纤维素基电绝缘材料的制作方法
【专利摘要】本公开涉及一种电装置(4)，包括呈纸张或压制板形式的纤维素基电绝缘复合材料(1)，该复合材料包括：纤维素纤维；以及电绝缘热塑性聚合物材料；其中该聚合物材料在纤维素纤维周围和之间布置，并且将所述纤维彼此粘合。
【专利说明】纤维素基电绝缘材料
【技术领域】
[0001] 本公开涉及一种包括纤维素基电绝缘材料的电装置。
【背景技术】
[0002] 油浸式配电式电力变压器的绝缘材料由纤维素制成。纤维素借助于纸张机被转变 成压制纸或压制板。压制板进一步被转变成在变压器中使用的不同绝缘元件。这些元件包 括隔板、挡板、压环和带。对于在较高温度下操作的变压器，或者变压器中的热点，还使用诺 梅克斯（Nomex)基绝缘材料或者诺梅克斯和纤维素的组合物。
[0003] 压制板由未漂白的硫酸盐纸浆制成。通过同时加热并按压来制备纸浆并且然后将 其干燥成薄板。
[0004] 纤维素基绝缘材料与油结合具有非常良好的绝缘特性（例如，抗电子流）。然而， 纤维素基绝缘材料可以在变压器变干燥时经历收缩（典型地压制板厚度的2-6%)。收缩 可能使得由于绕组的隔板的收缩而在干燥变压器绕组期间的迭代过程中有必要调节变压 器绕组的高度。
[0005] US2010/0193116公开了一种制造具有减小的机械吸附蠕变的复合材料的方法。该 方法包括木质纤维材料与热塑性材料的混合纤维，其中热塑性材料呈纤维形式。
[0006] W003/104559公开了一种在变压器中使用的纸，其中木质纸浆已与作为干燥强度 添加剂的多烃基聚合物（诸如聚乙烯醇）混合。
[0007] US2004/140072公开了一种在变压器中使用的纤维素纤维、聚合物粘合剂和芳族 聚酰胺纤维制成的纸。聚合物粘合剂可以是聚乙烯醇，再次作为干燥强度添加剂。
[0008] W02009/008822涉及一种制造具有减小的机械吸附蠕变的复合材料的方法，该方 法包括如下步骤：a)木质纤维材料与热塑性材料的混合纤维，其中热塑性材料呈纤维形 式，b)将步骤a)中制成的混合物加入到湿网上，从而形成复合材料以及c)热压制该复合 材料。优选地，在接近热塑性材料的熔点的温度下执行压制。
[0009] US2002/012759涉及用于形成纸容器（诸如用于食物的杯或盘）和各种工业产品 的模制原纸。该纸在其至少一个表面上包括合成树脂层。
[0010] W092/105311涉及由包含具有改进的湿强度和干强度的多烃基酸的树脂粘合的纤 维素纸浆产品，以及它们的制备。有必要热软化树脂聚合物以粘合纤维素纤维或者熔化聚 合物以浸渍和涂覆纤维素纸浆纤维。
[0011] EP0304693涉及通过用含卤素不饱和聚酯树脂的浸渍基材，并且然后固化该含卤 素不饱和聚酯树脂来制备的阻燃电层压板，其中所述含卤素不饱和聚酯树脂是通过将含卤 素不饱和聚酯溶解到聚合单体中来制备的。
【发明内容】
[0012] 根据本发明的一方面，提供一种包括以纸张或压制板形式的纤维素基电绝缘复合 材料的电装置，所述材料包括：纤维素纤维；以及电绝缘热塑性聚合物材料；其中聚合物材 料布置在纤维素纤维周围和之间，并且将所述纤维彼此粘合。
[0013] 改进的电装置通过利用根据本发明的电绝缘复合材料获得。通过形成纤维素纤维 和热塑性聚合物材料的复合材料，所述聚合物材料已在纤维素纤维周围被熔化，可以获得 具有改进的特性的电绝缘材料。具体地，复合材料在干燥时，例如在干燥包括复合材料的变 压器时显示减小的收缩。复合材料可以例如从大约2%至大约5%的含水量被干燥。该干 燥不应与在复合材料的压制和生产期间的干燥混淆。减小的收缩可能部分地归因于与规则 的压制板材料相比的减小的复合材料水分吸收，以及部分地归因于使复合材料更具刚性的 热塑性聚合物材料。本发明的复合材料还展示了改进的机械特性，诸如减小的蠕变和改进 的耐压强度。由于热塑性聚合物材料，复合材料也可以是可热成形的，从而允许生产不同形 状（诸如复杂形状）的复合材料。
