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        植物纖維基電氣絕緣紙的強(qiáng)度性能

        2020-02-29 08:49:40賈旺強(qiáng)鄭進(jìn)智劉澤華
        關(guān)鍵詞:絕緣紙油浸紙頁(yè)

        賈 盼,劉 瑜,賈旺強(qiáng),鄭進(jìn)智,劉澤華

        (天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院,天津 300457)

        在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和能源綜合利用的背景下,我國(guó)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定和電力供應(yīng)提出了更高的要求,而電力設(shè)備的運(yùn)行狀況直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)[1–2].根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)運(yùn)行分析報(bào)道[3],近年來(lái)由于電氣設(shè)備故障引發(fā)的電網(wǎng)故障不斷增加,是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素之一.而電力變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備,隨著電壓等級(jí)的提高,對(duì)其內(nèi)部電氣絕緣紙的要求越來(lái)越高[4–5].植物纖維絕緣紙作為一種常用的絕緣紙,在電氣設(shè)備的使用過(guò)程中不僅受到光熱的作用,還會(huì)受到各種外力作用的影響(如高壓大容量發(fā)電機(jī)所用的絕緣紙要能承受高速旋轉(zhuǎn)、運(yùn)行振動(dòng)以及突然短路造成的機(jī)械應(yīng)力),所以要求植物纖維絕緣紙有較高的強(qiáng)度性能[6].大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,變壓器發(fā)生事故的原因和絕緣紙的強(qiáng)度性能有很大的關(guān)系,并非電氣強(qiáng)度[7].

        目前國(guó)內(nèi)大型電力變壓器大多是油浸式變壓器,絕緣紙和變壓器油組成的油紙復(fù)合絕緣是電力變壓器內(nèi)絕緣的主要組成形式[8–9],該方式的絕緣效果遠(yuǎn)高于單一絕緣紙或絕緣油的效果.然而,絕緣紙和變壓器油長(zhǎng)期在一起工作會(huì)使變壓器油浸入絕緣紙內(nèi)影響絕緣紙的強(qiáng)度性能,油浸式電力變壓器又長(zhǎng)期在高溫的環(huán)境下工作會(huì)加速纖維素的降解,降低紙張的強(qiáng)度性能,引發(fā)變壓器事故[10–11].因此,對(duì)于絕緣紙的研究不應(yīng)僅關(guān)注它的電氣性能和熱老化性能,提高高溫條件下油浸絕緣紙的強(qiáng)度性能同樣具有重要的研究意義.

        本文采用未漂硫酸鹽針葉木漿,研究打漿、添加纖維素納米纖絲(CNF)對(duì)絕緣紙的增強(qiáng)效果,同時(shí)研究油浸對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響.

        1 材料與方法

        1.1 原料及設(shè)備

        針葉木未漂硫酸鹽漿(加拿大喬治王子牌),玖龍紙業(yè)(樂(lè)山)有限公司;CNF,天津市木精靈生物科技有限公司;變壓器油,河南玉柴潤(rùn)滑油有限公司.

        P40110 E000 型 PFI磨,PTI有限公司;ZDJ–100型打漿度測(cè)定儀、066型抗張強(qiáng)度測(cè)定儀、009型撕裂度儀,瑞典Lorentzen & Wettre公司;M10097型快速紙頁(yè)成型器,德國(guó) KARL.FRANK.GMBH 公司;912型纖維測(cè)試分析儀,瑞典RGW公司;JSM–IT300 LV 型掃描電子顯微鏡(SEM),日本電子公司;耐折度測(cè)定儀,TESTING MACHINE公司.

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        1.2.1 打漿

        取(30±0.5)g的絕干漿,在室溫下用 0.5L水浸泡4h以上,根據(jù)GB/T 29287—2012《紙漿實(shí)驗(yàn)室打漿PFI磨法》采用PFI磨進(jìn)行打漿.稱取2g絕干漿料,打散后,稀釋至 1L,根據(jù) GB/T 3332—2004《紙漿打漿度的測(cè)定》進(jìn)行打漿度測(cè)定.

        1.2.2 電氣絕緣紙的抄造

        采用快速紙頁(yè)成型器抄造定量為 60g/m2的絕緣紙樣,濕紙頁(yè)在 100℃下干燥 5min,放在自封袋密封備用.

