植物纖維基電氣絕緣紙的強(qiáng)度性能

賈 盼，劉 瑜，賈旺強(qiáng)，鄭進(jìn)智，劉澤華

(天津市制漿造紙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300457)

在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和能源綜合利用的背景下，我國對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定和電力供應(yīng)提出了更高的要求，而電力設(shè)備的運(yùn)行狀況直接影響電網(wǎng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)[1–2]．根據(jù)國家電網(wǎng)運(yùn)行分析報(bào)道[3]，近年來由于電氣設(shè)備故障引發(fā)的電網(wǎng)故障不斷增加，是影響電網(wǎng)安全運(yùn)行的主要因素之一．而電力變壓器作為電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，隨著電壓等級(jí)的提高，對(duì)其內(nèi)部電氣絕緣紙的要求越來越高[4–5]．植物纖維絕緣紙作為一種常用的絕緣紙，在電氣設(shè)備的使用過程中不僅受到光熱的作用，還會(huì)受到各種外力作用的影響(如高壓大容量發(fā)電機(jī)所用的絕緣紙要能承受高速旋轉(zhuǎn)、運(yùn)行振動(dòng)以及突然短路造成的機(jī)械應(yīng)力)，所以要求植物纖維絕緣紙有較高的強(qiáng)度性能[6]．大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，變壓器發(fā)生事故的原因和絕緣紙的強(qiáng)度性能有很大的關(guān)系，并非電氣強(qiáng)度[7]．

目前國內(nèi)大型電力變壓器大多是油浸式變壓器，絕緣紙和變壓器油組成的油紙復(fù)合絕緣是電力變壓器內(nèi)絕緣的主要組成形式[8–9]，該方式的絕緣效果遠(yuǎn)高于單一絕緣紙或絕緣油的效果．然而，絕緣紙和變壓器油長期在一起工作會(huì)使變壓器油浸入絕緣紙內(nèi)影響絕緣紙的強(qiáng)度性能，油浸式電力變壓器又長期在高溫的環(huán)境下工作會(huì)加速纖維素的降解，降低紙張的強(qiáng)度性能，引發(fā)變壓器事故[10–11]．因此，對(duì)于絕緣紙的研究不應(yīng)僅關(guān)注它的電氣性能和熱老化性能，提高高溫條件下油浸絕緣紙的強(qiáng)度性能同樣具有重要的研究意義．

本文采用未漂硫酸鹽針葉木漿，研究打漿、添加纖維素納米纖絲(CNF)對(duì)絕緣紙的增強(qiáng)效果，同時(shí)研究油浸對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響．

1 材料與方法

1.1 原料及設(shè)備

針葉木未漂硫酸鹽漿(加拿大喬治王子牌)，玖龍紙業(yè)(樂山)有限公司；CNF，天津市木精靈生物科技有限公司；變壓器油，河南玉柴潤滑油有限公司．

P40110 E000 型 PFI磨，PTI有限公司；ZDJ–100型打漿度測定儀、066型抗張強(qiáng)度測定儀、009型撕裂度儀，瑞典Lorentzen & Wettre公司；M10097型快速紙頁成型器，德國 KARL．FRANK．GMBH 公司；912型纖維測試分析儀，瑞典RGW公司；JSM–IT300 LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本電子公司；耐折度測定儀，TESTING MACHINE公司．

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 打漿

取(30±0.5)g的絕干漿，在室溫下用 0.5L水浸泡4h以上，根據(jù)GB/T 29287—2012《紙漿實(shí)驗(yàn)室打漿PFI磨法》采用PFI磨進(jìn)行打漿．稱取2g絕干漿料，打散后，稀釋至 1L，根據(jù) GB/T 3332—2004《紙漿打漿度的測定》進(jìn)行打漿度測定．

