一種芳香族聚噁二唑纖維云母絕緣紙及其制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種合成纖維云母復(fù)合材料，特別涉及一種含芳香族聚噁二唑（簡稱 P0D)纖維和云母的高性能絕緣紙狀復(fù)合材料。本發(fā)明還涉及POD纖維云母紙的原料配比、 制備方法、工藝及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 絕緣材料是電工器材中使帶電體與其他部分隔離的材料。常用的固態(tài)材料有云 母、絕緣紙、層壓板、橡皮、塑料、油漆、玻璃、陶瓷、絕緣套管等。
[0003] 絕緣材料的作用是在電氣設(shè)備中把電勢不同的帶電部分隔離開來。因此絕緣材料 首先應(yīng)具有較高的絕緣電阻和耐壓強(qiáng)度，并能避免發(fā)生漏電、擊穿等事故。其次耐熱性能要 好，避免因長期過熱而老化變質(zhì)；此外，還應(yīng)有良好的導(dǎo)熱性、耐潮防雷性和較高的機(jī)械強(qiáng) 度以及工藝加工方便等特點(diǎn)。絕緣材料是決定電機(jī)、電器技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。 電機(jī)的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一是質(zhì)量功率比，即kg/kW值。減少比值，對電機(jī)有重要意義。 據(jù)報道，從1900年到1967年，Ihp (0. 75kW)的電機(jī)質(zhì)量由40kg減少到10kg，目前已降低到 6kg/kW水平。導(dǎo)致這種變化的重要原因是采用耐熱性高的絕緣材料。降低kg/kW值可節(jié)約 大量金屬材料，降低電機(jī)成本。如一臺A級（105°C )電動機(jī)采用H級（180°C )絕緣之后， 可縮小體積30%~50%，節(jié)約銅20%、硅鋼片30%~50%、鑄鐵25%。當(dāng)然，采用同一型 號機(jī)，用耐溫指數(shù)更高的絕緣材料，可以提高功率或延長電機(jī)的使用壽命。從電機(jī)、電器產(chǎn) 品的造價情況來看，絕緣材料所占費(fèi)用約在一半，這些都說明了絕緣材料在電機(jī)、電器工業(yè) 中所占的地位和作用。
[0004] 不同的電工設(shè)備對絕緣材料性能的要求各有側(cè)重。高壓電工裝置如高壓電機(jī)、高 壓電纜等用的絕緣材料要求有高的擊穿強(qiáng)度和低的介質(zhì)損耗。低壓電器則以機(jī)械強(qiáng)度、斷 裂伸長率、耐熱等級等作為主要要求。因此，絕緣材料的電性能、熱性能、力學(xué)性能、耐氣候 變化、耐腐蝕等性能指標(biāo)也極其重要。能同時擁有這些特性的材料將是最有前途的絕緣材 料。
[0005] 芳香族聚噁二唑（Poly-l，3,4_oxadiazole，簡稱P0D)是一種具備優(yōu)良熱穩(wěn)定性、 化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性的耐高溫芳雜環(huán)高分子材料，基本分子鏈結(jié)構(gòu)如下：
[0007] POD纖維及其POD紙狀材料都是復(fù)合材料中的戰(zhàn)略性材料。其耐溫性及高溫下的 電絕緣性、尺寸穩(wěn)定性等主要性能指標(biāo)都顯著優(yōu)于間位芳綸纖維及芳綸紙材料，POD紙?jiān)诟?溫下的電氣強(qiáng)度保持率比芳綸紙高一倍多。這說明POD紙是一種比芳綸紙更加優(yōu)異的電絕 緣材料，特征是高熱穩(wěn)定性，高力學(xué)性能，高電氣強(qiáng)度，低介電常數(shù)和介電損耗。POD紙的電 阻率和厚度無關(guān)，絕緣強(qiáng)度不受溫度、濕度影響，還具有優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性等特點(diǎn)，是電 子電氣行業(yè)必不可少的理想絕緣材料。POD纖維與其他高性能纖維材料對比如下： [0008] 表1 POD纖維與其它耐高溫纖維的常規(guī)性能對比
