一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法

1.本发明属于电工材料技术领域，具体涉及一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法。


背景技术：

2.现代电力系统已经逐渐向特高压方向发展，变压器作为输变电系统中最为重要的设备之一，其能否安全稳定的运行对社会稳步发展具有十分重要的影响，而作为油浸式变压器内绝缘的重要组成部分，传统的纤维素绝缘纸已无法满足日益上升的电压等级与容量。
3.根据这一问题，上世纪五十年代美国杜邦研发出新型芳纶绝缘纸，但受制于外部垄断和产品本身的技术问题，芳纶纸的价格始终无法与性能相匹配，有限的经济效益令其很难直接应用于电力绝缘中。
4.就目前看来，芳纶材料尤其是国产芳纶材料想要在电力系统中得到应用，需要在降低成本的同时进一步提高产品的电气服役性能，其中，纳米填料改性是一种有效的方法。
5.纳米材料具有极高的比表面积，具备小尺寸效应和量子效应，可以对聚合物材料的缺陷结构进行补强，并对复合产物的某项特定属性进行增强，不论是在沉析纤维形成的类树脂基体中，还是在短切纤维的界面缺陷区域，都可以找到纳米填料掺杂的物理位点，然而，纳米粒子由于表面存在不饱和键和羟基，表面活性较大，容易团聚是其明显的缺点，这影响了纳米粒子在有机基体中的分散效果，纳米粒子的团聚效应会使得纳米改性复合材料内部存在缺陷，造成纳米复合作用效果降低，同时芳纶纤维在中性环境下表面呈负电性，与同为负电性的纳米颗粒具有静电斥力，无法进行紧密结合，因此需要设计一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，具有利用阳离子聚合物接枝改性纳米氧化铝，从而改善无机纳米颗粒和有机芳纶纤维之间的界面结合能力，进而抑制复合绝缘纸的体积电导、电荷消散等行为，并提升击穿强度等电气绝缘性能的特点。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
8.s1：将去离子水、无水乙醇和纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
9.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
10.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装
入塑料桶中备用；
11.s4：取超纯水与聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，疏解5min，加入p-氧化铝，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
12.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
13.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
14.s7：通过滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸。
15.本发明中进一步的，所述步骤s1中，去离子水、无水乙醇、纳米氧化铝粉体和氯化钠的质量比为50：50：1：2。
16.本发明中进一步的，所述步骤s1中，聚二甲基二烯丙基氯化铵与悬浊液的质量分数可分别为0，2％，4％，6％，8％。
17.本发明中进一步的，所述步骤s4中，超纯水与聚氧化乙烯溶液的体积比为60：1。
18.本发明中进一步的，所述步骤s4中，标准纤维疏解机设定的转速为8000r/min。
19.本发明中进一步的，所述步骤s7中，滚轴热压机的热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.1、本发明通过利用阳离子聚合物接枝改性纳米氧化铝，从而改善无机纳米颗粒和有机芳纶纤维之间的界面结合能力，进而抑制复合绝缘纸的体积电导、电荷消散等行为，并提升击穿强度等电气绝缘性能。
22.2.本发明基于芳纶纸实际生产工艺，从改善复合材料基体与填料特性着手，实施简单，操作方便，具备较强的工业应用性。
附图说明
23.图1为本发明间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备流程图；
24.图2为本发明改性前后纳米氧化铝的红外光谱图；
25.图3为本发明p-氧化铝的透射电子显微镜图；
26.图4为本发明体积电导率测试结果图；
27.图5为本发明电荷消散测试结果图；
28.图6为本发明陷阱计算结果图；
29.图7为本发明击穿电压测试结果图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1
32.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
33.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
34.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
35.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
36.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为3％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
37.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
38.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
39.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-0。
40.实施例2
41.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
42.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
43.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
44.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
45.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，聚二甲基二烯丙基氯化铵相对p-氧化铝的质量分数为10％，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为3％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
46.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
47.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
48.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-10。
49.实施例3
50.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
51.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用
磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
52.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
53.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
54.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，聚二甲基二烯丙基氯化铵相对p-氧化铝的质量分数为20％，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为3％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
55.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
56.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
57.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-20。
58.实施例4
59.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
