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纤维素纳米纤丝对电容器纸性能的影响

  • 贾旺强
  • 郑进智
  • 池凯
  • 石爽
  • 刘泽华
天津科技大学天津市制浆造纸重点实验室，天津，300457

中图分类号： TS761.2

最近更新：2019-10-31

DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2019.10.003

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摘要

以未漂硫酸盐针叶木浆为电容器纸主要原料，研究了添加纤维素纳米纤丝（CNF）对电容器纸强度等性能的影响，并在Page方程的基础上进一步研究了添加CNF和提高打浆度对相对结合面积（RBA）的影响，最后研究了CNF对电容器纸电气性能的影响。结果表明，CNF对电容器纸的紧度、透气度、抗张指数均有明显影响，但随着打浆度提高，CNF对紧度提高、透气度降低、抗张指数增大的贡献逐渐减小；在Page方程的基础上研究得出，提高打浆度和添加少量CNF可以增大纸张的RBA。综合考虑电容器纸高紧度、低透气度的要求，以及打浆节能和CNF成本因素，适宜的打浆度为80°SR，CNF的添加量为2%(相对于绝干浆质量)，在此条件下纸张抗张指数达76.0 N•m/g，紧度为0.80 g/cm3，透气度为0.233 μm/（Pa•s）；工频下电容器纸的介电常数为1.21，介质损耗为0.037，击穿场强为15.13 kV/mm。

电容器是电子元器件行业的重要支柱产品，其用量大且不可替代，产量约占电子元件的40%[

1]。根据制造材质的不同，电容器主要分为铝电解电容器、陶瓷电容器、钽电解电容器和薄膜电容器4大类，随着新能源开发利用以及变频技术、计算机和A/V设备等新型产业的发展，电容器应用领域越来越广[2,3]。电容器纸是用于生产电容器的一种主要介质材料，电容器的介电强度主要由分隔极片所用介质的质量决定[4]。电容器纸是一种绝缘纸，是电子工业制造各种纸质电容器的主要材料，因此，电容器纸质量的好坏将影响到电容器的介电性能和使用寿命[5]。

近年来生物酶预处理打浆技术在电容器纸生产中的应用和添加化学品对电容器纸影响的研究颇多。陈盛平等人[

6]针对高打浆度的工艺要求，专门设计了LPK-CR602系列产品。从用生物酶预处理硫酸盐木浆的打浆情况来看，不论是用槽式打浆机打浆还是用圆盘磨浆机连续打浆，在达到相同打浆质量指标时，均可得到缩短打浆时间、降低打浆电耗的效果。平均吨浆节省电耗约200 kWh/t，以工业用电单价0.77元/kWh计，吨浆电费降低约154元，扣除打浆酶的使用成本，每吨浆成本节省100元左右，且通过加生物酶进行预处理的浆料，对电容器纸的物理强度和耐电压均无明显影响。鉴于电容器纸生产中存在着浆料打浆度高、网部脱水困难、网温高、能耗大、产量低、成本高的实际问题，Yeh J M等人[7]设想在电容器纸生产中添加化学助剂的方法来提高纸料的滤水性能，降低能耗和提高纸张质量。他们先将PAM（聚丙烯酰胺）改性，添加不同量PAM到浆料中，抄成纸检测其性能，结果表明添加0.05%的改性PAM最佳。此条件下钠离子含量降低，纸张的裂断长提高，使得电容器纸的介质损耗降低，增强了纸张的电气性能，纸张物理性能也相应提高。

纤维素纳米纤丝（cellulose nanofibrils，简称CNF）是对植物纤维进行高压均质等处理后得到的直径为15~20 nm的纤维素纤维材料，具有比表面积高、强度高、吸附性能高等特点，已成为近年来研究的热点[

8]。将CNF添加到浆料中，体系相容性好，纤维之间由于更多氢键的结合而形成的网络结构可以增加纤维之间的结合力[9]，改善纸张的强度等性能。党婉斌等人[10]探究了CNF对芳纶云母纸性能的影响，结果显示，当添加10%经超声处理的CNF时，与空白样相比，纸张抗张强度提高，同时CNF的加入填充了芳纶云母纸表面及内部的孔隙，节省了芳纶纤维的用量。Eriksen等人[11]向热磨机械浆中加填4%的CNF，纸张的光散射系数降低，且随CNF纤化程度的增加，纸张紧度和结合面积越来越大，而光散射系数越来越小。目前已研究得出在不同条件下CNF对纸张的机械性能、光学性能、电气性能都有明显的改善[12]。

