ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННАЯ БУМАГА Российский патент 2018 года по МПК H01B3/52 H01F5/06 H01F27/32 

Изобретение относится к электроизоляционной бумаге, к изолированному проводнику, который содержит упомянутую бумагу, к трансформатору, генератору или электромотору, содержащему упомянутый изолированный проводник, и к способу получения упомянутой бумаги.

WO 2012/093048 описывает электроизоляционную бумагу, содержащую 40-100 масс.% пара-арамидного фибрида и до 60 масс.%, по меньшей мере, одного из арамидной пульпы, арамидных хлопьев, арамидного штапельного волокна, арамидного элементарного волокна, мета-арамидного фибрида, мета-/пара-арамидного фибрида, теплопроводных наполнителей и обычных добавок к бумаге, таких как наполнители, например, каолин, связующие, волокна, агенты для придания клейкости и адгезивы. Бумагу можно использовать для изолированных проводников (проводников с изоляцией) и трансформаторов, генераторов и электромоторов, сделанных из нее. Бумаги, описываемые в примерах данного применения, демонстрируют высокую диэлектрическую прочность. Однако диэлектрическая прочность - это только один из параметров, которым должна удовлетворять электроизоляционная бумага (ЭИ) высокого качества. Более конкретно - электроизоляционная бумага (ЭИ) должна сочетать высокую диэлектрическую прочность с высоким показателем прочности при растяжении, которые можно выразить как диэлектрическую прочность и показатель прочности при растяжении продукта. Дополнительно также важной особенностью является легкость обработки бумаги, а особенно трудно обрабатывать бумаги с высоким содержанием фибридов.

Таким образом, существует потребность в ЭИ бумагах с улучшенными свойствами и более простой обработкой. Настоящее изобретение предлагает такую бумагу. Дополнительные преимущества настоящего изобретения станут очевидными из дополнительного описания изобретения.

Настоящее изобретение относится к электроизоляционной бумаге, содержащей

40-80 масс.% арамидного фибрида,

10-50 масс.% арамидной пульпы и

10-50 масс.% арамидных короткорезанных отрезков (арамидной крошки),

причем арамидная пульпа является пара-арамидной пульпой с длиной 0,5-6 мм и степенью помола по Шоппер-Риглеру 15-85.

Обнаружено, что бумага, соответствующая перечисленным выше требованиям, демонстрирует повышенное значение диэлектрической прочности (выраженное в кВ/мм) и показателя прочности при растяжении (выраженного в Нм/г) продукта, по сравнению с системами, содержащими только два из названных выше компонента или содержащими менее чем 40 масс.% арамидного фибрида. Бумага, содержащая 100% арамидного фибрида, демонстрирует более высокое значение диэлектрической прочности (выраженное в кВ/мм) и показателя прочности при растяжении (выраженного в Нм/г) продукта, чем бумага в соответствии с изобретением, но такая бумага менее привлекательна из-за трудности обработки. Кроме того, прочность на разрыв бумаги, состоящей только из фибрида, может быть недостаточной для определенных применений.

Отмечено, что US 5026456 описывает бумагу с высокой пористостью, содержащую 10-40 масс.% арамидного фибрида, 5-30 масс.% устойчивых к высокой температуре хлопьев и 30-85 масс.% арамидной бумажной пульпы. Арамидной бумажной пульпой является пульпа, полученная, например, с помощью мокрого рафинирования из высушенной арамидной бумаги, содержащей хлопья и фибрид. Арамидный фибрид, хлопья и пульпа получают все из мета-арамида. Квалифицированному специалисту будет очевидно, что бумаги с высокой пористостью не пригодны для использования в качестве электроизоляционной бумаги, поскольку высокая пористость сопровождается низким электрическим сопротивлением.

