纖維素納米纖絲對電容器紙性能的影響

賈旺強 鄭進智 池凱 石爽 劉澤華

摘要： 以未漂硫酸鹽針葉木漿為電容器紙主要原料，研究了添加纖維素納米纖絲（CNF）對電容器紙強度等性能的影響，并在Page方程的基礎上進一步研究了添加CNF和提高打漿度對相對結合面積（RBA）的影響，最后研究了CNF對電容器紙電氣性能的影響。結果表明，CNF對電容器紙的緊度、透氣度、抗張指數均有明顯影響，但隨著打漿度提高，CNF對緊度提高、透氣度降低、抗張指數增大的貢獻逐漸減小;在Page方程的基礎上研究得出，提高打漿度和添加少量CNF可以增大紙張的RBA。綜合考慮電容器紙高緊度、低透氣度的要求，以及打漿節能和CNF成本因素，適宜的打漿度為80°SR，CNF的添加量為2%（相對于絕干漿質量），在此條件下紙張抗張指數達76.0 N·m/g，緊度為0.80 g/cm3，透氣度為0.233 μm/（Pa·s）;工頻下電容器紙的介電常數為1.21，介質損耗為0.037，擊穿場強為15.13 kV/mm。

關鍵詞：電容器紙;纖維素納米纖絲;相對結合面積;強度性能;電氣性能

中圖分類號：TS761.2? 文獻標識碼：A

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

Abstract： The effect of cellulose nanofibrils （CNF） on the properties of capacitor tissue paper was studied by using unbleached sulphate softwood pulp as raw material. Based on the Page equation， the effect of adding CNF and increasing beating degree on the relative bonding area （RBA） was further investigated. Finally， the influence of CNF on the electrical properties of capacitor tissue paper was researched in details. The results indicated that the addition of CNF had obvious influence on the tightness， air permeability and tensile index of capacitor tissue paper. CNF could increase the tightness and tensile strenght， and decrease the air permeability， but the effect of CNF decreased with increasing the beating degree. Based on the Page equation， the increase of the beating degree and the addition of a small amount of CNF could increase the RBA of the paper. Considering the high tightness and low air permeability requirements of capacitor tissue paper， as well as the energy saving of beating and CNF cost， the optimal condition was decided as follows： the beating degree was 80°SR， and the CNF dosage was 2%. Under this condition， the tensile index reached to 76.0 N·m/g， the tightness was 0.80 g/cm3， and the air permeability was 0.233 μm/（Pa·s）; the dielectric constant was 1.21， the dielectric loss was 0.037， and the field penetration was 15.13 kV/mm under the power frequency.

Key words： capacitor tissue paper; cellulose nanofibrils; relative bonding area; strength properties; electrical properties

電容器是電子元器件行業的重要支柱產品，其用量大且不可替代，產量約占電子元件的40%[1]。根據制造材質的不同，電容器主要分為鋁電解電容器、陶瓷電容器、鉭電解電容器和薄膜電容器4大類，隨著新能源開發利用以及變頻技術、計算機和A/V設備等新型產業的發展，電容器應用領域越來越廣[2-3]。電容器紙是用于生產電容器的一種主要介質材料，電容器的介電強度主要由分隔極片所用介質的質量決定[4]。電容器紙是一種絕緣紙，是電子工業制造各種紙質電容器的主要材料，因此，電容器紙質量的好壞將影響到電容器的介電性能和使用壽命[5]。

近年來生物酶預處理打漿技術在電容器紙生產中的應用和添加化學品對電容器紙影響的研究頗多。陳盛平等人[6]針對高打漿度的工藝要求，專門設計了LPK-CR602系列產品。從用生物酶預處理硫酸鹽木漿的打漿情況來看，不論是用槽式打漿機打漿還是用圓盤磨漿機連續打漿，在達到相同打漿質量指標時，均可得到縮短打漿時間、降低打漿電耗的效果。平均噸漿節省電耗約200 kWh/t，以工業用電單價0.77元/kWh計，噸漿電費降低約154元，扣除打漿酶的使用成本，每噸漿成本節省100元左右，且通過加生物酶進行預處理的漿料，對電容器紙的物理強度和耐電壓均無明顯影響。鑒于電容器紙生產中存在著漿料打漿度高、網部脫水困難、網溫高、能耗大、產量低、成本高的實際問題，Yeh J M等人[7]設想在電容器紙生產中添加化學助劑的方法來提高紙料的濾水性能，降低能耗和提高紙張質量。他們先將PAM（聚丙烯酰胺）改性，添加不同量PAM到漿料中，抄成紙檢測其性能，結果表明添加0.05%的改性PAM最佳。此條件下鈉離子含量降低，紙張的裂斷長提高，使得電容器紙的介質損耗降低，增強了紙張的電氣性能，紙張物理性能也相應提高。

