阅读说明：本技术 一种高导热云母纸的改性制备方法 (Modified preparation method of high-thermal-conductivity mica paper ) 是由 吴海峰 赵建虎 苏潜 赵俊军 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高导热云母纸的改性制备方法,该改性制备方法将云母原料处理成粗浆料以及细浆料,然后以纳米BN以及纳米级硅化合物粉末的混合物作为填料,一并加入阳离子淀粉、乙二胺四乙酸、五溴苯酚的混合物水溶液制成填料溶液,并将填料溶液与经过硅烷偶联剂改性后的对位芳纶短切纤维进行混合后进行超声分散,并抄造成型于云母纸的粗浆料层与细浆料层之间,再通过脱水、烘干,即可得到高导热云母纸。本发明的高导热云母纸应用于大、中型高压发电机、电动机等电力设备时具备优异的机械强度、介电击穿强度以及高导热稳定性。(The invention discloses a modification preparation method of mica paper with high thermal conductivity, which comprises the steps of processing mica raw materials into coarse slurry and fine slurry, then taking a mixture of nano BN and nano silicon compound powder as a filler, adding a mixture aqueous solution of cationic starch, ethylene diamine tetraacetic acid and pentabromophenol together to prepare a filler solution, mixing the filler solution and para-aramid chopped fibers modified by a silane coupling agent, carrying out ultrasonic dispersion, carrying out papermaking forming between a coarse slurry layer and a fine slurry layer of the mica paper, and carrying out dehydration and drying to obtain the mica paper with high thermal conductivity. The mica paper with high thermal conductivity has excellent mechanical strength, dielectric breakdown strength and high thermal conductivity stability when being applied to electric equipment such as large and medium-sized high-voltage generators, motors and the like.)

一种高导热云母纸的改性制备方法

技术领域

本发明涉及绝缘云母制品领域，具体为一种高导热云母纸的改性制备方法。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高以及电力系统的发展，电力行业已经成为各个国家不可忽视的重要发展对象，生产和生活行为对于电力设备的需求也不断增加，大中型高压电机也在不断扩大容量及其耐压程度，相应的电力设备的绝缘保护要求也越来越高。相比于传统的金属绝缘材料，云母纸具有电气强度高，介质损耗低，表面电阻和体积电阻高等优异的电气性能以及耐热、耐水、化学稳定性、富有弹性、高剥离性、很大的耐剪切力和抗张强度等物理和化学性能，能有效突破金属绝缘材料的使用范围和使用限制。

现有技术中常见的单一结构云母纸的电气强度和拉伸强度不理想，且导热能力弱，仅能适用于小型的电力设备，而在电力工业中，大、中型电力设备在运行过程中会产生大量的热，若无法及时排出，会使设备内部积聚的热量过高，将直接影响设备的工作效率，缩短其使用寿命，降低其可靠性，因此电力设备传热已成为现代电力设备技术中急需解决的问题，也是世界各国电气绝缘材料的研究热点。

而随着大中型电力设备对绝缘层的导热能力要求也越来越高，为了提高绝缘层的导热能力，主流的解决方法有两种：

第一种方法是为降低绝缘层的厚度，但是绝缘层的变薄，其电气强度亦将随之下降，而电力设备一旦发生短路，其自我保护装置会自动断电，使变压器处于关闭状态，从而导致线圈外部的绝缘纸发生损坏，造成维护频率的增加和维护成本的提高，因而，为了保证足够的电气强度，绝缘层的厚度不可能随意增减。

第二种方法是在不改变绝缘层的电气性能的前提下，提高绝缘材料的导热系数来提高导热效率，使电力设备内部产生的热量快速导出；增加绝缘材料的导热系数可以让热量更快速地向外扩散，然后通过冷却系统排出。这种方法是在保证绝缘层绝缘性能的同时提升绝缘层导热性能的一种最为有效的方法：

在申请号201910583047.8的中国发明专利中，提供了一种高导热云母纸的制备方法，这种高导热云母纸的制备方法制备的云母纸利用六方BN、BN晶须、氧化石墨烯、纳米α-Al₂O₃的混合物作为填料，在云母纸制浆的过程中通过五重圆网上浆，每次通过圆网上浆之后来在浆料层之间通过喷淋方式填充上述填料，喷淋完成之后，通过脱水、烘干，即可得到高导热云母纸，这种高导热云母纸作为绝缘纸突破了材料和结构本身限制，具有较佳的导热性能，但这种高导热云母纸由于云母纸层间喷淋了相应的填料，在长期使用过程中，容易发生层间剥离，导致其机械性能以及电气绝缘性能在发生层间剥离后发生下降，存在使用上的风险。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种高导热云母纸的改性制备方法，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种高导热云母纸的改性制备方法，其具体包括以下操作步骤：

