一种绝缘浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及绝缘材料技术领域，具体为一种绝缘浆的制备方法。

背景技术

植物纤维绝缘纸因其成本低廉、性能优良和环保等优点广泛应用于电气设备中。纸浆的纯度很大程度上决定了绝缘纸的电气性能和使用寿命，并进一步影响到电气产品的性能。近年来，电气产品的快速发展迭代对绝缘浆的灰分、电导率及金属离子含量等指标提出了更高的要求。然而，绝缘浆的基础理论研究和应用研发均滞后于发展需要，且在绝缘浆的制备方面存在一些问题。其一，森林资源匮乏，没有足量的针叶木用于生产绝缘浆；其二，国产绝缘浆在灰分、铁离子含量、纸浆强度等方面与进口绝缘浆相比略显不足，导致我国所需高纯度绝缘浆主要依赖进口。

传统绝缘浆大多以针叶木浆、麻浆或者棉浆为原料，本发明首次以竹材为原料制备绝缘浆。竹材有很多优点，如产量大，速生，成材期短，且竹纤维的强度好。但是其制备绝缘浆也存在一些难点：不同竹龄、竹种的竹浆性能上有很大差异，如木素、杂细胞、灰分含量等，这些都会影响绝缘浆的纯度，进而影响电气性能。因此，要解决原料来源问题并生产出符合要求的绝缘竹浆，必须根据竹材的性质，细化制备方法、完善生产工艺，进而提高竹浆的利用率和纯度，达到绝缘浆的质量要求。

发明内容

为满足电气行业发展的需要，在绝缘浆的制备领域实现国产替代，本发明提供了一种绝缘浆的制备方法。该方法以竹材为原料，将碱法蒸煮得到的竹浆进行物理纯化、化学纯化和超声协同处理。所得绝缘竹浆的灰分、电导率与铁离子含量很低，聚合度高，抄纸后，纸张的物理强度好，可用于生产各种电气绝缘用纸。相比于传统制备工艺，本方法的适应性更广、效率更高、针对性更强，较为系统的解决了竹材制备绝缘浆中存在的问题。

一种绝缘浆的制备方法，包括以下步骤：

(1)物理纯化：以竹浆为原料，通过筛选去除竹浆中的粗渣和杂细胞；

(2)化学纯化：将步骤(1)得到的竹浆，其竹龄＜1年时，通过酸处理去除金属离子，降低卡伯值和灰分含量；当竹龄≥1年时，酸处理后还进行碱处理和/或螯合处理；

(3)超声协同处理：将步骤(2)得到的竹浆用超声波协同碱土金属盐溶液进行处理，最后用超纯水洗涤得到绝缘浆。

优选地，步骤(2)中，酸处理所用酸为硫酸、乙酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、葡萄糖酸中的至少一种；酸处理过程中，浆浓为2％～10％、酸用量为0.2％～6.0％(相对于绝干浆的质量分数)、温度为25℃～100℃、时间为20min～360min。

优选地，步骤(2)中，碱处理所用碱为氢氧化钠、氢氧化钾中的至少一种；碱处理过程中，浆浓为5％～15％、碱用量为0.5％～10％(相对于绝干浆的质量分数)、温度为25℃～120℃、时间为30min～360min。

优选地，步骤(2)中，螯合处理所用螯合剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、乙二胺四乙酸、氨基三乙酸、二亚乙基三胺五乙酸及其盐中的至少一种；螯合处理过程中，浆浓为2％～10％、螯合剂用量为0.1％～3％(相对于绝干浆的质量分数)、温度为40℃～90℃、时间为30min～180min。

优选地，步骤(3)中，超声的频率为20kHz～60kHz、温度30℃～90℃、时间20min～300min、浆浓为0.1％～3％。

优选地，所述碱土金属盐溶液为碳酸氢钙、醋酸钙、氢氧化钙、碳酸镁、氢氧化镁、碳酸氢镁、甲酸镁、氧化镁、醋酸镁溶液中的至少一种，其用量为0.5％～5％(相对于绝干浆的质量分数)。

优选地，步骤(1)中，所述筛选为先用缝宽为0.08mm～0.5mm的缝筛去除粗渣，再用筛孔直径为φ0.025mm～2.5mm的孔筛去除杂细胞。

优选地，所述缝筛的缝宽为0.2±0.12mm；孔筛的直径为φ0.1±0.06mm。

优选地，步骤(1)中，竹浆所用的竹子为毛竹、慈竹、粉单竹、麻竹、绿竹、龙竹、青皮竹、撑篙竹、大叶龙竹、细叶龙竹等中的一种或几种；竹龄为0.5年～2年；所述竹浆的制浆方式为碱法制浆。

本发明对现有的制备方法进行了改进，如木素含量高的竹浆可针对性的添加碱处理；杂细胞含量高的竹浆可在物理纯化部分进行精准筛选，并添加螯合剂去除杂细胞中含量高的铁离子；灰分含量少的竹浆可采用有机酸(如柠檬酸)、含量高的竹浆采用硫酸进行酸处理。

进一步地，所述的绝缘竹浆可用于生产各种电气绝缘用纸。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明使用竹材作为原材料制备绝缘浆，其性能可与针叶木、棉、麻类等材料生产的绝缘浆相媲美，在绝缘浆制备领域实现国产替代，极大降低了生产成本。