В контексте настоящего описания изобретения арамидом называют ароматический полиамид, который является конденсационным полимером ароматического диамина и галоида ароматической дикарбоновой кислоты. Арамиды могут существовать в мета- и пара-форме, обе из которых можно использовать в настоящем изобретении. Использование арамида, в котором, по меньшей мере, 85% связей между ароматическими частями являются пара-арамидными связями, считается предпочтительным. В качестве типичных членов этой группы называют поли(пара-фенилентерефталамид), поли(4,4'-бензанилидтерефталамид), поли(амидпара-фенилен-4,4'-бифенилендикарбоновой кислоты) и поли(амид пара-фенилен-2,6-нафталиндикарбоновой кислоты) или сополи(пара-фенилен/3,4'диоксидифенилентерефталамид). Использование арамида, в котором, по меньшей мере 90%, более конкретно, по меньшей мере, 95% связей между ароматическими частями являются пара-арамидными связями, считается предпочтительным. Использование поли(пара-фенилентерефталамида), обозначаемого также PPTA, является особенно предпочтительным. Это применяется для всех составляющих арамида, присутствующих в бумаге согласно изобретению.

Бумага согласно изобретению содержит арамидный фибрид. Арамидные фибриды известны в области техники. В рамках контекста настоящего описания изобретения термин арамидный фибрид относится к маленьким, негранулированным, нежестким, пленкообразным частицам. Пленкообразные фибридные частицы имеют два из своих трех измерений порядка нескольких микрон и имеют одно измерение менее 1 микрона. В варианте воплощения изобретения фибриды, используемые в настоящем изобретении, имеют среднюю длину в диапазоне 0,2-2 мм и среднюю ширину в диапазоне 10-500 микрон, и среднюю толщину в диапазоне 0,001-1 микрон.

В варианте воплощения арамидный фибрид содержит менее чем 40%, предпочтительно менее чем 30% мелких частиц, причем мелкие частицы определяют как частицы, имеющие средневесовую (средневзвешенную) длину (LL), (определяемую измерением длины), менее 250 мкм.

Мета-арамидные фибриды можно получить осаждением путем сообщения сдвигового усилия полимерных растворов в коагулирующих жидкостях, что хорошо известно из Патента США №2999788. Фибриды из полностью ароматических полиамидов (арамидов) также хорошо известны из Патента США №3756908, который раскрывает способ получения поли (мета-фенилен-изофталамидных)(MPD-1) фибридов (волокнисто-пленочные связующих). Пара-арамидные фибриды получают с помощью разработанных гораздо позднее способов с высоким сдвиговым усилием, таких например, как описанные в WO 2005/059247, которые называют также фибридами, формованными посредством струйного формования.

Предпочтительно, что арамидным фибридом является пара-арамидный фибрид. Наиболее отвечающие требованиям бумаги сделаны из пара-арамидного фибрида с величиной степени помола по Шопперу-Риглеру между 50 и 90, предпочтительно между 75 и 85. Такие фибриды предпочтительно имеют удельную площадь поверхности меньше 10 м²/г, более предпочтительно между 0,5 и 10 м²/г, наиболее предпочтительно между 1 и 4 м²/г.

В варианте воплощения используют фибриды с LL_0,25, по меньшей мере, 0,3 мм, конкретно, по меньшей мере, 0,5 мм, более конкретно, по меньшей мере, 0,7 мм. В варианте воплощения LL_0,25 составляет не более чем 2 мм, более конкретно - не более чем 1,5 мм, еще более конкретно - не более чем 1,2 мм. LL_0,25 устанавливают для средневесовой длины фибридных частиц, определяемой измерением длины, где частицы длиной меньше 0,25 мм не учитываются.

Бумага в соответствии с изобретением содержит арамидную пульпу. Арамидная пульпа хорошо известна в области техники. Пульпой является пара-арамидная пульпа.

Арамидная пульпа может быть образована из арамидных волокон, которые нарезают (рубят) длиной, например, 0,5-6 мм, а затем подвергают стадии фибрилирования (приобретения волокнистой структуры), в которой волокнистую массу расщепляют для образования элементарных волокон, прикрепленных или не прикрепленных к более толстому стержню. Пульпу такого вида можно характеризовать длиной, например, 0,5-6 мм и степенью помола по Шопперу-Риглеру 15-85. В некоторых вариантах воплощения пульпа может иметь удельную площадь поверхности 4-20 м²/г.

