一种云母为基材的绝缘材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种云母为基材的绝缘材料及其制备方法 (Insulating material with mica as base material and preparation method thereof ) 是由 王雅敏 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及绝缘材料领域,具体为一种以云母为基材的绝缘材料及其制备方法,由以下成分制备而成：云母、芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维、羧甲基化微/纳米纤维素、聚氧化乙烯；所述云母经过路易斯酸和烷基酸乙酯处理,本发明所制备的绝缘材料具有良好的力学性能,抗张指数≥49.85N·m/g,绝缘性能良好,耐压强度≥37.54kV·mm～(-1),具有良好的市场应用前景。(The invention relates to the field of insulating materials, in particular to an insulating material taking mica as a base material and a preparation method thereof, wherein the insulating material is prepared from the following components: mica, aramid fiber, maleic anhydride grafted polyolefin fiber, carboxymethylated micro/nano cellulose and polyethylene oxide; the mica is treated by Lewis acid and alkyl ethyl ester, and the insulating material prepared by the invention has good mechanical property, the tensile index is more than or equal to 49.85 N.m/g, the insulating property is good, and the compressive strength is more than or equal to 37.54kV ·mm ‑1 Has good market application prospect.)
技术领域
本发明涉及绝缘材料领域，具体涉及一种云母为基材的绝缘材料及其制备方法。
背景技术
云母是一种特殊片状硅酸盐矿物，它的晶体结构是由两层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体组成的层片状结构。在其晶体结构中，硅氧四面体有1/4的Si+被Al3+取代，原来的电荷平衡被打破，硅氧四面体中剩余的部分负电荷需要由金属阳离子来中和，补充的阳离子处于硅氧四面体和铝氧八面体之间。然而，补充的阳离子与硅氧四面体、铝氧八面体之间的结合力较小，破坏了晶体之间的稳定结构。因此，阳离子所在的晶体平面结构容易分层，从而形成了极完全解理性。根据云母晶体结构中含有的碱金属离子或碱土金属离子的不同，在工业上有使用价值的主要有白云母、金云母、合成云母等。按照结晶成片大小，又可将天然云母分为大片云母和碎云母。
云母特殊的层片状结构决定了其在垂直于解理面具有极高的电绝缘性，同时，还具有较好的透明度、极好的可剥分性、化学稳定性、还原性以及在高温状态下能保持上述优良物理化学性能的特点，是非常重要的绝缘材料，被广泛应用于电子、电机、电讯、电器、航空、交通、仪表、冶金、建材、轻工等领域，芳纶云母复合材料作为一种新型绝缘材料，是通过现代湿法造纸工艺，以有机的高性能芳纶纤维和无机的云母为原料所制备的一种复合材料，其具有优良的耐高温性、阻燃性和化学稳定性，然而，由于芳纶纤维结晶度高及且表面惰性，限制了其与云母间的界面结合作用，致使芳纶纤维与云母片在材料中松散堆积，材料中存在大量结构缺陷，导致材料的力学性能及绝缘性能较差。
发明内容
发明目的：针对上述技术缺陷，本发明提供了一种云母为基材的绝缘材料及其制备方法。
所采用的技术方案如下：
一种以云母为基材的绝缘材料，由以下成分制备而成：
云母、芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维、羧甲基化微/纳米纤维素、聚氧化乙烯；
