芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的制备及性能研究

王淼林 李俊 谢益民 李新辉 冯清华

摘要：以芳纶纤维和玄武岩纤维为原料，通过造纸湿法抄造制备复合绝缘纸，系统地研究了复合绝缘纸的力学性能、绝缘性能、热稳定性、胶液渗透性等。结果表明，复合绝缘纸的击穿电压在玄武岩纤维含量低于50%时基本保持不变;玄武岩纤维含量越高，复合绝缘纸的热稳定性、胶液渗透性越好;当玄武岩纤维含量50%时，复合绝缘纸的抗拉强度达1.67 MPa。

关键词：芳纶纤维;玄武岩纤维;力学性能;击穿电压;胶液渗透性

中图分类号： TS761.2  文献标识码： A DOI：10.11980/j. issn.0254-508X.2022.02.006

Study on Preparation and Properties of Aramid/Basalt Fiber Composite Insulating Paper

WANG Miaolin1   LI Jun2   XIE Yimin1   LI Xinhui2，*   FENG Qinghua1，2，*

（1. Pulp and Paper Engineering Research Institute，Hubei University of Technology，Wuhan，Hubei Province，430068;

2. Pingan Electrical Materials（Hubei）Co.，Ltd.，Xianning，Hubei Province，437400）

（*E-mail：lixinghui@pamica. com. cn; fqhpaper@163. com）

Abstract： The composite insulating paper was prepared via wet papermaking with aramid fiber and basalt fiber as raw materials，and the properties of composite insulating paper such as mechanical properties，insulation performance，thermal stability，glue permeability，etc.were systematically studied. The results showed that the breakdown voltage of composite insulating paper remained basically unchanged when the basalt fiber content was lower than 50%. The thermal stability and glue permeability of composite insulating paper increased with the increase of basalt fiber content. When the basalt fiber content was 50%，the tensile strength of the composite insulating paper reached 1.67 MPa.

Key words：aramid fiber; basalt fiber; mechanical properties;breakdown voltage;glue permeability

隨着经济的发展，电气设备朝着小型化、大功率化方向发展[1]。电气设备中的绝缘材料如绝缘纸通过把不同电势的带电部分分开，保障了在使用过程中使用人的人身安全。随着电气设备运行的要求越来越高，植物纤维绝缘纸已不再适用于现在的设备[2]。因此，开发符合现代电机要求的绝缘纸受到越来越多研究者的重视。

绝缘纸主要包括植物纤维绝缘纸、无机材料绝缘纸、合成纤维绝缘纸和共混纤维绝缘纸等。植物纤维绝缘纸往往通过添加热稳定剂[3]或化学试剂（如纳米 TiO2[4-5]）以加强绝缘纸的抗老化性能和电气性能，是近年来的研究重点。无机材料绝缘纸中最具有代表性的是云母纸和玻璃纤维纸;芳纶纤维和云母复合制备绝缘纸，弥补了传统云母绝缘材料的不足，也是国内绝缘纸的重要研究方向[6]。合成纤维绝缘纸中最具有代表性的是芳纶绝缘纸[7]。复合纤维绝缘纸是指将2种不同的材料进行复合，从而弥补其中一种材料性能的不足，提高绝缘性能。党婉斌等人[8]利用纳米纤维素增强芳纶云母纸，制备复合纤维绝缘纸。近年来，绝缘纸的研究主要集中在芳纶纤维的研究上，希望以芳纶纤维的优异特性制备更符合现代设备应用要求的绝缘纸。

具有超高强度、模量，抗老化性和绝缘性能良好的合成芳纶纤维[9]作为良好的耐高温、绝热材料，可应用在建材、航空、国防等多个领域[10-11]。芳纶沉析纤维是以芳纶为原料，将沉析剂加入低温缩聚的芳纶溶液中，经过高速离心剪切制成[12]。芳纶沉析纤维形态柔顺，较易分散，可通过造纸湿法成形制备强度和匀度良好的片状材料[13]。芳纶纤维广泛应用在高温过滤[14]、电气[15-16]、电子[17]、能源化工[18]、传感器[19]、航空航天[20]、蜂窝结构材料[21]、特种防护[22]、雷达[23]等领域。

玄武岩纤维是将玄武岩石料在1400℃以上高温熔融后，流入铂铑合金漏板，在出口处经高速旋转的拉丝机拉伸的连续纤维[24]。玄武岩纤维同样具有高强度及良好的电绝缘性、耐酸碱性、耐高温性能等[25]。但玄武岩纤维在水中的沉降速度较快，水中分散较困难，且易絮聚[26-27]。目前玄武岩纤维的分散主要采用酸碱预处理法，进一步在无机和有机胶黏剂中分散和黏结，从而抄造成纸[28]，但酸碱处理工艺复杂且胶黏剂的引入会导致材料绝缘性能下降。

本研究利用柔软易分散的芳纶沉析纤维包覆玄武岩纤维，使玄武岩纤维在混合浆料中保持稳定分散而不絮聚，采用造纸湿法成形工艺抄造芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸;研究了不同配比芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的形貌、力学性能、热稳定性及绝缘性能等。