纖維素納米纖絲（cellulose nanofibrils，簡稱CNF）是對植物纖維進行高壓均質等處理后得到的直徑為15～20 nm的纖維素纖維材料，具有比表面積高、強度高、吸附性能高等特點，已成為近年來研究的熱點[8]。將CNF添加到漿料中，體系相容性好，纖維之間由于更多氫鍵的結合而形成的網絡結構可以增加纖維之間的結合力[9]，改善紙張的強度等性能。黨婉斌等人[10]探究了CNF對芳綸云母紙性能的影響，結果顯示，當添加10%經超聲處理的CNF時，與空白樣相比，紙張抗張強度提高，同時CNF的加入填充了芳綸云母紙表面及內部的孔隙，節省了芳綸纖維的用量。Eriksen等人[11]向熱磨機械漿中加填4%的CNF，紙張的光散射系數降低，且隨CNF纖化程度的增加，紙張緊度和結合面積越來越大，而光散射系數越來越小。目前已研究得出在不同條件下CNF對紙張的機械性能、光學性能、電氣性能都有明顯的改善[12]。

本研究采用未漂硫酸鹽針葉木漿為電容器紙的主要原料，分析CNF對電容器紙性能的影響。

1 材料與方法

1.1 原料及設備

原料：未漂硫酸鹽針葉木漿（加拿大阿斯巴牌），取自山東某紙廠;CNF，天津市木精靈生物科技有限公司，為了減少CNF中雜質對紙張電氣性能的不利影響，選用沒有經過任何化學處理的CNF;去離子水，實驗室自制。

設備：P40110 E000型PFI磨，PTI有限公司;ZDJ-100型打漿度測定儀，瑞典L&W公司;912型纖維測試分析儀，瑞典RGW公司;M-180型標準紙頁成型器，英國MAVIS公司;NO2571-I型濕紙頁壓榨機，日本熊谷理機工業株式會社;S-CA5.250型壓光機，德國Sumet-Messte chnik公司;251型厚度儀、B0660005型抗張強度測定儀，瑞典L&W公司;Z-SPAN2400型零距抗張儀，Pulmac公司;166型透氣度測定儀，瑞典L&W公司;TH2829A型LCR數字電橋，常州同惠電子股份有限公司;IKA T18型高速分散機，德國IKA公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 打漿

取相當于（30±0.5） g絕干漿的風干漿板，在室溫下用0.5 L水浸泡4 h以上，根據GB/T 29287—2012 《紙漿實驗室打漿PFI磨法》采用PFI磨進行打漿。稱取相當于2 g絕干漿的濕漿，打散后稀釋至1 L，根據GB/T 3332—2004《紙漿打漿度的測定》進行打漿度測定。

1.2.2 CNF分散處理

取一定量濃度為1.34%的CNF（相對于絕干漿質量），將其稀釋500倍后用IKA型高速分散機機械處理5 min，最后在漿料均勻攪拌的情況下加入處理好的CNF，備以抄片。

1.2.3 電容器紙的抄造

采用標準紙頁成型器抄造定量為26 g/m2電容器紙，將抄造好的濕紙幅在濕紙頁壓榨機下壓榨5 min，然后在100℃下干燥5 min，最后通過壓光機壓光后放在自封袋中密封，以備檢測紙張性能。

1.3 紙張性能檢測

紙張在國際標準恒溫恒濕條件[溫度（23±1）℃、相對濕度（50±2）%）]下平衡24 h，分別按照GB/T 451.2—2002《紙和紙板定量的測定》、GB/T 451.3—2002《紙和紙板厚度的測定》、GB/T 12914—2008《紙和紙板抗張強度的測定》、GB/T 26460—2011《紙漿零距抗張強度的測定》、GB/T 458—2008《紙和紙板透氣度的測定》、GB/T 12913—2008《電容器紙介質損耗和工頻擊穿電壓的測定》進行紙張相關性能的測定。

