先进芳纶绝缘纸基材料研究进展及展望


用于大型电气绝缘设备的高性能芳纶绝缘纸是保证设备可靠、持久、安全运行的关键材料,直接影响其综合质量、耐温等级与使用寿命。随着芳纶绝缘纸在特种电气绝缘设备的规模化应用,对其耐温等级、耐电晕性能、介电强度、满足设备小型化与高度集成化的能力提出了更高的要求与挑战。本文重点介绍了先进芳纶绝缘纸系列产品,如结构致密型芳纶绝缘纸、耐电晕芳纶云母绝缘纸、导热型芳纶绝缘纸与芳纶纳米绝缘纸在纸张结构设计、机械性能与绝缘性能增强、新产品开发等方面的研究进展,并展望了高性能芳纶绝缘纸未来的发展方向。

  绝缘材料是保证大型电气绝缘设备可靠、持久、安全运行的关键,直接影响电气设备的综合质量、耐温等级与使用寿命。芳纶绝缘纸基材料(以下简称“芳纶绝缘纸”)是以芳纶纤维为原料,利用现代造纸技术制备的具有特定性能和用途、高附加值的柔性薄张材料,是造纸与纺织、高分子及复合材料等学科交叉的高新技术产品,具有比重轻、耐温等级高、绝缘性能好、阻燃、可在恶劣工况长时间使用等优异性能,可作为大功率干式变压器、油浸式变压器、矿用特种电机、高速列车牵引电机、风力发电机、特高压变压器等大型电气设备的匝间、相间、绕组与线端的主绝缘材料(如图1所示),是电工电力、电气能源、机电装备、轨道交通等领域的关键基础材料之一。

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  自1965年起,美国杜邦公司开始研发芳纶纤维和芳纶绝缘纸,并快速实现了产业化与商业化,其生产的Nomex系列芳纶绝缘纸产品类型丰富,可满足不同型号、不同领域的电气绝缘设备应用需求。我国早期芳纶纸完全依赖进口,芳纶绝缘纸研发与生产起步晚。美国杜邦公司对我国芳纶绝缘纸制造的技术封锁与产品垄断长达40余年,使高品质芳纶绝缘纸成为“卡脖子”产品,影响我国电气设备的升级换代,以及电工电力行业工程安全的提升。为保障高性能芳纶绝缘纸的供应,国内企业、科研院校等机构对芳纶绝缘纸开展了长达20余年的自主研发工作,目前我国已掌握芳纶绝缘纸的核心生产技术,也诞生了烟台民士达、超美斯、中芳特纤等芳纶绝缘纸专业生产厂家。随着生产商技术研发的投入与产品的升级换代,中低端电气绝缘领域的国产化芳纶绝缘纸替代已基本实现。

  然而,由于芳纶纤维形态单一、表面光滑,且疏水性和惰性强,造纸适应性差,我国芳纶纤维及其同类产品在纤维制备与分散、流送与成形、热压与增强等关键环节存在诸多技术瓶颈,造成传统国产芳纶绝缘纸具有结构疏松、界面结合弱、介电强度低、综性能差等问题,难以满足关键领域的应用需求。同时,随着芳纶绝缘纸在牵引电机、风力发电机、特高压变压器等特种电气设备的大规模应用,对新一代芳纶绝缘纸的耐温等级、耐电晕性能、介电强度、满足小型化与高度集成化的能力也提出了更高的要求与挑战。

  本研究团队长期聚焦于芳纶纸基功能材料制备及应用研究,与国内芳纶绝缘纸生产商保持着长期的产学研合作,对该领域共性关键技术有一定突破,并积累了较丰富的研发经验。本文基于本研究团队的研发成果,重点介绍先进芳纶绝缘纸系列产品,如结构致密型芳纶绝缘纸、耐电晕芳纶云母绝缘纸、导热型芳纶绝缘纸与芳纶纳米绝缘纸在纸张结构设计、机械与绝缘性能增强、新产品开发等方面的研究进展;探讨先进芳纶绝缘纸基材料重点应用领域,并展望未来高性能芳纶绝缘纸重点发展方向。

