一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料及其制备方法，属于纸基复合材料技术领域。本发明专利技术通过对SiC纳米粒子进行氨基官能化处理，采用简单的浸渍方法将氨基官能化的SiC纳米粒子引入PI纤维表面，采用造纸中的湿法成形、热压相结合的方法制备PI纸基摩擦材料，SiC纳米粒子在纤维表面形成强/弱键的间歇分布，同时提高了纤维与树脂之间的界面剪切强度和断裂韧性，所制备的改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基摩擦材料，具有机械性能高、电气性能佳，电阻率可控、热稳定性好、安全性高、重量轻的优点，是现在绝缘材料中理想材料，同时工艺流程简单、生产成本低，适合工业化生产。

A Paper-based Insulation Material of Polyimide Fiber and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料及其制备方法
本专利技术涉及一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料及其制备方法，属于纸基复合材料

技术介绍
聚酰亚胺纤维(PI纤维)是一种由聚酰亚胺树脂或聚酰胺酸纺丝浆液经过纺丝制备而成，分子主链中含有芳酰亚胺等基团，主链结构的高度共轭与芳香性赋予了聚酰亚胺纤维高强、高模、耐高温、耐腐蚀、耐辐射的优良性能，是一种具有优良机械性能和电学性能的高性能纤维产品，已被广泛应用在新型建筑材料、高温滤材、电绝缘材料、热封材料及复合材料增强剂等领域。传统的湿法抄造工艺中，由于聚酰亚胺纤维在浆料打浆和疏解的过程中不会发生纤维的分丝帚化，在纸页的干燥过程中纤维之间也不会产生氢键结合，经湿法成形得到的原纸结构疏松，强度较低，故需要对原纸进行增强处理。目前对聚酰亚胺纤维纸基复合材料的增强主要有以下方式：一种是采用芳纶浆粕与聚酰亚胺短切纤维配抄后经热压处理，热压处理可以使微细纤维熔化将纤维粘接到一起，从而赋予纸页较高的物理强度和优良的绝缘性能，但是仅通过这种方式抄造的纸页强度仍不能满足纸张的使用要求；另一种是通过涂布或浸渍等方式添加有机树脂作为胶黏剂进行增强，常用的浸渍树脂包括酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂等，但是由于树脂具有较高的热膨胀系数，过高的树脂含量会影响聚酰亚胺纸基复合材料的热稳定性。为克服目前聚酰亚胺纸基材料增强方式存在的缺陷，对纤维表面进行改性处理，通过接枝纳米粒子的方法已广泛应用到纤维表面改性中。CN105350380A公开了一种变压器用聚酰亚胺纤维绝缘纸的制备方法，通过将纳米二氧化钛等填料添加到聚酰亚胺纤维混合浆料中，通过纸页成型得到纸样，但其纳米填料粒径小，比表面积大，易于团聚不均，从而造成纸样不均。CN102747634B公开了一种改性聚酰亚胺纤维纸的制备方法，是将聚酰亚胺纤维进过KOH和乙酸改性处理，制备聚酰亚胺原纸，其方法得到了聚酰亚胺原纸纤维强度下降，纸页结构差，匀度小，影响纸页性能。CN104818545A公开了一种核壳结构复合纤维及其制备方法，是将纳米Al2O3粒子分散于聚酰胺酸溶液，通过纳米静电纺制备一种超高比表面积的核壳结构复合纤维，但PAA溶液由于纳米粒子的加入，使得静电纺丝难度增加，制备效率低，不适合企业化生产。碳化硅(SiC)由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，常被用作制备高级耐火材料，具有耐热震、体积小、重量轻而强度高的优点；同时，SiC纳米粒子的多孔性和表面丰富的官能团，使其具有优异的表面活性和比表面能，与外来的基团容易结合，从而形成能够形成稳定的结构；此外，SiC纳米粒子还具有超强的吸附能力、较宽的PH值适用范围以及较高选择性等优点，被应用于多种复合材料的制备。但是，SiC纳米粒子所具有的大比表面积和高表面能又使其极易团聚，从而限制了SiC纳米粒子在纳米SiC/高聚物复合材料的进一步应用。
技术实现思路
