植物纤维基电气绝缘纸的强度性能

贾 盼，刘 瑜，贾旺强，郑进智，刘泽华

(天津市制浆造纸重点实验室，天津科技大学轻工科学与工程学院，天津 300457)

在经济迅速发展和能源综合利用的背景下，我国对电网的稳定和电力供应提出了更高的要求，而电力设备的运行状况直接影响电网的安全运转[1–2]．根据国家电网运行分析报道[3]，近年来由于电气设备故障引发的电网故障不断增加，是影响电网安全运行的主要因素之一．而电力变压器作为电力系统的核心设备，随着电压等级的提高，对其内部电气绝缘纸的要求越来越高[4–5]．植物纤维绝缘纸作为一种常用的绝缘纸，在电气设备的使用过程中不仅受到光热的作用，还会受到各种外力作用的影响(如高压大容量发电机所用的绝缘纸要能承受高速旋转、运行振动以及突然短路造成的机械应力)，所以要求植物纤维绝缘纸有较高的强度性能[6]．大量的实际运行数据表明，变压器发生事故的原因和绝缘纸的强度性能有很大的关系，并非电气强度[7]．

目前国内大型电力变压器大多是油浸式变压器，绝缘纸和变压器油组成的油纸复合绝缘是电力变压器内绝缘的主要组成形式[8–9]，该方式的绝缘效果远高于单一绝缘纸或绝缘油的效果．然而，绝缘纸和变压器油长期在一起工作会使变压器油浸入绝缘纸内影响绝缘纸的强度性能，油浸式电力变压器又长期在高温的环境下工作会加速纤维素的降解，降低纸张的强度性能，引发变压器事故[10–11]．因此，对于绝缘纸的研究不应仅关注它的电气性能和热老化性能，提高高温条件下油浸绝缘纸的强度性能同样具有重要的研究意义．

本文采用未漂硫酸盐针叶木浆，研究打浆、添加纤维素纳米纤丝(CNF)对绝缘纸的增强效果，同时研究油浸对绝缘纸强度性能的影响．

1 材料与方法

1.1 原料及设备

针叶木未漂硫酸盐浆(加拿大乔治王子牌)，玖龙纸业(乐山)有限公司；CNF，天津市木精灵生物科技有限公司；变压器油，河南玉柴润滑油有限公司．

P40110 E000 型 PFI磨，PTI有限公司；ZDJ–100型打浆度测定仪、066型抗张强度测定仪、009型撕裂度仪，瑞典Lorentzen & Wettre公司；M10097型快速纸页成型器，德国 KARL．FRANK．GMBH 公司；912型纤维测试分析仪，瑞典RGW公司；JSM–IT300 LV 型扫描电子显微镜(SEM)，日本电子公司；耐折度测定仪，TESTING MACHINE公司．

1.2 实验方法

1.2.1 打浆

取(30±0.5)g的绝干浆，在室温下用 0.5L水浸泡4h以上，根据GB/T 29287—2012《纸浆实验室打浆PFI磨法》采用PFI磨进行打浆．称取2g绝干浆料，打散后，稀释至 1L，根据 GB/T 3332—2004《纸浆打浆度的测定》进行打浆度测定．

1.2.2 电气绝缘纸的抄造

采用快速纸页成型器抄造定量为 60g/m2的绝缘纸样，湿纸页在 100℃下干燥 5min，放在自封袋密封备用．

1.2.3 纸页强度性能的测定

纸页在国际标准恒温恒湿条件((23±1)℃、相对湿度(50±2)%)下平衡24h，分别按照GB/T 451.2—2002《纸和纸板定量的测定》、GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》、GB/T 12914—2008《纸和纸板抗张强度的测定》、GB/T 528—2009《纸和纸板撕裂度的测定》、GB/T 457—2008《纸和纸板耐折度的测定》进行纸页相关性能的测定．

1.2.4 纸页的微观形貌观察

将纸页剪成 2cm×2cm 的正方形，喷金处理后在扫描电子显微镜(SEM)下观察纸页的微观形貌．

2 结果与讨论

2.1 打浆对绝缘纸强度性能的影响

打浆度对绝缘纸抗张指数和伸长率的影响如图1所示．由图1可知：通过打浆，可以明显改变纸页的抗张强度和伸长率．在打浆度为50°SR时，纸页的抗张指数达到了84.4N·m/g，相比打浆度20°SR时抗张指数有很大程度的提高；但是随着打浆度的不断提高，纸页的抗张指数又逐渐下降．纸页的伸长率也随着打浆度的提高不断增加，打浆度为50 °SR时，纸页的伸长率达到了3.21%，并趋于平稳．