1.4 相對結合面積（RBA）的測定

根據Kubelka-Munk理論建立的光散射系數法，它可以直接給出單位面積的光學表面積，當一根纖維與另一根纖維表面的距離小于光的波長時，纖維表面組分表現為接觸結合，結合的面積用RBA來表示[13]，其計算見式（1）。

式中，S為紙張的光散射系數，m2/g;S0為紙張未結合完全的光散射系數，m2/g。

1.5 紙張強度指數的測定

紙張的結合強度指數由Page結合強度指數PBSI確定，Page結合強度指數可由抗張指數T以及零距抗張指數Z計算得到[14]，見式（2）與式（3）。

式中，T為抗張指數，N·m/g;Z為零距抗張指數，N·m/g;c為纖維粗度，mg/m;b為剪切結合強度，N/m2;P為纖維橫截面周長，m;L為纖維長度，mm;RBA為相對結合面積（relative bonding area）;PBSI為結合強度指數，N·m /g。

2 結果與討論

2.1 CNF對電容器紙結合性能的影響

2.1.1 CNF添加量對紙張緊度的影響

緊度與打漿程度以及壓光程度有關，對紙張的光學性能和物理性能影響較大。圖1為CNF添加量對不同打漿度下紙張緊度的影響。由圖1可知，在打漿度為60°SR時，隨著CNF添加量的增加，紙張緊度隨之增大;當打漿度再繼續提高時，隨著CNF添加量的增加，紙張緊度呈現出先增大后減小的趨勢;隨著打漿度提高，添加CNF對紙張緊度的提高越來越少;當打漿度為80°SR時，添加2%的CNF時，紙張緊度最大，為0.80 g/cm3。

2.1.2 CNF添加量對紙張透氣度的影響

透氣度反映了紙張結構中孔隙的多少，會影響電容器紙的介電性能[15]。圖2為CNF添加量對不同打漿度下紙張透氣度的影響。由圖2可知，隨著CNF添加量的增加，紙張的透氣度降低，說明添加CNF后，紙張的孔隙變小，纖維之間結合更緊密，對電容器紙介電性能有利;隨著打漿度的增大，添加CNF對降低紙張透氣度的程度也不同;打漿度為70°SR時，透氣度降低了53.8%，打漿度為75°SR時，透氣度降低了31.1%，再提高打漿度時，添加CNF對紙張透氣度影響不大。

2.1.3 CNF添加量對紙張抗張指數的影響

圖3為CNF添加量對不同打漿度下紙張抗張指數的影響。由圖3可知，在打漿度為60°SR時，隨著CNF添加量的增加，紙張抗張指數增大;當打漿度再提高時，隨著CNF添加量的增加，抗張指數呈現出先增大后減小的趨勢;當打漿度為80°SR時，添加2% CNF時，抗張指數提高到76.0 N·m/g，抗張指數提高可以防止卷繞電容器芯包過程發生斷裂，減少成本損耗[16];當打漿度為85°SR時，添加2%CNF時的抗張指數與80°SR下的抗張指數相同，且打漿度越高，添加CNF對紙張抗張指數影響越小。即隨著打漿度的提高，CNF對紙張抗張指數增大的貢獻逐漸減小。

綜合CNF添加量對不同打漿度下紙張緊度、透氣度、抗張指數的影響，在打漿度為80°SR、添加2% CNF的條件下，紙張的緊度達到最大為0.80 g/cm3;在80°SR和85°SR的情況下，透氣度相差不大，且添加CNF對透氣度影響不大;對于抗張指數而言，在80°SR和85°SR時，均是添加2% CNF下抗張指數最大。考慮到電容器紙高緊度、低透氣度的需求，以及打漿節能和CNF成本因素，故選用打漿度80°SR、CNF添加量為2%較為適宜。

2.1.4 CNF添加量對紙張結合強度的影響

為了更深一步研究添加CNF對電容器紙結合強度的影響，研究了不同打漿度下CNF添加量對紙張結合強度的影響規律。通過PFI磨漿，制備5個不同打漿度的漿料，然后每種漿料中分別添加1%～5%的CNF，將抄片在恒溫恒濕條件下放置24 h后，測量其零距抗張指數Z、抗張指數T和光散射系數S [17]，并計算出結合強度指數PBSI，結果如表1所示。