В рамках контекста настоящего описания изобретения термин пульпа охватывает также волокна, т.е. “пульпу”, которая преимущественно включает в себя фиблированную часть (с приобретенной волокнистой структурой) и совсем не включает или включает мало основы волокна. Эту пульпу, которую иногда обозначают так же, как арамидное волокно, можно получить, например, прямым прядением из раствора, например, описанным в WO 2004/099476. В варианте воплощения пульпа имеет структурную нерегулярность, выраженную в виде различия садкости (скорости обезвоживания) по канадскому стандарту (CSF) не подвергавшейся сушке и высушенной пульпы, по меньшей мере, 100, предпочтительно, по меньшей мере, 150. В одном варианте воплощения используют волокна, имеющие во влажной фазе величину садкости по канадскому стандарту (CSF) меньше чем 300 мл, и удельную площадь поверхности (SSA) меньше чем 7 м²/г после сушки, и предпочтительно средневесовую длину, определяемую измерением веса для частиц, имеющих длину >250 микрон (WL 0,25), меньше чем 1,2 мм, более предпочтительно меньше чем 1,0 мм. Отвечающие требованиям волокна и способ их получения описываются, например, в WO 2005/059211.

Бумага согласно изобретению содержит арамидную крошку (short cut). В варианте воплощения используют арамидную крошку, которой в настоящем изобретении являются волокна, нарубленные длиной, например, 0,5-15 мм, конкретно - длиной 2-10 мм, более конкретно - 3-8 мм. Предпочтительно арамидной крошкой является пара-арамидная крошка.

Бумага согласно изобретению содержит 40-80 масс.% арамидного фибрида, 10-50 масс.% арамидной пульпы и 10-50 масс.% арамидной крошки. Обнаружено, что именно наличие всех трех компонентов дает в результате бумагу с хорошими свойствами, что доказано увеличенной диэлектрической прочностью (выраженной в кВ/мм) и показателем прочности при растяжении (выраженным в Нм/г) продукта.

В варианте воплощения бумага содержит не более чем 70% фибрида, или не более чем 60% фибрида, с одной стороны для того, чтобы допускать присутствие большего количества других компонентов, а с другой стороны - для улучшения способности бумаги к обработке. Наличие большого количества фибрида связывают с пониженной рабочей вязкостью, поскольку удаление воды из содержащей фибрид бумаги, в процессе получения затруднено. Дополнительно разрывное усилие для бумаги, содержащей очень большое количество фибрида, может быть недостаточным.

В варианте воплощения бумага содержит, по меньшей мере, 15 масс.% арамидной крошки, более конкретно, по меньшей мере, 20 масс.%, поскольку это способствует получению бумаги с улучшенной прочностью. Для бумаги предпочтительным может быть содержание не более чем 40 масс.% крошки. Если количество крошки слишком большое, то это может пагубно отразиться на изоляционных свойствах. Если количество крошки слишком низкое, можно не получить свойства изобретения.

В варианте воплощения бумага включает в себя, по меньшей мере, 15 масс.% пульпы. Для бумаги предпочтительным может быть содержание не более чем 40 масс.% пульпы, более конкретно - не более чем 30 масс.% пульпы. Если количество пульпы слишком большое, то это может пагубно отразиться на изоляционных свойствах. Если количество пульпы слишком низкое, можно не получить свойства изобретения.

В варианте воплощения бумага содержит 40-60 масс.% арамидного фибрида, описанного выше, 20-40 масс.% пара-арамидного фибрида, описанного выше, и 15-30 масс.% пара-арамидной пульпы, описанной выше.

Если необходимо, бумага может содержать один или более обычных компонентов бумажного производства, таких как наполнители, включающих слюду, глину, например, каолин и бентонит, теплопроводные электроизоляционные наполнители, минералы, связующие, волокна, вещества для придания липкости, адгезивы и тому подобное. Может быть предпочтительно, что бумага содержит каолин в качестве добавки. Дополнительно предпочтительно вводить каолин в бумагу в виде фибрида, например, используя фибриды, содержащие каолин, полученные путем включения в фибрид каолина в процессе прядения, как, например, было описано в WO 2008/122374.