本研究采用未漂硫酸盐针叶木浆为电容器纸的主要原料，分析CNF对电容器纸性能的影响。

1 材料与方法

1.1　原料及设备

原料：未漂硫酸盐针叶木浆（加拿大阿斯巴牌），取自山东某纸厂；CNF，天津市木精灵生物科技有限公司，为了减少CNF中杂质对纸张电气性能的不利影响，选用没有经过任何化学处理的CNF；去离子水，实验室自制。

设备：P40110 E000型PFI磨，PTI有限公司；ZDJ-100型打浆度测定仪，瑞典L&W公司；912型纤维测试分析仪，瑞典RGW公司；M-180型标准纸页成型器，英国MAVIS公司；NO2571-I型湿纸页压榨机，日本熊谷理机工业株式会社；S-CA5.250型压光机，德国Sumet-Messte chnik公司；251型厚度仪、B0660005型抗张强度测定仪，瑞典L&W公司；Z-SPAN2400型零距抗张仪，Pulmac公司；166型透气度测定仪，瑞典L&W公司；TH2829A型LCR数字电桥，常州同惠电子股份有限公司；IKA T18型高速分散机，德国IKA公司。

1.2　实验方法

1.2.1　打浆

取相当于（30±0.5） g绝干浆的风干浆板，在室温下用0.5 L水浸泡4 h以上，根据GB/T 29287—2012 《纸浆实验室打浆PFI磨法》采用PFI磨进行打浆。称取相当于2 g绝干浆的湿浆，打散后稀释至1 L，根据GB/T 3332—2004《纸浆打浆度的测定》进行打浆度测定。

1.2.2　CNF分散处理

取一定量浓度为1.34%的CNF（相对于绝干浆质量），将其稀释500倍后用IKA型高速分散机机械处理5 min，最后在浆料均匀搅拌的情况下加入处理好的CNF，备以抄片。

1.2.3　电容器纸的抄造

采用标准纸页成型器抄造定量为26 g/m2电容器纸，将抄造好的湿纸幅在湿纸页压榨机下压榨5 min，然后在100℃下干燥5 min，最后通过压光机压光后放在自封袋中密封，以备检测纸张性能。

1.3　纸张性能检测

纸张在国际标准恒温恒湿条件[温度（23±1）℃、相对湿度（50±2）%)]下平衡24 h，分别按照GB/T 451.2—2002《纸和纸板定量的测定》、GB/T 451.3—2002《纸和纸板厚度的测定》、GB/T 12914—2008《纸和纸板抗张强度的测定》、GB/T 26460—2011《纸浆零距抗张强度的测定》、GB/T 458—2008《纸和纸板透气度的测定》、GB/T 12913—2008《电容器纸介质损耗和工频击穿电压的测定》进行纸张相关性能的测定。

1.4　相对结合面积（RBA）的测定

根据Kubelka-Munk理论建立的光散射系数法，它可以直接给出单位面积的光学表面积，当一根纤维与另一根纤维表面的距离小于光的波长时，纤维表面组分表现为接触结合，结合的面积用RBA来表示[

13]，其计算见式（1）。

R B A = S 0 - S S 0 （1）

式中，S为纸张的光散射系数，m2/g；S 0为纸张未结合完全的光散射系数，m2/g。

1.5　纸张强度指数的测定

纸张的结合强度指数由Page结合强度指数PBSI确定，Page结合强度指数可由抗张指数T以及零距抗张指数Z计算得到[

14]，见式（2）与式（3）。

1 T = 9 8 Z + 12 c b P L ( R B A ) （2）
P B S I = 1 T - 9 8 Z - 1 （3）

式中，T为抗张指数，N•m/g；Z为零距抗张指数，N•m/g；c为纤维粗度，mg/m；b为剪切结合强度，N/m2；P为纤维横截面周长，m；L为纤维长度，mm；RBA为相对结合面积（relative bonding area）；PBSI为结合强度指数，N•m /g。

2 结果与讨论

2.1　CNF对电容器纸结合性能的影响

2.1.1　CNF添加量对纸张紧度的影响

紧度与打浆程度以及压光程度有关，对纸张的光学性能和物理性能影响较大。图1为CNF添加量对不同打浆度下纸张紧度的影响。由图1可知，在打浆度为60°SR时，随着CNF添加量的增加，纸张紧度随之增大；当打浆度再继续提高时，随着CNF添加量的增加，纸张紧度呈现出先增大后减小的趋势；随着打浆度提高，添加CNF对纸张紧度的提高越来越少；当打浆度为80°SR时，添加2%的CNF时，纸张紧度最大，为0.80 g/cm3。