[0014] 通常，权利要求书中所使用的所有术语都要根据【技术领域】中它们的普通意义来解 释，除非本文另外明确定义。所有涵义"一 / 一个/元件、设备、部件、装置、步骤等"开放地 解释为意指元件、设备、部件、装置、步骤等的至少一个实例，除非另外明确指出。本文公开 的任何方法的步骤不必以所公开的准确顺序来执行，除非明确指出。针对本公开的不同特 征/部件的"第一"、"第二"的使用仅旨在将这些特征/部件与其他相似的特征/部件区分 而且并不旨在赋予这些特征/部件任何顺序或层级。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 将参照附图通过示例来描述实施例，附图中：
[0016] 图1是根据本发明的纤维素基电绝缘复合材料的实施例的示意图。
[0017] 图2是根据本发明的变压器的实施例的示意图。
[0018] 图3是根据本发明的方法的实施例的示意性流程图。
【具体实施方式】
[0019] 现在将在下文中参照附图更充分地描述实施例，其中示出了一些实施例。然而，呈 许多不同形式的其他实施例在本公开的范围内是可能的。而且，下列实施例通过示例来提 供使得本公开将是彻底且完整的，并且将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。在 整个说明书中相同的附图标记指代相同的元件。
[0020] 纤维素纤维可以为本质上纯的纤维素纤维，或者除纤维素以外，它们可以包含半 纤维素和木质素。
[0021] 电装置可以是包括电绝缘材料的任何电装置，例如电变压器或电动机，其尤其受 益于复合材料。
[0022] 复合材料是电绝缘的并且适于用作电子装置中的绝缘材料。复合材料可以例如用 作高电压装置（诸如高电压变压器）中的高电压绝缘材料，由此复合材料可以是高电压绝 缘材料。
[0023] 本发明的复合材料可以呈纤维素纤维和热塑性聚合物材料基体的形式。复合材料 因此不包括或多或少彼此松散地粘合的纤维素的纤维和热塑性聚合物材料的纤维。复合材 料也不是纤维素层和热塑性聚合物层的层压板。相反地，热塑性聚合物材料可以已被熔化， 或者至少被充分软化以获得粘性，使得其涂覆纤维素纤维并且填满纤维素纤维之间的空间 以形成复合材料和/或使得聚合物材料将纤维素纤维粘合在一起。
[0024] 复合材料可以呈纸张、隔板、挡板、带或压环的形式以用于电装置中的绝缘或电装 置的绝缘，该电装置诸如是电导体、电变压器或电动机。复合材料具有电绝缘特性，该特性 在任何电装置中都可以是有用的，诸如用于使电导管绝缘，但是复合材料在油环境中，诸如 在电变压器中是尤其有利的。具体地，复合材料可以用于制造变压器绕组中的电绝缘隔板。
[0025] 复合材料可以本质上为纯的，或者其可以至少部分地被浸渍。复合材料可以在例 如电动机或油浸式电变压器（例如配电变压器）中用绝缘液体（诸如浸渍油）来浸渍。附 加地或可替换地，复合材料可以用绝缘气体来浸渍，该绝缘气体诸如是氮气、干燥空气和/ 或SF6。附加地或可替换地，复合材料可以用固体材料来浸渍，该固体材料诸如是凝固液体， 例如反应热固树脂（例如，环氧树脂，例如用于干式变压器中）。
[0026] 热塑性聚合物材料可以被加入呈不同形式的纤维素纤维中并且与该纤维素纤维 混合，例如在溶解过程中纤维素纤维被涂覆有聚合物材料，作为聚合物材料的纤维或者作 为聚合物材料的粉末。热塑性聚合物材料可以例如在研磨纸浆之前或之后已被加入包括纤 维素纤维的纸浆中，或者在稍后阶段与纤维素纤维混合。