  先进芳纶绝缘纸系列产品研究进展

  随着电气工业的发展和绝缘材料不断改善与升级,对于芳纶绝缘纸的性能要求也在不断提高。传统植物纤维绝缘纸耐温等级低(E级,耐温极限为120℃)、绝缘性能差(介电强度7~8kV/mm),且在高温环境中强度急剧下降,吸湿性大、易受潮,严重影响其绝缘性能,导致绝缘部件寿命短更换频繁,影响电气设备使用寿命,增加了维护成本。随着芳纶绝缘纸在变频牵引电机、特高压变压器等特种电气设备的大规模应用,传统芳纶绝缘纸结构疏松、介电强度低、散热困难等缺陷愈发突出,这些缺陷会导致绝缘材料加速老化,造成关键绝缘部件易失效,影响电气设备的使用寿命与运行成本。因此,随着终端绝缘设备的高端化、智能化、小型化与集成化发展,对芳纶绝缘纸的应用需求与综合性能要求不断提高。针对不同的应用领域特性需求,本文总结了芳纶绝缘纸产品未来发展趋势,如图2所示。

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  1.1 结构致密型芳纶绝缘纸

  芳纶绝缘纸作为一种具有多孔结构的三维(3D)网络状材料,其微观结构与界面结合状态对宏观性能具有决定性的影响。在传统芳纶绝缘纸结构中,呈棒状且表面光滑的芳纶短切纤维(1D)作为主体骨架材料分散在纸张结构中,支撑着纸张的机械结构,同时呈现薄膜状且部分微纤化的芳纶沉析纤维(2D)作为填充与包裹材料,分布在芳纶短切纤维搭接的空隙中,提供了结合位点。具有较大维度差异的短切与沉析纤维在纸张三维结构中随机分布、相互交织,即使在热压作用下,也仅仅通过物理搭接产生少量的氢键结合,导致芳纶绝缘纸的表面与截面仍呈现疏松多孔的“开放式”结构,如图3(a)所示;纤维间残留的大量不规则空隙与孔道(尺寸几微米至几十微米)造成芳纶绝缘纸在各级尺度上存在大量的结构与界面缺陷,导致芳纶绝缘纸存在界面结合弱、强度差等问题。

  图3(c)显示了“开放式”的芳纶绝缘纸结构被电击穿的过程。如图3(c)所示,一方面,疏松多孔且存在部分通孔的芳纶绝缘纸阻碍电流通过的能力低,使芳纶绝缘纸电气绝缘性能难以提升,介电强度差;另一方面,芳纶绝缘纸疏松多孔的结构中,芳纶沉析纤维对芳纶短切纤维的包覆作用弱,二者的界面结合强度不足,纤维的阻裂和桥联作用被弱化,当受到外力作用时,纤维交织结构更易被破坏,使力学强度偏低;且“开放式”结构的存在导致芳纶绝缘纸性能离散性大,不适用于要求苛刻的高端电气设备的绝缘体系。进口芳纶绝缘纸的结构则呈现非常致密的“封闭式”结构,如图3(b)和图3(d)所示,纤维在纸张表面与截面排布紧密平整、孔隙率低、缺陷少,在电场作用下,对导电粒子的迁移阻碍作用大,导电粒子需在更高电场强度下对材料结构产生破坏方可顺利通过,因此其表现出更优异的电气绝缘性能。

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  因此,由于纤维形态单一、表面光滑疏水易絮聚,且制备芳纶绝缘纸的纤维组分(芳纶短切纤维和芳纶沉析纤维)维度差异较大,国产芳纶绝缘纸结构疏松、匀度较差、界面结合弱、介电强度低、综合性能差,难以满足关键领域的应用需求。曹宇君等人的研究结果也证明了国产芳纶绝缘纸存在的弱点。相关研究针对高端电气设备主绝缘系统应用要求,分别对国产与进口芳纶绝缘纸(厚度约0.13mm)性能对比,结果表明由于纸张结构差异,进口芳纶绝缘纸的介电强度为24.9kV/mm,离散系数为6.35%,而国产芳纶绝缘纸的介电强度为19.5kV/mm,离散系数高达12.74%;国产芳纶绝缘纸的撕裂度也均低于进口芳纶绝缘纸的技术指标要求,无法适应电机槽绝缘机械或手工嵌线要求,易产生边缘破损等异常现象,存在应用失效风险。