打浆度对耐折度、撕裂指数的影响如图 2所示．随着打浆度的提高，纸页的耐折度先提高后趋于平稳，打浆度为 50°SR时，达到了 881次．纸页的撕裂指数随着打浆度的提高先提高后降低，打浆度在50°SR时，纸页的撕裂指数达到了18.9mN·m2/g．

对纸浆纤维形态进行分析，结果见表 1．纤维长度随着打浆度的提高逐渐减小，但变化不明显，这是由于PFI高浓打浆主要以分丝帚化为主，长度损失较小．在打浆初期，纤维宽度有一定程度提高，是因为纤维在机械作用下被压扁造成的．随着打浆度的提高，纤维宽度变化不大．纤维长宽比呈下降趋势，但不明显．对比纸页强度性能的变化可以看出，纤维长宽比并不是衡量浆料优劣的绝对标准．影响纸页强度的因素，除了纤维长度，纤维之间的结合状态十分重要．

图2 打浆度对耐折度和撕裂指数的影响Fig. 2 Effect of beating degree on the folding strength and tear index

表1 打浆前后纸浆的纤维形态变化Tab. 1 Morphological changes of pulp fiber before and after beating

纸页表面的扫描电子显微镜图片如图3所示．

图3 打浆前后的纸页微观形貌Fig. 3 Micromorphology of paper sheets before and after beating

打浆前，纤维表面相对比较光滑，纤维之间的结合面积较小；而打浆后纤维分丝帚化明显，显著提高了纤维之间的结合面积，从而使纸页的强度性能提高．从表 2还可以看出，随着打浆度的提高，纸页的紧度也随之提高，在打浆度为50 °SR时，紧度提高到了 0.60g/cm3．

综上，在以提高强度为目的打浆时，打浆度控制在 50 °SR 为宜．

表2 打浆度对绝缘纸紧度的影响Tab. 2 Effect of beating degree on the tightness of insulation paper

2.2 CNF对绝缘纸强度性能的影响

根据QB/T 4250—2011 《500kV变压器匝间绝缘纸》的性能指标要求，耐折度和撕裂度基本达到要求，但标准中抗张强度要求不低于 88.4N·m/g，因此需要考虑添加增强剂来提高纸页的抗张强度．

CNF是对植物纤维进行多次高压均质后得到的直径为15～20nm的纤维素纤维材料，作为一种具有高比表面积、高强度、高吸附性能的纳米材料，CNF成为近年来研究的重点[12–15]．为了尽量减少 CNF中杂质对绝缘纸电学性能的不利影响，选用的 CNF为纯机械法制得，没有经过任何化学处理，纤维之间形成的网络结构可以增加纤维之间的结合力[16–17]，所以在一定程度上可以增强绝缘纸的强度性能．

固定打浆度在 50°SR，CNF的添加量对绝缘纸抗张指数和伸长率的影响如图4所示．

图4 CNF的添加量对绝缘纸抗张指数和伸长率的影响Fig. 4 Effect of CNF dosage on the tensile index and elongation of insulation paper

在一定添加范围内，随着CNF添加量的增加，纸页的抗张指数增加，在添加量为 2%时，抗张指数为93.6N·m/g，添加量为在 4%时，抗张指数达到了95.5N·m/g；随着 CNF添加量的持续增加，纸页的抗张指数逐渐减小，但变化不明显．纸页的伸长率随着CNF添加量的增加先增加后大幅度下降，添加量为2%时，伸长率达到最大，为3.35%．

CNF的添加量对绝缘纸耐折度和撕裂指数的影响如图 5所示．随着 CNF添加量的增加，纸页的耐折度先增加后迅速降低，当CNF的添加量为2%时，纸页的耐折度达到了最大，为 967次．随着 CNF添加量的增加，纸页的撕裂指数也随之增加，当 CNF的添加量为 2%时，纸页的撕裂指数达到了20.6mN·m2/g，并逐渐趋于平稳．