[0027] 热塑性聚合物材料应该是热塑性的以便在复合材料的生产期间能够熔化和凝固。 热塑性聚合物材料因此可以具有允许聚合物材料熔化的熔点温度和/或玻璃态转化温度， 以在没有高到使生产不适当地昂贵或者破坏纤维素纤维的温度下使聚合物材料变成液体。 另一方面，聚合物材料应具有允许复合材料耐受在用作例如变压器或电动机中的电绝缘材 料时其经受的温度的熔点温度和/或玻璃态转化温度。因此，热塑性聚合物材料可以具有 小于200°C，诸如小于190°C或小于180°C的熔点。热塑性聚合物材料可以具有140°C以上， 诸如150°C以上、160°C以上或170°C以上的熔点。热塑性聚合物材料可以具有小于120°C， 诸如小于ll〇°C、小于100°C、小于90°C、小于80°C或小于70°C的玻璃态转化温度。热塑性 聚合物材料可以具有50°C以上，诸如60°C以上的玻璃态转化温度。
[0028] 便利地，热塑性聚合物材料在复合材料中以按重量计从1 %至30%的量存在，该 百分比诸如为lwt%至15wt%，或者在一些实施例中优选地为5wt%至10wt%。该量可以 适于将纤维素纤维彼此涂覆或粘合以形成复合材料。
[0029] 热塑性聚合物材料可以优选地是可透气的从而在其生产期间不会在复合材料中 存留气泡。例如，聚酯可能不适合作为用于本发明的热塑性聚合物材料，因为它可以不是透 气的。类似地，热塑性聚合物材料可以优选地是可透水分的从而不会在其生产期间或者在 干燥包括其的电装置（例如变压器）期间在复合材料中存留水分。类似地，热塑性聚合物 材料可以优选地是可透油的从而不会在油用于干燥时阻碍复合材料和包括其的任何电装 置的干燥。然而，在本发明的其他实施例中，聚合物材料可以不是可透气和/或可透油的。
[0030] 热塑性聚合物材料可以在油中稳定，使得如果复合物例如被用绝缘油浸渍，聚合 物材料是稳定的。聚合物材料可以具有敞开的蜂窝/泡沫结构，使得绝缘油或其他绝缘液 体可以填充由聚合物材料形成的蜂窝/空隙并且/或者使得空气或其他气体不被存留在聚 合物材料中。因此，聚合物材料可以形成敞开泡沫结构，即，不具有、具有低水平的或具有至 少被减少的封闭孔。
[0031] 热塑性聚合物材料可以包括聚乳酸（PLA)或由该聚乳酸构成，该聚乳酸也被称为 聚交酯。PLA具有合适的熔点和玻璃态转化温度并且是可生物降解的。交酯的手性允许若干 种形式的PLA，但是其可以优选使用聚-L-交酯（PLLA)，也被称为聚-L，L-交酯，或者不同 交酯形式的混合物。PLLA具有大约介于173°C至178°C之间的熔点温度和大约介于60°C至 65°C之间的玻璃态转化温度。可替换地，热塑性聚合物材料可以包括聚酯或由聚酯构成，该 聚酯诸如为聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)，在该情况下，热塑性聚合物材料可以具有200°C 以上的熔点，并且用于生产聚合物材料的加热步骤可以包括加热到200°C以上的温度。
[0032] 如上所述，复合材料可以在油环境中具有特别有益的电绝缘特性。因此，复合材料 可以至少部分地在油中浸泡。
[0033] 下面讨论图。还参考本公开的其余部分，其中即使未明确参照附图也进一步讨论 附图的元件。
[0034] 图1是根据本发明的纤维素基电绝缘复合材料的实施例的示意图。复合材料1呈 压制板的形式。复合材料1包括纤维素纤维2,在图1在由几条线2示意地表示。在纤维素 纤维之间所形成的空间中，存在已在纤维2周围和之间熔化的并且然后被凝固的热塑性聚 合物材料3。
[0035] 图2是根据本发明的变压器4的实施例的示意图。变压器4的实施例包括具有导 电绕组的多个线圈5。复合材料1可以用于变压器4中的电绝缘。例如，由复合材料1制成 的挡板la可以定位在两个线圈5之间以使线圈5彼此绝缘。可替换地或附加地，由复合材 料1制成的隔板lb可以用于线圈5中。应该注意，变压器4可以包括除图2所示的那些之 外的多个更多的结构零件，并且复合材料1可以以多种不同方式用于在变压器4中并且用 于变压器4中不同的位置的绝缘。而且，变压器4已被选为可以包括复合材料1的电装置 的例示性示例。许多其他示例也存在，诸如电动机或用于电流的导管。