60.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
61.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
62.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
63.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，聚二甲基二烯丙基氯化铵相对p-氧化铝的质量分数为40％，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为3％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
64.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
65.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
66.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-40。
67.实施例5
68.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
69.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
70.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
71.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
72.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，聚二甲基二烯丙基氯化铵相对p-氧化铝的质量分数为80％，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为3％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
73.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
74.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
75.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-80。
76.实施例6
77.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
78.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
79.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
80.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
81.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，聚二甲基二烯丙基氯化铵相对p-氧化铝的质量分数为10％，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为1％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
82.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
83.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
84.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-10/1。
85.实施例7
86.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制
备方法，包括以下步骤：
87.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
88.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
89.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
90.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，聚二甲基二烯丙基氯化铵相对p-氧化铝的质量分数为10％，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为5％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
91.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
92.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
93.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-10/5。
94.实施例8
95.请参阅图1-7，本发明提供以下技术方案：一种间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸的制备方法，包括以下步骤：
96.s1：将50g去离子水、50g无水乙醇和1g纳米氧化铝粉体置于500ml烧杯中，先利用磁力搅拌器搅拌5min，直至出现乳白色悬浊液，再利用超声波分散器超声分散5min，向分散好的悬浊液中加入聚二甲基二烯丙基氯化铵和2g氯化钠，后利用超声波分散器超声分散5min；
97.s2：将混合物倒入2l三口烧瓶中，在80℃水浴下加热搅拌，冷凝回流8h，反应完成后，用去离子水洗涤六次后抽滤，在100℃下干燥8h，研磨得到的粉末记为p-氧化铝；
98.s3：先将聚氧化乙烯与超纯水按质量比1：500制成聚氧化乙烯溶液作为分散剂，装入塑料桶中备用；
99.s4：取3l超纯水与50ml聚氧化乙烯溶液置于标准纤维疏解机中，以8000r/min的转速疏解5min，加入p-氧化铝，聚二甲基二烯丙基氯化铵相对p-氧化铝的质量分数为10％，p-氧化铝相对绝缘纸质量分数为7％，继续疏解10min，再将短切与浆粕纤维加入疏解机中，继续搅拌20min进行充分疏解；
100.s5：通过纸样抄片机使其得到均匀的交织和脱水；
101.s6：将成纸置于平面加热板上，在100℃下干燥20min，以脱去大部分水分，随后在室温下静置24h；
102.s7：通过参数为热压温度为200℃，热压压强为15mpa，热压时间为30s的滚轴热压机进行三次热压，制备出间位芳纶/纳米氧化铝绝缘纸，记为p-10/7。
103.说明书附图2为p-0和p-80的红外光谱图，经聚二甲基二烯丙基氯化铵(pdda)处理
后，2853cm-1和2922cm-1的吸收峰归因于pdda聚合物分子链上甲基和亚甲基反对称伸缩振动，1680cm-1处峰可归因于c-c,c-n有关的振动吸收峰，碳氮杂环的存在表明复合材料中有pdda的存在；
104.说明书附图3为不同放大倍数的p-80的透射电镜(tem)图像，黑色部分为氧化铝纳米颗粒，灰色部分是pdda外壳，从图(a)中可以看到，pdda成功包覆在纳米氧化铝颗粒表面，复合纳米颗粒具有良好的分散性，形成核/壳结构；
105.说明书附图4为体积电导率测试结果，随着pdda浓度的增加，体积电导率呈现先减小后饱和式递增，随着掺杂纳米氧化铝浓度增加，绝缘纸体积电导率先下降后上升，pdda作为偶联剂能够有效抑制复合材料中载流子的迁移，降低其体积电导率；
106.说明书附图5为芳纶纸表面电位衰减曲线图，pdda与氧化铝会提供不同导电通道，对复合材料的影响是此消彼长的过程，必须相互配合才能发挥出更好的整体效应；
107.说明书附图6为复合绝缘材料陷阱分布曲线图，改性后的氧化铝与芳纶基体之间界面特性得到改善，但是过量使用pdda会引入新的物理缺陷及化学杂质，使深陷阱结构发生变化或引入浅陷阱；
108.说明书附图7为绝缘纸交流击穿场强图，p-0的平均击穿场强为33.76kv/mm，随着pdda浓度的增加，绝缘纸击穿场强呈现出先增大、后下降、再升高的趋势，在改性剂质量分数为10％时达到最高为38.50kv/mm，较掺杂未改性氧化铝时提升了14％，使用不同浓度p-10掺杂芳纶纳米复合材料，击穿场强随掺杂浓度的增加先增大后减小再增加的“n”型变化趋势，在掺杂浓度为3％时击穿强度提升效果最好，可达38.5kv/mm，相对p-10/1提升了49.2％。
109.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。