鮑時寬，楊 軍，宋 歡，劉含茂，梁西川，黎 勇，李正勝

（1. 株洲時代華先材料科技有限公司，湖南 株洲 412100；2. 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；3. 中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

電氣用聚芳酰胺纖維紙板（以下簡稱芳綸紙板）是由間位芳綸短切纖維和沉析纖維經(jīng)抄造熱壓[1]而成，依據(jù)密度可以分為低密度芳綸紙板、中密度芳綸紙板和高密度芳綸紙板三大類。其中中密度芳綸紙板用于制作變壓器中的角環(huán)、角槽、絕緣筒等成型件[2]。芳綸紙板具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、電氣性能和力學(xué)性能，可以大幅提升高耐熱等級、高燃點油浸式變壓器的使用壽命和安全性。

牽引變壓器的尺寸、質(zhì)量受到車輛空間和質(zhì)量的嚴(yán)格限制，為了實現(xiàn)牽引變壓器的大功率與輕量化[2]，通常采用芳綸紙板與高燃點硅油[3]或合成酯油[4]組成的高耐熱等級油紙絕緣系統(tǒng)。

海上風(fēng)電油浸式變壓器一般置于機艙或塔筒內(nèi)，受空間限制，常在高溫條件下運行，同時由于環(huán)保要求，設(shè)計時常采用高耐熱等級的芳綸紙板和高燃點可降解的合成酯油組成的油紙絕緣系統(tǒng)[5-6]。

為了滿足軌道交通領(lǐng)域和海上風(fēng)電領(lǐng)域?qū)Ω吣蜔岱季]紙板的需求，開發(fā)了一種中密度芳綸紙板，并對芳綸紙板的常規(guī)性能、加工工藝性及其與硅油、合成酯油的相容性進行研究。

1 實驗

1.1 主要原材料及樣品制備

芳綸短切纖維、芳綸沉析纖維，株洲時代新材料科技股份有限公司；進口中密度芳綸紙板，厚度為2.4 mm，典型密度為0.8 g/cm3；合成酯油，M&I material公司；二甲基硅油，日本信越公司。

將芳綸沉析纖維疏解到工藝打漿度，然后與芳綸短切纖維按照質(zhì)量比為1∶1[1]進行混合，稀釋至工藝濃度后經(jīng)成形器形成單層漿層，單層漿層傳遞至復(fù)合成型冷缸，在缸面按照定量要求多層卷繞疊加制備出紙坯，紙坯從冷缸取下后傳送至熱壓工序熱壓成型，得到中密度芳綸紙板。

中密度芳綸紙板經(jīng)絕緣筒模具卷繞熱定型成絕緣筒，經(jīng)U 型槽模具模壓定型成U 型槽。卷繞與彎折成型等加工過程要求紙板具備較好的拉伸強度、層間結(jié)合力以及柔韌性，同時芳綸紙板需要易于變壓器油浸透，具備較高的吸油率。紙板吸油率與密度成反比，而力學(xué)性能與密度成正比，參照進口中密度芳綸紙板，本文制備了典型密度為0.8 g/cm3、厚度為2.4 mm的中密度芳綸紙板A696。

1.2 儀器及設(shè)備

JYU-27 型絕緣材料耐壓測試儀，美國phenix 公司；JYU-18 2821 型介質(zhì)損耗測試儀，瑞士HAEFELY 公司；JYW-77 UTM2103型微機控制電子拉力試驗機，深圳三思縱橫科技股份有限公司。

1.3 性能測試

紙板常規(guī)性能按照GB/T 29627.2—2013 進行測試；水分含量按照GB/T 462—2008進行測試。

中密度芳綸紙板和硅油以及合成酯油的相容性參照ASTM D3455-2011進行測試，實驗樣品預(yù)處理及實驗步驟如下：

（1）芳綸紙板與絕緣油的用量：每1 000 mL 硅油或合成酯中芳綸紙板用量為100 g，芳綸紙板尺寸為10 mm×10 mm，厚度小于1 mm。

（2）實驗前，將芳綸紙板置于（105±5）℃的烘箱中干燥16 h。

（3）取100 g 干燥后的芳綸紙板試樣浸入放有1 000 mL 絕緣油的潔凈容器中，向油中持續(xù)通入干燥氮氣約10 min，密封容器。

（4）將密封好的容器放在烘箱中作為實驗組開始老化。芳綸紙板與合成酯和硅油的相容性實驗老化溫度均為155℃，老化時間均為164 h。

每組測試準(zhǔn)備一組空白組油樣，空白組油樣中不加入任何材料并與實驗組同步加熱老化。分別按 照GB/T 5654—2007 和NB/SH/T 0836—2010 測試空白組油樣和實驗組油樣老化后的介質(zhì)損耗因數(shù)和酸值。

