聚偏氟乙烯纳米纤维膜制备及其对绝缘油净化性能研究

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绝缘油是变压器等充油电气设备中重要的绝缘介质,在电场、热场等因素的长期作用下会产生水分、有机酸等老化产物。水分和有机酸会发生协同作用加速绝缘油电气性能的劣化,严重威胁电气设备的安全稳定运行。对绝缘油进行净化处理可有效降低变压器的故障概率,减少运行成本和环境污染。目前的绝缘油净化方法存在处理流程繁杂、净化效率不高等问题。针对此问题,本文通过向聚偏氟乙烯(PVDF)中添加聚四氟乙烯(PTFE)纳米颗粒提高了PVDF纳米纤维膜的疏水性和驻极性,配制了含有不同有机酸及微量水分的绝缘油,研究了PVDF/PTFE纳米复合纤维膜对于绝缘油中有机酸及水分的净化性能。主要研究内容如下:①通过纺丝预实验确定了适宜的PVDF浓度,采用正交实验法研究纺丝参数对纳米纤维膜直径分布及理化性能的影响规律,得到了优化的纺丝参数。预实验结果表明:纺丝溶液中PVDF的浓度为12 wt.%时,溶液具有良好的可纺性,所制备的纤维膜均匀无珠串。直观分析及方差分析发现纺丝电压和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/丙酮质量比分别是影响纤维直径离散系数及纤维平均直径的显著因素,结合纤维膜的疏水性确定了优化的纺丝参数为DMF/丙酮质量比为9:1,纺丝电压为20 k V,进液流量为0.75 m L/h。②在优化的纺丝参数下制备了PVDF/PTFE复合纤维膜,研究PTFE含量及平均粒径对复合纤维膜理化性能的影响规律。PTFE的加入降低了复合纤维膜表面能的同时提高了粗糙度,在纺丝过程中促使PVDF局部非晶区转化为β相,从而有效地提高了复合纤维膜的疏水性及驻极性。PTFE平均粒径为100 nm时,复合纤维膜的纯水接触角最大,油接触角近似为零,β相含量显著提高,获得的复合纤维膜综合理化性能最佳。③通过测试过滤前后油样的酸值、微水含量、工频击穿电压及宽频介电谱研究了复合纤维膜对于油中不同污染物的滤除性能。在有机酸中,复合纤维膜对乙酸有着最佳的滤除效果,一次性滤除率最高可达69.4%,工频击穿电压从43.9 k V提升至64.4 k V,油样介质损耗因数及相对介电常数在低频处明显降低,接近于新油水平,表明油中的有机酸得到了充分滤除。复合纤维膜对于油中微量水分的一次性滤除率达到了76%,过滤后油样的微水含量降低至7.2 mg/L,工频击穿电压从21.8 k V提升至65.2 k V,PVDF/PTFE复合纤维膜对于油中微量水分及酸性产物有着较好的滤除效果,可有效恢复绝缘油的电气性能。④针对油中微量水分和有机酸初步评估了复合纤维滤膜的工作寿命。测试结果表明:PVDF/PTFE复合纤维膜具有良好的化学稳定性,其疏水性在油流冲击下不易被破坏,在净化油中微量水分时具有较高的工作寿命,使用面积为1.25×10-3 m~2的复合纤维膜过滤微水含量为28.8 mg/L的绝缘油5200 m L后,复合纤维的水分滤除性能开始劣化。有机酸中甲酸的极性和酸性均强于乙酸,复合纤维膜滤除油中乙酸时的工作寿命高于甲酸。添加PTFE颗粒提高了PVDF纤维膜的疏水性和驻极性能,提升了复合纤维膜对油中微量水分和有机酸的净化效果,有效恢复了绝缘油的电气性能。PVDF/PTFE复合纤维膜用于绝缘油净化可以简化后续处理流程,提高净化效率,具有广阔的应用前景。
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