短切纖維特性對間位芳綸紙電氣絕緣性能的影響

阮浩鷗， 律方成， 孫凱旋， 宋景萱， 常小斌， 樊思迪

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，北京 102206；2. 贛州龍邦材料科技有限公司，江西 贛州 341999）

0 引 言

新能源電力系統中，間位芳綸被視為制作新型絕緣紙的理想材料[1]。與纖維素紙相比，間位芳綸紙具有更高的電氣絕緣強度和熱力學穩定性，可提升設備絕緣裕度與過載運行能力[2]。目前，市面主流的間位芳綸紙產品是美國杜邦公司研發的Nomex絕緣紙，其中Nomex T410作為一款具有獨特性能優勢的純間位芳綸紙，占據了高端絕緣紙市場。目前，承載人身安全和重大經濟效益的變電設備如礦用隔爆變壓器、高鐵牽引變壓器、城市樞紐變壓器等，須以較大經濟代價進口該款絕緣紙[3]。因此，間位芳綸紙的國產化和高性能化成為絕緣材料領域的重要課題。

制備工藝是影響芳綸紙性能的重要因素。從芳綸紙全鏈條生產路徑來看，已有學者對部分關鍵造紙工藝開展了實驗研究。原料調控方面，YAO L等[4]對間位芳綸溶液的沉析工藝進行了探討，系統性地給出了凝固浴濃度、剪切轉速等參數對沉析纖維結構及成紙特性的影響規律；楊軍等[5]研究了不同分子量的沉析纖維對芳綸紙性能的影響，發現增加沉析纖維分子量對抗張強度、撕裂強度、斷裂伸長率和介電強度有益。濕法抄紙方面，王佩瑤等[6]研究了聚氧化乙烯分散劑對芳綸纖維懸浮液的屈服流變特性及其與成紙均勻度的關系，探索了懸浮液達到臨界流態化的條件，提出了高穩定性芳綸紙漿的分散劑調配策略；本課題組[7]研究了紙漿雜質殘留對芳綸紙性能的影響，從本征能帶和電荷陷阱兩個層面揭示了離子型、難溶性及其混合雜質對芳綸紙絕緣性能的削弱機制。熱壓處理方面，南通大學的YAO L等[8]討論了熱壓參數對芳綸紙性能的影響，發現隨著熱壓溫度提高，芳綸紙的力學性能呈現先升后降的趨勢，揭示了熱壓溫度擇優的必要性。陸趙情等[9]研究了熱壓中的水分殘留對芳綸紙性能的影響，發現適當的含水量有助于提升芳綸紙致密度與絕緣性能。已有研究揭示了多項原料方面與造紙方面參數對芳綸紙絕緣及其他性能的影響規律[10-11]，卻鮮見針對關鍵芳綸造紙原料——短切纖維的討論。

短切纖維被視為間位芳綸紙的骨架。為了滿足絕緣與力學性能的雙向需求，間位芳綸紙被設計為類似“纖維增強樹脂（FRP）[12]”的工程結構。短切纖維形態規整，具有高結晶度，可發揮“增強相”的作用，為芳綸紙提供堅韌的支撐骨架。而另一種造紙原料——沉析纖維具有熱壓易軟化、產物致密性好的特點，可保障芳綸紙的基本電氣阻隔[13]。借助沉析纖維的軟化，可以達成兩類纖維的界面粘合，從而制備出以間位芳綸為物質基礎，以“短切增強沉析”為結構特征的復合芳綸紙。目前，芳綸造紙工藝難以有效處理短切纖維與沉析纖維的界面缺陷問題，從而導致芳綸紙性能有所下降[14]。在這一技術背景下，短切纖維的制造參數選取顯得尤為重要。短切纖維由芳綸聚合溶液通過干噴、濕紡、拉伸、結晶、切割工藝制成，之后以一定配比與沉析纖維混合作為紙漿原料[15]。因此其制造參數主要為纖維直徑、長度、結晶溫度和配比，探究這些參數對芳綸紙性能的影響規律，對實現芳綸紙絕緣性能的提升具有重要意義。