S1、云母制浆：将云母原料进行清洗、除杂，然后利用高压水力破碎机破碎成云母鳞片，将破碎后的云母鳞片进行洗涤和过滤筛分，分成-20～+80目和-80目～+200目两部分，并将上述两部分云母鳞片分别用水配制成用于上网的不同浓度的粗浆料以及细浆料；

S2、制备填料溶液：通过搅拌机对填料加水稀释，一并加入阳离子淀粉、乙二胺四乙酸、五溴苯酚的混合物水溶液，持续搅拌，保持混合物分布均匀；其中，所述填料包括纳米BN以及纳米级硅化合物粉末的混合物，所述纳米级氧化物粉末为SiC、Si₃N₄、SiO₂的比例混合物，且纳米级氧化物粉末中SiO₂的比例不少于17％；

S3、制备改性纤维分散液：将对位芳纶短切纤维利用硅烷偶联剂KH550进行改性处理，然后加入步骤S2制备的填料溶液，用超声辅助进行剪切分散，得到改性纤维分散液；

S4、纸浆抄造：利用圆网云母纸机进行造纸，分三次进行圆网上浆，第一次和第三次采用粗浆料进行上浆，第二次采用细浆料进行上浆，并在每次上浆后在浆料表面喷淋一次步骤S3中制得的改性纤维分散液；

S5、脱水烘干：喷淋之后，通过脱水、烘干，即可得到高导热云母纸。

作为进一步限定，所述粗浆料以及所述细浆料中均添加有水溶性耐高温胶粘剂，其中，粗浆料中添加的水溶性耐高温胶粘剂占对应云母鳞片重量的2～5％，而细浆料中添加的水溶性耐高温胶粘剂占对应云母鳞片重量的0.8～3％。

作为进一步限定，步骤S2中采用的所述对位芳纶短切纤维的纤维单丝长度为7～12mm，纤度为1.5D。

作为进一步限定，步骤S2中硅烷偶联剂KH550的质量浓度为3～10％。

作为进一步限定，步骤S2中制备的所述填料溶液中，阳离子淀粉、乙二胺四乙酸、五溴苯酚的优选质量比分别为1.4～1.7％、2.3～3.5％以及3.2～3.5％，而所述纳米BN与纳米级硅化合物粉末组成的填料在填料溶液中的质量比为3～7％，且纳米BN与纳米级硅化合物粉末的体积比为1:3～1:5。

作为进一步限定，步骤S3中制备的所述改性纤维分散液中，对位芳纶短切纤维在填料溶液中的加入比例关系为料液比1:20～1:30。

作为进一步限定，步骤S3中进行超声辅助分散时控制超声分散条件为：剪切转速：2500～3000rad/min，超声频率：30KHz～50KHz，超声功率：40～60W，剪切操作时长为20～45min。

作为进一步限定，成型后的高导热云母纸的粗浆料云母纸层的单层厚度为细浆料云母纸层的厚度的1/3～1/4，且成型后对位芳纶短切纤维在高导热云母纸中的质量占比为5～9％。

有益效果：本发明制备的高导热云母纸强度中等、成纸稳定性好，能在保持云母纸本身电气性能的同时，将云母纸的导热系数从传统同材质云母纸的0.35～0.50W/m·K，提高到0.8W/m·K及以上，能耐300℃以上的长期使用温度；同时能有效保证绝缘层的整体结构稳定性和抗张性能，二次加工性能也更加优秀，为机电领域提供了高品质新型绝缘材料，是制备高品质新型复合云母绝缘纸的重要途径，具有重大的市场前景和现实意义

附图说明

图1为本发明较佳实施例的纵切面结构示意图。

其中：1、第二粗浆料云母纸层；2、第二改性纤维填料层；3、细浆料云母纸层；4、第一改性纤维填料层；5、第一粗浆料云母纸层。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示以及实施例，进一步阐述本发明。

在下述实施例中，本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在本实施例中，高导热云母纸的改性制备方法制备高导热云母纸按照以下方式进行：

首先选择去除死料坏料等云母片原料，将上述云母片原料进行筛分，选择单片面积≤10cm²，厚度≤3cm的云母片作为原料，将云母原料进行清洗和二次除杂清洗，将清洗后的云母碎片放入云母碎片质量4～5倍的清水中，并加入高压水力破碎机中，控制水压为5.5～6MPa，利用水力破碎成云母鳞片。将破碎后的云母鳞片进行洗涤和过滤筛分，分成-20～+80目和-80目～+200目两部分，经脱水筛过滤后的云母鳞片分别与水混合制成原浆液，原浆液中云母鳞片的浓度为30±5％，并用管道分别输送到两个浓浆池备用。