[0036] 图3是用于生产例如用于电变压器的纤维素基电绝缘材料1的根据本发明的方 法10的实施例的示意性流程图。提供11纤维素纸浆，例如硫酸盐纸浆（典型地未经漂白 的）。而且提供12热塑性聚合物材料3。纸浆和聚合物材料然后彼此混合13。压纸机、多 个日光热压机等继而用于压制14混合物以提供本文所讨论的复合材料1的压制板或压制 纸等。压制14还包括加热15和干燥16混合物，以及将混合物压制17成压制板或压制纸。 加热是取决于所使用的热塑性聚合物材料的温度，但应该足够高以允许热塑性聚合物材料 充分熔化以在凝固时将纤维素纤维彼此粘合。干燥16可以至少部分地借助于加热15,从混 合物蒸发水分来实现，并且/或者至少部分地借助于压制17,从混合物按压水分来实现。在 干燥16之后，由此已经出去足够量的水分并且混合物被充分干燥，经压制17的混合物被允 许冷却18。聚合物材料3由于加热15已被熔化，在纸浆的纤维素纤维2周围和之间熔化， 如本文所讨论的。在冷却18期间，聚合物材料3凝固，从而使板1具有刚性。冷却18可以 额外地或可替换地与利用压纸机的压制14分开执行。加热15和压制17可以在压纸机中 同时进行，干燥16混合物并且将其形成为压制板等。经冷却18的压制板可以继而被切割 成期望的绝缘部件la、lb，例如用于变压器或任何其他电装置中。例如，用于使电变压器绝 缘的隔板、挡板、带或压环，能够例如通过切割复合材料1由该复合材料制成。
[0037] 示例
[0038] 根据本发明的复合材料1针对其特性被生产和测试，所述复合材料是包括作为热 塑性聚合物材料的PLA的纤维素压制板。这些特性与根据国际电工委员会（IEC)、IEC标准 IEC60641-3-2的相应的要求相比较。
【权利要求】
1. 一种电装置（4)，所述电装置包括呈纸张或压制板形式的纤维素基电绝缘复合材料 (1)，所述复合材料包括： 纤维素纤维（2);以及 电绝缘热塑性聚合物材料（3); 其中所述聚合物材料（3)被布置在所述纤维素纤维（2)周围和之间，并且将所述纤维 彼此粘合。
2. 根据权利要求1所述的电装置，其中所述电装置（4)是电变压器或电动机。
3. 根据权利要求1或2所述的电装置，其中所述复合材料（1)呈用于电变压器（4)中 的绝缘的隔板（lb)、挡板（la)、带或压环的形式。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的电装置，其中所述热塑性聚合物材料（3)具有介 于140°C和200°C之间的熔点。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的电装置，其中所述热塑性聚合物材料（3)具有介 于50°C和120°C之间的玻璃态转化温度。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的电装置，其中所述热塑性聚合物材料（3)包括聚 乳酸，PLA，诸如聚-L-交酯，PLLA，或聚酯，诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的电装置，其中所述热塑性聚合物材料⑶以1至 30wt%的量存在于所述复合材料（1)中，所述量诸如是1至15wt%或5至10wt%。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的电装置，其中所述复合材料（1)具有开放泡沫结 构。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的电装置，其中所述复合材料（1)例如用绝缘液 体、绝缘气体和/或绝缘固体来浸渍。
【文档编号】D21H17/33GK104066887SQ201380005888
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年1月17日 优先权日:2012年1月20日
【发明者】L·哈克曼, T·布拉特伯格, A·瓦尔伯格, L·施密特 申请人:Abb技术有限公司