本文采用控制變量法，研究短切纖維直徑、長度、結晶溫度和配比對間位芳綸紙結構與性能的影響。從擊穿強度、電導率、電荷陷阱3 個方面，對間位芳綸紙的電氣絕緣性能進行考量。然后根據芳綸紙微觀結構特征和力學性能指標，對短切纖維參數引起的電氣絕緣性能變化進行闡釋。希望研究結果能為國產間位芳綸紙改性提供理論和實驗參考。

1 試 驗

1.1 主要原材料

間位芳綸短切纖維和沉析纖維由贛州龍邦材料科技有限公司提供，涉及9 種不同類型的短切纖維，具體命名與短切纖維參數見表1。制備實驗中，選取直徑25 μm、長度6 mm、結晶溫度300℃的短切纖維以30%的質量分數制備而成的芳綸紙為參照樣品C0，采用控制變量法開展制備實驗，纖維直徑取25、35、45 μm，纖維長度取6、12、18 mm，纖維結晶溫度取300、290、270、250、230 ℃，短切纖維質量占比取100%、90%、80%、70%、60%、50%。無水乙醇、聚氧化乙烯分散劑購自阿拉丁生化科技有限公司。

1.2 間位芳綸紙的制備

取1 940 mL 去離子水、2.8 g 沉析纖維和60 mL質量分數為0.05%的聚氧化乙烯水溶液，混合于剪切分散機中，以900 r/min 的轉速分散30 min。之后將漿料轉移至纖維疏解器，加入1.2 g 短切纖維，以2 500 r/min 的轉速疏解30 min。將紙漿倒入造紙機筒進行抄造和壓榨處理，然后將芳綸紙移至烘箱，在80℃下干燥30 min。最后采用平板硫化機和鍍鉻鎢鋼模具，以270℃、10 MPa、15 s 的參數熱壓3次，進行壓實處理。上述造紙工藝下，芳綸紙的質量損失率控制在5%以下，芳綸紙厚度為(0.13±0.02) mm，定量控制在32 g/m2。

1.3 芳綸紙結構與性能表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM，Zeiss Gemini 300型）觀測芳綸紙的微觀形貌，制樣時，采用尺寸為1 mm×1 mm 的方形沖片模具對芳綸紙進行取樣，并在測試前分別按照橫向、豎向粘貼，以觀測芳綸紙的表面與截面，同時噴鍍Pt 以增強成像。采用標準直徑分別為25 mm 和75 mm 的柱、板電極和交流電壓源測試芳綸紙的交流擊穿強度，將擊穿電壓除以擊穿點厚度獲得擊穿強度，每個芳綸紙重復測試9次并進行Weibull擬合[16]。

采用三電極法[17]測試芳綸紙的電導率，測試平臺如圖1(a)所示。測量時下電極電壓U為1 kV，加壓5 min待電流穩定后讀數，據式（1）計算電導率。式（1）中：Iv為皮安表讀數；Th為芳綸紙厚度；r為柱電極半徑。

圖1 電氣性能測試平臺Fig.1 Platforms of electrical performance

采用等溫表面電位衰減法[18]測試芳綸紙的電荷陷阱特性，測試平臺如圖1(b)所示。測試時芳綸紙置于60℃接地鋁箔上，通過5 kV 針電暈充電2 min，然后將芳綸紙移至串接靜電儀（Trek 3455ET）的探頭下（Trek P0864），用數采卡監測表面電位720 s，通過式（2）~（3）推算陷阱曲線參數，包括陷阱深度ET和陷阱密度I(t)。

式（2）～（3）中：t為時間；kB為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度；v為電荷逃逸頻率，在直流電場中取4.17×1013s-1；εr和ε0分別為相對介電常數和真空介電常數。

采用恒速拉伸法測試芳綸紙的拉伸強度和楊氏模量，測試時將芳綸紙裁剪為尺寸為150 mm×25 mm 的樣條，采用萬能試驗機（DR-LL-2J 型，廣東德瑞檢測設備有限公司），以100 mm 的夾持距離、100 mm/min 的拉伸速率進行測試，當斷裂處與夾持邊的最短距離大于10 mm 時，認為測試有效。每組芳綸紙測試3次，取平均值和標準差進行分析。