(2)本发明针对竹浆的特点，对不同竹龄、竹种的浆料通过精准筛选工艺进行处理，提高了竹浆的纯度。

(3)本发明结合浆料性质，使用酸、碱、螯合处理相结合的方式去除金属离子，降低卡伯值和灰分含量，经超声波协同处理后，所得竹浆可满足绝缘浆的质量要求。

附图说明

图1为慈竹(1.5年)未经孔筛处理的纤维图；左图放大倍数为100×，右图放大倍数为500×。

图2为实施例2慈竹(1.5年)经孔筛(0.1mm)处理后的纤维图；左图放大倍数为100×，右图放大倍数为500×。

图3为慈竹(1.5年)经孔筛(0.07mm)筛选出的杂细胞图；左图放大倍数为100×，右图放大倍数为500×。

具体实施方式

以下通过具体实例对本发明技术方案进行进一步阐述，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

原料为毛竹(竹龄0.5年)，用烧碱法进行蒸煮，蒸煮条件为：用碱量25％、最高温度160℃、升温时间120min、保温时间120min。将竹浆经0.2mm缝筛除去纤维束及杂质后，采用孔筛处理的方法收集截留在直径为φ0.1mm筛孔上的竹浆，用柠檬酸对其进行酸处理。酸处理条件为：浆浓3％、温度70℃、时间60min、酸用量3％。到达反应时间后，对上述竹浆用超声波协同碳酸氢镁溶液进行处理。超声洗涤条件为：频率40kHz、温度60℃、时间30min、碳酸氢镁用量1％、浆浓2％。最后，所得浆料用超纯水洗涤1次便得到绝缘竹浆，记为产品1。

实施例2

原料为慈竹(竹龄1.5年)，用硫酸盐法进行蒸煮，条件为：用碱量25％、硫化度25％、最高温度150℃、升温时间120min、保温时间120min。将竹浆经0.15mm缝筛除去纤维束及杂质后，采用孔筛处理的方法收集截留在直径为φ0.1mm筛孔上的竹浆。由于竹龄大，木质化程度高，因此，用氢氧化钠溶液对其进行碱处理以降低木素、聚戊糖及糖醛酸等极性大分子物质的含量。碱处理条件为：浆浓5％、温度80℃、时间90min、用碱量5％。到达反应时间后，用硫酸对上述竹浆进行酸处理进一步降低灰分及金属离子含量。酸处理条件为：浆浓4％、温度80℃、时间60min、酸用量1％。然后用螯合处理的方法降低铁离子等极难去除金属离子的含量，所用螯合剂为DTPA，工艺条件为：浆浓为2％、螯合剂用量为0.5％、温度为50℃、时间为60min。所得竹浆进行超声处理，频率40kHz、温度60℃、时间30min、醋酸镁用量1％、浆浓3％。最后，所得浆料用超纯水洗涤1次便得到绝缘竹浆，记为产品2。

实施例3

原料为毛竹(竹龄0.5年)，用烧碱法进行蒸煮，蒸煮条件为：用碱量25％、最高温度160℃、升温时间120min、保温时间120min。将竹浆经0.2mm缝筛除去纤维束及杂质后，用柠檬酸对其进行酸处理。酸处理条件为：浆浓3％、温度70℃、时间60min、酸用量3％。到达反应时间后，对上述竹浆用超声波协同碳酸氢镁溶液进行处理。超声洗涤条件为：频率40kHz、温度60℃、时间30min、碳酸氢镁用量1％、浆浓2％。最后，所得浆料用超纯水洗涤1次便得到绝缘竹浆，记为产品3。

实施例4

原料为慈竹(竹龄1.5年)，用硫酸盐法进行蒸煮，条件为：用碱量25％、硫化度25％、最高温度150℃、升温时间120min、保温时间120min。将竹浆经0.15mm缝筛除去纤维束及杂质后，采用孔筛处理的方法收集截留在直径为φ0.1mm筛孔上的竹浆。用硫酸对上述竹浆进行酸处理进一步降低灰分及金属离子含量。酸处理条件为：浆浓4％、温度80℃、时间60min、酸用量1％。所得竹浆用超纯水洗涤6次，记为产品4。

实施例5

原料为慈竹(竹龄1年)，用硫酸盐法进行蒸煮，条件为：用碱量25％、硫化度25％、最高温度150℃、升温时间120min、保温时间120min。将竹浆经0.15mm缝筛除去纤维束及杂质后，用硫酸对其进行酸处理。酸处理条件为：浆浓4％、温度80℃、时间60min、酸用量1％。所得竹浆用超纯水洗涤6次，记为产品5。

实施例6

原料为大叶龙竹(竹龄1年)，用硫酸盐法进行蒸煮，条件为：用碱量25％、硫化度25％、最高温度160℃、升温时间120min、保温时间120min。将竹浆经0.1mm缝筛除去纤维束及杂质后，用硫酸对其进行酸处理。酸处理条件为：浆浓4％、温度80℃、时间90min、酸用量1％。所得竹浆用超纯水洗涤6次，记为产品6。

根据以上生产方法，制得产品1、产品2、产品3、产品4、产品5和产品6，检测数据详见表1所示。与国标GB/T 13505-2007中高纯度绝缘木浆的关键指标相比较，产品1和产品2的各项指标均优于标准产品的规定值。产品1所用竹子为毛竹且竹龄较小，与产品2相比，较温和的处理条件便可达到绝缘浆的质量要求。产品3与产品1的原料一致，但是竹浆没有经过孔筛处理的方式去除杂细胞，导致其灰分及铁离子含量偏高。产品4与产品2的原料一致，在制备过程中省去碱处理，螯合处理和超声洗涤等步骤，其电导率、卡伯值、灰分及铁离子含量都比产品2高，pH值偏低，在关键性能指标上不能达到绝缘浆的标准。产品5及产品6未经筛选和超声协同处理，其撕裂指数和聚合度明显下降，卡伯值、灰分及铁离子含量偏高。由此可见，根据竹材性能的差异，用碱、酸、螯合处理相结合的方式降低卡伯值，去除灰分及铁离子，可以有效的提高竹浆纯度，满足绝缘浆的质量要求。

表1

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。