高性能复合云母纸的制造技术及增强机理的研究

论文摘要

云母作为绝缘材料用于各种电气、电机工业中,具有优良的性能。随着大片优质云母资源的枯竭,利用碎云母制备的云母纸因其厚度均匀、介电强度波动小、电晕起始电压高而稳定成为云母绝缘材料的主力军。云母纸是将破碎后的细小鳞片在造纸机上抄造成大面积的纸张,它的成形主要靠鳞片间的静电引力和范德华力。然而,这两种力较小,抄造的云母纸强度低不能直接应用,需要预先补强,通常的方法是在粘结剂的作用下将云母纸和补强材料粘合在一起形成云母纸材料。然而,这种补强工艺需要大量的粘结剂,极大的降低了材料中云母的含量,影响材料的绝缘性能、使用寿命等。为了保持云母材料的绝缘性能,并提高材料的机械强度,新的补强材料和补强工艺是云母纸材料发展的方向。芳纶纤维具有极高的强度,且具有优良的绝缘性能,芳纶纤维与云母鳞片通过合适的工艺复合提高云母纸材料的强度是新兴研究的热点。本文添加8%含量的芳纶纤维与云母鳞片复合制备芳纶云母纸复合材料,选择合适的云母原料、制浆方式获得云母浆料后,通过云母鳞片的表面改性和芳纶纤维的分散、改性,提高芳纶纤维与云母鳞片的界面结合强度、均匀度等。在添加8%含量的芳纶纤维的情况下制备的芳纶云母纸复合材料的性能基本达到了国外添加50%芳纶纤维抄造的复合云母纸的水平,极大的提高了纸张的强度,省去了以往云母纸材料需要浸胶、补强的工艺,可直接使用,简化了工艺流程。通过大量的试验研究,获得了各项工艺参数的最佳条件,主要得到以下结果：1.选定了云母原料后,通过对比水力制浆法和煅烧化学制浆法制备的云母浆料抄造的云母纸和芳纶云母纸的性能,可知煅烧化学制浆法制备的云母浆料更利于提高纸张的介电强度和拉伸强度；通过正交试验获得了煅烧化学制浆工艺的最佳条件。进行了云母浆料粒度组成对芳纶云母纸复合材料性能的影响研究,并通过正交试验获得了最佳的云母鳞片粒度组成用于芳纶云母纸的制备。2.尽量减少生产用水中杂质金属离子、悬浮物,避免碱性水质是提高芳纶云母纸强度性能的前提；净化水质后,可选用不同的改性剂对云母鳞片进行表面改性提高云母鳞片的表面性质；通过对比几类不同的改性剂可知,聚丙烯酰胺类改性剂和淀粉类改性剂对云母鳞片的改性效果明显。其中淀粉类改性剂较好,以阳离子淀粉改性剂为最佳；当阳离子淀粉改性剂的用量为10kg/t,改性云母浆料浓度为16%,改性时间30min改性后的云母鳞片抄造的芳纶云母纸比未经改性云母鳞片抄造的芳纶云母纸的拉伸强度提高了277.5%,改性效果十分明显,且改性剂的添加不影响材料的介电性能；3.通过不同的改性方式对芳纶纤维进行表面改性研究,发现超声波改性对提高芳纶纤维的表面活性,促使纤维表面微纤维、帚化较有利；同时,辅以硅烷偶联剂改性,可有效的提高芳纶纤维的表面力,提高材料的强度。经过600W的超声波改性5min,再辅以30kg/t的硅烷偶联剂改性5h后的芳纶纤维与云母鳞片混合抄造的芳纶云母纸的拉伸强度由23.97N/cm提高至28.56N/cm,提高了19.1%,改性效果明显。聚氧化乙烯和十二烷基苯磺酸钠同时使用作为芳纶纤维的分散剂,可实现芳纶纤维的均匀分散,提高抄造的芳纶云母纸的均匀度。4.通过对比三种不同的抄造成形工艺,最终确定了最适合芳纶云母纸抄造的工艺：混浆抄造工艺,其工艺流程简单,操作方便,芳纶纤维的补强效果好,极大的提高了云母纸材料的强度。5.进行了芳纶云母纸的热压操作,获得了最佳的热压工艺参数,即在平板硫化机上以240℃的温度,22MPa的压力下热压1h。经过热压后,芳纶云母纸的拉伸强度可达33.65N/cm,介电强度33.84KV/mm、耐折度1.74,材料的密实度、柔软性能增强。并对比了自制芳纶云母纸与NOMEX418纸的各项性能,包括机械性能、耐温性能、绝缘性能和使用稳定性,自制芳纶云母纸的拉伸强度、介电强度较高,耐温性能和稳定性与NOMEX418类似,体积电阻率和介质损耗有待进一步提高。课题研究中,芳纶云母纸均在实验室条件下制得,工业化生产时纸张的性能会进一步提升。6.探讨了芳纶云母纸复合增强的机理：云母鳞片的级配提高了材料的密实度,减少了材料内部的裂隙,降低了材料从裂隙处破坏的几率；改性剂在云母鳞片表面的物理吸附和化学键和提高了云母鳞片的表面力,超声波空化作用和偶联剂的偶联作用提高了芳纶纤维的表面活性,有效的改善了材料的界面结合性能,增加了材料的塑性,提高了材料的整体性能。芳纶云母纸复合材料的研制具有重要的意义。首先,本课题芳纶云母纸的制备可填补国内无相关产品的空白,打破对国外产品的依赖。其次,芳纶纤维的补强云母纸基材料可以达到很高的强度,制备的芳纶云母纸可直接使用,无需再添加补强材料,提高了材料中云母的含量,有利延长云母纸材料的使用寿命,提高电气设备的安全性。通过合适的工艺流程,可一次成形,省去了传统工艺的浸胶、补强工艺,简化了工艺流程。再次,芳纶纤维的使用,有利于减薄了纸基绝缘的厚度,对电气设备的小型化有重要的意义。最后,添加少量的芳纶纤维极大的降低了芳纶云母纸生产的成本,增加了产品的经济效益。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 复合云母纸材料