  由此可见,芳纶绝缘纸的三维结构对其机械性能与介电性能等起着决定性作用;需要通过调整纤维配比、成形方式、热压条件、加工方式等手段优化芳纶绝缘纸的结构,使纤维在基体中均匀分布,以提高纤维界面结合强度,实现芳纶绝缘纸微观结构的致密化并减少缺陷,从而改善国产芳纶绝缘纸的综合性能。

  本研究团队报道了利用化学浸渍微溶法,实现芳纶绝缘纸结构致密化,并协同增强其机械与绝缘性能的研究成果(如图4(a)所示),采用氢氧化钾(KOH)/二甲基亚砜(DMSO)体系使间位芳纶纤维发生化学溶胀及部分溶解,增强了纤维分子链运动和扩散能力,溶胀或再生的纤维使芳纶纤维间距离缩短,相互作用增强,从而实现了芳纶绝缘纸的致密化,得到孔隙率低、高绝缘和高强度的微溶芳纶绝缘纸,其表面平整、结构致密,解决了芳纶绝缘纸原纸表面孔隙结构疏松的问题,同时显著提高了芳纶绝缘纸的机械性能和绝缘性能;与未经处理的芳纶绝缘纸原纸相比,其抗张强度和杨氏模量分别为22.8MPa和0.7GPa,分别提高了68%和56%。

  此外,华南理工大学Xu等人选择N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)/氯化锂(LiCl)体系部分溶解芳纶绝缘纸表面的纤维,使纤维分子链之间产生更多交联,经过热压处理后纸张结构变得更加致密规整,增强后的芳纶绝缘纸拉伸强度和层间结合强度分别较芳纶绝缘纸原纸提升了2.2倍和9.4倍(如图4(b)所示)。

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  本研究团队以芳纶纳米纤维分散液作为芳纶绝缘纸的自增强与结构构筑单元,研究了芳纶纳米纤维涂覆对芳纶绝缘纸的增强效果。结果表明,芳纶纳米纤维发挥了独特的纳米尺度结构、大长径比与高比表面积易形成交织网络结构的优势,显著改善了芳纶绝缘纸的各项性能。与芳纶绝缘纸原纸相比,芳纶纳米纤维涂布芳纶绝缘纸(涂布量2g/m2)的抗张强度、韧性、撕裂度和表面强度分别提高3.5倍、14.3倍、1.2倍和1.4倍,呈现出更致密的纸张结构与更加优异的力学性能,其增强机理如图4(c)所示。与上述思路类似的是东华大学顾思琦等人利用芳纶浆液对芳纶绝缘纸进行表面涂布,研究结果表明,芳纶浆液能够改变芳纶绝缘纸的结构,并减小芳纶绝缘纸内部孔隙直径。当表面涂布固含量10%芳纶浆液时,芳纶绝缘纸的横向和纵向抗张强度分别提升至51.3MPa和94.4MPa,介电强度提升至29.8kV/mm。

  此外,本研究团队利用芳纶纳米纤维独特的纳米尺度结构、大长径比、高比表面积与高活性等特性,以及芳纶纳米纤维与芳纶绝缘纸在组成和结构上具有高度同源性的特点,将芳纶纳米纤维作为纳米增强填料,通过浆内添加的方式加入到芳纶浆料共混体系中,表现出优异的增强效果。研究结果表明,添加质量分数9%芳纶纳米纤维作为芳纶绝缘纸的自增强材料,其拉伸强度与介电强度分别为32.9MPa和21.7kV/mm,比芳纶绝缘纸原纸提高了270%和50%。同时,相关研究揭示了芳纶纳米纤维对芳纶绝缘纸的多尺度界面增强机理,如图4(d)所示,作为芳纶绝缘纸的自增强纳米材料,芳纶纳米纤维在多维尺度上通过架桥、镶嵌、填充与自组装成膜包覆作用,充分发挥其表面活性高、长径比与比表面积大等特性,使芳纶绝缘纸形成致密的“钢筋混凝土”结构,提升了芳纶绝缘纸的综合性能。