2 結(jié)果與討論

2.1 短切纖維長度的選擇

芳綸紙板由短切纖維和沉析纖維組成，其中短切纖維為骨架提供機械強度，沉析纖維起粘結(jié)作用同時提供介電性能[7]。芳綸紙板的拉伸強度與單層漿層之間的結(jié)合情況以及單層漿層的強度有關(guān)，而單層漿層的強度與其勻度以及短切纖維的長度相關(guān)。本研究選用長度為3～9 mm 的短切纖維制備了厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板A696，測得其縱向拉伸強度如圖1所示。

圖1 芳綸短切纖維長度對試樣縱向拉伸強度的影響Fig.1 Effect of the length of meta-aramid chopped fibers on the tensile strength of samples

從圖1 可以看出，芳綸紙板的縱向拉伸強度隨著短切纖維長度的增加先增大后減小，并在短切纖維長度為7 mm 時達到最大值（89 MPa）。這是由于隨著短切纖維長度的增加，較長的短切纖維可以增大纖維間的結(jié)合面積，提高其縱向拉伸強度，而當(dāng)短切纖維長度大于7 mm 時，其在漿池、泵和管道等紙機流送系統(tǒng)中容易絮聚纏繞[7]，纖維的分散性變差，絮聚越來越明顯，造成單層漿層勻度變差，多層漿層復(fù)合后紙板內(nèi)部的薄弱點逐漸增多[8-9]，導(dǎo)致紙板的拉伸強度開始減小。因此中密度芳綸紙板用短切纖維的長度選擇為7 mm。

2.2 單層漿層定量的選擇

芳綸紙板由單層漿層復(fù)合疊加熱壓而成，芳綸紙板的機械強度受單層漿層的絕干定量與水分影響。采用長度為7 mm 的短切纖維制備了不同定量的單層漿層，測試單層漿層的水分含量，然后將單層漿層復(fù)合后壓制成厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板，并測試其縱向拉伸強度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 漿層定量對漿層的水分含量及試樣縱向拉伸強度的影響Fig.2 Effects of stock layer gram weight on the moisture content of single stock layer and the tensile strength of samples

從圖2可以看出，隨著單層漿層定量的增加，單層漿層的水分含量逐漸升高，而中密度芳綸紙板的縱向拉伸強度整體呈減小趨勢，而在單層漿層定量為45～64 g/m2時略有增大。這是由于單層漿層定量越小，漿層厚度越薄，芳綸紙板需要的復(fù)合層數(shù)越多，層間接觸面更大，熱壓過程中層間纖維擠壓搭接更緊密，因而單層漿層越薄，紙板的力學(xué)性能越好[10]。當(dāng)單層漿層定量為64 g/m2時，芳綸紙板的縱向拉伸強度略大于定量為45 g/m2時的芳綸紙板，這是由于定量為64 g/m2的漿層水分含量高于定量為45 g/m2的漿層，水分被真空抽吸時形成的纖維垂直穿刺漿層的占比更高，復(fù)合收卷和熱壓過程中纖維在z向的位移更大，增大了層間的交織，增大了層間結(jié)合力[11]，從而使得紙板的縱向拉伸強度增大；水分含量提高還有利于提高熱壓過程中短切纖維的表面活性，從而提高其與沉析纖維的界面結(jié)合作用，也能一定程度上增大縱向拉伸強度[12]。另外，單層漿層定量越高，紙坯生產(chǎn)效率越高，綜合考慮性能與生產(chǎn)效率，芳綸紙板適宜的單層漿層定量為64 g/m2。

2.3 紙坯水分含量的選擇

紙坯水分含量是紙坯的關(guān)鍵控制參數(shù)，影響芳綸紙板的層間結(jié)合力以及生產(chǎn)效率。曹衛(wèi)忠[13]研究認(rèn)為植物纖維絕緣紙板單層漿層水分含量控制在84%～90%，復(fù)合工藝脫水10%后紙坯水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73%～80%時對層間結(jié)合力最有利。芳綸纖維為合成纖維，對水的潤濕性差，芳綸紙板單層漿層水分含量低于植物纖維紙板，采用定量為64 g/m2，水分含量為75%的單層漿層復(fù)合成不同水分含量的紙坯，測試紙坯的水分含量，觀察紙坯從復(fù)合冷缸取下后的起皺情況，并采用不同水分含量的紙坯壓制厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板用于變壓器U 型絕緣槽部件的壓制，通過U 型槽成型的工藝性來觀察層間結(jié)合情況。不同水分含量紙坯起皺和U型絕緣槽成型情況見表1和圖3。