根據表1數據，可得到不同CNF添加量下、隨打漿度提高，光散射系數S與Page結合指數PBSI的關系如圖4所示。

通過式（1）和式（2），再由圖3可得到相對結合面積RBA值見表2。

由表2可得RBA值的關系曲線見圖5。由圖5可知，在打漿度高于70°SR時，隨著CNF添加量的增加，RBA值呈現先增大后減小的趨勢，添加CNF之所以能夠提高RBA值是因為添加CNF后，纖維之間由于更多氫鍵的結合可以增加纖維之間的結合力，使得RBA值增大;可以更明顯地看出，隨著打漿度的升高，RBA值整體呈現增大趨勢，這是由于隨著打漿度的增加，纖維分絲帚化越多，結合面積越大，從而RBA值也越大。

2.2 CNF對電容器紙電氣性能的影響

為研究CNF對電容器紙電氣性能的影響，在實驗室條件下，選用未漂硫酸鹽針葉木漿，固定打漿度為80°SR，添加不同量的CNF，抄造電容器紙，其抄造用水為去離子水，分析CNF添加量對電容器紙介電常數、介質損耗和擊穿場強的影響。

2.2.1 CNF添加量對紙張相對介電常數的影響

在電場作用下，電介質分子結構中的正、負電荷向兩極位移，在電介質表面出現束縛電荷的現象稱為極化[18]，而相對介電常數則表示電介質在電場作用下的極化程度，相對介電常數越大，電介質的極化能力越強[19]。

圖6為不同CNF添加量下紙張的相對介電常數頻譜[20]。由圖6可知，添加CNF對紙張的相對介電常數影響較大。，隨著CNF添加量的增多，相對介電常數先減小后增大;在未加CNF時，工頻下電容器紙的相對介電常數為1.38，在添加2% CNF時，工頻下電容器紙的相對介電常數最低達到1.21。

2.2.2 CNF添加量對紙張介質損耗的影響

介質損耗是指電介質在交變電場中，由于消耗部分電能而使電介質本身發熱的現象，通常用介質損耗角的正切值tanδ來表示，介質損耗角的正切值tanδ主要取決于電容器紙本身的特性[21]，tanδ值越高，電介質引起的介質損耗就越大，會導致電設備的損壞，因此在選用電容器紙時，tanδ越小越好[22]。

圖7為不同CNF添加量下電容器紙的介質損耗頻譜。由圖7可知，紙張的介質損耗隨頻率的增大逐漸降低，當頻率大于1000 Hz后，介質損耗基本不變;隨著CNF添加量的增大，電容器紙的介質損耗先減小后增大，且在工頻下，當未加CNF時，介質損耗為0.098，當CNF添加量為2%時，介質損耗最低為0.037。

2.2.3 CNF添加量對紙張擊穿場強的影響

所謂擊穿場強是指將已知厚度的電容器紙放在兩個電極之間，提高電壓直到紙張被電火花擊穿為止時的電壓值與厚度的比值，以kV/mm為單位[23]。表3為CNF添加量對紙張擊穿場強的影響。由表3可知，電解電容器紙擊穿場強在CNF添加量為2%時最高，為15.13 kV/mm，這是由于在添加少許CNF后，纖維之間結合力增強，紙張的孔隙減小，使得擊穿電容器紙所需的電壓增強，從而電容器紙的擊穿場強增大。

3 結 論

以未漂硫酸鹽針葉木漿為電容器紙主要原料，研究了添加纖維素納米纖絲（CNF）對電容器紙強度性能和電氣性能的影響，并在Page方程的基礎上進一步研究了添加CNF和提高打漿度對相對結合面積（RBA）的影響。

3.1 CNF對不同打漿度下電容器紙的緊度、透氣度、抗張指數有明顯影響，且隨著打漿度提高，CNF對緊度提高、透氣度降低、抗張指數增大的貢獻逐漸減小。

3.2 綜合考慮電容器紙低透氣度、高緊度的需求，以及節能和成本因素，選取漿料打漿度為80°SR，CNF適宜添加量為2%，此時紙張的抗張指數達到76.0 N·m/g，緊度為0.80 g/cm3，透氣度為0.233 μm/（Pa·s）。

3.3 提高打漿度和添加少量CNF會增大紙張的RBA值。

3.4 打漿度為80°SR、CNF添加量為2%時，工頻下電容器紙的相對介電常數為1.21，介質損耗為0.037，擊穿場強為15.13 kV/mm。

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（責任編輯：常 青）