  综上所述,无论是芳纶纳米纤维或芳纶纤维纺丝原液,其与芳纶绝缘纸在结构与组成上具有高度同源性,避免了第三方其他纤维的引入致使结构与性能不匹配而产生的纸张耐温性与绝缘性能下降等弊病。同时,得益于它们在纳米尺度或分子尺度的优势,表现出更大的比表面积和更多的反应接触点,通过浆内添加、浸渍或表面涂布等方式,对纸张三维结构产生了显著的影响,能够实现芳纶绝缘纸结构的致密化,减少纸张孔隙,协同改善芳纶绝缘纸的力学性能和电气强度,满足芳纶绝缘纸在更高电场强度环境中的应用,进一步拓宽了芳纶绝缘纸的应用领域。

  1.2 耐电晕芳纶云母绝缘纸

  大型发电机组的建设、水力和电力单台机组的扩增、变频电机的广泛应用、快捷交通工具如高铁运行时速度骤降等导致电机易产生温升、局部放电及空间电荷现象,其外部的绝缘材料将承受更高的电压、电晕、温度和机械应力。虽然芳纶绝缘纸具有较出色的绝缘性能,但应用于变频电机时,随着运行年限的增加,芳纶绝缘纸受到热应力和自身结构缺陷的影响,易发生老化并引发局部放电,严重威胁电气绝缘设备的安全性与使用周期。云母纸绝缘性和化学稳定性优异,尤其是具有出色的耐电晕性。然而,云母鳞片粉体间仅可通过范德华力结合,单独成纸强度差,需玻璃布胶黏剂补强,且胶黏剂含量高达10%~30%。

  因此,以芳纶纤维和云母为原料制备的芳纶云母绝缘纸应运而生,兼具了芳纶和云母的特点,即耐高温、耐电晕和优异的强度性能,可应用于高压变频电机、超高电压变压器、牵引电机等大型绝缘设备,满足对材料耐电晕性、绝缘性、可靠性、安全性和紧凑性的要求;同时弥补了传统芳纶绝缘纸耐电晕性差、传统纯云母纸需玻璃布和胶黏剂补强等问题,在轨道交通、风力/水力发电、特高压、矿用设备等领域具有极高的应用价值,可提升特种电气设备可靠性、安全性,延长设备运行生命周期,减少维护成本。美国杜邦公司的Nomex800系列芳纶云母绝缘纸一直占据主要市场,国内至今仍以玻璃布和胶黏剂补强的多胶云母纸为主,产品综合性能较差,难以满足中高端应用要求。

  芳纶云母绝缘纸在制备过程中也存在着以下5方面的问题:①芳纶纤维与云母表面均显示高惰性,界面结合强度低,成纸性能差,存在掉毛掉粉现象;②在造纸过程中,高密度的云母沉降快,易造成网布堵塞,芳纶纤维易絮聚,造成浆料混合不均、纸张匀度差;③由于云母与芳纶纤维密度的差异,造成纸张网面云母含量较高,云母在纸张Z向分布差异较大,导致纸张内部电场分布不均匀,对纸张强度及绝缘性能影响较大;④芳纶云母纸中存在大量孔隙,成为了电击穿薄弱点,影响芳纶云母纸的均匀性和绝缘性能;⑤芳纶云母纸工程化制备技术难度大,涉及纤维/云母鳞片配浆与高效分散、流送与成形、热压与增强等全流程。

  因此,发展简单、高效的芳纶云母绝缘纸制备技术及结构调控方法,提升芳纶云母绝缘纸的绝缘性能是该领域亟需解决的关键问题。

  本研究团队一直致力于高性能芳纶云母绝缘纸的研究及产业化工作,研究了芳纶纤维和云母的基本特性、纸张性能、击穿强度及老化特性,探讨了云母种类、粒径和用量对其纸张结构、力学强度和介电性能的影响。为了提高芳纶云母绝缘纸的力学性能和电气性能,从云母改性和添加纳米增强填料2方面提升了云母与芳纶纤维的界面结合:通过一步与两步法改性云母表面,采用富有活性基团的聚乙烯亚胺(PEI)与多巴胺(DA)对云母表面改性处理,云母表面活性显著增强,开发的芳纶纳米纤维增强芳纶云母纸,耐压强度与抗张强度可提升100%以上(图5(a))。此外,本研究团队借鉴前期关于造纸填料Z向分布设计研究,提出了云母Z向“离散因子”,实现了云母在纸张Z向上的分布定量化表征,揭示了云母分布对材料界面的影响机理,同时通过调控云母在纸张Z向分布,实现芳纶云母纸结构设计,提升材料的综合性能。