【技术问题】现有技术中聚酰亚胺纤维纸基材料存在热稳定性差和强度低等问题。【技术方案】本专利技术提供了一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料及其制备方法，本专利技术方法简单、易操作，制备得到的改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料，具有机械性能高、电气性能佳、电阻率可控、热稳定性好、安全性高、重量轻的优点，是良好的绝缘材料。本专利技术的技术方案为：提供一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)SiC纳米粒子氨基官能化改性得到氨基改性的SiC纳米粒子；(2)对聚酰亚胺纤维进行表面预处理，所述表面预处理为将PI纤维浸泡在浓度为65～68wt％的硝酸中1～3h，清洗、干燥，备用；(3)在丙酮中加入步骤(1)得到的氨基改性的SiC纳米粒子，搅拌和超声分散后得到均匀的分散液，再将步骤(2)得到改性后的聚酰亚胺纤维浸渍到上述分散液中5～15s，取出，干燥；(4)将步骤(3)得到的处理后的聚酰亚胺纤维、浆粕、助剂混合得到混合浆料；(5)将步骤(4)得到的混合浆料进行造纸湿法成型、脱水、烘干处理，得到原纸；(6)对聚酰亚胺树脂进行稀释，将原纸在10wt％～20wt％聚酰亚胺树脂溶液中浸渍，烘干、热压，得到改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料。在本专利技术一种实施方式中，所述方法包括以下步骤：(1)SiC纳米粒子氨基官能化改性：将SiC纳米粒子分散在无水乙醇，浓度为5wt％～10wt％，加入SiC纳米粒子质量的50wt％～100wt％的氨基硅烷偶联剂和SiC纳米粒子质量的100wt％～200wt％的水，70～90℃下搅拌2～4h，固液分离、干燥，即可得到氨基改性的SiC纳米粒子；(2)对聚酰亚胺纤维(PI纤维)进行表面预处理，所述表面预处理为将PI纤维浸泡在浓度为65～68wt％的浓硝酸中1～3h，清洗、干燥，备用；(3)在丙酮中加入0.5wt％～3.0wt％步骤(1)得到的氨基改性的SiC纳米粒子，搅拌1-3h，超声分散30～50min，使其成为均匀的分散液，再将步骤(2)得到PI纤维浸渍到上述分散液中5～15s，取出，在90℃～110℃左右温度下干燥2～4h；(4)将步骤(3)得到的处理后的PI纤维、浆粕、助剂混合得到混合浆料，PI纤维的添加量为混合浆料质量的40％～60％，浆粕的添加量为混合浆料质量的40％～60％，助剂添加量为混合浆料质量的0.5％～10％；(5)将步骤(4)得到的混合浆料进行造纸湿法成型、脱水、烘干处理，得到原纸；(6)对聚酰亚胺树脂进行稀释，将原纸在10wt％～20wt％聚酰亚胺树脂溶液中浸渍，烘干、热压，得到改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料。在本专利技术的一种实施方式中，所述氨基硅烷偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β(氨乙基)-γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、苯氨基甲基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲基硅烷中的一种。在本专利技术的一种实施方式中，所述SiC纳米粒子直径为40～100nm。在本专利技术的一种实施方式中，所述PI纤维的长度为3～6mm。在本专利技术的一种实施方式中，所述浆粕为芳纶浆粕、聚砜纶浆粕、棉浆粕中的一种或几种。在本专利技术的一种实施方式中，所述浆粕在使用前需要进行打浆，打浆度40～60°SR。在本专利技术的一种实施方式中，所述助剂为聚氧化乙烯(PEO)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、羧基丁苯胶乳中的一种或几种。在本专利技术的一种实施方式中，步骤(6)中所述对聚酰亚胺树脂进行稀释所使用的稀释剂为N，N二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种。