Теплопроводные электроизоляционные наполнители известны в области техники. Их обычно используют в электрических генераторах мощности, для режима переключения источников питания и усилителей сигнала. Примеры таких материалов можно найти в US 4869954, они включают нитрид алюминия, оксид алюминия, нитрид бора, оксид магния и оксид цинка.

В варианте воплощения бумага этого изобретения имеет объемную плотность, по меньшей мере, 0,7 г/см³, предпочтительно 0,9 г/см³ или больше. Было обнаружено, что бумаги с объемной плотностью меньше, чем 0,7 г/см³, имеют более низкую диэлектрическую прочность. Как максимальную можно назвать величину 1,4 г/см³.

В варианте воплощения бумага согласно изобретению имеет электрическое сопротивление, по меньшей мере, 10¹³Ω⋅см в соответствии с методом ASTM D-257 для определения объемного электрического сопротивления. Предпочтительно сопротивление составляет, по меньшей мере, 10¹⁵Ω⋅см.

В варианте воплощения бумага согласно изобретению имеет граммаж (массу в граммах) в интервале 20-1000 г/м², более конкретно - в интервале 30-300 г/м².

В варианте воплощения бумага согласно изобретению имеет толщину в интервале 20 микрон-1 мм, более конкретно - в интервале 30-300 микрон.

Изобретение относится также к способу получения вышеупомянутых электроизоляционных бумаг. Для способа согласно изобретению подготавливают суспензию, обычно водную суспензию, содержащую арамидный фибрид, арамидную пульпу и арамидную крошку, описанные выше. Суспензию наносят на пористый экран так, чтобы уложить на экран матрицу из произвольным образом переплетающегося материала. Воду удаляют из этой матрицы, например, прессованием и/или с использованием вакуума, с последующей сушкой для получения бумаги. Оказалось, что бумаги с улучшенными свойствами можно получить, если высушенную бумагу подвергают стадии каландрирования. Стадии каландрирования известны в области техники. Они обычно заключаются в пропускании бумаги через ряд каландров. Было обнаружено также, что дополнительное улучшение можно было получить, если выполнять каландрирование при повышенной температуре, особенно при 100°C или выше, предпочтительно между 150°C-300°C, более предпочтительно между 180-220°C и наиболее предпочтительно между 180-200°C.

Для электрических свойств бумаги может быть выигрышно подвергнуть фибрид сдвигающему усилию, например, в гомогенизаторе Уоринга перед тем, как использовать его в процессе производства бумаги.

Это обычная практика в производстве изолированных электрических обмоток, таких как используемые в электромоторах или в силовых трансформаторах, для изоляции соответствующих витков обмоток друг от друга путем размещения листа изоляционного материала между витками обмотки. Такая изоляция листовым изоляционным материалом необходима обычно только для высоковольтных обмоток или обмоток, имеющих относительно большие витки, которые создают в действительности достаточно высокое напряжение между соседними витками обмотки. Такая бумага пригодна для изолирующих проводников и для изготовления трансформаторов, генераторов и электромоторов. Таким образом, настоящее изобретение относится также к использованию бумаги в соответствии с изобретением для изолированных проводников, и к использованию таких изолированных проводников в трансформаторах, генераторах и электромоторах. Настоящее изобретение относится также к изолированному проводнику, содержащему бумагу, описанную в данном документе, или бумагу, полученную с помощью способа получения, описанного в данном документе, и к трансформатору, генератору или электромотору, содержащему упомянутый изолированный проводник. В варианте воплощения бумагу согласно изобретению используют во вращающемся электрооборудовании, например, для проволочного вывода, обмотки, ориентирующего паза, фазы электротехнического устройства, клина и концевой изоляции. Еще в одном варианте воплощения бумагу согласно изобретению используют в трансформаторах для обмотки, слоя, барьера и изоляции переключателя выходного напряжения.