[0011] 表2 POD纖維與其它耐高溫纖維的耐高溫性能對比
[0012] CN 105155328 A m "Ti 3/8 頁
[0013] 云母是含鋰、鈉、鋁、鋅、鐵、釩等金屬元素并具有層狀結(jié)構(gòu)的含水鋁硅酸鹽族礦物 的總稱，是一種非常重要的絕緣材料；云母紙則是將云母破碎后采用造紙工藝制成的絕緣 紙。具有無毒、無味、耐高溫、耐老化、耐高壓、防水、耐酸、堿、礦物油、化學(xué)藥劑、抗風(fēng)化，并 有很好的彈性和撓曲性。在電氣性能方面：具有較高的絕緣強(qiáng)度和較大的電阻，恒定介電 常數(shù)及固定電容，較低的電介質(zhì)損耗，較低熱膨脹系數(shù)，超絕緣性，抗電弧等優(yōu)良的介質(zhì)性 能而著稱。據(jù)我國各礦區(qū)云母的測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，當(dāng)云母片厚為0. 015mm時，平均擊穿電壓 2. 0~5. 7KV，擊穿強(qiáng)度為133~407KV/mm。耐火、難熔化、不易燃、低熱傳導(dǎo)，超常熱穩(wěn)定 性，暴露于高溫條件下無任何異常變化。主要應(yīng)用在大型發(fā)電機(jī)、電動機(jī)絕緣等大型電器設(shè) 備和電工器材的絕緣材料；其次用于制造蒸汽鍋爐、冶煉爐的爐窗和機(jī)械上的零件；同時 也是各行各業(yè)如烤面包機(jī)、吹風(fēng)機(jī)、微波爐等無處不用的重要部件中的主要絕緣材料。云母 紙的出現(xiàn)，在某種程度上推動了電氣工業(yè)特別是電機(jī)制造工業(yè)的發(fā)展，被譽(yù)為當(dāng)代電氣電 子工業(yè)做出重要貢獻(xiàn)的四大技術(shù)之一。
[0014] 從單一絕緣性能上看，POD纖維紙有其它材料不能取代的特性。特別是在溫度波 動和電壓突然波動（電暈）下絕緣性能高度穩(wěn)定，這是POD材料在高溫和溫度波動時其材 料溫度損耗極小的特性所決定的。但是在高溫和高電壓的耐受能力上不及云母絕緣材料； 而云母紙制成的云母帶同樣也是大型發(fā)電機(jī)和高壓電機(jī)中的重要絕緣材料。云母紙由于天 然材料結(jié)構(gòu)特性決定，強(qiáng)度較低，在耐沖擊的性能上遠(yuǎn)不如芳綸纖維紙。由于云母產(chǎn)品的特 性，制成的云母紙分布不夠均勻，在溫度波動和電壓突然波動下耐電暈性能差，絕緣性能大 幅下降。將POD纖維與云母結(jié)合制成纖維云母紙，這樣將兩者優(yōu)勢結(jié)合，成為一種新型的絕 緣材料，耐溫可達(dá)900°C，擊穿電壓可達(dá)30KV/mm，彌補(bǔ)了云母分布不均勻的缺陷，特別是耐 電暈?zāi)芰Υ蠓岣?。將推動電工產(chǎn)業(yè)的飛躍發(fā)展，市場前景極其廣闊。
[0015] 隨著全世界的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的電壓增高和波動的增加，如歐洲用于牽引電機(jī)和 發(fā)電機(jī)的高速火車上，火車提速需要帶來的必然是電壓增加和波動增加。因此，對于絕緣產(chǎn) 品的更高要求促使新型"P0D纖維云母絕緣材料"的需求迫在眉睫。但是由于常規(guī)的云母紙 中很難加入纖維，成紙性不好，無法滿足下游產(chǎn)品的需求，一直以來無法解決這一難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種以POD纖維和云母作為原材料的新型纖 維云母絕緣紙，使得該材料具有耐高溫、耐腐蝕、阻燃、絕緣、機(jī)械強(qiáng)度高、表面光滑平整、電 氣性能好、加工性好等優(yōu)勢，獲得更加穩(wěn)定的絕緣性能以及耐電暈?zāi)芰Α?br>[0017] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種芳香族聚噁二唑纖維云母 絕緣紙，按照質(zhì)量百分含量，其原料組成為：3%~70%的芳香族聚噁二唑短切纖維、2%~ 50%的芳香族聚噁二唑沉析纖維、28%~95%的云母。