• 1.2 云母纸绝缘材料
• 1.2.1 云母
• 1.2.2 云母纸的制备
• 1.2.3 云母纸的性能及应用
• 1.2.4 影响云母纸质量的因素
• 1.2.5 云母纸绝缘材料的发展方向
• 1.3 芳纶云母纸复合材料
• 1.3.1 芳纶云母纸的研究现状
• 1.3.2 芳纶纤维
• 1.3.3 芳纶云母纸制备需解决的关键问题
• 1.4 本课题的意义及研究的内容
• 第2章 试验原料、仪器及研究方法
• 2.1 试验原料
• 2.2 试验试剂及仪器
• 2.2.1 试验试剂
• 2.2.2 试验仪器设备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 云母纸的抄造
• 2.3.2 芳纶云母纸的抄造
• 2.4 试验效果评价方法
• 2.4.1 分散效果的评价
• 2.4.2 改性效果的评价
• 2.4.3 芳纶云母纸性能测试
• 第3章 云母浆料的制备
• 3.1 云母原料
• 3.2 云母制浆方式
• 3.2.1 水力制浆
• 3.2.2 煅烧化学制浆
• 3.2.3 煅烧化学制浆工艺条件正交试验
• 3.3 云母鳞片粒度组成对芳纶云母纸性能的影响
• 3.3.1 云母浆料平均粒度对纸张性能的影响
• 3.3.2 窄粒级云母鳞片对纸张性能的影响
• 3.3.3 云母鳞片粒级配比对芳纶云母纸性能的影响
• 3.4 小结
• 第4章 云母鳞片表面改性
• 4.1 水质对芳纶云母纸性能的影响
• 4.1.1 水中各种阳离子对云母纸及芳纶云母纸复合材料性能的影响
• 4.1.2 水的pH值对云母纸及芳纶云母纸复合材料性能的影响
• 4.1.3 生产用水中悬浮物对云母纸及芳纶云母纸复合材料性能的影响
• 4.2 表面改性剂的选择
• 4.2.1 络合剂类改性剂
• 4.2.2 偶联剂改性剂
• 4.2.3 硅酸盐类改性剂
• 4.2.4 强酸改性剂
• 4.2.5 有机硅树脂改性剂
• 4.2.6 聚丙烯酰胺类改性剂
• 4.2.7 淀粉类改性剂
• 4.3 表面改性剂条件优化
• 4.3.1 改性剂条件正交试验
• 4.3.2 阳离子淀粉用量对云母纸张性能的影响
• 4.3.3 改性云母浆料的浓度对纸张性能的影响
• 4.3.4 改性时间对云母张性能的影响
• 4.4 云母鳞片表面改性对芳纶云母纸耐温性能的影响
• 4.5 小结
• 第5章 芳纶纤维的改性与分散
• 5.1 芳纶纤维改性方式选择
• 5.1.1 表面涂层改性
• 5.1.2 辐照改性
• 5.1.3 超声波改性
• 5.1.4 硅烷偶联剂改性
• 5.1.5 表面刻蚀改性
• 5.1.6 表面接枝改性
• 5.2 芳纶纤维改性条件优化
• 5.2.1 超声波功率对芳纶纤维改性效果的影响
• 5.2.2 超声波改性时间对芳纶纤维改性效果的影响
• 5.2.3 硅烷偶联剂用量对芳纶纤维改性效果的影响
• 5.2.4 硅烷偶联剂改性时间对芳纶纤维改性效果的影响
• 5.3 芳纶纤维的分散
• 5.3.1 芳纶纤维分散剂
• 5.3.2 分散剂用量对芳纶纤维分散效果的影响
• 5.3.3 打浆浓度对芳纶纤维分散效果的影响
• 5.3.4 打浆转速对芳纶纤维分散效果的影响
• 5.3.5 打浆时间对芳纶纤维分散效果的影响
• 5.4 小结
• 第6章 芳纶云母纸的抄造工艺及性能测试
• 6.1 芳纶云母纸的制备工艺
• 6.1.1 混浆抄造工艺
• 6.1.2 溶解再生成工艺
• 6.1.3 分别抄造热压成形工艺
• 6.2 芳纶纤维性质对纸张性能的影响
• 6.2.1 芳纶短切纤维与浆粕配比对纸张性能的影响
• 6.2.2 芳纶短切纤维长度对纸张性能的影响
• 6.3 热压成形工艺对纸张性能的影响
• 6.3.1 热压成形工艺条件正交试验
• 6.3.2 热压温度对芳纶云母纸性能的影响
• 6.3.3 热压压力对芳纶云母纸性能的影响
• 6.3.4 热压时间对芳纶云母纸性能的影响
• 6.4 芳纶云母纸性能测定
• 6.4.1 芳纶云母纸的电气性能
• 6.4.2 芳纶云母纸的机械性能
• 6.4.3 芳纶云母纸的耐温性能
• 6.4.4 芳纶云母纸的稳定性
• 6.5 小结
• 第7章 芳纶云母纸复合材料增强机理研究
• 7.1 级配增强机理
• 7.1.1 最大密度曲线理论
• 7.1.2 逐级填充粒子干涉理论
• 7.2 复合增强机理
• 7.2.1 纤维间距理论
• 7.2.2 复合材料理论
• 第8章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录