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  同时,本研究团队联合合作企业开发无胶芳纶云母绝缘纸工程化关键技术,研发出中心布浆技术,发明了带阻尼的中心布浆器,进一步提高了芳纶云母绝缘纸的匀度,确保纸张横幅的定量均一;研发出多层复合配抄技术,通过优化原料比例和湿部化学控制,实现芳纶纤维与云母在纸张结构中三维分布的有效调控;通过对成形设备改造,提升了纸机运行性和可靠性;开展了超高线压力压光技术和微真空高温热压固网技术的研究,设计出适合芳纶云母纸塑化黏接机制的热压光操作程序,探讨了热压对芳纶云母绝缘纸结构与性能的影响规律,揭示了热压条件下的塑化黏合机制;攻克了多点式挠度补偿、超高线压力和微真空高温热压技术,解决了芳纶云母纸层压制品起泡、分层的难题。

  此外,在芳纶云母绝缘纸结构设计与优化方面,Zeng等人受天然珍珠层层状结构的启发,通过溶胶-凝胶-纸转变过程连续化制备了一种以云母为基底、芳纶纳米纤维为框架的芳纶云母绝缘纸,如图5(b)和图5(c)所示。芳纶纳米纤维骨架与定向分布的云母纳米片的耦合作用,赋予了芳纶云母绝缘纸良好的机械强度,特别是出色的延展性(约80%)和韧性(高达109MJ/m3),显著优于其他所有珍珠层模拟材料。同时,制备的芳纶云母绝缘纸表现出优异的机械性能与高介电强度(164kV/mm)、优异的耐热性(初始分解温度268℃)、良好的耐溶剂性和阻燃性,均远优于传统的云母基材料,在小型化、集成化的大功率电气绝缘设备中应用前景广阔。

  1.3 芳纶纳米绝缘纸

  高分子纳米纤维由于其特殊的纳米尺度结构,优异的力学性能、光学性能与耐温性能,是一种新型高性能聚合物复合材料的构筑单元。作为近年来新开发的高分子纳米纤维,芳纶纳米纤维(ANF)具有独特的纳米尺度结构(直径3~30nm、长度最高可达10μm)、大的长径比和高的比表面积,同时又保留了芳纶纤维优异的力学性能和耐温性能,因此成为一种新型的构建宏观复合材料的“构筑单元”,起着重要的界面增强与材料增韧作用。ANF保留了宏观芳纶纤维的大部分性能,包括热稳定性和高结晶度等性能;同时,ANF表面丰富的活性基团、大的长径比和高的比表面积又赋予其纳米材料的优异特性,为其带来常规宏观芳纶纤维无法实现的机械性能和光学性能(图6(a))。值得关注的是,ANF之间可通过较强的氢键结合形成交织网络结构,使其具有优异的成纸性能,制备的芳纶纳米绝缘纸具有高强度、耐高温、透明且柔韧性好等优点,在电气绝缘材料、吸附材料、耐高温过滤膜、超级电容器、锂离子电池隔膜等领域具有巨大的应用前景。

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  本研究团队前期还研究了利用ANF为原料,采用造纸法制备了芳纶纳米绝缘纸(图6(b))。得益于ANF之间形成致密的三维网络结构,如图6(c)所示,芳纶纳米绝缘纸呈现出完全不同于传统芳纶绝缘纸的结构特性,具有极低的孔隙率(约8.2%)与小的孔径(0.8~8.2nm)。因此,芳纶纳米绝缘纸表现出“薄、强、韧、透”等新特性,具有超薄(厚度约5μm)、高强度(约176MPa)、高杨氏模量(约10GPa)、高韧性(10.4MJ/m3)、耐高温(热分解温度540℃)、阻燃(烧失量约29%)、优异的介电强度(146kV/mm)及热尺寸稳定性(1h@180℃=0)。