        1.2.3 紙頁(yè)強(qiáng)度性能的測(cè)定

        紙頁(yè)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件((23±1)℃、相對(duì)濕度(50±2)%)下平衡24h,分別按照GB/T 451.2—2002《紙和紙板定量的測(cè)定》、GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測(cè)定》、GB/T 12914—2008《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測(cè)定》、GB/T 528—2009《紙和紙板撕裂度的測(cè)定》、GB/T 457—2008《紙和紙板耐折度的測(cè)定》進(jìn)行紙頁(yè)相關(guān)性能的測(cè)定.

        1.2.4 紙頁(yè)的微觀形貌觀察

        將紙頁(yè)剪成 2cm×2cm 的正方形,噴金處理后在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察紙頁(yè)的微觀形貌.

        2 結(jié)果與討論

        2.1 打漿對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

        打漿度對(duì)絕緣紙抗張指數(shù)和伸長(zhǎng)率的影響如圖1所示.由圖1可知:通過(guò)打漿,可以明顯改變紙頁(yè)的抗張強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率.在打漿度為50°SR時(shí),紙頁(yè)的抗張指數(shù)達(dá)到了84.4N·m/g,相比打漿度20°SR時(shí)抗張指數(shù)有很大程度的提高;但是隨著打漿度的不斷提高,紙頁(yè)的抗張指數(shù)又逐漸下降.紙頁(yè)的伸長(zhǎng)率也隨著打漿度的提高不斷增加,打漿度為50 °SR時(shí),紙頁(yè)的伸長(zhǎng)率達(dá)到了3.21%,并趨于平穩(wěn).

        打漿度對(duì)耐折度、撕裂指數(shù)的影響如圖 2所示.隨著打漿度的提高,紙頁(yè)的耐折度先提高后趨于平穩(wěn),打漿度為 50°SR時(shí),達(dá)到了 881次.紙頁(yè)的撕裂指數(shù)隨著打漿度的提高先提高后降低,打漿度在50°SR時(shí),紙頁(yè)的撕裂指數(shù)達(dá)到了18.9mN·m2/g.

        對(duì)紙漿纖維形態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表 1.纖維長(zhǎng)度隨著打漿度的提高逐漸減小,但變化不明顯,這是由于PFI高濃打漿主要以分絲帚化為主,長(zhǎng)度損失較?。诖驖{初期,纖維寬度有一定程度提高,是因?yàn)槔w維在機(jī)械作用下被壓扁造成的.隨著打漿度的提高,纖維寬度變化不大.纖維長(zhǎng)寬比呈下降趨勢(shì),但不明顯.對(duì)比紙頁(yè)強(qiáng)度性能的變化可以看出,纖維長(zhǎng)寬比并不是衡量漿料優(yōu)劣的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn).影響紙頁(yè)強(qiáng)度的因素,除了纖維長(zhǎng)度,纖維之間的結(jié)合狀態(tài)十分重要.

        圖2 打漿度對(duì)耐折度和撕裂指數(shù)的影響Fig. 2 Effect of beating degree on the folding strength and tear index

        表1 打漿前后紙漿的纖維形態(tài)變化Tab. 1 Morphological changes of pulp fiber before and after beating

        紙頁(yè)表面的掃描電子顯微鏡圖片如圖3所示.

        圖3 打漿前后的紙頁(yè)微觀形貌Fig. 3 Micromorphology of paper sheets before and after beating

        打漿前,纖維表面相對(duì)比較光滑,纖維之間的結(jié)合面積較??;而打漿后纖維分絲帚化明顯,顯著提高了纖維之間的結(jié)合面積,從而使紙頁(yè)的強(qiáng)度性能提高.從表 2還可以看出,隨著打漿度的提高,紙頁(yè)的緊度也隨之提高,在打漿度為50 °SR時(shí),緊度提高到了 0.60g/cm3.

        綜上,在以提高強(qiáng)度為目的打漿時(shí),打漿度控制在 50 °SR 為宜.