[0018] 所述的云母為煅燒云母或非煅燒云母；
[0019] 所述的非煅燒云母為金云母、白云母或人工晶體云母。
[0020] 云母選型：
[0022] 所述的云母，其鱗片大小為16目~140目。
[0023] 所述的云母，其組成，按鱗片大小及質(zhì)量百分比為：16~20目的鱗片8~15%、 20~40目的鱗片25~40%、40~60目的鱗片15~25%、60~80目的鱗片10~20%、 80~100目的鱗片3~6 %、100~120目的鱗片1~3 %、120~140目的鱗片1~3 %。 通過對POD纖維電荷的分析和云母鱗片的配比，在此情況下為最佳的比例分配。纖維與云 母之間通過強(qiáng)電荷的吸引力和范德華力，使纖維表面布滿云母，而且分布均勻，使產(chǎn)品抗電 暈?zāi)芰Ω鼜?qiáng)，彌補(bǔ)了純云母紙局部抗電暈差的弱點(diǎn)，超過此范圍的鱗片配比制得的POD纖 維云母紙的最重要指標(biāo)滲透率、透氣性、強(qiáng)度和均勻度都很差，無法滿足下游產(chǎn)品的生產(chǎn)工 藝，因此采用本方法生產(chǎn)的產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定、應(yīng)用更加寬廣。
[0024] 所述的POD短切纖維：纖維的纖度為0. 1~纖維的長度為2~20mm ;
[0025] 所述的POD沉析纖維：由POD樹脂直接制備而成；
[0026] POD短切纖維是芳香族聚噁二唑（Poly-l，3,4-〇xadiazole，簡稱POD纖維）纖 維，纖維纖度為1~2d、長度為2~IOmm ;P0D沉析纖維為芳香族聚噁二唑（Poly-1，3， 4-oxadiazole)樹脂制備而成（簡稱POD沉析纖維）。由于纖維和云母的比例分配不同，可 選擇不同的云母鱗片比例。
[0027] 先將POD纖維通過超聲波進(jìn)行分散處理，然后經(jīng)過特制盤磨對POD纖維進(jìn)行壓電 效應(yīng)處理。當(dāng)纖維和云母接觸時，纖維所產(chǎn)生的電荷以及范德華力使纖維對云母鱗片具有 極強(qiáng)的吸附力，使纖維與云母分布均勻。
[0028] 表3 POD纖維處理后電荷對比表
[0030] 本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題是：提供一種POD纖維云母絕緣紙的制備方 法。
[0031] 為解決第二個技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種POD纖維云母絕緣紙的 制備方法，其步驟為：將POD短切纖維進(jìn)行超聲和壓電效應(yīng)處理，將POD沉析纖維經(jīng)超聲和 壓電效應(yīng)處理，直至打漿度為55~75〇 SR ;然后將處理后的POD短切纖維、POD沉析纖維與 云母鱗片按比例配合，POD短切纖維及POD沉析纖維與云母混合勻度處理，穩(wěn)漿、圓網(wǎng)紙機(jī) 抄造、成型處理；最后經(jīng)熱壓處理得POD纖維云母紙成品或直接得到POD纖維云母紙成品。
[0032] 在POD短切纖維與云母混合生產(chǎn)過程中，是通過圓網(wǎng)紙機(jī)進(jìn)行一次抄造成型。同 時根據(jù)客戶需求可對紙張表面熱壓處理，調(diào)整孔隙、滲透率及紙張厚度。根據(jù)不同的需求采 取不同的原料配比以滿足絕緣產(chǎn)品的制造工藝要求。在該工藝要求的范圍內(nèi)制造出的絕緣 紙，具有很好的絕緣性能，以及現(xiàn)有產(chǎn)品中不具備的機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等特性， 可在絕緣復(fù)合材料方面使用。目前，這種POD纖維云母絕緣紙制造工藝在國內(nèi)外還未見報 道。
[0033] 通過上述工藝方法獲得的POD纖維云母絕緣紙應(yīng)用于絕緣材料中。
[0034] 本發(fā)明有益效果：本發(fā)明的POD纖維云母絕緣紙，提高了單一 POD