芳砜綸絕緣紙制備的最優工藝探討

葉 燁 焦曉寧 柯 鵬

(1. 天津工業大學紡織學院，天津，300387；2. 天津工業大學改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津，300387)

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芳砜綸絕緣紙制備的最優工藝探討

葉 燁1焦曉寧2柯 鵬1

(1. 天津工業大學紡織學院，天津，300387；2. 天津工業大學改性與功能纖維天津市重點實驗室，天津，300387)

改變傳統的絕緣紙生產方法，采用纖維經梳理成網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、熱軋壓力和熱軋時間等熱軋工藝條件對芳砜綸絕緣紙性能的影響。試驗結果表明：采用該方法制備的芳砜綸絕緣紙，其介電常數、介質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，熱軋時間55 s。在該工藝條件下制備的芳砜綸絕緣紙其抗張強度為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，通過水或其他介質將纖維沉積在造紙機上而形成的薄頁狀材料。絕緣紙的抗張強度高，伸長率小，絕緣性能好，廣泛地應用于電機、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，是我國自行研發并已形成產業化生產的的芳香族聚酰胺有機耐高溫纖維。芳砜綸的強度高，拉伸強度 3.1～4.4 cN/dtex，拉伸模量52.8 cN/dtex，耐熱性和熱穩定性好，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，芳砜綸又具有絕緣、阻燃、耐化學腐蝕等優點，是制備耐高溫絕緣紙非常好的材料[3-6]。

絕緣紙的傳統制備工藝是濕法造紙抄造成型技術，目前國內外大多數絕緣紙都采用傳統工藝制作。傳統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，簡化了傳統生產絕緣紙的工序，設計正交試驗并極差分析其絕緣紙的抗張強度和擊穿電壓，探討得出熱軋法制備芳砜綸絕緣紙的最優工藝。

1 試驗部分

1.1 芳砜綸絕緣紙的制備

試驗所使用的原料是國產芳砜綸，經過開松、梳理、橫縱向90°交叉鋪網得到芳砜綸纖網，然后經過熱軋機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。

本試驗的關鍵部分是熱軋成型工藝。熱軋溫度、熱軋壓力和熱軋時間是影響熱軋工藝的三個主要因素。熱軋溫度的設置主要依據纖維的熔點，而芳砜綸沒有熔點，且極耐高溫[4]，因此選用其軟化溫度(367 ℃)作為一個參考界限。若是熱軋溫度設置過低，纖維沒有充分熔融，纖網無法熔結，則制備的絕緣紙將達不到要求；若是熱軋溫度設置過高，則絕緣紙的表面塑化發脆，不僅拉伸強力受到影響，而且電氣性能也會有明顯的損失。熱軋壓力主要影響纖網中纖維的黏結以及絕緣紙的結構緊密性。熱軋時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、熱軋壓力和熱軋時間作為四個考察因素，每個因素選取三個不同的水平，采用正交表L(34)進行試驗，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 絕緣紙性能測試

1.2.1 物理性能

(1)面密度。參照標準 GB/T 24218.1—2009《紡織品 非織造布試驗方法 第1部分：單位面積質量的測定》測試絕緣紙的面密度，單位為g/m2。

(2)厚度。參照標準GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》，使用PARAM CHY-C2測厚儀測試絕緣紙的厚度，單位為mm。

(3)透氣性。參照標準GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》，使用YG461H全自動透氣量儀，在規定的壓力差條件下，用單位時間內通過的空氣量來衡量絕緣紙的透氣性，單位為mm/s。

(4)抗張強度。參照標準GB/T 453—2002《紙和紙板抗張強度的測定》，使用美國INSTRON3369型強力測試儀，絕緣紙在恒速拉伸的條件下，將規定尺寸的試樣拉伸至斷裂，測試其抗張強度。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，預加張力0.2 N。

1.2.2 電氣性能

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

(2)擊穿強度。參照標準GB/T 1408—2006《絕緣材料電氣強度試驗方法》，用DDJ-50KV電壓擊穿試驗儀進行測試。試驗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，使用連續升壓方法，升壓速度500 V/s，直至樣品被擊穿，測得擊穿電壓。按下式計算絕緣紙的擊穿強度E：

式中：d——絕緣紙的厚度(mm)；

U——絕緣紙擊穿電壓(kV)。

2 結果與分析

2.1 物理性能

芳砜綸絕緣紙的厚度、面密度、透氣量和抗張強度等物理性能的測試結果見表2。在面密度相似的情況下，透氣量越小，厚度越小，絕緣紙的結構就越致密。

表2 芳砜綸絕緣紙物理性能測試結果

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

表3 抗張強度的極差分析表 (單位：MPa)

注：K表示各水平下抗張強度之和，K′表示各水平下 抗張強度的平均值。

2.2 電氣性能

絕緣紙廣泛應用在電氣設備上，因此其電氣性能是評價絕緣紙的重要指標。芳砜綸絕緣紙電氣性能的測試結果見表4。從表4數據可知，本試驗制備的絕緣紙的介電常數、介質損耗角正切及電阻率能基本滿足絕緣紙的要求。選擇擊穿強度作為指標進行極差分析，見表5。

表4 芳砜綸絕緣紙電氣性能測試結果

表5 擊穿強度的極差分析表 (單位：kV/mm)

注：K表示各水平下擊穿強度之和，K′表示各水平下 擊穿強度的平均值。

對于絕緣紙，同樣要求擊穿強度越大越好。根據擊穿強度的極差分析表， 因素B、因素C和因素D在水平3下的擊穿強度值最大，因素A則是在水平1下的擊穿強度值最佳。因此，可以得出最優組合工藝亦為B3C3D3A1，即熱軋溫度355 ℃，熱軋壓力15 MPa，熱軋時間55 s，喂入量5 g。對選定的優化組合方案進行指標估計，計算結果是抗張強度為21.71 MPa，擊穿電壓為7.40 kV/mm。該方案是所有正交試驗組合中的最優組合，即本試驗得到的最優工藝。

3 結論

(1)本試驗改變了傳統的絕緣紙生產方法，采用纖維經梳理成網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、介質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，熱軋溫度設定355 ℃，熱軋壓力15 MPa，熱軋時間55 s。在該工藝條件下制備的芳砜綸絕緣紙其抗張強度為21.71 MPa，擊穿電壓為7.40 kV/mm。

[1] 電氣電子絕緣技術手冊編輯委員會.電氣電子絕緣技術手冊[M].北京:機械工業出版社，2008.

[2] 肖鵬遠，焦曉寧.絕緣紙的性能及Nomex 絕緣紙的特性和應用[J].產業用紡織品，2010，28(1)：31-36.

[3] 鐘洲，吳延灃.X-FIPERTM 芳綸絕緣紙及其復合材料AMATM[C]//中國電工技術學會，中國電器工業學會.2007年全國絕緣材料與絕緣技術專題研討會論文集,2007：137-141.

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

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

[6] 宋江超.芳砜綸纖維的發展和應用[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踐和認識[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