一種基於納米改性聚醯亞胺薄膜的新型熱改性絕緣紙製備方法與流程

2024-01-21 11:20:15 3

本發明涉及電氣設備絕緣材料
技術領域：
，具體涉及一種變壓器用絕緣紙，特別涉及一種基於納米改性聚醯亞胺薄膜的新型熱改性絕緣紙製備方法。
背景技術：
：按照原材料的不同，絕緣紙可分為植物纖維紙、礦物纖維紙、合成纖維紙三大類。其中，普通絕緣紙主要採用植物纖維為原材料，如快巴紙和牛皮紙，主要成分為纖維素、半纖維素和木質素等。植物纖維絕緣紙被廣泛用作電纜、線圈、電力變壓器等各項電器設備的絕緣材料，其耐熱等級為a級。但若長時間在超過其允許的最高工作溫度下使用，會加速纖維素的分解，造成機械強度下降，絕緣擊穿的概率增大，引發變壓器故障，即絕緣紙的可靠性和使用壽命直接影響電器設備的安全和穩定。因此，對絕緣紙的某些性能，包括物理方面的機械性能，電氣方面的絕緣性能和化學方面的熱穩定性能等提出了較高的要求。在機械性能上，如變壓器工作時，絕緣紙可能受到大功率高壓電機繞組高速運轉，或啟、停作業帶來的負荷變化應力損傷，以及繞組渦流造成的機械振動，或短路、過壓故障造成的瞬時電動力，故要求絕緣紙必須具備較高的機械強度。所謂機械強度主要表現在抗張強度、撕裂度和伸長率等方面。在絕緣性能上，絕緣紙在電場中所需具備的四種特性是，絕緣電阻高，介質損耗小，介電常數較大，工頻擊穿電壓值較高。熱穩定性能上，由於絕緣紙長期在變壓器的高溫環境中工作，熱老化導致植物纖維或合成纖維大分子鏈斷裂，聚合度下降，絕緣紙脆性增加，逐漸失去機械強度和絕緣性能。對植物纖維絕緣紙，其力學強度主要來自纖維素鏈間的糖苷鍵的強度和分子之間氫鍵的作用力，纖維素緊密相連。但在熱和氧氣的共同長期作用下，纖維素高聚物分子開始產生過氧化物，然後分解產生自由基，引發一系列氧化反應，使分子量下降並不斷揮發出小分子產物。隨著熱老化過程的進行，木質素和半纖維素逐漸分解消失，纖維開始分離，最終纖維表面出現破壞，機械強度顯著降低。纖維素耐熱老化性差，這是植物纖維絕緣紙紙最大的缺點。國際電工委員會按照絕緣材料的耐熱程度將其分為七個等級：工作溫度90℃，耐熱等級為y級；105℃為a級；120℃為e級；130℃為b級；155℃為f級；180℃為h級；200℃為c級。研究表明，變壓器絕緣紙如果在正常工作溫度以下使用，壽命長達二十年。如果超過規定的溫度，絕緣紙就會加速老化，壽命大大縮短。如a級絕緣紙從105℃起環境溫度每提高8℃，壽命就會縮短一半，而b級絕緣紙溫度每提高10℃，h級絕緣紙溫度每提高12℃，使用壽命縮短一半。可見，絕緣紙的使用壽命和絕緣性能受溫度影響顯著，熱穩定性越好，絕緣紙使用壽命就越長，因此，作為絕緣材料，熱穩定性能是植物纖維絕緣紙十分重要的性能指標。雖然目前有七個等級的絕緣材料，以滿足電纜、線圈、電力變壓器等電氣設備的不同應用要求，但絕緣材料的耐熱等級越高，價格越昂貴。而普通絕緣紙由於熱穩定性能的欠缺，也包括熱老化導致的絕緣性能和機械性能的降低，限制了變壓器向小型化、大容量方向發展。因此，在工程應用中提出了這樣的需求：能否基於價格相對較為低廉的植物纖維絕緣紙進行改性後，由工作溫度為105℃提高到120℃，或130℃甚至更高的溫度等級。近年來，隨著電氣絕緣技術的發展，對絕緣材料的要求越來越高，性能單一的材料已很難滿足高性能電氣產品的要求。因此，人工合成絕緣材料的優越性在電工
技術領域：
逐開始步顯現，其中，高分子聚合物複合絕緣材料在油浸式變壓器中得到使用，提高了絕緣材料的耐高溫好耐老化性能。以下引述的專利涉及利用改性或複合方法，提高絕緣紙或板的絕緣性能、安全使用壽命或耐油性能，但這不能必然地解釋為，既有的這些技術對基於植物纖維絕緣紙進行改性來提高其熱穩定性能是適宜的。中國專利申cn102982859a，公開了一種pfcp絕緣複合材料，該材料為在絕緣紙上塗覆酚醛膠粘劑製成，其中，所述酚醛膠粘劑由以下質量百分比的組分組成：腰果酚改性酚醛樹脂94~99%；芳綸纖維漿粕1~6%；其中pfcp絕緣複合材料膠含量為36~46%。