一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法

本发明涉及电力设备绝缘材料，尤其涉及一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法。

背景技术：

1、油浸式变压器在运行过程中会承受多种因素的影响，导致其内部的纤维素绝缘纸出现损伤。机械应力、热应力、电应力及环境因素都会对纤维素绝缘纸造成影响。机械应力和热应力可能导致绝缘纸产生微裂纹，而电应力则容易引发电树枝等电损伤现象。这些损伤形式不仅会降低绝缘纸的机械性能，还会导致其绝缘性能的下降，进而影响变压器的正常运行。特别是微裂纹和电树枝等缺陷，会在电场作用下逐渐扩展，最终可能导致绝缘击穿，严重威胁变压器的安全性和可靠性。

2、为了确保电力变压器的长期稳定运行，维持其内部绝缘系统的完整性至关重要。绝缘纸一旦受损通常难以修复，也无法进行更换。这不仅会导致设备的停机，还会增加维护成本和停电风险。因此，开发具有自修复能力的绝缘纸材料，能够在损伤发生时主动修复微裂纹和电树枝等缺陷，对于提高变压器的运行可靠性和延长其使用寿命具有重要意义。自修复绝缘纸能够有效恢复机械强度和绝缘性能，减少因损伤导致的故障，降低维护和更换的频率，从而确保变压器的稳定运行和电力供应的可靠性。

3、自修复技术已经在绝缘材料领域有了初步研究，例如，绝缘涂层，绝缘电缆。自修复技术通过各种机制，如微胶囊、自愈合聚合物和动态共价键，成功实现了材料在受损后的自动修复。将自修复技术应用于纤维素绝缘纸的构建也具有很大的可行性。纤维素绝缘纸是一种环保、易得的材料，而纤维素纳米晶体(cnc)则因其优异的机械性能和生物相容性，成为理想的增强相材料。通过将纤维素纳米晶体与纤维素绝缘纸复合，构建出具有自修复能力的网络结构，可以有效提升绝缘纸的机械强度和自修复性能，从而实现对电力变压器内部绝缘系统的保护。

技术实现思路

1、针对以上不足，本发明提供一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，解决了油浸式变压器中纤维素绝缘纸容易产生微裂纹、电树枝的问题，具体技术方案如下：

2、一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，包括以下步骤：

3、(1)制备呋喃基改性纸浆悬浊液：将解离纤维素纸浆与无水n,n-二甲基甲酰胺在氮气氛围中搅拌，并在超声波下超声后，加入糠醛和固体酸催化剂反应，冷却，将混合溶液置于离心机中，进行高速离心去除固体酸，得呋喃基改性纸浆悬浊液；

4、(2)制备纤维素纳米晶体：将解离纤维素纸浆脱水，并在水中机械搅拌后，洗涤至ph中性，冷冻干燥，收集纤维素纳米晶体粉末保存，备用；

5、(3)制备马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体：先将所述纤维素纳米晶体悬浮于无水n,n-二甲基甲酰胺中，再加入马来酰亚胺和4-二甲氨基吡啶，在冰浴中冷却，接着缓慢滴加含n,n'-二环己基碳二亚胺的无水n,n-二甲基甲酰胺溶液，室温搅拌后进行酸溶液沉淀和透析，最后冷冻干燥，即得所述马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体；

6、(4)制备自修复纤维素绝缘纸：先将所述马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体添加到去离子水中搅拌，得马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体悬浮液，再缓慢将所述马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体悬浮液加入到步骤(1)制得的呋喃基改性的纤维素纸浆悬浊液中，搅拌使其充分混合后，倒入纸页成型器中过滤成湿纸，接着将所述湿纸热压、抽真空、真空干燥，最后将干燥成型的绝缘纸进行压光处理，即得所述自修复纤维素绝缘纸。

7、进一步地，步骤(1)和步骤(2)中，所述解离纤维素纸浆的制备方法为：先将纤维素浆板分解为小块后放入去离子水中浸泡，浸泡后在碎浆机中疏解，再放入打浆机中打浆至打浆度为40-50°sr，最后将打好的纸浆进行解离，并加水使纸浆浓度为5-10％，即得所述解离纤维素纸浆。

8、进一步地，步骤(1)中，所述解离纤维素纸浆与无水n,n-二甲基甲酰胺的体积比为2-4:1；所述糠醛的加入量为所述解离纤维素纸浆质量的10-20wt％，所述固体酸的加入量为所述解离纤维素纸浆质量的1-5wt％。

