié)合。圖1不同原纖化程度的天絲纖維的光學(xué)顯微鏡照片23不同原纖化程度的天絲纖維對(duì)絕緣紙板性能的影響

分別采用100%的不同原纖化程度的天絲纖維抄造絕緣紙板，測(cè)定絕緣紙板的緊度、抗張強(qiáng)度、吸油率和擊穿電壓，結(jié)果如表2所示。由表2可知，未打漿的天絲纖維抄造的絕緣紙板纖維間結(jié)合力很小，成紙強(qiáng)度低，絕緣紙板很容易被擊穿，擊穿電壓很小（未被測(cè)出）。隨著天絲纖維原纖化程度的提高，絕緣紙板的緊度略有增大，抗張強(qiáng)度逐漸提高，相對(duì)于未打漿天絲纖維抄造的絕緣紙板，當(dāng)漿料打漿度為43°SR，絕緣紙板抗張指數(shù)提高了386倍，隨著打漿度的繼續(xù)提高，絕緣紙板抗張指數(shù)略有增加。表2不同原纖化程度的天絲纖維抄造絕緣紙板的性能

打漿度

/°SR緊度

/g·cm-3抗張指數(shù)

/N·m·g-1吸油率

/%擊穿電壓/kV·mm-1空氣中油中13054854———3007330567370325936073341691144264430754157251572925207743670116627562079453673159269

吸油率是變壓器油紙絕緣結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要參數(shù)，變壓器油是介電系數(shù)較小的液體電介質(zhì)，在變壓器設(shè)備中，絕緣紙的吸油率越大越好。從表2可以看出，天絲纖維抄造的絕緣紙板吸油率較高，隨著漿料打漿度的提高，絕緣紙板吸油率先增大而后有所下降，當(dāng)漿料打漿度為43°SR，絕緣紙板的吸油率達(dá)725%。隨著打漿度的提高，初始階段，天絲纖維吸水潤(rùn)脹作用增強(qiáng)，絕緣紙板吸油率增大，但隨著打漿度進(jìn)一步提高，纖維細(xì)纖維化程度提高，細(xì)小纖維增加，抄造的絕緣紙板的緊度有所提高，而影響其吸油率。

擊穿電壓是指當(dāng)作用于絕緣紙板的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到或超過某一值后，絕緣紙板完全失去絕緣性能而導(dǎo)電時(shí)的電壓。如表2所示，天絲纖維打漿度為30°SR，絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓僅為703 kV/mm。隨著打漿度的提高，擊穿電壓增大；當(dāng)天絲纖維打漿度為43°SR時(shí)，絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓達(dá)157 kV/mm，在油中的擊穿電壓達(dá)292 kV/mm；漿料打漿度繼續(xù)提高，對(duì)絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓影響不大，在油中的擊穿電壓還略有下降。

綜合分析，天絲纖維原纖化程度為漿料打漿度43°SR時(shí)，抄造的絕緣紙板的各項(xiàng)性能較好，后續(xù)將討論打漿度為43°SR的天絲纖維漿料配抄硫酸鹽針葉木漿對(duì)絕緣紙板性能的影響。

24天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板性能的影響

241天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板緊度的影響

緊度是絕緣紙板的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在絕緣紙板的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60641—2008中，對(duì)其緊度有明確的規(guī)定范圍，緊度越大，絕緣紙板的強(qiáng)度性能越好，但其吸油率下降，影響絕緣紙板的電氣強(qiáng)度。圖2為天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板緊度的影響。由圖2可以看出，相同條件下抄造的絕緣紙板，天絲纖維的加入對(duì)絕緣紙板的緊度有一定的影響，隨著天絲纖維配比的增加，絕緣紙板的緊度逐漸降低。與100%針葉木漿抄造的絕緣紙板相比，當(dāng)天絲纖維配比達(dá)20%，絕緣紙板緊度降低49%；當(dāng)使用100%天絲纖維抄造絕緣紙板，緊度降低85%。天絲纖維屬再生纖維素纖維，原纖化過程中細(xì)小纖維少，成紙緊度

圖2天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板緊度的影響低，為保證絕緣紙板的緊度要求，抄造絕緣紙板時(shí)天絲纖維比例不能太多。

242天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板抗張指數(shù)的影響

抗張強(qiáng)度是絕緣紙板最重要的機(jī)械強(qiáng)度性能指標(biāo)，影響絕緣紙板的絕緣老化壽命。一般絕緣紙板的抗張強(qiáng)度越大，絕緣紙板的絕緣老化壽命越長(zhǎng)，可以延長(zhǎng)變壓器的使用壽命。圖3為天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板抗張指數(shù)的影響。從圖3可以看出，天絲纖維配抄針葉木漿抄造絕緣紙板，隨著天絲纖維配比的增加，絕緣紙板的抗張強(qiáng)度降低，100%天絲纖維抄造的絕緣紙板的抗張指數(shù)僅為100%針葉木漿抄造絕緣紙板的592%，但是添加適量比例的天絲纖維，對(duì)絕緣紙板的抗張指數(shù)影響不大。對(duì)比100%針葉木漿抄造的絕緣紙板抗張指數(shù)，當(dāng)針葉木漿與天絲纖維配比為85∶15時(shí)，絕緣紙板抗張指數(shù)僅下降29%；當(dāng)針葉木漿與天絲纖維配比為80∶20時(shí)，絕緣紙板抗張指數(shù)下降69%。天絲纖維是溶劑型纖維，細(xì)小纖維少，成紙間氫鍵結(jié)合力比針葉木漿差，為保證絕緣紙板的機(jī)械強(qiáng)度，天絲纖維的配比量一般不超過15%。