  因此,芳纶纳米绝缘纸在保证优异的绝缘性能的同时,能够实现绝缘层减薄化与高效散热,可作为超薄绝缘层,应用于下一代高度轻量化与集成化的特种电气设备,如5G通信用电系统电气设备、轨道交通、新能源汽车等领域,可有效解决由于绝缘纸导热性低导致电气设备主动散热性差及使用寿命短等问题,实现设备小型化、集成化与结构减重,推动现代紧凑型轻质电气绝缘设备向着更加高效化、可靠化方向发展。然而,值得注意的是,ANF尺寸达到纳米级,在湿法造纸成形过程中,势必会带来纳米纤维易流失、滤水慢等问题,影响纸机车速及运行效率。因此,未来需要进一步研究ANF湿部化学特性,探究适用于ANF浆料体系匹配的留着/滤水体系,实现ANF的高效留着与快速滤水。

  1.4 高导热型芳纶绝缘纸

  随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展,越来越多的小体积交流变频电机得到了广泛应用,在各种复杂工程环境下工作的电气设备日益增多,对传统绝缘材料的机械强度、耐温性能、防潮性能、耐电晕性能、使用寿命等提出新的要求。尤其是在高频工作环境下,电气设备产生的热量迅速积累,亟待设计并制备具有高强度、高导热性的纸基绝缘材料,能迅速、及时地将电气设备线圈积累的热量传递给散热设备或绝缘油,保证电气设备正常工作并延长其使用寿命。因此,设计并开发具有高强度、高导热的绝缘材料成为电气绝缘设备小型化、轻质化、集成化发展的关键。

  但是,高分子绝缘材料大多是热的不良导体,其导热系数普遍小于0.5W/(m·K),远低于传统的陶瓷、金属等导热材料。高分子绝缘材料在长时间使用或过载使用时容易产生热积累,使高分子绝缘材料容易发生“变质”,如热膨胀、热降解、介电性能降低等,给材料的使用寿命和设备的安全性带来了严重的负面影响。芳纶纤维作为液晶高分子聚合物,其导热系数仅0.04W/(m·K);在电气绝缘领域应用最广泛的No⁃mexT410芳纶绝缘纸(厚度0.05mm),其导热系数仅0.103W/(m·K)。因此,提升芳纶绝缘纸的导热性能对于其在高度集成化、小型化的电气绝缘设备中的应用至关重要。

  芳纶纤维分子链的高刚性结构与高结晶度使其分子链难以旋转且不能折叠,表现出高化学稳定性与热稳定性,通过改变其分子和链节结构实现构筑本征型导热芳纶绝缘纸难度较大。在聚合物基体中添加导热填料是制备导热高分子绝缘材料的有效方法。然而,无机导热填料的引入会降低聚合物的绝缘强度,填料自身的电学性能及种类、形状、粒径等因素也会影响聚合物的绝缘强度。

  因此,应选择与聚合物本体电学性能相近的电绝缘性优良、低介电常数、低介电损耗的导热填料,来改善聚合物复合材料的绝缘强度。常见的导热绝缘无机填料主要是无机非金属填料,包括氮化物(AlN、BN)、氧化物(ZnO、Al2O3、MgO)、碳化物(SiC)等。在这些导热型填料中,BN的介电常数和介电损耗值相对最低(接近聚合物),具有极好的高温绝缘电阻和电击穿强度。六方氮化硼(h-BN)又称白色石墨烯,

  层状结构和性能与石墨烯类似,具有优异的机械性能和导热性、较低的介电常数和损耗,同时氮化硼不导电。因此,BN是目前制备高导热型绝缘材料的理想填料。

  Wu等人制备了ANF与氮化硼纳米片(BNNS)复合纳米导热纸,借助它们之间良好的界面相互作用及声子振动匹配,实现了更高效的热流传递。在BNNS质量分数仅为30%时,复合纳米导热纸的导热系数高达46.7W/(m·K)、强度高达100MPa,比导热系数也超过了金属(图7(a))。为进一步提高ANF与BNNS间的界面结合以降低界面热阻,Ma等人通过真空辅助过滤和热压制备了具有仿珍珠层结构的聚多巴胺功能化(BNNS@PDA)/ANF复合纳米导热纸(图7(b))。

