专利名称：一种特高压电网配套电容器用粗化膜的生产方法
技术领域：
本发明属于电子和电气绝缘材料制造技术领域，具体涉及聚丙烯高分子聚合物的加工、高聚物的结晶及其结晶转换、双向拉伸技术工艺的新型生产方法。
背景技术：
我国幅员辽阔，能源分布不均，大量能源需要经过长距离的输送。在远距离、大容量输电方面，特高压电网输电工程具有较高的性价比，符合我国建设节约型社会的发展方向，具有广阔的发展前景，建设特高压电网是我国优化资源配置和调整能源结构的基本途径。我国生产力发展水平地区差异很大，一次能源分布严重不均衡。能源需求主要集中在东部和中部经济较发达地区，约占需求总量的3/4左右；用于发电的煤炭和水力资源主要分布在西部和北部地区。这种能源分布与消费的不平衡状况决定了能源资源必须在全国范围内优化配置，以大煤电基地、大水电基地为依托，实现煤电就地转换和水电大规模开发，并通过建设特高压电网实现跨地区、跨流域水火互济，将清洁电能从西部和北部大规模输送到中东部地区。据中国电力网资料显示，特高压电网建成后，可节约发电机组2000万千瓦， 每年可减少发电耗煤2000万吨。电网改造、长距离电力传输和城市输变电设施的小型化， 需要大量的电力设施建设和电力设备的更新换代，在远距离、大容量输电方面，电容器用粗化膜需求进入高速增长期，“十二五”期间我国电网建设用电力电容器需求量复合增长率超过了 35%。高压电力电容器由于其工艺和使用特点，要求聚丙烯薄膜不但要有较高的击穿电压值，同时还要求表面具有一定的粗糙度，以适应电力电容器浸油性能的要求，利用电容器油可以完全浸入到电容器元件芯子内部，排除芯子内残余气体，保证电容器良好的散热性及电绝缘性。表面粗糙度小，当空隙率小时，击穿电压提高，但不能满足电容器制造时浸油的需要；表面粗糙度大，当空隙率大时，能满足电容器制造时浸油的需要，但电容器的击穿电压会下降，电弱点增多，因此制造聚丙烯粗化膜这两项性能指标需要达到一个平衡(即击穿电压和表面粗糙度同时满足电容器要求的性能指标)。现有技术的电容器用粗化膜大多采用平膜法双向两次拉伸的方法生产，即对于高等规的聚丙烯，通过控制其熔体的冷却温度，在成型的厚片表面产生α晶和β晶，然后在一定的温度下拉伸成薄膜时使β晶转化成α晶，由于β晶体的密度大于α晶体的密度， 因此β晶体转化成α晶体后，在薄膜的表面形成大量细密的且相互连通的凹凸状粗糙表面，从而形成了粗化的电容器用聚丙烯薄膜(简称粗化膜)。现时粗化膜生产的主要工艺方法为熔体挤出温度220°C 230°C ；激冷辊温度95°C 110°C ；加热气刀温度90°C IOO0C ；纵向拉伸比4. 8 1 5 1 ；纵向拉伸温度150°C 155°C ；横向拉伸比8 1 ；横向拉伸温度150°C 155°C。但采用此方法生产的粗化膜在击穿电压和电弱点等性能指标都只能达到国家标准和国际标准的一般要求，容易造成薄膜的粗化结构不均勻，形成主粗糙面和次粗糙面，且对于粗化膜厚度在微米级的调整难度很大；因此，利用现有技术生产的粗化膜产品质量和性能较差，难以满足电力电容器在高电压强度下击穿电压、电弱点等指标的要求。
发明内容