所述云母经过路易斯酸和烷基酸乙酯处理。
进一步地，由以下重量份数的成分制备而成：
云母80-100份、芳纶纤维60-80份、马来酸酐接枝聚烯烃纤维5-10份、羧甲基化微/纳米纤维素5-10份、聚氧化乙烯0.5-1份。
进一步地，所述路易斯酸为氯化锂、氯化钙或氯化铝中的任意一种。
进一步地，所述烷基酸乙酯为十一烷酸乙酯、十二烷酸乙酯、十三烷酸乙酯、十四烷酸乙酯、十五烷酸乙酯、十六烷酸乙酯、十七烷酸乙酯、十八烷酸乙酯、十九烷酸乙酯中的任意一种。
进一步地，所述云母的处理方法如下：
将路易斯酸和烷基酸乙酯加入乙醇中，搅拌混合均匀后，再将微米级云母粉加入，升温至回流搅拌3-5h后滤出乙醇洗涤、烘干即可。
进一步地，所述芳纶纤维由对位芳纶纤维和间位芳纶纤维组成；
所述对位芳纶纤维的长度为1-100μm，所述间位芳纶纤维的长度为1-100μm。
进一步地，所述羧甲基化微/纳米纤维素的制备方法：
将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素混合均匀，加入异丙醇中超声振荡分散5-10min后，室温滴加第一份的氢氧化钠溶液，滴毕后搅拌30-60min，加入一氯乙酸，升温至50-55℃反应40-60min，再滴加第二份的氢氧化钠溶液，滴毕后继续反应60-80min抽滤，醋酸溶液洗涤后水洗至中性，低温真空干燥即可。
进一步地，所述马来酸酐接枝聚烯烃纤维的制备方法如下：
将马来酸酐、过氧化二异丙苯加入丙酮中，搅拌得到均一溶液，将所得溶液加热至45-50℃，再将聚烯烃加入充分搅拌混和均匀，转入双螺杆挤出机中，料筒温度为：加料区150-160℃，熔融区175-185℃，反应区170-185℃，模口温度170-180℃，机头压力：3-5MPa，螺杆转速20-40rpm，熔融后送至喷丝头均速喷丝，所得纤维经冷却后粉碎烘干即可。
进一步地，聚烯烃、马来酸酐、过氧化二异丙苯的质量比为180-200：20-25：1。
上述云母为基材的绝缘材料的制备方法：
将芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维加入水中制成悬浮液，再将聚氧化乙烯加入混合均匀，转移至疏解机中疏解20000-25000r，再将云母、羧甲基化微/纳米纤维素加入疏解3000-4000r，将疏解好的浆料上网抄造成形，先于1-5Mp压力下压制5-10min，再于160-180℃、10-15Mp压力下压制2-4min，最后干燥即可。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种云母为基材的绝缘材料，芳纶纤维结晶度高及且表面惰性，限制了其与云母间的界面结合作用，致使芳纶纤维与云母片在材料中松散堆积，材料中存在大量结构缺陷，导致材料的力学性能及绝缘性能较差，文献1朱大勇,辜婷,郑强,于杰,鲁圣军.CaCl2和多巴胺处理对芳纶纤维表面结构与性能的影响[J].高分子材料科学与工程,2017,(第10期)提供了一种对芳纶纤维表面处理的方法，经过处理后可以使得芳纶纤维表面粗糙度增大，改善与基体材料的界面相容性，专利US60316256A公开了一种选用烷基邻钛酸对云母鳞片进行处理的方法，与传统云母纸相比，经烷基邻钛酸改性后云母鳞片制备的云母纸的拉伸强度、撕裂度和抗皱性能具有明显的提升，发明人在参考文献的基础上通过不断尝试，选择路易斯酸和烷基酸乙酯对云母进行处理，改善了云母的表面形貌，提升了与高分子纤维的结合性能，马来酸酐接枝聚烯烃纤维一方面作为掺杂纤维提高绝缘材料的柔韧性，另一方面由于聚烯烃非极性的分子主链上引入了强极性的侧基，可以成为增进云母与芳纶纤维粘接性和相容性的桥梁，极大地改善原料组分间的亲和性和云母的分散性，羧甲基化微/纳米纤维素的表面含有大量极性基团，其与芳纶纤维、云母暴露出的活性基团形成氢键作用，有助于提高复合材料的内部结合性能，微/纳米尺寸可以形成多层次的网状结构使其具有更好的韧性，经过测试，本发明所制备的绝缘材料具有良好的力学性能，抗张指数≥49.85N·m/g，绝缘性能良好，耐压强度≥37.54kV·mm-1，具有良好的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的绝缘材料；
图2为本发明实施例1所制备绝缘材料的截面SEM图，可以看出绝缘材料的致密度高、孔隙少，截面平整光滑。
具体实施方式
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种以云母为基材的绝缘材料，由以下重量份数的成分制备而成：