图5 CNF的添加量对绝缘纸耐折度和撕裂指数的影响Fig. 5 Effect of CNF dosage on the folding strength and tear index of insulation paper

对添加 2%CNF的纸页进行 SEM 形貌分析，结果如图 6所示．相比图 3(b)未添加 CNF的纸页，添加 CNF后，纤维与纤维之间的空隙变小，纤维之间的结合更加紧密，这是因为 CNF的添加增强了纤维与纤维之间的结合力，在一定程度上能够提高绝缘纸的强度性能[16]．但是，CNF的加入会降低纤维的平均长度，过多加入将影响纸页的伸长率和耐折度[18]．

图6 添加2%CNF的纸页微观形貌Fig. 6 Micromorphology of paper sheet with 2%CNF

可见，少量添加CNF可以优化纸页的结构，提高纸页的强度性能，综合考虑绝缘纸的强度性能及成本问题，选择CNF的添加量以2%为宜．

2.3 油浸对绝缘纸强度性能的影响

2.3.1 油浸时间对绝缘纸强度性能的影响

实验选用打浆度为 50°SR的浆料，不添加 CNF和添加 2%CNF(相对于绝干浆)分别进行抄片，在30℃下油浸处理，研究油浸时间对绝缘纸强度性能的影响，结果见表3．

表3 油浸时间对绝缘纸强度性能的影响Tab. 3 Effect of oil immersion time on the strength properties of insulation paper

随着油浸时间的增加，绝缘纸的抗张指数逐渐降低，油浸 24h后，绝缘纸的抗张指数下降趋于平缓．油浸处理对纸页伸长率的影响较大，不添加 CNF的纸页在油浸处理 92h时，下降 30%左右，添加2%CNF的纸页下降 16%左右．随着油浸时间的增加，绝缘纸的耐折度和撕裂指数也随之下降，在油浸24h后下降趋于平缓．总体来说，添加 2%CNF的纸页在油浸处理后强度性能大于未添加CNF的纸页．

2.3.2 油浸温度对绝缘纸强度性能的影响

为了进一步研究油浸温度对绝缘纸强度性能的影响，本实验选用打浆度为 50°SR的浆料，不添加CNF和添加 2%CNF分别抄片，然后分别在不同温度下对纸页进行油浸处理 5h，研究油浸温度对纸页的强度性能的影响，结果见表4．由表4可知：随着油浸温度的升高，绝缘纸的抗张指数下降，当温度大于60℃时，纸页的抗张指数下降较为明显．未添加CNF纸页在 150℃下油浸 5h时，抗张指数下降至76.9N·m/g，添加 CNF纸页的抗张指数下降至80.9N·m/g，总体上添加 2%CNF的纸页的抗张指数大于未添加的纸页．随着油浸温度的升高，纸页的伸长率下降，但并不明显，添加 2%CNF的纸页的伸长率较大．纸页的耐折度也随着油浸温度的升高迅速下降，添加 2%CNF的纸页的耐折度优于未添加的纸页．纤维之间的结合情况会对耐折度产生明显的影响，添加 NFC能显著改善纤维之间的结合，从而提高纸页的耐折度．由于油的渗透作用，浸油后纤维之间的结合受到一定程度的破坏，而且温度越高，破坏程度越大．此外随着油浸温度的升高，纸页的撕裂指数下降，当温度大于120℃时，未添加CNF的纸页的撕裂指数迅速下降，而添加 CNF的撕裂指数仍保持在相对较高水平．

表4 油浸温度对绝缘纸强度性能的影响Tab. 4 Effect of oil immersion temperature on thestrength properties of insulation paper

综上可见，添加 CNF对于提高绝缘纸的强度性能具有较明显的作用．

3 结 论

(1) 打浆能够明显改变纸页的强度性能．在以增强为目的打浆时，打浆度控制在50°SR为宜．

(2) CNF在一定的添加范围内能够提高纸页的强度性能．综合考虑绝缘纸的强度性能及成本问题，选择CNF的添加量为2%为宜．

(3) 随着油浸时间的增加和油浸温度的升高，绝缘纸的强度性能逐渐下降，未添加 CNF纸页在150℃下油浸 5h时，抗张指数下降至 76.9N·m/g，添加 2%CNF纸页的抗张指数下降至 80.9N·m/g，强度性能能够保持在较高水平．