Отмечено, что варианты воплощения бумаги, описанной в данном документе, можно объединить друг с другом в порядке, понятном квалифицированному специалисту. Все варианты воплощения и свойства, описанные для бумаги применимы также к способу изготовления бумаги по отдельности или в сочетании. Все варианты воплощения, описанные для бумаги применимы также для их использования в любом применении по отдельности или в сочетании.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Способ производства бумаги (общий порядок действий)

Все составы бумаги были получены на Rapid Koethe (RK) листоотливном аппарате в соответствии с методом ISO 5269-2. Сушку проводили, используя RK-сушильное устройство под вакуумом при 95°C. Каландрирование высушенных бумаг проводили при 200°C с контролем зазора 10 мкм. Для каландрирования использовали два стальных вала.

Измерения диэлектрической прочности выполняли по ASTM D149 97A 920040. Толщину бумаги измеряли по TAPPI 411 om-05 в состоянии диэлектрического пробоя. Эту толщину использовали для вычисления диэлектрической прочности. Измеряли, по меньшей мере, 5 пробоев для получения среднего значения диэлектрической прочности (которое обозначено в Таблице). Показатель прочности при растяжении (TI) и удлинение при разрыве (EAB) определяли по ISO 1924-2. Герли (Gurly) (воздухопроницаемость по Герли) определяли по ISO5636-5.

Исходными материалами были следующие:

PPTA фибрид: Twaron^® D8016 от Teijin Aramid, Нидерланды

Крошка PPTA волокна: Twaron^® T1000, 6мм, от Teijin Aramid, Нидерланды

PPTA пульпа: Twaron^® 1094 от Teijin Aramid, Нидерланды

Примеры

Бумаги изготавливали в соответствии со способом ISO 5269-2 и после этого каландрировали согласно общему порядку действий, если не указано иначе. Составные части для получения бумаги составляли 1,6 г материала (исходя из сухого веса), имея результатом листы 50 г/м². Составы, граммаж и толщину различных бумаг представляют далее в Таблице 1. Пример 1 представляет бумагу в соответствии с изобретением. Бумаги A-E приводят для сравнения.

Таблица 1 Пример
Фибриды Крошка Пульпа Граммаж
Толщина [%] [%] [%] [г/м²] [мкм] Ex 1 50 30 20 50 49,5 A 20 30 50 50 52,3 B 50 50 50 55,0 D 100 50 48,7 C 50 50 50 49,0 E 50 50 50 55,6

Определяли различные свойства этих бумаг, и эти результаты представлены ниже в Таблице 2.

Таблица 2 Пример Диэлектрическая прочность (DiS) Показатель прочности при растяжении (TI) Удлинение при разрыве (EAB) Герли (Gurly) (воздухопроницаемость по Герли) Диэлектрическая прочность, показатель прочности при растяжении (TI⋅DiS) [кВ/мм] [Нм/г] [%] [Gсек] Ex 1 36,2 50,6 1,5 91400 1832 A 19,6 37,8 1,1 1230 741 B 23,4 54,4 1,9 7150 1273 C 67,1 69,5 3,2 1986096 4663 D 44,3 31,2 2,2 30000 1382 E 12,0 6,5 0,7 12 78