表1 水分含量對紙坯和U型絕緣槽的影響Tab.1 Effect of moisture content on the paper billet and the U-shaped insulating component

圖3 不同水分含量的紙坯壓制的U型絕緣槽Fig.3 U-shaped insulating component pressed by paper billet with different moisture content

從表1 和圖3 可以看出，紙坯水分含量越高，從復(fù)合冷缸上取出時越容易起皺，而且紙坯水分含量越高，紙板所需紙坯質(zhì)量越大，熱壓階段能耗也越大，結(jié)合紙坯起皺情況以及U 型絕緣槽成型狀態(tài)，綜合考慮能耗和紙板層間結(jié)合力，中密度芳綸紙板紙坯最優(yōu)的水分含量為63%。

2.4 芳綸紙板與硅油和合成酯油的相容性

絕緣油是決定變壓器絕緣性能的關(guān)鍵材料之一，芳綸紙板與硅油或合成酯的相容性對變壓器的絕緣性能有重要影響[14]。使用長度為7 mm 的短切纖維制備厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板分別與硅油和合成酯油進行相容性實驗，結(jié)果分別見表2和表3。從表2可以看出，中密度芳綸紙板與硅油在155℃下老化164 h 后，空白組硅油酸值為0.004 mgKOH/g，加入芳綸紙板的實驗組硅油酸值為0.005 mgKOH/g；空白組硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)為1.3×10-4，實驗組硅油的介質(zhì)損耗因數(shù)為1.5×10-4，介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大。從表3 可以看出，加入芳綸紙板前后，合成酯的酸值和介質(zhì)損耗因數(shù)變化不大?？梢娭忻芏确季]紙板與硅油和合成酯都有良好的相容性。

表2 芳綸紙板與硅油的相容性Tab.2 The compatibility between aramid pressboard and silicone oil

表3 芳綸紙板與合成酯的相容性Tab.3 The compatibility between aramid pressboard and synthetic ester

2.5 中密度芳綸紙板性能對比

采用長度為7 mm 的芳綸短切纖維按照定量為64 g/m2制備單層漿層，經(jīng)復(fù)合熱壓制備厚度為2.4 mm 的中密度芳綸紙板A696，并與進口中密度芳綸紙板進行性能對比，結(jié)果如表4 所示。從表4 可以看出，中密度芳綸紙板A696 各項性能達到進口產(chǎn)品同等水平，其中拉伸強度優(yōu)于進口產(chǎn)品。自制的A696 和進口中密度芳綸紙板的壓縮特性和壓縮可回復(fù)部分十分相近，這是由于二者具備相近的密度。

表4 中密度芳綸紙板性能Tab.4 The performance of the aramid pressboard

2.6 中密度芳綸紙板加工性能驗證

中密度芳綸紙板不僅需要具備優(yōu)異的電氣性能與力學(xué)性能，還需要具備良好的加工性，采用厚度為2.4 mm 的A696芳綸紙板進行了變壓器絕緣筒成型驗證，產(chǎn)品實物圖片見圖4。

圖4 絕緣筒Fig.4 Insulating cylinder

從圖4 可以看出，中密度芳綸紙板A696 具備良好的柔性，卷繞高溫定型制備的絕緣筒圓弧度好，無褶皺分層，滿足絕緣筒成型要求，適用于軌道交通牽引變壓器和海上風(fēng)電油浸式變壓器。

3 結(jié)論

（1）采用長度為7 mm 的短切纖維制備的中密度芳綸紙板具備優(yōu)異的力學(xué)性能，其適宜的單層漿層克重為64 g/m2，紙坯水分含量為63%。

（2）制備的中密度芳綸紙板具備良好的柔性與層間結(jié)合力，滿足變壓器絕緣筒成型及U 型槽成型應(yīng)用要求。

（3）制備的中密度芳綸紙板具備良好的力學(xué)性能與電氣性能，達到進口產(chǎn)品同等技術(shù)水平，且與硅油和合成酯油具有良好的相容性，適用于軌道交通牽引變壓器和海上風(fēng)電油浸式變壓器。