圖3天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)

絕緣紙板抗張指數(shù)的影響 243天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板吸油率的影響

電力變壓器絕緣主要采用油紙絕緣，通過絕緣油浸漬絕緣紙板，消除絕緣紙板纖維孔隙產(chǎn)生的氣隙，提高其電氣強(qiáng)度。吸油率影響絕緣紙板的相對(duì)介電系數(shù)，變壓器油是介電系數(shù)較小的液體電介質(zhì)，一般為22，其介電系數(shù)比木質(zhì)纖維小，一般純木質(zhì)纖維素纖維的相對(duì)介電系數(shù)為51。在變壓器絕緣中，絕緣紙板的吸油率越大越好，可使復(fù)合絕緣體系的介電系數(shù)降低[12]。天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板吸油率的影響如圖4所示。由圖4可以看出，天絲纖維的吸油率比針葉木漿高，100%天絲纖維抄造的絕緣紙板的吸油率比100%針葉木漿抄造絕緣紙板提高了397%，這與天絲纖維抄造紙張的緊度較低有關(guān)。隨著天絲纖維配比的增加，絕緣紙板的吸油率逐漸提高，當(dāng)針葉木漿與天絲纖維配比為85∶15時(shí)，絕緣紙板吸油率達(dá)581%，較100%針葉木漿纖維抄造的絕緣紙板提高了119%，有利于降低絕緣紙板油紙絕緣體系的介電系數(shù)。

圖4天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)

絕緣紙板吸油率的影響244天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板擊穿電壓的影響

擊穿電壓反映絕緣紙板被擊穿時(shí)的電壓，是絕緣紙板最重要的電氣性能。圖5為天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)絕緣紙板電氣強(qiáng)度的影響。如圖5所示，絕緣紙板在油中的擊穿電壓高于在空氣中的擊穿電壓，絕緣紙板經(jīng)浸油處理后，紙板纖維之間的空隙被絕緣油填充，構(gòu)成了油紙復(fù)合絕緣體系[13]。隨著施加電壓的升高，局部放電首先發(fā)生在電場(chǎng)強(qiáng)度最大處的油隙或氣隙，使浸漬的絕緣油分解，氣隙擴(kuò)大，放電產(chǎn)生的帶電粒子的碰撞作用趕走了絕緣紙板中浸漬的絕緣油，使絕緣紙板中重新出現(xiàn)孔隙，隨著電壓升高放電增強(qiáng)，絕緣紙板的部分纖維斷裂，形成放電通道，隨著通道的延伸，油紙絕緣結(jié)構(gòu)最終被擊穿，而未浸漬油的絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓僅僅是對(duì)絕緣紙板纖維孔隙的擊穿，因此其擊穿電壓較小。從圖5可以看出，天絲纖維配比的增加對(duì)絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓影響不大，當(dāng)針葉木漿與天絲纖維配比為80∶20 時(shí)，絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓比100%針葉木漿絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓提高78%；天絲纖維的加入，能夠顯著提高絕緣紙板在油中的擊穿電壓，100%天絲纖維的絕緣紙板在油中的擊穿電壓是100%針葉木漿絕緣紙板的164倍，當(dāng)針葉木漿與天絲纖維配比為85∶15時(shí)，絕緣紙板在油中的擊穿電壓比100%針葉木漿絕緣紙板在油中的擊穿電壓提高258%，這與天絲纖維抄造的紙板具有好的吸油率有關(guān)，吸油率高，油紙絕緣體系越均一，耐擊穿能力越好。

圖5天絲纖維與針葉木漿配抄對(duì)

絕緣紙板電氣強(qiáng)度的影響綜合天絲纖維配比對(duì)絕緣紙板機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度的影響分析，針葉木漿與天絲纖維配比為85∶15，可以在不顯著影響絕緣紙板機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，提高絕緣紙板的吸油率和擊穿電壓。

3結(jié)論

31天絲纖維容易原纖化，打漿初期，天絲纖維打漿度上升較慢，但當(dāng)PFI打漿轉(zhuǎn)數(shù)高于6000轉(zhuǎn)，天絲纖維的打漿度快速提高；天絲纖維原纖化程度越高，纖維變得更加柔軟、扭曲，且纖維的主干變細(xì)，纖維表面更加粗糙，分絲帚化越多。

32用100%的不同原纖化程度的天絲纖維抄造絕緣紙板，隨著漿料打漿度的提高，絕緣紙板的緊度、抗張指數(shù)逐漸增大，吸油率和擊穿電壓呈現(xiàn)先增后降趨勢(shì)。當(dāng)天絲纖維漿料打漿度為43°SR，絕緣紙板在空氣中的擊穿電壓達(dá)157 kV/mm，在油中的擊穿電壓達(dá)292 kV/mm，但其抗張指數(shù)低，為415 N·m/g。

33天絲纖維與針葉木漿配抄絕緣紙板，對(duì)絕緣紙板的緊度、抗張指數(shù)、吸油率和擊穿電壓都有一定的影響。與100%針葉木漿抄造的絕緣紙板相比，當(dāng)針葉木漿與天絲纖維配比為85∶15時(shí)，絕緣紙板的緊度降低48%，抗張指數(shù)下降29%，吸油率提高119%，在空氣中的擊穿電壓提高58%，在油中的擊穿電壓提高258%，顯著提高了絕緣紙板的吸油率和電氣強(qiáng)度。

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