Из результатов Таблицы 2 можно видеть, что бумага Примера 1 согласно изобретению демонстрирует высокое значение показателя прочности при растяжении и диэлектрической прочности для продукта, что делает ее пригодной для использования в различных сферах применения. Бумага, которая содержит только фибриды, обладает очень высоким значением этого параметра, но удаление воды в процессе изготовления было затруднено и разрывное усилие было низким.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроизоляционной бумаге, которая может быть использована для изготовления изолированного проводника в трансформаторе, генераторе, электромоторе и других устройствах. Предложенная электроизоляционная бумага содержит 40-80 мас.% арамидного фибрида, 10-50 мас.% арамидной пульпы и 10-50 мас.% арамидной крошки, причем арамидной пульпой является пара-арамидная пульпа длиной 0,5-6 мм и степенью помола по Шопперу-Риглеру 15-85. Предпочтительно фибридом является пара-арамидный фибрид и/или крошкой является пара-арамидная крошка, более предпочтительно фибридом является пара-арамидный фибрид и крошкой является пара-арамидная крошка. Обнаружено, что бумага, соответствующая приведенным выше требованиям, демонстрирует увеличенное значение диэлектрической прочности (выраженной в кВ/мм) и показателя прочности при растяжении (Нм/г) продукта по сравнению с системами, которые содержат только два из упомянутых компонента или содержат меньше чем 40 мас.% арамидного фибрида, что является техническим результатом изобретения. Бумагу относительно легко получить и она имеет хорошее разрывное усилие. Бумага особенно пригодна для использования в изолированных проводниках. 6 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Электроизоляционная бумага, содержащая:

40-80 мас.% арамидного фибрида,

10-50 мас.% арамидной пульпы и

10-50 мас.% арамидной крошки,

причем арамидной пульпой является пара-арамидная пульпа с длиной 0,5-6 мм и степенью помола по Шоппер-Риглеру 15-85,

причем бумага имеет объемную плотность по меньшей мере 0,9 г/см³.

2. Бумага по п. 1, в которой фибридом является пара-арамидный фибрид и/или крошкой является пара-арамидная крошка, предпочтительно фибридом является пара-арамидный фибрид и крошкой является пара-арамидная крошка.

3. Бумага по п. 1, в которой арамидный фибрид имеет степень помола по Шоппер-Риглеру между 50 и 90, предпочтительно между 75 и 85 и/или удельную площадь поверхности менее чем 10 м²/г, более предпочтительно между 0,5 и 10 м²/г, наиболее предпочтительно между 1 и 4 м²/г.

4. Бумага по п. 1, где в состав бумаги входит не более чем 70 мас.% фибрида или даже не более чем 60 мас.% фибрида.

5. Бумага по п. 1, где в состав бумаги входит по меньшей мере 15 мас.% арамидной крошки, более конкретно по меньшей мере 20 мас.% и/или не более 40 мас.% крошки.

6. Бумага по п. 1, где в состав бумаги входит по меньшей мере 15 мас % пульпы и/или не более чем 40 мас.% пульпы, более конкретно не более чем 30 мас.% пульпы.

7. Бумага по п. 1, которая имеет электрическое сопротивление по меньшей мере 10¹³ Ом⋅см согласно способу ASTM D-257 для удельного объемного электрического сопротивления, предпочтительно по меньшей мере 10¹⁵ Ом⋅см.

8. Способ получения бумаги по любому из предшествующих пунктов, содержащий стадии:

- подготовки суспензии, содержащей арамидный фибрид, арамидную пульпу и арамидную крошку,

- нанесение суспензии на пористый экран так, чтобы уложить на экран матрицу из произвольным образом переплетающегося материала,

- удаление воды из матрицы прессованием и/или с использованием вакуума,

- воздействие стадии сушки на матрицу, из которой удалена вода.

9. Способ по п. 8, где бумагу подвергают воздействию стадии каландрирования, предпочтительно стадии каландрирования при повышенной температуре.

10. Способ по п. 9, в котором каландрирование выполняют при 100°C или выше, предпочтительно между 150 и 300°C, более предпочтительно между 180 и 220°C и наиболее предпочтительно между 180 и 200°C.

11. Электроизоляционная бумага по п. 1, пригодная для изоляции проводника.

12. Электроизоляционная бумага по п. 1, пригодная для изоляции проводника в трансформаторе, генераторе или электромоторе.

13. Изолированный проводник, который содержит бумагу по любому из пп. 1-7 или бумагу, полученную по любому из пп. 8-10.

14. Трансформатор, содержащий изолированный проводник по п. 13.

15. Генератор, содержащий изолированный проводник по п. 13.

16. Электромотор, содержащий изолированный проводник по п. 13.