[发明专利]一种等离子体处理芳纶纤维掺杂改性纤维素绝缘纸的方法

说明书

本发明涉及一种等离子体处理芳纶纤维掺杂改性纤维素绝缘纸的方法。包括如下步骤：首先用可去除附着物的溶液长时间浸泡PMTA短切纤维，然后取出进行洗涤；将洁净的短纤维放入100℃的真空烘箱中干燥若干小时后放入低温等离子体反应腔内；将密封腔抽至低压后通入NH₃气，再抽真空，如此重复多次；向真空的密封腔通入NH₃并保持腔体中恒定大气压；在该恒定大气压下，保持稳定的高频电源电压持续处理一段时间，处理完毕后通氮气至与外界大气压相同，得到制备好的PMTA短切纤维。经过低温等离子改性的芳纶纤维，提高了与基体材料间的结合力，制作无污染且不需要催化剂，更重要的是对纤维无损害，有利于保持PMTA自身的优异性能。

技术领域

本发明涉及纤维素绝缘纸领域，特别涉及一种等离子体处理芳纶纤维掺杂改性纤维素绝缘纸的方法。

背景技术

现有由绝缘纸和绝缘油组成的复合绝缘是油浸式电力设备应用最广泛的内绝缘形式，其中天然纤维素绝缘纸因绝缘及机械性能好、环保可再生以及经济性等优点被广泛运用于油纸绝缘中。木质纤维素经打浆、成型等造纸工艺后制成绝缘纸板，与矿物绝缘油充分浸渍后介电常数(ε_cellulose≈4.1-4.8)约为矿物绝缘油介电常数(ε_oil≈2.2)的两倍及以上。在交变场强下，绝缘油承担了更高的场强，而其击穿场强又远小于绝缘纸。这使得变压器中导体与垫块之间的楔形油隙成为内绝缘中一个典型的薄弱环节。减小绝缘纸的介电常数可以相应减小油隙的场强，当绝缘纸介电常数减少至3.5及其以下时，油隙中的场强分布则可得到明显的改善，击穿场强及放电起始电压可得到较大的提高。

现有研究主要是将低介电常数的聚合物粉末、颗粒纤维或片层结构物质与纤维素纤维进行共混来达到使用目的，具有代表性的产品是日本三菱制纸株式会社于20世纪90年代开发的商品代号为PB-T和PB-TC的两种绝缘纸板，该产品将聚甲基戊烯(PMP)纤维和纤维素通过共混的方式制备成绝缘纸板，其相对介电常数可达到3.5，与传统绝缘纸板垫片相比击穿电压提升30％。但由于PMP纤维与天然纤维重量以及亲水性的差异，导致操造过程中在纤维均匀分散上遇到较多问题，导致成纸的介损较高，且机械性能难以满足要求。另一种获得低介电常数绝缘材料的方法是直接采用低介电常数的聚合物或人工合成纤维材料制备成绝缘纸板，完全替代纤维素绝缘纸。例如杜邦公司的Nomex纸采用聚间苯二甲酰间苯二胺短切纤维(芳纶1313，PMTA)人工合成得到，其介电常数仅为3.0左右，且具有较好的机械性能和热稳定性，是一种非常优秀的绝缘材料，并且在油浸式电力设备中已经得到了应用。

由于人工合成PMTA纤维在绝缘、机械和热稳定性能方面的优异表现，近年来受到广泛关注。将其作为一种增强材料，可通过少量添加到基体中以实现性能提升的目的。由于PMTA纤维的极性较弱，有学者尝试在天然纤维纸浆中添加少量PMTA以降低成纸的介电常数或提高其电气强度。然而，研究发现PMTA结构特殊，存在大量苯环且不易移动，使得酰胺基上的氢原子反应活性很差，导致了其与基体材料的界面结合性不好，在很大程度上影响了复合材料机械性能和力学性能的发挥。

加强PMTA纤维的表面活性，使其与基体材料更好地结合是目前该领域的研究难点。目前的表面改性方法主要有化学法和物理法。化学法是通过化学反应在PMTA表面引入活性基团，然而化学法处理往往反应条件苛刻，尤其是反应时间难以控制，化学试剂的过度处理也会对芳纶结构产生破坏，影响其性能的发挥。物理法则主要通过高速粒子溅射作用，使PMTA表面变得粗糙，从而增加与基体材料间的结合力，已有的研究如等离子体处理法、超声波法、γ射线法等。与化学法相比，物理法操作简单无污染，不需要催化剂，更重要的是对纤维无损害，有利于保持PMTA自身的优异性能。

等离子体处理是目前研究最多的一种物理改性PMTA方法，采用高能粒子和紫外线轰击纤维表面，使纤维表面发生刻蚀、交联作用，并引入特征官能团，增加纤维的比表面积和表面自由能，从而提高纤维与基体间界面的粘结强度。此外，芳纶1313短切纤维极性弱，添加到纤维素基体中有降低绝缘纸介电常数的可能性，然而其缺少活性基团，与纤维素间结合性很差，影响了其优势发挥。

发明内容