云母100份、芳纶纤维60份、马来酸酐接枝聚烯烃纤维10份、羧甲基化微/纳米纤维素10份、聚氧化乙烯0.5份。
其中，云母的处理方法如下：
将氯化锂和十二烷酸乙酯按质量比1:1加入乙醇中，搅拌混合均匀后，再将微米级云母粉加入，升温至回流搅拌4h后滤出乙醇洗涤、烘干即可。
芳纶纤维由长度为1-100μm对位芳纶纤维和长度为1-100μm间位芳纶纤维组成；
羧甲基化微/纳米纤维素的制备方法：
将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素混合均匀，加入异丙醇中超声振荡分散10min后，室温滴加第一份的氢氧化钠溶液，滴毕后搅拌50min，加入一氯乙酸，升温至55℃反应50min，再滴加第二份的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的质量浓度为50％，第二份氢氧化钠溶液的用量是第一份氢氧化钠溶液的1/2，滴毕后继续反应60min抽滤，醋酸溶液洗涤后水洗至中性，低温真空干燥即可。
马来酸酐接枝聚烯烃纤维的制备方法如下：
将马来酸酐、过氧化二异丙苯加入丙酮中，搅拌得到均一溶液，将所得溶液加热至50℃，再将聚烯烃加入充分搅拌混和均匀，聚烯烃、马来酸酐、过氧化二异丙苯的质量比为200：25：1，转入双螺杆挤出机中，料筒温度为：加料区160℃，熔融区180℃，反应区170℃，模口温度180℃，机头压力：5MPa，螺杆转速40rpm，熔融后送至喷丝头均速喷丝，所得纤维经冷却后粉碎烘干即可。
上述云母为基材的绝缘材料的制备方法：
将芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维加入水中制成悬浮液，再将聚氧化乙烯加入混合均匀，转移至疏解机中疏解25000r，再将云母、羧甲基化微/纳米纤维素加入疏解4000r，将疏解好的浆料上网抄造成形，先于5Mp压力下压制10min，再于180℃、15Mp压力下压制4min，最后干燥即可。
实施例2：
一种以云母为基材的绝缘材料，由以下重量份数的成分制备而成：
云母100份、芳纶纤维80份、马来酸酐接枝聚烯烃纤维10份、羧甲基化微/纳米纤维素10份、聚氧化乙烯1份。
其中，云母的处理方法如下：
将氯化锂和十九烷酸乙酯按质量比1:1加入乙醇中，搅拌混合均匀后，再将微米级云母粉加入，升温至回流搅拌5h后滤出乙醇洗涤、烘干即可。
芳纶纤维由长度为1-100μm对位芳纶纤维和长度为1-100μm间位芳纶纤维组成；
羧甲基化微/纳米纤维素的制备方法：
将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素混合均匀，加入异丙醇中超声振荡分散10min后，室温滴加第一份的氢氧化钠溶液，滴毕后搅拌60min，加入一氯乙酸，升温至55℃反应60min，再滴加第二份的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的质量浓度为50％，第二份氢氧化钠溶液的用量是第一份氢氧化钠溶液的1/2，滴毕后继续反应80min抽滤，醋酸溶液洗涤后水洗至中性，低温真空干燥即可。
马来酸酐接枝聚烯烃纤维的制备方法如下：
将马来酸酐、过氧化二异丙苯加入丙酮中，搅拌得到均一溶液，将所得溶液加热至50℃，再将聚烯烃加入充分搅拌混和均匀，聚烯烃、马来酸酐、过氧化二异丙苯的质量比为200：25：1，转入双螺杆挤出机中，料筒温度为：加料区160℃，熔融区185℃，反应区185℃，模口温度180℃，机头压力：5MPa，螺杆转速40rpm，熔融后送至喷丝头均速喷丝，所得纤维经冷却后粉碎烘干即可。
上述云母为基材的绝缘材料的制备方法：
将芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维加入水中制成悬浮液，再将聚氧化乙烯加入混合均匀，转移至疏解机中疏解25000r，再将云母、羧甲基化微/纳米纤维素加入疏解4000r，将疏解好的浆料上网抄造成形，先于5Mp压力下压制10min，再于180℃、15Mp压力下压制4min，最后干燥即可。
实施例3：
一种以云母为基材的绝缘材料，由以下重量份数的成分制备而成：
云母80份、芳纶纤维60份、马来酸酐接枝聚烯烃纤维5份、羧甲基化微/纳米纤维素5份、聚氧化乙烯0.5份。
其中，云母的处理方法如下：
将氯化锂和十二烷酸乙酯按质量比1:1加入乙醇中，搅拌混合均匀后，再将微米级云母粉加入，升温至回流搅拌3h后滤出乙醇洗涤、烘干即可。
芳纶纤维由长度为1-100μm对位芳纶纤维和长度为1-100μm间位芳纶纤维组成；