中國專利申請公開號cn101062570a，公開了一種低吸水率酚醛紙層壓板及其製備方法和用途，採用立式和臥式聯合浸漬紙張的工藝路線，使用改性酚醛樹脂為絕緣浸漬樹脂，樹脂數均分子量在450~600之間，將多張浸漬有改性酚醛樹脂的預浸紙熱壓合成出低吸水率的酚醛樹脂紙層壓板。中國專利cn201020265909.7，提供了一種聚醯亞胺薄膜與聚芳醯胺纖維紙複合材料，包括聚醯亞胺薄膜。聚醯亞胺薄膜的雙面通過耐熱膠粘劑各粘貼一層聚芳醯胺纖維紙，其中：聚醯亞胺薄膜的厚度為0.05~0.125mm，聚芳醯胺纖維紙的厚度為0.05~0.13mm。中國專利cn200810045837.2，提供了一種菱格點膠複合絕緣紙及其製備方法，由聚酯薄膜層、用f級聚氨酯膠粘劑粘貼在聚酯薄膜層上下表面的電工絕緣用聚酷纖維非織布層，以及呈菱格狀塗敷在各電工絕緣用聚酯纖維非織布層表面上的改性環氧樹脂組成，該菱格點膠複合絕緣紙的製備方法，包括製備三層複合材料和製備菱格點膠複合絕緣紙等步驟。中國專利cn102747654a，公開了一種低介電常數的絕緣紙的製備方法，用纖維解離器將原木漿進行攪拌疏解，再將製備的sio2空心微球懸濁液倒入纖維解離器中混合、攪拌，抄造成定量120g/m2的絕緣紙，經壓實、乾燥成型。中國專利cn103174053a，公開了一種芳綸1414紙基材料的生產方法，將芳綸1414短切纖維漿料、改性熱塑性纖維漿料以及芳綸1414漿粕纖維漿料混合均勻後疏解，然後加入馬來酸配一丙烯酸共聚物進行混漿分散，然後調整紙漿濃度，將得到的漿料懸浮液經抄造成形、熱壓，得芳綸1414紙基原紙；芳綸1414紙基原紙在聚醯亞胺樹脂膠液中浸漬，然後乾燥除去揮發性溶劑，即得芳綸1414紙基材料。中國專利cn102623113a，公開了一種提高變壓器油浸紙絕緣性能的方法。該方法是將納米二氧化鈦或氧化鋅改性劑添加到電力設備用油浸紙絕緣系統中，起到對油浸紙中電荷的消散和輸運作用，增強油浸紙板的絕緣特性。中國專利cn102723152a，公開了一種提高纖維素絕緣紙擊穿強度的改性方法及絕緣紙，以絕緣紙漿重量為基準，加入6~10%的mmt乙醇混合溶液，在纖維解離器中攪拌、解離，攪拌時間為3~30min；其中mmt乙醇混合溶液製備方法為：將蒙脫土以1:100的質量比例溶於無水乙醇中，在磁力攪拌器上攪拌10min，得mmt乙醇混合溶液。中國專利cn201210574487.5，提供了一種桐油改性酚醛樹脂組合物、其製備方法和絕緣紙板，桐油改性酚醛樹脂組合物，包括以重量計15~25%的苯酚，5~15%的桐油，0.1~1%的對甲苯磺酸的甲醇溶液，0.1~1%的三乙醇胺水溶液，10~50%的甲醛，0.1~0.5%的三乙胺，0.5~5%的氨水，1~10%的增韌劑和10~50%的甲醇。中國專利cn102982923a，公開了一種應用在變壓器中的新型絕緣紙，包括由改性聚酯切片雙向拉伸成的聚酯薄膜，聚酯薄膜上塗覆有一層菱格狀膠層，菱格狀膠層為環氧樹脂膠。技術實現要素：本發明提供一種基於納米改性聚醯亞胺薄膜的新型熱改性絕緣紙製備方法，目的是利用浸漬用納米改性聚醯亞胺溶液對植物纖維絕緣紙進行浸漬滲透，通過對輥熱壓、加熱固化工藝，以獲得新型熱改性絕緣紙，使其熱穩定性能、絕緣性能和機械性能較原植物纖維絕緣紙顯著提高。為了實現本發明的目的，本發明採用如下技術方案：一種基於納米改性聚醯亞胺薄膜的新型熱改性絕緣紙製備方法，所述浸漬用浸漬用納米改性聚醯亞胺溶液的組分為：聚醯亞胺前聚體paa；溶液由過均苯四甲酸酐（pmda）和4,4』-二氨基二苯醚（oda）單體在非質子極性溶劑n,n-二甲基乙醯胺（dmac）中合成；sio2納米顆粒，其特徵在於，經矽烷偶聯劑改性，平均粒徑為7-15nm，添加比例為3-5%。一種基於納米改性聚醯亞胺薄膜的新型熱改性絕緣紙製備方法，其特徵在於，製備工藝為：準確稱量100-120gdmac溶劑加入到帶攪拌器的三口燒瓶中，在氮氣保護條件下，加入10-15goda，攪拌使之完全溶解，然後分三次加入10-15gpmda，每次間隔30分鐘，劇烈攪拌，隨著二酐單體的不斷溶解，聚合物的粘度也不斷增大，攪拌6小時得到聚醯胺酸（paa）預聚體溶液。