1 实验

1.1 实验原料

玄武岩短切纤维（以下称玄武岩纤维），长度4～5 mm ，直径11μm ，由四川航天拓鑫玄武岩实业有限公司提供;芳纶沉析纤维（以下称芳纶纤维），长度（1.175±0.019）mm，直径（38.2±1.2）μm，细小纤维含量18.3%，由湖北平安电工材料有限公司提供。

1.2 实验仪器

本实验所用仪器具体见表1。

1.3 实验方法

芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的制备：复合绝缘纸定量60 g/m2;将分散后的混合浆料倒入纤维解离器中，疏解8000转后，加入纸页成型器中抄造成形，在真空0.1 MPa、97℃条件下干燥13 min，得到芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸。在本研究中未添加玄武岩纤维的纯芳纶纸为 A 纸，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸为x A-B纸，x 表示玄武岩纤维含量。

1.4 性能测试

采用热台偏光显微镜观察混合纤维的分散效果。采用 SEM 观察2.0 kV加速电压下芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的微观形貌。采用万能拉力试验机对复合绝缘纸进行力学性能评估，样品尺寸10 cm×1.5 cm。采用热重分析仪进行热稳定性测试，测试条件为：室温加热至80℃并保温10 min（使纤维失去表面吸附的水分），继续升温至800℃，加热速率20℃/min，氮气流100 mL/min。渗透性按照 GB/T 5019.2—2009测试方法，采用渗透仪进行测试，甲苯和蓖麻油的体积分数分别为40%、60%，样品尺寸75 mm×75 mm。透气度测试复合绝缘纸圆形半径为0.1 m。

2 结果与讨论

2.1 玄武岩纤维和芳纶纤维的分散效果

玄武岩纤维表面含有大量的SiO¯和AlO¯，且电荷分布不均匀，易吸附水中的H+，从而使纤维表面极化，表现出电负性，导致纤维间产生静电，纤维相互缠绕[29]。因此玄武岩纤维在水中搅拌时极易絮聚，进而形成球状。为了更加直观地观察形成的小球状，磁力搅拌2～3 h后，使玄武岩纤维全部形成球状，再倒入量筒;然后加入芳纶纤维再搅拌15 min使其分散，将分散后的混合纤维倒入量筒，并以此作为计时起点，观察纤维在水中的沉降情况，在2～3 h（纤维不再沉降，保持静置状态）后，拍摄下纤维在水中的分散情况，如图1所示。从图1（a）中可以直观地看出，玄武岩纤维絮聚形成的小球状。随着芳纶纤维的加入，玄武岩纤维得到了良好的分散，即使在静置状态下，也能保持分散状态，如图1（b）～图1（e）所示，这表明芳纶纤维的加入实现了预想的分散效果。

2.2 芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的微观形貌

图2为芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸 SEM 图。从图2可以看出，玄武岩纤维和芳纶纤维无絮聚。由图2（a）可以看出，芳纶纤维外观似薄膜，但却有褶皱，柔韧性很强，容易卷曲收缩成团，经一定加工处理后方可适当舒展。从图2（g）～图2（i）可以看到，玄武岩纤维呈圆柱状，在材料中没有堆积在一起，而是分散在芳纶纤维之中，这说明芳纶的加入有利于玄武岩纤维的分散，在40%A-B纸和50%A-B纸中，芳纶的包覆效果最好。这是因为在分散过程中，芳纶纤维包覆在了玄武岩纤维表面，形成包覆物;但随着玄武岩纤维含量的增加，其棒状结构穿插在芳纶纤维形成的网络结构中，当玄武岩纤维含量达70%及以上时，玄武岩纤维棒状结构过多，破坏了纤维作为基体包覆玄武岩纤维填补空缺而形成的网络结构，纸张易产生孔隙。

为更加清楚地观察到芳纶纤维的包覆行为，选取40%A-B 纸浆料及50%A-B 纸浆料，采用热台偏光显微镜观察分散后混合纤维形貌，如图3所示。从图3可以看出，玄武岩纤维呈现棒状结构，芳纶纤维似薄膜，与上述SEM结果一致。从图3（a）可以看出，薄膜状芳纶纤维包裹了玄武岩纤维，但玄武岩纤维并没有聚集在一起;当玄武岩纤维含量增加后，可以明显看出玄武岩纤维在芳纶纤维中分散效果良好，没有出现絮聚行为，如图3（b）所示。

图4为芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的截面 SEM 图。从图4（b）～图4（f）可以看到，芳纶纤维包裹着玄武岩纤维以块状堆积，结合较为紧密。从图4（g）～图4（i）可以看出玄武岩纤维在芳纶纤维中“穿出”，可见玄武岩纤维与芳纶纤维界面结合力较弱，使纸张容易形成孔隙。为了更加清晰地观察玄武岩纤维截面的形状，取玄武岩纤维（100%A-B 纸）截面，通过不同的放大倍数进行观察，如图4（j）～图4（l）所示，不管从整体来看，还是放大单根纤维来看，玄武岩纤维的截面都是一个完整的圆形，与折断的玻璃棒状很相似。

