低介电常数、高热稳定性油浸绝缘纸用高分子/天然纤维的分子设计、制备方法及性能研究

As a typical composite insulation, cellulose paper immersed with mineral oil is widely adopted in oil immersed equipment. The structure of cellulose contributes to its nature of strong polar. Most of cellulose modification method, at the expense of mechanical property loss, cannot meet the requirement of insulation used in power equipment. The thermal endurance insulation paper, fabricated with synthetic fiber, is not widespread in domestic due to its high cost or technologically monopolized by foreign enterprise. .This project propose to customize a polymer/cellulose composite. Through the design of molecular structure and interface morphology, a “net skeleton” of polymer will be formed in cellulose base, which compensates the loss of mechanical property of cellulose caused by modification. The aim of this project is to prepare an insulation paper applying in oil-immersed equipment. This paper has lower permittivity and higher thermal stability comparing with conventional cellulose paper. First, Molecular design will be adopted to choose the suitable polymer as reinforcement. Its interpenetrating network structure with cellulose and also the interface morphology will be studied. Second, the preparation method and process condition of new composite paper will be investigated. Third, the insulation performance and Long-term thermal stability of new composites will also be test to evaluate its superiority as oil immersed insulation comparing with conventional cellulose paper.

油浸纤维纸作为经典的复合绝缘结构，广泛应用于高压设备中。但天然纤维本征特性决定了它存在极性高、热稳定性差的缺点。现有的改性方法多以牺牲绝缘纸机械性能为代价，无法达到满意的效果；而采用人工纤维制备的耐热绝缘纸，又因价格昂贵或核心技术被国外企业垄断等原因，尚未得到推广应用。.本项目提出通过分子设计定制一种高分子/天然纤维复合材料，通过分子结构和界面形态的设计，使高分子在天然纤维基体中形成“网络骨架”结构，补偿为降低介电常数和亲水性对纤维素造成的机械性能损失。目标是制备出一种应用于油浸设备的低介电常数、高热稳定性绝缘纸。研究内容包括：采用分子设计方法降低天然纤维极性，选择高分子组份，并设计高分子与天然纤维之间的网络结构和界面形态；探索复合纤维材料的合成方法及工艺，制备新型功能性复合绝缘纸；研究该绝缘纸浸油后的绝缘、放电特性及长期运行稳定性，评估其作为油浸式绝缘材料应用于变压器的优越性。

油浸纤维纸作为经典的复合绝缘结构，广泛应用于高压设备中。但植物纤维本征特性决定了它存在极性高、热稳定性差的缺点。现有的改性方法多以牺牲绝缘纸机械性能为代价，无法达到满意的效果；而采用合成纤维制备的耐热绝缘纸，又因价格昂贵或核心技术被国外企业垄断等原因，尚未得到推广应用。本项目提出通过分子设计定制一种高分子/植物纤维复合材料，通过分子结构和界面形态的设计，使高分子在植物纤维基体中形成“网络骨架”结构，补偿为降低介电常数和亲水性对纤维素造成的机械性能损失。目标是制备出一种应用于油浸设备的低介电常数、高热稳定性绝缘纸。.项目取得的重要结果包括：（1）基于分子动力学与密度泛函理论，研究确定了用于评价纤维分子介电、机械及热稳定等性能的特征参数体系及计算方法，并验证其合理性，为分子设计提供了技术手段。（2）采用该分子动力学参数评价体系，对所需设计的高分子增强相种类、分子结合形式、添加比例和复合结构等参数进行了分析计算，最终确定采用芳纶1313(PPTA)作为增强相、BTCA作为酯化交联连接两相分子，形成“混合层（10%PPTA+23.3%纤维素）-纤维层（33.3%纤维素）-混合层（10%PPTA+23.3%纤维素）”的“三明治结构”。(3)在实验室制备出PPTA/天然纤维复合绝缘纸，确定了制备流程及关键参数，得到了介电常数为3.21，介质损耗为0.465%，各方面性能满足国标相关要求的绝缘纸。（4）对比研究了新型绝缘纸、Nomex@910及纯木质纤维绝缘纸的交流击穿及局部放电特性，并对三种油浸绝缘纸开展了电寿命及长期热老化实验，结果表明新型油纸绝缘击穿强度相较纯木质纤维绝缘纸与Nomex@910型绝缘纸提升了24.6%与10.3%(油隙宽度2mm时)；新型油纸绝缘局放起始场强~7.2 kV/mm，较Nomex@910和纯木质纤维绝缘纸提升了24.1%与62.5%；新型绝缘纸的电寿命指数为20.38，较Nomex@910的19.03和纯纤维绝缘纸的14.32有明显提升；130℃下的加速热老化结果表明，新型绝缘纸的比纯木质纤维绝缘纸寿命延长了1.13倍，且与绝缘油具有良好的长期热兼容性。结果初步证实了新型绝缘纸作为变压器绝缘的良好应用前景。