选择纳米BN以及纳米级硅化合物粉末进行混合来作为填料，其中，米级硅化合物粉末为SiC、Si₃N₄、SiO₂的质量比1:1:1的比例混合物，纳米BN与纳米级硅化合物粉末的体积比为1:3～1:5，分为十组，十组中纳米BN的比例逐渐减小，且呈等比例变化；将填料加水稀释，一并加入阳离子淀粉、乙二胺四乙酸、五溴苯酚的混合物水溶液，控制阳离子淀粉、乙二胺四乙酸、五溴苯酚在混合物水溶液中的质量比分别为1.5％、3％以及3.3％，而填料在混合物溶液中的质量比为5％，持续搅拌以保持混合物分布均匀，得到A溶液；同时，选取纤维单丝长度为7～12mm，纤度为1.5D的对位芳纶短切纤维，用质量浓度为8％的硅烷偶联剂KH550进行改性处理，改性完成后加入A溶液中，控制改性后对位芳纶短切纤维的加入量，使其在填料溶液中加入的质量比例关系为1:25，用超声辅助进行剪切分散，控制超声剪切的剪切速率为2800rad/min、超声功率45W、频率45KHz，分散30min，得到改性纤维分散液。

然后在浓浆池中分别取浆液用水以及水溶性环氧胶粘剂或者水溶性有机硅胶粘剂作为水溶性耐高温胶粘剂配制成用于上网的不同浓度的粗浆料以及细浆料，并以不同的上浆浓度来控制成型的云母纸层的厚度；控制粗浆料中添加的水溶性耐高温胶粘剂占对应云母鳞片重量的3％，而细浆料中添加的水溶性耐高温胶粘剂占对应云母鳞片重量的2％，以方便成型。

然后利用圆网云母纸机进行造纸，分三次进行圆网上浆，第一次和第三次采用粗浆料进行上浆，第二次采用细浆料进行上浆，并在每次上浆后在浆料表面喷淋一次步骤S3中制得的改性纤维分散液，控制改性纤维分散液的喷入量以及均匀程度，以使成型后对位芳纶短切纤维在高导热云母纸中的质量占比为6～8％，喷淋后脱水、烘干至综合含水量0.2～0.5％，即可得到高导热云母纸。必要时也可以进行热压成型，热压温度控制为280～380℃，线压力为250～300kN/m，辊速为1.0～4.0m/min，热压次数为1～3次即可。

成型后的云母纸结构如图1所示，其包括最先成型的第一粗浆料云母纸层5、喷涂于第一粗浆料云母纸层5表面并成型的第一改性纤维填料层4、二次圆网上浆后成型的细浆料云母纸层3，喷涂于细浆料云母纸层3表面并成型的第二改性纤维填料层2以及最后上浆后成型的第二粗浆料云母纸层1。

其中，第一粗浆料云母纸层5与第二粗浆料云母纸层1的厚度一致，且为细浆料云母纸层的厚度的1/4；而第一改性纤维填料层4与第二改性纤维填料层2中的对位芳纶短切纤维在高导热云母纸中的质量占比为6～7％。

在本实施例中，以市售的同厚度云母纸作为对比组，云母纸上截取20mm*200mm的纸带进行测量，在27℃、50％的相对湿度条件，十组不同纳米BN的比例条件下制备的高导热云母纸与市售的同厚度云母纸相比，市售的同厚度云母纸的测定导热系数为0.46W/m·K，而实施例制备的高导热云母纸的测定按BN的比例由低到高分别为0.68W/m·K、0.74W/m·K、0.78W/m·K、0.84W/m·K、0.95W/m·K、1.02W/m·K、1.08W/m·K、1.12W/m·K、1.14W/m·K、1.15W/m·K，而电气性能与市售的同厚度云母纸基本一致或者略低，同时纸张匀度较好，具备优异的机械强度、介电击穿强度以及耐高温稳定性。

由上述结果可以发现，利用BN和硅化合物的高导热系数更有利于提高云母带固化物的综合导热系数，随着填料中BN的比例的增加，高导热云母纸的导热性能持续增加，但增加幅度整体呈现为一个先增加后减少的状态。

而由于BN和无机硅化合物本身与云母的结合性能差，多是通过分子间的范德华力进行结合，稳定性较差，长期使用后容易形成断层；而通过硅烷偶联剂KH550来对对位芳纶短切纤维进行改性，以改善云母纸与对位芳纶短切纤维的结合性能，并提高改性对位芳纶短切纤维内部纤维空间结构与纳米级颗粒物的结合性能，配合分层使用的不同粒径的粗浆片原料云母纸层与细浆片云母纸层间的力学差异进行结合，减少层间作用力的快速明显变化的差异来固定BN和无机硅化合物，能在合理调整BN和无机硅化合物用量的配比的基础上来增加内部结构稳定性，并降低制备难度。而相比于传统的芳纶加强云母纸，其又具有更加优异的复合增强效果的导热性能，且热学性能稳定，相比于传统市售云母纸在性能上有明显的提升，尤其适合于在高压发电机、大功率电动机、中大型变压器中进行应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。