1.2.2 電氣絕緣紙的抄造

采用快速紙頁成型器抄造定量為 60g/m2的絕緣紙樣，濕紙頁在 100℃下干燥 5min，放在自封袋密封備用．

1.2.3 紙頁強(qiáng)度性能的測定

紙頁在國際標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕條件((23±1)℃、相對(duì)濕度(50±2)%)下平衡24h，分別按照GB/T 451.2—2002《紙和紙板定量的測定》、GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》、GB/T 12914—2008《紙和紙板抗張強(qiáng)度的測定》、GB/T 528—2009《紙和紙板撕裂度的測定》、GB/T 457—2008《紙和紙板耐折度的測定》進(jìn)行紙頁相關(guān)性能的測定．

1.2.4 紙頁的微觀形貌觀察

將紙頁剪成 2cm×2cm 的正方形，噴金處理后在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察紙頁的微觀形貌．

2 結(jié)果與討論

2.1 打漿對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

打漿度對(duì)絕緣紙抗張指數(shù)和伸長率的影響如圖1所示．由圖1可知：通過打漿，可以明顯改變紙頁的抗張強(qiáng)度和伸長率．在打漿度為50°SR時(shí)，紙頁的抗張指數(shù)達(dá)到了84.4N·m/g，相比打漿度20°SR時(shí)抗張指數(shù)有很大程度的提高；但是隨著打漿度的不斷提高，紙頁的抗張指數(shù)又逐漸下降．紙頁的伸長率也隨著打漿度的提高不斷增加，打漿度為50 °SR時(shí)，紙頁的伸長率達(dá)到了3.21%，并趨于平穩(wěn)．

打漿度對(duì)耐折度、撕裂指數(shù)的影響如圖 2所示．隨著打漿度的提高，紙頁的耐折度先提高后趨于平穩(wěn)，打漿度為 50°SR時(shí)，達(dá)到了 881次．紙頁的撕裂指數(shù)隨著打漿度的提高先提高后降低，打漿度在50°SR時(shí)，紙頁的撕裂指數(shù)達(dá)到了18.9mN·m2/g．

對(duì)紙漿纖維形態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果見表 1．纖維長度隨著打漿度的提高逐漸減小，但變化不明顯，這是由于PFI高濃打漿主要以分絲帚化為主，長度損失較小．在打漿初期，纖維寬度有一定程度提高，是因?yàn)槔w維在機(jī)械作用下被壓扁造成的．隨著打漿度的提高，纖維寬度變化不大．纖維長寬比呈下降趨勢，但不明顯．對(duì)比紙頁強(qiáng)度性能的變化可以看出，纖維長寬比并不是衡量漿料優(yōu)劣的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)．影響紙頁強(qiáng)度的因素，除了纖維長度，纖維之間的結(jié)合狀態(tài)十分重要．

圖2 打漿度對(duì)耐折度和撕裂指數(shù)的影響Fig. 2 Effect of beating degree on the folding strength and tear index

表1 打漿前后紙漿的纖維形態(tài)變化Tab. 1 Morphological changes of pulp fiber before and after beating

紙頁表面的掃描電子顯微鏡圖片如圖3所示．

圖3 打漿前后的紙頁微觀形貌Fig. 3 Micromorphology of paper sheets before and after beating

打漿前，纖維表面相對(duì)比較光滑，纖維之間的結(jié)合面積較小；而打漿后纖維分絲帚化明顯，顯著提高了纖維之間的結(jié)合面積，從而使紙頁的強(qiáng)度性能提高．從表 2還可以看出，隨著打漿度的提高，紙頁的緊度也隨之提高，在打漿度為50 °SR時(shí)，緊度提高到了 0.60g/cm3．

綜上，在以提高強(qiáng)度為目的打漿時(shí)，打漿度控制在 50 °SR 為宜．

表2 打漿度對(duì)絕緣紙緊度的影響Tab. 2 Effect of beating degree on the tightness of insulation paper