由于特高压电网配套用的电容器要求损耗小，比特性好，温升低、可靠性高、寿命长，因此满足特高压电网配套电容器制造的材料必须要达到厚度均勻性好、热收缩率低、电气强度高和电气弱点少的技术要求。本发明是为了克服现有技术中的粗化膜所存在的缺陷，提供一种技术成熟、实用可行、稳定可靠，可实现大规模连续生产特高压电网配套电容器用粗化膜的生产方法。本发明解决现有技术中存在问题所使用的技术方案是一种特高压电网配套电容器用粗化膜的生产方法，生产流程为预热、塑化挤出、压力控制、计量输出、挤出机模头、冷却成型、纵向拉伸预热、纵向拉伸、横向拉伸预热、横向拉伸、热处理，具体的步骤为
(1)聚丙烯原材料经过预热，进入塑化挤出机加热熔化塑化挤出；
(2)在一定的压力控制下，由计量泵控制挤出量输出聚丙烯熔融流体；
(3)聚丙烯熔融流体通过挤出机的T型模头输出聚丙烯熔体，聚丙烯熔体通过激冷辊和加热的铸片气刀迅速冷却成型制得厚片，厚片生成了大量的β结晶体；
(4)进入纵向拉伸预热阶段，β结晶体逐渐熔化，并出现较大的球形晶体，在纵向拉伸阶段开始时，β结晶体完全转化为α结晶体，经过纵向拉伸后厚片变为薄膜，薄膜表面开裂，形成多种形态的粗糙表面；
(5)进入横向拉伸预热阶段，薄膜的表面层面上熔贴有粗化纹，经横向拉伸后形成有弧状粗花纹的薄膜；
(6)横向拉伸后的热处理使薄膜的粗化纹完全熔贴良好，粗化纹细密均勻。作为对前述技术方案的进一步设计前述的挤出机模头温度为230°C 250°C，挤出机的温度设置在230°C 260°C;激冷辊的表面温度为80°C 95°C，加热的铸片气刀温度为60°C 90°C ；纵向拉伸预热阶段的温度为90°C 110°C，厚片经过5 7倍的纵向拉伸形成薄膜；横向拉伸预热阶段的温度为 175°C，薄膜经过6 8倍的横向拉伸，薄膜表面形成弧状的粗化纹；热处理的温度为165°C 180°C。将挤出机温度设置在230°C 260°C，挤出机模头温度设置在230°C 250°C，保证聚丙烯粒料充分熔融，均勻流至激冷辊。激冷辊温度设置在80°C 95°C，加热的铸片气刀温度设置在60V 90°C，此时厚片生成了大量的β结晶体(结晶生成)，在纵向拉伸预热时，β结晶体逐步热熔，在纵向拉伸开始时，β结晶体已全部消失(结晶热熔)，β结晶体全部转化为α结晶体(结晶转化)， 薄膜表面开裂，形成多重形态的粗糙表面，然后熔贴在下层面上，经横向拉伸后成为弧状的粗化纹。厚片在冷辊表面形成的β结晶体数量，是决定薄膜粗化纹密度的关键。纵向拉伸前的预热阶段，可使β结晶体进一步完善，甚至出现较大的球形晶体，有利于后续工序形成粗化纹。完成上述的生产工序后，粗化膜便进入后续的包装工艺，包括入库、包装、最后检验和分切等步骤，此包装工艺为大家所公知的。聚丙烯熔体在激冷辊表面迅速冷却时，表面温度是一个动态过程，比激冷辊表面温度高，β结晶体的生成与挤出模头挤出时的温度、激冷辊表面温度、铸片气刀气压、铸片气刀气量及铸片气刀温度、物料前进速度、物料厚度等诸因素均有关。
在合成高聚物的晶体中，分子链通常采取比较伸展的构象。聚丙烯是具有较大取代基的高分子链，采取螺旋形构象，在晶体中作紧密堆砌时，采取主链中心轴互相平行的方式排列，高分子一旦结晶，排列在晶相中的高分子链的构象就不再改变。高聚物分子中取代基团的对称性直接影响薄膜的结晶，为此，如要提高聚丙烯薄膜的结晶度，首先要提高原料的等规度。高聚物的分子结构是能否结晶的根本原因，但高聚物能否实现结晶，还必须有一定的外部条件。欲使结晶过程能自发地进行，体系的自由能必须减少，即AG= AG晶一 AG 非晶<0。