2.3 芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的物理强度

图5为芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的拉伸应力/应变曲线。由图5可以看出，在拉伸载荷下，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸首先发生弹性形变，然后屈服（曲线圆化），最后塑性拉伸直至断裂。玄武岩纤维的增加使芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的拉伸应力逐渐变大，拉伸应变变小，这得益于玄武岩纤维的高强度。当玄武岩纤维含量50%时，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的最大抗拉强度达1.67 MPa;若再继续加入玄武岩，其拉伸应力会逐渐变小;这归因于圆柱状的玄武岩穿插在芳纶中，结合 SEM 图可以看出，纸张结构疏松，故其物理强度较低。

2.4 芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的绝缘性能

纸张绝缘性能的高低由其击穿强度的大小来表现，图6显示了芳纶/玄武岩纤维复合绝缘紙的击穿强度。由图6可知，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的击穿强度随玄武岩纤维含量的增加基本保持不变，但当玄武岩纤维的含量超过50%时，击穿强度明显下降。虽然芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的2种原料都具有很好的绝缘性能，但是当它们复合抄造成纸时，从 SEM 图中可以看出，玄武岩的棒状结构穿插在芳纶纤维中，玄武岩纤维含量较低时，对芳纶纤维的聚集影响不大。但当其含量超过50%时，破坏了芳纶纤维的聚集，导致纸张易形成孔隙;芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸在接受电击穿时，形成的孔隙就会让电子通过，使芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸绝缘性能变差，表明纸基材料绝缘性能的好坏与玄武岩纤维含量增加时出现的紧度降低问题密切相关[30]。

2.5 芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的热稳定性

图7为不同玄武岩纤维含量复合绝缘纸的TG 和DTG 曲线，其中100%A-B 纸即纯玄武岩纸，由于其强度太弱无法成纸，故选用玄武岩纤维进行实验。由图7可以看出，在整个升温过程中，玄武岩纤维的质量基本不变，这说明玄武岩纤维的耐温性能良好。从常温至400℃，A 纸的质量几乎没有发生变化，从400℃开始，A纸的质量开始下降。由图7（b）可知，在483℃左右，A 纸质量的下降速度达到最大，而不同玄武岩纤维含量的复合绝缘纸在479℃左右也都达到了质量下降速度的最大值，其温度相差不大，区别在于峰面积的不同，因为玄武岩纤维在800℃内质量不变化，故面积代表了芳纶纤维含量的多少。由图7（a）可以看出，含有不同含量玄武岩纤维的复合绝缘纸的TG 曲线形状与A纸相差不大，仅样品剩余质量不同，说明在受热过程中，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸先分解芳纶纤维。最后样品剩余的质量分别为44%、58%、74%、88%、99%，说明随着玄武岩纤维含量的增加，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的稳定性逐渐加强，样品残留质量逐渐增加。

2.6 芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的胶液渗透性能

由SEM 图可知，玄武岩纤维表面光滑，当玄武岩纤维含量大于50%时，纤维之间很难紧密连接在一起，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸需要通过加入增强剂来提高芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的绝缘性能和物理强度。在绝缘材料成形时加入树脂浸渍可以促进2种材料的胶合，从而达到物理强度和电气强度的应用要求。材料透气度和渗透时间是施胶的重要参数指标。图8为芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的透气度和渗透时间。

如图8所示，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的透气度与玄武岩纤维含量成正比，当玄武岩纤维含量达80%时，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸透气度已经超过了100μm/（Pa ·s），透气度越大，施胶效果越好。随着玄武岩纤维含量的增加，其渗透时间越来越短，这说明增加其强度的胶渗透进去所需时间更短，更有利于提高芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的性能。

与植物纤维不同，玄武岩纤维间没有氢键结合，在玄武岩纤维含量越多的情况下，抄造的芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的孔隙就越多，因此提高了透气度，缩短了渗透时间。

3 结论

本研究以芳纶纤维、玄武岩纤维为原料，通过造纸湿法成形制备芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸，并对其性能进行了测试。

3.1 芳纶纤维的引入，使玄武岩纤维更易分散。

3.2 加入高强度的玄武岩纤维使芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的拉伸应力逐渐变大，拉伸应变相应变小。但当玄武岩纤维含量超过50%后，圆柱状的玄武岩穿插在芳纶中，使纸张结构疏松，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的物理强度便降低。故当加入含量为50%的玄武岩纤维时，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的抗拉强度最大，达1.67 MPa。

3.3 芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的击穿强度随着玄武岩纤维含量的增加基本保持不变。当玄武岩纤维的含量超过50%后，纸张容易形成孔隙，致使击穿强度明显下降。

3.4 随着玄武岩纤维含量的增加，芳纶/玄武岩纤维复合绝缘纸的热稳定性和透气度相应提高，渗透时间随之缩短。

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（责任编辑：杨苗秀）