        表2 打漿度對(duì)絕緣紙緊度的影響Tab. 2 Effect of beating degree on the tightness of insulation paper

        2.2 CNF對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

        根據(jù)QB/T 4250—2011 《500kV變壓器匝間絕緣紙》的性能指標(biāo)要求,耐折度和撕裂度基本達(dá)到要求,但標(biāo)準(zhǔn)中抗張強(qiáng)度要求不低于 88.4N·m/g,因此需要考慮添加增強(qiáng)劑來(lái)提高紙頁(yè)的抗張強(qiáng)度.

        CNF是對(duì)植物纖維進(jìn)行多次高壓均質(zhì)后得到的直徑為15~20nm的纖維素纖維材料,作為一種具有高比表面積、高強(qiáng)度、高吸附性能的納米材料,CNF成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)[12–15].為了盡量減少 CNF中雜質(zhì)對(duì)絕緣紙電學(xué)性能的不利影響,選用的 CNF為純機(jī)械法制得,沒(méi)有經(jīng)過(guò)任何化學(xué)處理,纖維之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以增加纖維之間的結(jié)合力[16–17],所以在一定程度上可以增強(qiáng)絕緣紙的強(qiáng)度性能.

        固定打漿度在 50°SR,CNF的添加量對(duì)絕緣紙抗張指數(shù)和伸長(zhǎng)率的影響如圖4所示.

        圖4 CNF的添加量對(duì)絕緣紙抗張指數(shù)和伸長(zhǎng)率的影響Fig. 4 Effect of CNF dosage on the tensile index and elongation of insulation paper

        在一定添加范圍內(nèi),隨著CNF添加量的增加,紙頁(yè)的抗張指數(shù)增加,在添加量為 2%時(shí),抗張指數(shù)為93.6N·m/g,添加量為在 4%時(shí),抗張指數(shù)達(dá)到了95.5N·m/g;隨著 CNF添加量的持續(xù)增加,紙頁(yè)的抗張指數(shù)逐漸減小,但變化不明顯.紙頁(yè)的伸長(zhǎng)率隨著CNF添加量的增加先增加后大幅度下降,添加量為2%時(shí),伸長(zhǎng)率達(dá)到最大,為3.35%.

        CNF的添加量對(duì)絕緣紙耐折度和撕裂指數(shù)的影響如圖 5所示.隨著 CNF添加量的增加,紙頁(yè)的耐折度先增加后迅速降低,當(dāng)CNF的添加量為2%時(shí),紙頁(yè)的耐折度達(dá)到了最大,為 967次.隨著 CNF添加量的增加,紙頁(yè)的撕裂指數(shù)也隨之增加,當(dāng) CNF的添加量為 2%時(shí),紙頁(yè)的撕裂指數(shù)達(dá)到了20.6mN·m2/g,并逐漸趨于平穩(wěn).

        圖5 CNF的添加量對(duì)絕緣紙耐折度和撕裂指數(shù)的影響Fig. 5 Effect of CNF dosage on the folding strength and tear index of insulation paper

        對(duì)添加 2%CNF的紙頁(yè)進(jìn)行 SEM 形貌分析,結(jié)果如圖 6所示.相比圖 3(b)未添加 CNF的紙頁(yè),添加 CNF后,纖維與纖維之間的空隙變小,纖維之間的結(jié)合更加緊密,這是因?yàn)?CNF的添加增強(qiáng)了纖維與纖維之間的結(jié)合力,在一定程度上能夠提高絕緣紙的強(qiáng)度性能[16].但是,CNF的加入會(huì)降低纖維的平均長(zhǎng)度,過(guò)多加入將影響紙頁(yè)的伸長(zhǎng)率和耐折度[18].

        圖6 添加2%CNF的紙頁(yè)微觀形貌Fig. 6 Micromorphology of paper sheet with 2%CNF

        可見(jiàn),少量添加CNF可以優(yōu)化紙頁(yè)的結(jié)構(gòu),提高紙頁(yè)的強(qiáng)度性能,綜合考慮絕緣紙的強(qiáng)度性能及成本問(wèn)題,選擇CNF的添加量以2%為宜.

        2.3 油浸對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

        2.3.1 油浸時(shí)間對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

        實(shí)驗(yàn)選用打漿度為 50°SR的漿料,不添加 CNF和添加 2%CNF(相對(duì)于絕干漿)分別進(jìn)行抄片,在30℃下油浸處理,研究油浸時(shí)間對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表3.