9、进一步地，步骤(1)中，所述搅拌时间为1-2h，超声时间为2-4h，反应温度为90-110℃，反应时间为18-24h。

10、进一步地，步骤(2)中，所述机械搅拌水温为45-55℃，搅拌时间为1-2h。

11、进一步地，步骤(2)中，所述纤维素纳米晶体粉末的保存温度为4-6℃。

12、进一步地，步骤(3)中，所述马来酰亚胺的制备方法为：先将马来酸酐溶解在乙酸溶液中，再加入溶解有β-丙氨酸的乙酸溶液室温搅拌3-5h，接着加入乙酸升温至100-115℃搅拌10-15h，冷却，用甲苯萃取并纯化，即得所述马来酰亚胺。

13、进一步地，步骤(3)中，所述冰浴中冷却温度为0℃，所述室温搅拌时间为20-24h。

14、进一步地，步骤(4)中，所述马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体与去离子水的质量比为1:10-20。

15、进一步地，所述马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体悬浮液与所述呋喃基改性纤维素纸浆悬浊液的质量比为1:5-10。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1.本发明针对油浸式变压器中纤维素绝缘纸容易产生微裂纹、电树枝问题，在试验的基础上，基于diels-alder可逆反应提出了一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其动态特性使绝缘纸能够在不需要外部维护的条件下对微裂纹、电树枝进行自愈，提高了变压器固体绝缘的可靠性，延长了变压器的服役寿命。

18、2.本发明主要是通过纤维素长链的呋喃基改性和添加马来酰亚胺功能化的纤维素纳米晶体来制备具有自修复功能网络的绝缘纸，呋喃基团和马来酰亚胺基团能够进行可逆的diels-alder反应，在绝缘纸中形成自修复网络，赋予了绝缘纸自修复功能。纤维素纳米晶体的增强作用能够保证修复过程中的绝缘纸结构稳定，并且确保微裂纹、电树枝损伤修复后的绝缘纸的机械强度和绝缘性能。这对促进绝缘材料的发展、提高变压器运行可靠性、延长其服役寿命，保障新型电力系统的稳定运行具有重要的理论指导意义和实践应用价值。

技术特征：

1.一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中，所述解离纤维素纸浆的制备方法为：先将纤维素浆板分解为小块后放入去离子水中浸泡，浸泡后在碎浆机中疏解，再放入打浆机中打浆至打浆度为40-50°sr，最后将打好的纸浆进行解离，并加水使纸浆浓度为5-10％，即得所述解离纤维素纸浆。

3.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(1)中，所述解离纤维素纸浆与无水n,n-二甲基甲酰胺的体积比为2-4:1；所述糠醛的加入量为所述解离纤维素纸浆质量的10-20wt％，所述固体酸的加入量为所述解离纤维素纸浆质量的1-5wt％。

4.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(1)中，所述搅拌时间为1-2h，超声时间为2-4h，反应温度为90-110℃，反应时间为18-24h。

5.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(2)中，所述机械搅拌水温为45-55℃，搅拌时间为1-2h。

6.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纤维素纳米晶体粉末的保存温度为4-6℃。

7.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(3)中，所述马来酰亚胺的制备方法为：先将马来酸酐溶解在乙酸溶液中，再加入溶解有β-丙氨酸的乙酸溶液室温搅拌3-5h，接着加入乙酸升温至100-115℃搅拌10-15h，冷却，用甲苯萃取并纯化，即得所述马来酰亚胺。

8.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(3)中，所述冰浴中冷却温度为0℃，所述室温搅拌时间为20-24h。

9.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(4)中，所述马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体与去离子水的质量比为1:10-20。

10.根据权利要求1所述的一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，其特征在于，步骤(4)中，所述马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体悬浮液与所述呋喃基改性纤维素纸浆悬浊液的质量比1:5-10。

技术总结
本发明公开了一种基于纤维素纳米晶体增强相的绝缘纸自愈合网络构建方法，涉及电力设备绝缘材料技术领域。步骤如下：(1)制备解离纤维素纸浆；(2)将解离纤维素纸浆与糠醛和固体酸催化剂反应，得呋喃基改性纸浆悬浊液；(3)将解离纤维素纸浆脱水洗涤、冷冻干燥，得纤维素纳米晶体(CNC)；(4)制备马来酰亚胺；(5)将CNC与马来酰亚胺反应，得马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体(CNC‑Mal)；(6)将CNC‑Mal悬浮液加入呋喃基改性纸浆悬浊液中制成湿纸，热压，干燥，得自修复功能的纤维素绝缘纸。本发明首次将马来酰亚胺功能化纤维素纳米晶体和呋喃基改性纤维素相结合，构建出具有自修复能力的绝缘纸，延长了变压器服役寿命，降低了维护成本和停机风险。

技术研发人员：刘捷丰,张镱议,邓军,黄萍,贾鹏飞,王宇雷,王涛,胡旭初,何平,张炜
受保护的技术使用者：广西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/24