图1 CNF添加量对不同打浆度下纸张紧度的影响

2.1.2　CNF添加量对纸张透气度的影响

透气度反映了纸张结构中孔隙的多少，会影响电容器纸的介电性能[

15]。图2为CNF添加量对不同打浆度下纸张透气度的影响。由图2可知，随着CNF添加量的增加，纸张的透气度降低，说明添加CNF后，纸张的孔隙变小，纤维之间结合更紧密，对电容器纸介电性能有利；随着打浆度的增大，添加CNF对降低纸张透气度的程度也不同；打浆度为70°SR时，透气度降低了53.8%，打浆度为75°SR时，透气度降低了31.1%，再提高打浆度时，添加CNF对纸张透气度影响不大。

图2 CNF添加量对不同打浆度下纸张透气度的影响

2.1.3　CNF添加量对纸张抗张指数的影响

图3为CNF添加量对不同打浆度下纸张抗张指数的影响。由图3可知，在打浆度为60°SR时，随着CNF添加量的增加，纸张抗张指数增大；当打浆度再提高时，随着CNF添加量的增加，抗张指数呈现出先增大后减小的趋势；当打浆度为80°SR时，添加2% CNF时，抗张指数提高到76.0 N•m/g，抗张指数提高可以防止卷绕电容器芯包过程发生断裂，减少成本损耗[

16]；当打浆度为85°SR时，添加2%CNF时的抗张指数与80°SR下的抗张指数相同，且打浆度越高，添加CNF对纸张抗张指数影响越小。即随着打浆度的提高，CNF对纸张抗张指数增大的贡献逐渐减小。

图3 CNF添加量对不同打浆度下纸张抗张指数的影响

综合CNF添加量对不同打浆度下纸张紧度、透气度、抗张指数的影响，在打浆度为80°SR、添加2% CNF的条件下，纸张的紧度达到最大为0.80 g/cm3；在80°SR和85°SR的情况下，透气度相差不大，且添加CNF对透气度影响不大；对于抗张指数而言，在80°SR和85°SR时，均是添加2% CNF下抗张指数最大。考虑到电容器纸高紧度、低透气度的需求，以及打浆节能和CNF成本因素，故选用打浆度80°SR、CNF添加量为2%较为适宜。

2.1.4　CNF添加量对纸张结合强度的影响

为了更深一步研究添加CNF对电容器纸结合强度的影响，研究了不同打浆度下CNF添加量对纸张结合强度的影响规律。通过PFI磨浆，制备5个不同打浆度的浆料，然后每种浆料中分别添加1%~5%的CNF，将抄片在恒温恒湿条件下放置24 h后，测量其零距抗张指数Z、抗张指数T和光散射系数S [

17]，并计算出结合强度指数PBSI，结果如表1所示。

表1 CNF添加量对不同打浆度下纸张强度的影响
CNF添加量/%纸张的Z、T、PBSI、S值 强度
60°SR70°SR75°SR80°SR85°SR
1 Z 180 195 200 218 220
T 52.0 56.8 62.6 72.2 74.4
PBSI 77.0 85.5 96.5 115.0 120.2
S 36.8 32.2 29.3 27.1 25.0
2 Z 195 208 213 225 224
T 52.2 60.7 66.1 76.0 75.8
PBSI 74.7 97.1 101.4 122 122.2
S 36.9 31.5 30.1 26.3 24.7
3 Z 200 213 215 219 225
T 54.8 63.4 67.2 74.2 76.0
PBSI 79.2 102.3 103.2 112.8 122.5
S 37.2 32.1 28.8 26.4 24.3
4 Z 206 210 214 219 223
T 59.2 61.8 63.8 73.9 75.4
PBSI 83.4 87.0 94.1 107.2 120.0
S 38.5 34.9 32.5 29.4 26.7
5 Z 209 205 211 218 220
T 60.4 58.9 62.7 72.3 74.4
PBSI 87.5 92.4 99.1 107.3 118.0
S 35.9 32.8 30.0 27.3 25.3
注：

注　   Z/N·m·g-1;T/N·m·g-1;PBSI/N·m·g-1;S/m2·g-1。

根据表1数据，可得到不同CNF添加量下、随打浆度提高，光散射系数S与Page结合指数PBSI的关系如图4所示。

图4 不同CNF添加量下光散射系数S与结合强度指数PBSI的关系

通过式（1）和式（2），再由图3可得到相对结合面积RBA值见表2。

表2 CNF添加量对不同打浆度下的RBA值
CNF添加量/%RBA值
60°SR70°SR75°SR80°SR85°SR
1 0.267 0.373 0.417 0.461 0.503
2 0.329 0.428 0.453 0.587 0.551
3 0.357 0.444 0.546 0.544 0.586
4 0.393 0.504 0.501 0.536 0.583
5 0.458 0.450 0.488 0.522 0.580