2.2 CNF對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

根據(jù)QB/T 4250—2011 《500kV變壓器匝間絕緣紙》的性能指標(biāo)要求，耐折度和撕裂度基本達(dá)到要求，但標(biāo)準(zhǔn)中抗張強(qiáng)度要求不低于 88.4N·m/g，因此需要考慮添加增強(qiáng)劑來提高紙頁的抗張強(qiáng)度．

CNF是對(duì)植物纖維進(jìn)行多次高壓均質(zhì)后得到的直徑為15～20nm的纖維素纖維材料，作為一種具有高比表面積、高強(qiáng)度、高吸附性能的納米材料，CNF成為近年來研究的重點(diǎn)[12–15]．為了盡量減少 CNF中雜質(zhì)對(duì)絕緣紙電學(xué)性能的不利影響，選用的 CNF為純機(jī)械法制得，沒有經(jīng)過任何化學(xué)處理，纖維之間形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以增加纖維之間的結(jié)合力[16–17]，所以在一定程度上可以增強(qiáng)絕緣紙的強(qiáng)度性能．

固定打漿度在 50°SR，CNF的添加量對(duì)絕緣紙抗張指數(shù)和伸長率的影響如圖4所示．

圖4 CNF的添加量對(duì)絕緣紙抗張指數(shù)和伸長率的影響Fig. 4 Effect of CNF dosage on the tensile index and elongation of insulation paper

在一定添加范圍內(nèi)，隨著CNF添加量的增加，紙頁的抗張指數(shù)增加，在添加量為 2%時(shí)，抗張指數(shù)為93.6N·m/g，添加量為在 4%時(shí)，抗張指數(shù)達(dá)到了95.5N·m/g；隨著 CNF添加量的持續(xù)增加，紙頁的抗張指數(shù)逐漸減小，但變化不明顯．紙頁的伸長率隨著CNF添加量的增加先增加后大幅度下降，添加量為2%時(shí)，伸長率達(dá)到最大，為3.35%．

CNF的添加量對(duì)絕緣紙耐折度和撕裂指數(shù)的影響如圖 5所示．隨著 CNF添加量的增加，紙頁的耐折度先增加后迅速降低，當(dāng)CNF的添加量為2%時(shí)，紙頁的耐折度達(dá)到了最大，為 967次．隨著 CNF添加量的增加，紙頁的撕裂指數(shù)也隨之增加，當(dāng) CNF的添加量為 2%時(shí)，紙頁的撕裂指數(shù)達(dá)到了20.6mN·m2/g，并逐漸趨于平穩(wěn)．

圖5 CNF的添加量對(duì)絕緣紙耐折度和撕裂指數(shù)的影響Fig. 5 Effect of CNF dosage on the folding strength and tear index of insulation paper

對(duì)添加 2%CNF的紙頁進(jìn)行 SEM 形貌分析，結(jié)果如圖 6所示．相比圖 3(b)未添加 CNF的紙頁，添加 CNF后，纖維與纖維之間的空隙變小，纖維之間的結(jié)合更加緊密，這是因?yàn)?CNF的添加增強(qiáng)了纖維與纖維之間的結(jié)合力，在一定程度上能夠提高絕緣紙的強(qiáng)度性能[16]．但是，CNF的加入會(huì)降低纖維的平均長度，過多加入將影響紙頁的伸長率和耐折度[18]．

圖6 添加2%CNF的紙頁微觀形貌Fig. 6 Micromorphology of paper sheet with 2%CNF

可見，少量添加CNF可以優(yōu)化紙頁的結(jié)構(gòu)，提高紙頁的強(qiáng)度性能，綜合考慮絕緣紙的強(qiáng)度性能及成本問題，選擇CNF的添加量以2%為宜．

2.3 油浸對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

2.3.1 油浸時(shí)間對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

實(shí)驗(yàn)選用打漿度為 50°SR的漿料，不添加 CNF和添加 2%CNF(相對(duì)于絕干漿)分別進(jìn)行抄片，在30℃下油浸處理，研究油浸時(shí)間對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響，結(jié)果見表3．