根据高聚物结晶过程分析，影响聚合物结晶的外部条件有两个 1)温度当聚合物温度接近熔点Tm时，链段迁移扩散容易，而晶核形成困难，成核速率小；当温度接近玻璃化温度Tg时，成核速率大，而分子链扩散进入晶格困难，晶体生长慢。一般在Tm和Tg 之间有一个最大结晶速率的温度，它与Tm的关系粗略地服从Tmax ^ 0. 85Tm。 2)进行拉伸或应力取向在拉伸过程中，原来卷曲的分子链伸展开来，其构象大大减少，分子排列有序性提高，拉伸后的熵S非晶比拉伸前的熵非晶小，因此，拉伸取向有利于结晶。另外，拉伸后的薄膜在张紧的情况下进行热处理(热定型)，即在高于拉伸温度，低于熔点温度的某一适宜温度(该过程温度控制在聚合物最大结晶速率的温度Tmax，接近于一种等温和静态的结晶过程)对薄膜进行热处理以加速聚合物二次结晶或后结晶过程。热处理为一松弛过程，通过适当的加热(通常为几秒)能促使分子链段加速重排以提高结晶度和使晶体结构趋于完善，后冷却至室温，其内部分子链的相对位置不易发生移动。而且聚合物中晶体(微晶)类似“交联点”有限制链段运动的作用，高结晶度微晶密度较高，使大分子链非晶部分变短。本发明通过利用χ射线衍射仪分析厚片在冷辊生成的β结晶体数量及其热熔转变α结晶体状态，利用扫描电子显微镜观察薄膜的粗化形态，选取合适的预热、塑化挤出、 厚片成型、厚片预热、纵向拉伸、横向拉伸和热处理等各加工区温度和纵横向拉伸速率、比率，形成了一套生产厚度为微米级、厚度均勻一致性好的薄膜生产设备；薄膜的浸渍性能良好，而且与电容器绝缘油有良好的相容性；薄膜具有优异的电气性能和机械性能等，满足特高压电网配套电容器制造技术要求的粗化膜的生产工艺方法。本发明特高压电网配套电容器用粗化膜生产技术的工艺关键点为 (1)薄膜的厚度均勻性控制
聚丙烯原材料预热后，经过塑化挤出机、稳定的压力控制、精确的计量泵流量控制，在挤出机模头均勻流延至激冷辊冷却成型，纵向拉伸、横向拉伸和热处理，全过程由在线厚度测量和控制计算机监测、调整，有效地保证了薄膜的厚度均勻性，薄膜厚度公差可达到士2%(μ ) O(2)厚片的定型
激冷辊的热容量较大，导热好，温度波动一般不大，因此激冷辊温度变化引起粗化纹变化的可能性较少。要增大粗化纹的突出度及层次感，除主要控制激冷辊温度外，激冷辊上面的铸片气刀的气压、气流量、气温必须加以控制，而且纵向拉伸预热的前段加热辊温度略为提高1 5°C，可以使球形晶体增大而加强粗化效果。β结晶体的生成与挤出机模头挤出时的温度、激冷辊表面温度、铸片气刀气压、铸片气刀气量及铸片气刀温度、物料前进速度、 物料厚度等诸因素均有关。(3)纵向拉伸前预热温度和纵向拉伸温度薄膜表面的β结晶体转化为α结晶体，在纵向拉伸预热时，β结晶体逐步热熔，在纵向拉伸开始时，β结晶体已全部消失。纵向拉伸前的预热阶段，前期可使β结晶体进一步完善，甚至出现较大的球形晶体，有利于后续工序形成粗化纹。在纵向拉伸开始时，β结晶体全部转化为α结晶体，薄膜表面开裂，形成多重形态的粗糙表面，若拉伸温度太低，β结晶体熔化差，发生的晶态转变率低，薄膜的粗化形态差；若拉伸温度太高，聚丙烯分子链发生蠕变，容易断裂而破膜，无法正常生产。(4)热定型温度的确定
从薄膜的粗糙度及空隙率测定数据，结合与电子显微镜观察的粗化纹密度及粗化纹突出的形态，横向拉伸后热处理程度的温度和时间对薄膜的性能有重要的影响，薄膜粗化纹熔贴良好，粗化纹细密均勻，薄膜的介电强度较高、电弱点少。但也要防止热处理过度形成球珠。本发明中薄膜的介电强度平均值可达到彡MO MV/m，最低值彡450 MV/m;电弱点数 ^ 0. 15 个/m2。(5)纵向和横向拉伸比的确定