由表2可得RBA值的关系曲线见图5。由图5可知，在打浆度高于70°SR时，随着CNF添加量的增加，RBA值呈现先增大后减小的趋势，添加CNF之所以能够提高RBA值是因为添加CNF后，纤维之间由于更多氢键的结合可以增加纤维之间的结合力，使得RBA值增大；可以更明显地看出，随着打浆度的升高，RBA值整体呈现增大趋势，这是由于随着打浆度的增加，纤维分丝帚化越多，结合面积越大，从而RBA值也越大。

图5 打浆度和CNF添加量对RBA值的影响

2.2　CNF对电容器纸电气性能的影响

为研究CNF对电容器纸电气性能的影响，在实验室条件下，选用未漂硫酸盐针叶木浆，固定打浆度为80°SR，添加不同量的CNF，抄造电容器纸，其抄造用水为去离子水，分析CNF添加量对电容器纸介电常数、介质损耗和击穿场强的影响。

2.2.1　CNF添加量对纸张相对介电常数的影响

在电场作用下，电介质分子结构中的正、负电荷向两极位移，在电介质表面出现束缚电荷的现象称为极化[

18]，而相对介电常数则表示电介质在电场作用下的极化程度，相对介电常数越大，电介质的极化能力越强[19]。

图6为不同CNF添加量下纸张的相对介电常数频谱[

20]。由图6可知，添加CNF对纸张的相对介电常数影响较大。，随着CNF添加量的增多，相对介电常数先减小后增大；在未加CNF时，工频下电容器纸的相对介电常数为1.38，在添加2% CNF时，工频下电容器纸的相对介电常数最低达到1.21。

图6 不同CNF添加量下纸张的相对介电常数频谱

2.2.2　CNF添加量对纸张介质损耗的影响

介质损耗是指电介质在交变电场中，由于消耗部分电能而使电介质本身发热的现象，通常用介质损耗角的正切值tanδ来表示，介质损耗角的正切值tanδ主要取决于电容器纸本身的特性[

21]，tanδ值越高，电介质引起的介质损耗就越大，会导致电设备的损坏，因此在选用电容器纸时，tanδ越小越好[22]。

图7为不同CNF添加量下电容器纸的介质损耗频谱。由图7可知，纸张的介质损耗随频率的增大逐渐降低，当频率大于1000 Hz后，介质损耗基本不变；随着CNF添加量的增大，电容器纸的介质损耗先减小后增大，且在工频下，当未加CNF时，介质损耗为0.098，当CNF添加量为2%时，介质损耗最低为0.037。

图7 不同CNF添加量下电容器纸的介质损耗频谱

2.2.3　CNF添加量对纸张击穿场强的影响

所谓击穿场强是指将已知厚度的电容器纸放在两个电极之间，提高电压直到纸张被电火花击穿为止时的电压值与厚度的比值，以kV/mm为单位[

23]。表3为CNF添加量对纸张击穿场强的影响。由表3可知，电解电容器纸击穿场强在CNF添加量为2%时最高，为15.13 kV/mm，这是由于在添加少许CNF后，纤维之间结合力增强，纸张的孔隙减小，使得击穿电容器纸所需的电压增强，从而电容器纸的击穿场强增大。

表3 CNF添加量对纸张击穿场强的影响
CNF添加量/%012345
击穿场强/kV·mm-1 13.50 14.26 15.13 14.73 13.98 13.93

3 结 论

以未漂硫酸盐针叶木浆为电容器纸主要原料，研究了添加纤维素纳米纤丝（CNF）对电容器纸强度性能和电气性能的影响，并在Page方程的基础上进一步研究了添加CNF和提高打浆度对相对结合面积（RBA）的影响。

3.1　CNF对不同打浆度下电容器纸的紧度、透气度、抗张指数有明显影响，且随着打浆度提高，CNF对紧度提高、透气度降低、抗张指数增大的贡献逐渐减小。

3.2　综合考虑电容器纸低透气度、高紧度的需求，以及节能和成本因素，选取浆料打浆度为80°SR，CNF适宜添加量为2%，此时纸张的抗张指数达到76.0 N•m/g，紧度为0.80 g/cm3，透气度为0.233 μm/（Pa·s）。

3.3　提高打浆度和添加少量CNF会增大纸张的RBA值。

3.4　打浆度为80°SR、CNF添加量为2%时，工频下电容器纸的相对介电常数为1.21，介质损耗为0.037，击穿场强为15.13 kV/mm。

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