表3 油浸時(shí)間對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響Tab. 3 Effect of oil immersion time on the strength properties of insulation paper

隨著油浸時(shí)間的增加，絕緣紙的抗張指數(shù)逐漸降低，油浸 24h后，絕緣紙的抗張指數(shù)下降趨于平緩．油浸處理對(duì)紙頁伸長率的影響較大，不添加 CNF的紙頁在油浸處理 92h時(shí)，下降 30%左右，添加2%CNF的紙頁下降 16%左右．隨著油浸時(shí)間的增加，絕緣紙的耐折度和撕裂指數(shù)也隨之下降，在油浸24h后下降趨于平緩．總體來說，添加 2%CNF的紙頁在油浸處理后強(qiáng)度性能大于未添加CNF的紙頁．

2.3.2 油浸溫度對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響

為了進(jìn)一步研究油浸溫度對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響，本實(shí)驗(yàn)選用打漿度為 50°SR的漿料，不添加CNF和添加 2%CNF分別抄片，然后分別在不同溫度下對(duì)紙頁進(jìn)行油浸處理 5h，研究油浸溫度對(duì)紙頁的強(qiáng)度性能的影響，結(jié)果見表4．由表4可知：隨著油浸溫度的升高，絕緣紙的抗張指數(shù)下降，當(dāng)溫度大于60℃時(shí)，紙頁的抗張指數(shù)下降較為明顯．未添加CNF紙頁在 150℃下油浸 5h時(shí)，抗張指數(shù)下降至76.9N·m/g，添加 CNF紙頁的抗張指數(shù)下降至80.9N·m/g，總體上添加 2%CNF的紙頁的抗張指數(shù)大于未添加的紙頁．隨著油浸溫度的升高，紙頁的伸長率下降，但并不明顯，添加 2%CNF的紙頁的伸長率較大．紙頁的耐折度也隨著油浸溫度的升高迅速下降，添加 2%CNF的紙頁的耐折度優(yōu)于未添加的紙頁．纖維之間的結(jié)合情況會(huì)對(duì)耐折度產(chǎn)生明顯的影響，添加 NFC能顯著改善纖維之間的結(jié)合，從而提高紙頁的耐折度．由于油的滲透作用，浸油后纖維之間的結(jié)合受到一定程度的破壞，而且溫度越高，破壞程度越大．此外隨著油浸溫度的升高，紙頁的撕裂指數(shù)下降，當(dāng)溫度大于120℃時(shí)，未添加CNF的紙頁的撕裂指數(shù)迅速下降，而添加 CNF的撕裂指數(shù)仍保持在相對(duì)較高水平．

表4 油浸溫度對(duì)絕緣紙強(qiáng)度性能的影響Tab. 4 Effect of oil immersion temperature on thestrength properties of insulation paper

綜上可見，添加 CNF對(duì)于提高絕緣紙的強(qiáng)度性能具有較明顯的作用．

3 結(jié) 論

(1) 打漿能夠明顯改變紙頁的強(qiáng)度性能．在以增強(qiáng)為目的打漿時(shí)，打漿度控制在50°SR為宜．

(2) CNF在一定的添加范圍內(nèi)能夠提高紙頁的強(qiáng)度性能．綜合考慮絕緣紙的強(qiáng)度性能及成本問題，選擇CNF的添加量為2%為宜．

(3) 隨著油浸時(shí)間的增加和油浸溫度的升高，絕緣紙的強(qiáng)度性能逐漸下降，未添加 CNF紙頁在150℃下油浸 5h時(shí)，抗張指數(shù)下降至 76.9N·m/g，添加 2%CNF紙頁的抗張指數(shù)下降至 80.9N·m/g，強(qiáng)度性能能夠保持在較高水平．