  结果表明,PDA表面功能化的BNNS可以进一步提高纸张的热导率和机械性能。BNNS@PDA/ANF复合纳米导热纸呈现出各向异性的导热效果,质量分数50%的BNNS@PDA/ANF复合纳米导热纸的面外和面内热导率达0.62和3.94W/(m·K),比未处理芳纶纳米纸分别提高了181.8%和196.2%。该材料具有高导热性、优异的机械性能和柔韧性,以及出色的热稳定性,在电气绝缘、智能可穿戴设备和柔性电子领域显示出巨大的应用潜力。

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  上述工作均表明以ANF为基体、BNNS为导热填料可构筑具有高导热、高强度的芳纶复合纸基材料,在高温电子封装、高功率散热器件及高温热管理方面具有较广泛的应用前景。对于能够实现工业化生产的芳纶绝缘纸而言,通过浆内添加共混的方式将导热填料如BN、BNNS等加入芳纶浆料中,制备导热型芳纶绝缘纸是比较可行的方案。

  但需要注意的是:①导热芳纶绝缘纸的传热过程不仅依靠芳纶纤维基体结构和填料的导热系数,还需要考虑芳纶纤维和填料之间的协同作用,以及两相界面结构等的影响;②需要综合考虑导热填料的加入对芳纶绝缘纸导热性能与机械性能的平衡问题,优化导热填料种类、尺寸、形状等参数,降低其导热阈值,尽可能以极低的添加量实现较好导热效果,同时保留其机械性能与绝缘性能;③导热填料的添加势必影响纸机湿部化学环境与运行效率,需要充分考虑浆料滤水、导热填料留着、白水循环使用等问题。

  芳纶绝缘纸未来发展趋势及展望

  高性能芳纶绝缘纸基功能材料应用范围广、技术和行业跨度大,性能与功能要求高,发达国家对纤维原料及关键制备技术与产品实行严密封锁与垄断,部分应用于航空航天、国防军工等高端领域的芳纶纸基功能材料限制向中国出口,而我国同类产品还存在一些技术瓶颈和短板,制约了我国芳纶纸基功能材料的发展和应用。因此,未来需要进一步加强以下几个方面的研究。

  2.1 拓宽高端应用领域并加快国产化替代

  研究机构与科研院所未来需要加强上下游行业合作,针对不同的应用领域,开发具有定制化结构与性能的芳纶绝缘纸;同时,加快芳纶绝缘纸在高端绝缘领域如轨道交通、风力/水力发电、特高压与城市供电、新能源汽车、核电与军工高端电气绝缘领域的应用与国产化替代工作。

  2.2 开发芳纶绝缘纸基材料高值化回用技术

  芳纶绝缘纸制备成本大、附加值高,但目前部分材料性能失效后,一般被当做废弃物处理,造成了一定的资源浪费。本研究团队已在废弃纸基功能材料组分分离与高值化回用技术方面开展了初步研究,未来仍需要进一步加大研究力度和深度,实现废弃芳纶聚合物的高值化利用。

  2.3 推动芳纶纳米纤维低成本、规模化制备及应用

  未来应进一步开展芳纶纳米纤维低成本宏量制备技术,解决限制其规模化制备与应用的瓶颈问题,推动芳纶纳米纤维的工业化生产,并进一步拓展芳纶纳米纤维在高性能纸基功能材料中的应用。

  2.4 创建高性能芳纶纸基功能材料创新平台

  加快高性能纤维及纸基功能材料创新平台建设的速度,围绕高性能芳纶纤维及纸基功能材料行业共性关键技术和工程化问题,推动形成“基础化工原材料-高性能纤维-纸基功能材料及制品成型加工-产品检测及评价-产品应用”的全产业链创新平台。

  来源:高性能纤维纸基功能材料

 

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