再在三口燒瓶中加入30g的dmac溶液和3g蒸餾水，然後滴加少量γ-氨丙基三乙氧基矽烷偶聯劑，磁力攪拌使其充分水解。再稱取3-5%含量的納米sio2於三口燒瓶中，磁力攪拌並超聲分散12h。反應完畢後，逐滴加入到聚醯胺酸（paa）預聚體溶液中，繼續攪拌12h，使納米sio2在聚醯氨酸溶液中分散均勻。將此納米改性的聚醯胺酸溶液作為纖維素絕緣紙的浸漬液，對絕緣紙進行塗覆固化處理，加熱溫度100~110℃，加熱固化時間60~80min，製備新型熱改性絕緣紙。本發明的有益效果是：基於價格相對較為低廉的α-植物纖維絕緣紙，利用聚亞醯胺和納米sio2，通過浸漬滲透複合改性技術，得到納米改性聚亞醯胺薄膜前驅溶液，通過熱處理，固化技術製得新型熱改性絕緣紙，使普通植物纖維絕緣紙的工作溫度等級提高30℃以上，熱穩定性能、絕緣性能和機械性能顯著提高，為變壓器小型化和大容量化提供了一種價格較為低廉的絕緣紙。具體實施方式以下對本發明的具體實施方式進行進一步說明，但本發明並不限定於此。所述基於納米改性聚醯亞胺薄膜的新型熱改性絕緣紙的製備工藝：1.一種基於納米改性聚醯亞胺薄膜的新型熱改性絕緣紙製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：步驟一，準確稱量100-120gdmac溶劑加入到帶攪拌器的三口燒瓶中，在氮氣保護條件下，加入10goda，攪拌使之完全溶解，然後分三次加入15gpmda，每次間隔30分鐘，劇烈攪拌，隨著二酐單體的不斷溶解，聚合物的粘度也不斷增大，攪拌6小時得到聚醯胺酸（paa）預聚體溶液；步驟二，再在三口燒瓶中加入30g的dmac溶液和3g蒸餾水，然後滴加少量γ-氨丙基三乙氧基矽烷偶聯劑，磁力攪拌使其充分水解；步驟三，再稱取3%含量的納米sio2於三口燒瓶中，磁力攪拌並超聲分散12h步驟四，步驟三反應完畢後，逐滴加入到聚醯胺酸（paa）預聚體溶液中，繼續攪拌12h，使納米sio2在聚醯氨酸溶液中分散均勻；步驟五，將步驟四中的聚醯胺酸溶液作為纖維素絕緣紙的浸漬液，對絕緣紙進行塗覆固化處理，加熱溫度100℃，加熱固化時間60min，製備成本發明的新型熱改性絕緣紙。所述的步驟五中，固化處理中實用的固化劑為多胺類固化劑aradur3486。步驟三中的納米sio2的平均粒徑為7-15nm，添加比例為3-5%。所述的醯胺酸（paa）預聚體溶液由過均苯四甲酸酐（pmda）和4,4』-二氨基二苯醚（oda）單體在非質子極性溶劑n,n-二甲基乙醯胺（dmac）中合成。實施例獲得的所述新型熱改性絕緣紙，以及α-植物纖維絕緣紙原紙，在機械性能、絕緣性能和熱穩定性能方面的對比實驗測試結果，如表1和表2所示。表1為改性前後絕緣紙抗張強度和擊穿電壓對比測試結果；表2為改性絕緣紙與原紙熱老化壽命對比。由表1可以看出，通過本發明的複合改性獲得的新型熱改性絕緣紙相比α-植物纖維絕緣紙原紙抗張強度提升了34.81%，擊穿電壓提升了105.97%。表2可以看出，熱改性絕緣紙相比α-植物纖維絕緣紙原紙在老化溫度為150℃、170℃、180℃和200℃時，老化壽命分別提高為178.9%、331.7%、120.5%和195.5%。熱穩定性能、絕緣性能和機械性能提高十分顯著。表1改性前後新型熱改性絕緣紙與α-植物纖維絕緣紙原紙性能對比原紙熱改性絕緣紙提高比例抗張強度kn/m8．311．1934．81%擊穿電壓kv/mm13．427．6105．97%表2α-植物纖維絕緣紙原紙與熱改性絕緣紙熱老化壽命對比本發明的實施例只是為了展示本發明的設計構思，本發明的保護範圍不應當局限於這一實施例。通過上面的敘述可以看出本發明的設計目的是可以有效實施的。實施例的部分展示了本發明的目的以及實施功能和結構主題，並且包括其他的等同替換。因此，本發明的權利構成包括其他的等效實施，具體權利範圍參考權利要求。當前第1頁12