羧甲基化微/纳米纤维素的制备方法：
将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素混合均匀，加入异丙醇中超声振荡分散5min后，室温滴加第一份的氢氧化钠溶液，滴毕后搅拌30min，加入一氯乙酸，升温至50℃反应40min，再滴加第二份的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的质量浓度为50％，第二份氢氧化钠溶液的用量是第一份氢氧化钠溶液的1/2，滴毕后继续反应60min抽滤，醋酸溶液洗涤后水洗至中性，低温真空干燥即可。
马来酸酐接枝聚烯烃纤维的制备方法如下：
将马来酸酐、过氧化二异丙苯加入丙酮中，搅拌得到均一溶液，将所得溶液加热至45℃，再将聚烯烃加入充分搅拌混和均匀，聚烯烃、马来酸酐、过氧化二异丙苯的质量比为180：20：1，转入双螺杆挤出机中，料筒温度为：加料区150℃，熔融区175℃，反应区170℃，模口温度170℃，机头压力：3MPa，螺杆转速20rpm，熔融后送至喷丝头均速喷丝，所得纤维经冷却后粉碎烘干即可。
上述云母为基材的绝缘材料的制备方法：
将芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维加入水中制成悬浮液，再将聚氧化乙烯加入混合均匀，转移至疏解机中疏解20000r，再将云母、羧甲基化微/纳米纤维素加入疏解3000r，将疏解好的浆料上网抄造成形，先于5Mp压力下压制10min，再于180℃、15Mp压力下压制4min，最后干燥即可。
实施例4：
一种以云母为基材的绝缘材料，由以下重量份数的成分制备而成：
云母80份、芳纶纤维60份、马来酸酐接枝聚烯烃纤维10份、羧甲基化微/纳米纤维素10份、聚氧化乙烯0.8份。
其中，云母的处理方法如下：
将氯化钙和十二烷酸乙酯按质量比1:1加入乙醇中，搅拌混合均匀后，再将微米级云母粉加入，升温至回流搅拌5h后滤出乙醇洗涤、烘干即可。
芳纶纤维由长度为1-100μm对位芳纶纤维和长度为1-100μm间位芳纶纤维组成；
羧甲基化微/纳米纤维素的制备方法：
将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素混合均匀，加入异丙醇中超声振荡分散10min后，室温滴加第一份的氢氧化钠溶液，滴毕后搅拌40min，加入一氯乙酸，升温至50℃反应50min，再滴加第二份的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的质量浓度为50％，第二份氢氧化钠溶液的用量是第一份氢氧化钠溶液的1/2，滴毕后继续反应80min抽滤，醋酸溶液洗涤后水洗至中性，低温真空干燥即可。
马来酸酐接枝聚烯烃纤维的制备方法如下：
将马来酸酐、过氧化二异丙苯加入丙酮中，搅拌得到均一溶液，将所得溶液加热至45℃，再将聚烯烃加入充分搅拌混和均匀，聚烯烃、马来酸酐、过氧化二异丙苯的质量比为200：20：1，转入双螺杆挤出机中，料筒温度为：加料区160℃，熔融区175℃，反应区185℃，模口温度170℃，机头压力：5MPa，螺杆转速20rpm，熔融后送至喷丝头均速喷丝，所得纤维经冷却后粉碎烘干即可。
上述云母为基材的绝缘材料的制备方法：
将芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维加入水中制成悬浮液，再将聚氧化乙烯加入混合均匀，转移至疏解机中疏解25000r，再将云母、羧甲基化微/纳米纤维素加入疏解3500r，将疏解好的浆料上网抄造成形，先于5Mp压力下压制10min，再于180℃、15Mp压力下压制4min，最后干燥即可。
实施例5：
一种以云母为基材的绝缘材料，由以下重量份数的成分制备而成：
云母80份、芳纶纤维80份、马来酸酐接枝聚烯烃纤维5份、羧甲基化微/纳米纤维素10份、聚氧化乙烯0.5份。
其中，云母的处理方法如下：
将氯化锂和十四烷酸乙酯按质量比1:1加入乙醇中，搅拌混合均匀后，再将微米级云母粉加入，升温至回流搅拌5h后滤出乙醇洗涤、烘干即可。
芳纶纤维由长度为1-100μm对位芳纶纤维和长度为1-100μm间位芳纶纤维组成；
羧甲基化微/纳米纤维素的制备方法：
将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素混合均匀，加入异丙醇中超声振荡分散5min后，室温滴加第一份的氢氧化钠溶液，滴毕后搅拌60min，加入一氯乙酸，升温至50℃反应60min，再滴加第二份的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的质量浓度为50％，第二份氢氧化钠溶液的用量是第一份氢氧化钠溶液的1/2，滴毕后继续反应60min抽滤，醋酸溶液洗涤后水洗至中性，低温真空干燥即可。