在本专利技术的一种实施方式中，所述步骤(6)中的热压为热压温度180℃～220℃，热压压力5～10MPa，热压时间3～5min。本专利技术还提供了上述方法制备得到的改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料。本专利技术还提供了利用改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料制备得到的电线电缆、变压器和电容器等电气设备绝缘材料。本专利技术取得的有益效果：(1)本专利技术方法对SiC纳米粒子进行氨基官能化处理，采用简单的浸渍方法将氨基官能化的SiC纳米粒子引入预处理的PI纤维表面，在纤维表面形成强/弱键的间歇分布，提高了纤维与树脂之间的界面剪切强度和断裂韧性，无需使用任何粘粘剂。(2)该制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)SiC纳米粒子氨基官能化改性得到氨基改性的SiC纳米粒子；(2)对聚酰亚胺纤维进行表面预处理，所述表面预处理为将PI纤维浸泡在浓度为65～68wt％的硝酸中1～3h，清洗、干燥，备用；(3)在丙酮中加入步骤(1)得到的氨基改性的SiC纳米粒子，搅拌和超声分散后得到均匀的分散液，再将步骤(2)得到改性后的聚酰亚胺纤维浸渍到上述分散液中5～15s，取出，干燥；(4)将步骤(3)得到的处理后的聚酰亚胺纤维、浆粕、助剂混合得到混合浆料；(5)将步骤(4)得到的混合浆料进行造纸湿法成型、脱水、烘干处理，得到原纸；(6)对聚酰亚胺树脂进行稀释，将原纸在10wt％～20wt％聚酰亚胺树脂溶液中浸渍，烘干、热压，得到改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料。

【技术特征摘要】
1.一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)SiC纳米粒子氨基官能化改性得到氨基改性的SiC纳米粒子；(2)对聚酰亚胺纤维进行表面预处理，所述表面预处理为将PI纤维浸泡在浓度为65～68wt％的硝酸中1～3h，清洗、干燥，备用；(3)在丙酮中加入步骤(1)得到的氨基改性的SiC纳米粒子，搅拌和超声分散后得到均匀的分散液，再将步骤(2)得到改性后的聚酰亚胺纤维浸渍到上述分散液中5～15s，取出，干燥；(4)将步骤(3)得到的处理后的聚酰亚胺纤维、浆粕、助剂混合得到混合浆料；(5)将步骤(4)得到的混合浆料进行造纸湿法成型、脱水、烘干处理，得到原纸；(6)对聚酰亚胺树脂进行稀释，将原纸在10wt％～20wt％聚酰亚胺树脂溶液中浸渍，烘干、热压，得到改性SiC纳米粒子增强聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料。2.根据权利要求1所述的一种聚酰亚胺纤维纸基绝缘材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：(1)SiC纳米粒子氨基官能化改性：将SiC纳米粒子分散在无水乙醇，浓度为5wt％～10wt％，加入SiC纳米粒子质量的50wt％～100wt％的氨基硅烷偶联剂和SiC纳米粒子质量的100wt％～200wt％的水，70～90℃下搅拌2～4h，固液分离、干燥，即可得到氨基改性的SiC纳米粒子；(2)对聚酰亚胺纤维(PI纤维)进行表面预处理，所述表面预处理为将PI纤维浸泡在浓度为65～68wt％的硝酸中1～3h，清洗、干燥，备用；(3)在丙酮中加入0.5wt％～3.0wt％步骤(1)得到的氨基改性的SiC纳米粒子，搅拌1-3h，超声分散30～50min，使其成为均匀的分散液，再将步骤(2)得到PI纤维浸渍到上述分散液中5～15s，取出，在90℃～110℃左右温度下干燥2～4h；(4)将步骤(3)得到的处理后的PI纤维、浆粕、助剂混合得到混合浆料，P...

【专利技术属性】
技术研发人员：王士华，张国亮，龙柱，胡爱林，李志强，郭帅，李广斌，桑明珠，
申请(专利权)人：连云港市工业投资集团有限公司，江南大学，连云港纤维新材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32