薄膜在拉伸过程中，原来卷曲的分子链伸展开来，其立体构象减少，分子排列有序性提高，拉伸使分子取向而有利于结晶。拉伸后的薄膜在张紧的情况下进行热处理，加速了薄膜的二次结晶或后结晶过程，促使分子链段加速重排以提高结晶度和使晶体结构趋于完善， 后冷却至室温，其内部分子链的相对位置不易发生移动。经过充分拉伸的薄膜，其机械性能提高。薄膜的热收缩率纵向<4%，横向彡洲。综上所述，本发明的特高压电网配套电容器用粗化膜的生产方法与GB/ T13542. 3 - 2006及GB/T12802 — 1996所提出电容器用粗化膜的技术指标相比，利用本发明方法生产的薄膜的厚度公差、热收缩率、电气强度和电气弱点等技术性能指标有较大的提高(见下表1)。本发明技术成熟、实用可行、稳定可靠。 表1 12 14 μ m特高压电网配套电容器用粗化膜技术指标情况
权利要求
1.一种特高压电网配套电容器用粗化膜的生产方法，其特征在于所述的生产流程为预热、塑化挤出、压力控制、计量输出、挤出机模头、冷却成型、纵向拉伸预热、纵向拉伸、横向拉伸预热、横向拉伸、热处理，具体的步骤为聚丙烯原材料经过预热，进入塑化挤出机加热熔化塑化挤出； 在一定的压力控制下，由计量泵控制挤出量输出聚丙烯熔融流体； 聚丙烯熔融流体通过挤出机的T型模头输出聚丙烯熔体，聚丙烯熔体通过激冷辊和加热的铸片气刀迅速冷却成型制得厚片，厚片生成了大量的β结晶体；进入纵向拉伸预热阶段，β结晶体逐渐熔化，并出现较大的球形晶体，在纵向拉伸阶段开始时，β结晶体完全转化为α结晶体，经过纵向拉伸后厚片变为薄膜，薄膜表面开裂，形成多种形态的粗糙表面；进入横向拉伸预热阶段，薄膜的表面层面上熔贴有粗化纹，经横向拉伸后形成有弧状粗花纹的薄膜；横向拉伸后的热处理使薄膜的粗化纹完全熔贴良好，粗化纹细密均勻。
2.根据权利要求1所述的粗化膜生产方法，其特征在于所述的挤出机模头温度为 230°C 250°C，挤出机的温度设置在230°C 260°C ；激冷辊的表面温度为80°C 95°C，加热的铸片气刀温度为60°C 90°C ；纵向拉伸预热阶段的温度为90°C 110°C，厚片经过5 7倍的纵向拉伸形成薄膜；横向拉伸预热阶段的温度为155°C 175°C，薄膜经过6 8倍的横向拉伸，薄膜表面形成弧状的粗化纹；热处理的温度为165°C 180°C。
全文摘要
本发明公开了一种特高压电网配套电容器用粗化膜的生产方法，其主要工艺流程为预热、塑化挤出、压力控制、计量输出、挤出机模头、冷却成型、纵向拉伸预热、纵向拉伸、横向拉伸预热、横向拉伸、热处理。利用x射线衍射仪分析厚片在冷辊生成的β晶数量及其热熔转变α晶状态，利用扫描电子显微镜观察粗化膜的粗化形态，选取合适的预热、塑化挤出、厚片成型、厚片预热、纵向拉伸、横向拉伸和热处理等各加工区温度和纵横向拉伸速率、比率。粗化膜的厚度为微米级，厚度均匀一致性好；粗化膜的浸渍性能良好，而且与电容器绝缘油有良好的相容性；粗化膜具有优异的电气性能和机械性能。
文档编号H01G4/14GK102324298SQ201110255489
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者李健荣 申请人:江门市润田实业投资有限公司