马来酸酐接枝聚烯烃纤维的制备方法如下：
将马来酸酐、过氧化二异丙苯加入丙酮中，搅拌得到均一溶液，将所得溶液加热至50℃，再将聚烯烃加入充分搅拌混和均匀，聚烯烃、马来酸酐、过氧化二异丙苯的质量比为180：25：1，转入双螺杆挤出机中，料筒温度为：加料区150℃，熔融区185℃，反应区170℃，模口温度180℃，机头压力：3MPa，螺杆转速40rpm，熔融后送至喷丝头均速喷丝，所得纤维经冷却后粉碎烘干即可。
上述云母为基材的绝缘材料的制备方法：
将芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维加入水中制成悬浮液，再将聚氧化乙烯加入混合均匀，转移至疏解机中疏解20000r，再将云母、羧甲基化微/纳米纤维素加入疏解4000r，将疏解好的浆料上网抄造成形，先于5Mp压力下压制10min，再于180℃、15Mp压力下压制4min，最后干燥即可。
实施例6：
一种以云母为基材的绝缘材料，由以下重量份数的成分制备而成：
云母100份、芳纶纤维60份、马来酸酐接枝聚烯烃纤维10份、羧甲基化微/纳米纤维素5份、聚氧化乙烯1份。
其中，云母的处理方法如下：
将氯化铝和十二烷酸乙酯按质量比1:1加入乙醇中，搅拌混合均匀后，再将微米级云母粉加入，升温至回流搅拌3h后滤出乙醇洗涤、烘干即可。
芳纶纤维由长度为1-100μm对位芳纶纤维和长度为1-100μm间位芳纶纤维组成；
羧甲基化微/纳米纤维素的制备方法：
将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素混合均匀，加入异丙醇中超声振荡分散10min后，室温滴加第一份的氢氧化钠溶液，滴毕后搅拌30min，加入一氯乙酸，升温至55℃反应40min，再滴加第二份的氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的质量浓度为50％，第二份氢氧化钠溶液的用量是第一份氢氧化钠溶液的1/2，滴毕后继续反应80min抽滤，醋酸溶液洗涤后水洗至中性，低温真空干燥即可。
马来酸酐接枝聚烯烃纤维的制备方法如下：
将马来酸酐、过氧化二异丙苯加入丙酮中，搅拌得到均一溶液，将所得溶液加热至45℃，再将聚烯烃加入充分搅拌混和均匀，聚烯烃、马来酸酐、过氧化二异丙苯的质量比为200：20：1，转入双螺杆挤出机中，料筒温度为：加料区160℃，熔融区175℃，反应区185℃，模口温度170℃，机头压力：5MPa，螺杆转速20rpm，熔融后送至喷丝头均速喷丝，所得纤维经冷却后粉碎烘干即可。
上述云母为基材的绝缘材料的制备方法：
将芳纶纤维、马来酸酐接枝聚烯烃纤维加入水中制成悬浮液，再将聚氧化乙烯加入混合均匀，转移至疏解机中疏解25000r，再将云母、羧甲基化微/纳米纤维素加入疏解3000r，将疏解好的浆料上网抄造成形，先于5Mp压力下压制10min，再于180℃、15Mp压力下压制4min，最后干燥即可。
对比例1：
对比例1与实施例1基本相同，区别在于，将微米级云母粉直接加入，不经过氯化锂和十二烷酸乙酯处理。
对比例2：
对比例2与实施例1基本相同，区别在于，将聚烯烃纤维直接加入。
对比例3：
对比例3与实施例1基本相同，区别在于，将长度为1-100μm的微米纤维素和长度为1-100nm的纳米纤维素直接加入，不经过羧甲基化处理。
性能测试：
采用SE-062抗张测定仪测定实施例1-6及对比例1-3所制备绝缘材料的抗张指数Y，由以下公式计算得到：
Y＝F/(Lw*g)*1000
式中Y-抗张指数，N·m/g
g-试样的定量，g/㎡
F-平均抗张力，N
Lw-试样宽度，mm
采用耐压测试仪测定实施例1-6及对比例1-3所制备绝缘材料的击穿电压，室温条件下同一试样在不同测试位置上随机选取10块区域，手动以工频0.2kV/s的电压升速，直至试样被击穿，记录击穿电压值，取平均值后按以下公式计算耐压强度：
E＝U/d
式中：
E-耐压强度，kV·mm-1；
U-击穿电压，kV；
d-试样厚度，mm。
上述测试结果如下表1所示：
表1：
由上表1可知，本发明所制备的绝缘材料具有良好的力学性能，抗张指数≥49.85N·m/g，绝缘性能良好，耐压强度≥37.54kV·mm-1，具有良好的市场应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。