        表3 油浸時(shí)間對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響Tab. 3 Effect of oil immersion time on the strength properties of insulation paper

        隨著油浸時(shí)間的增加,絕緣紙的抗張指數(shù)逐漸降低,油浸 24h后,絕緣紙的抗張指數(shù)下降趨于平緩.油浸處理對(duì)紙頁(yè)伸長(zhǎng)率的影響較大,不添加 CNF的紙頁(yè)在油浸處理 92h時(shí),下降 30%左右,添加2%CNF的紙頁(yè)下降 16%左右.隨著油浸時(shí)間的增加,絕緣紙的耐折度和撕裂指數(shù)也隨之下降,在油浸24h后下降趨于平緩.總體來(lái)說(shuō),添加 2%CNF的紙頁(yè)在油浸處理后強(qiáng)度性能大于未添加CNF的紙頁(yè).

        2.3.2 油浸溫度對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

        為了進(jìn)一步研究油浸溫度對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響,本實(shí)驗(yàn)選用打漿度為 50°SR的漿料,不添加CNF和添加 2%CNF分別抄片,然后分別在不同溫度下對(duì)紙頁(yè)進(jìn)行油浸處理 5h,研究油浸溫度對(duì)紙頁(yè)的強(qiáng)度性能的影響,結(jié)果見(jiàn)表4.由表4可知:隨著油浸溫度的升高,絕緣紙的抗張指數(shù)下降,當(dāng)溫度大于60℃時(shí),紙頁(yè)的抗張指數(shù)下降較為明顯.未添加CNF紙頁(yè)在 150℃下油浸 5h時(shí),抗張指數(shù)下降至76.9N·m/g,添加 CNF紙頁(yè)的抗張指數(shù)下降至80.9N·m/g,總體上添加 2%CNF的紙頁(yè)的抗張指數(shù)大于未添加的紙頁(yè).隨著油浸溫度的升高,紙頁(yè)的伸長(zhǎng)率下降,但并不明顯,添加 2%CNF的紙頁(yè)的伸長(zhǎng)率較大.紙頁(yè)的耐折度也隨著油浸溫度的升高迅速下降,添加 2%CNF的紙頁(yè)的耐折度優(yōu)于未添加的紙頁(yè).纖維之間的結(jié)合情況會(huì)對(duì)耐折度產(chǎn)生明顯的影響,添加 NFC能顯著改善纖維之間的結(jié)合,從而提高紙頁(yè)的耐折度.由于油的滲透作用,浸油后纖維之間的結(jié)合受到一定程度的破壞,而且溫度越高,破壞程度越大.此外隨著油浸溫度的升高,紙頁(yè)的撕裂指數(shù)下降,當(dāng)溫度大于120℃時(shí),未添加CNF的紙頁(yè)的撕裂指數(shù)迅速下降,而添加 CNF的撕裂指數(shù)仍保持在相對(duì)較高水平.

        表4 油浸溫度對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響Tab. 4 Effect of oil immersion temperature on thestrength properties of insulation paper

        綜上可見(jiàn),添加 CNF對(duì)于提高絕緣紙的強(qiáng)度性能具有較明顯的作用.

        3 結(jié) 論

        (1) 打漿能夠明顯改變紙頁(yè)的強(qiáng)度性能.在以增強(qiáng)為目的打漿時(shí),打漿度控制在50°SR為宜.

        (2) CNF在一定的添加范圍內(nèi)能夠提高紙頁(yè)的強(qiáng)度性能.綜合考慮絕緣紙的強(qiáng)度性能及成本問(wèn)題,選擇CNF的添加量為2%為宜.

        (3) 隨著油浸時(shí)間的增加和油浸溫度的升高,絕緣紙的強(qiáng)度性能逐漸下降,未添加 CNF紙頁(yè)在150℃下油浸 5h時(shí),抗張指數(shù)下降至 76.9N·m/g,添加 2%CNF紙頁(yè)的抗張指數(shù)下降至 80.9N·m/g,強(qiáng)度性能能夠保持在較高水平.

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