2 結果與分析

2.1 纖維直徑對芳綸紙電氣絕緣性能的影響

圖2為FC0（直徑為25 μm）、FD1.5（直徑為35 μm）、FD2（直徑為45 μm）短切纖維的SEM 圖像。從圖2 可以看出，不同直徑纖維的表面光滑度及形態特征相近。

圖2 不同直徑短切纖維的SEM圖像Fig.2 SEM images of chopped fibers with differed diameters

圖3為不同直徑短切纖維制得芳綸紙的電氣絕緣性能測試結果。從圖3(a)可以看出，C0 芳綸紙的擊穿強度為23.4 kV/mm，隨著纖維直徑增加，擊穿強度先緩慢下降然后急劇下降，D1.5 的擊穿強度為22.9 kV/mm，D2 的擊穿強度則降至19.7 kV/mm，相比C0 下降了16%。從圖3(b)可以看出，C0 的電導率為1.23×10-16S/m，隨著纖維直徑增加，電導率呈遞增趨勢，其中D2 的電導率升至1.15×10-15S/m，比C0 提高了10 倍。從圖3(c)可以看出，C0 的初始電位為3.15 kV，720 s 后電位保持率為95%，隨著纖維直徑增加，初始電位及保持率呈現遞減趨勢，其中D2的初始電位和720 s后的電位保持率分別下降至2.18 kV和80%。從圖3(d)可以看出，C0的深陷阱深度為1.18 eV，深陷阱密度為8.46×1011eV-1·m-3，淺陷阱深度約為1.07 eV，淺陷阱密度約為7.65×1011eV-1·m-3。隨著纖維直徑增加，芳綸紙陷阱曲線發生淺化，深陷阱中心左移且密度降低，同時淺陷阱密度增大。其中D2 的深陷阱深度達到1.14 eV，密度降低至5.47×1011eV-1·m-3，同時，淺陷阱深度變為1.06 eV，密度提高至1.22×1011eV-1·m-3。上述結果說明，相比直徑為25 μm 的纖維，直徑為35 μm 的纖維對芳綸紙電氣性能的影響幅度不大，但當纖維直徑增加至45 μm 時，芳綸紙的電氣絕緣性能會被嚴重削弱，擊穿強度的降低幅度可達16%，并伴有電導電流增加和陷阱淺化。

圖3 纖維直徑對芳綸紙電氣性能的影響Fig.3 The influence of fiber diameter on the electrical performance of aramid papers

圖4為不同直徑短切纖維制得芳綸紙的SEM圖像，分別用虛線標記了沉析和短切纖維的形態特點。

圖4 不同直徑短切纖維所造芳綸紙的SEM圖像Fig.4 SEM images of aramid papers prepared by chopped fibers with different diameters

從圖4 可以看出，C0 表面相對平整，短切纖維包埋程度較高，但其表面仍存在大量界面孔隙，這說明造紙工藝無法形成如同FRP 的緊密組分粘合，這源于熱壓中沉析纖維僅發生軟化，而非呈現類似樹脂的流動狀態；同時，短切纖維對壓力的過度分擔，導致部分短切纖維側面的沉析纖維無法軟化粘結，從而不可避免地形成界面孔隙。同時，C0 截面也存在短切纖維脫離和鏤空現象，這說明即使在熱壓方向上，沉析纖維也無法形成連續封閉結構，這源于短切纖維與沉析纖維的相容性不夠理想。隨著纖維直徑增加，芳綸紙的界面缺陷逐漸加重。紙面內孔隙增多，截面中纖維脫離和鏤空現象更加嚴重，D2 表面甚至出現了短切纖維裸露，截面出現了短切纖維懸空。上述結果說明，當短切纖維直徑增加時，沉析纖維對短切纖維的包覆程度降低，截面觀測到的短切纖維脫出區域增多，纖維界面孔隙增加，芳綸紙結構的連續性降低，可認為是造成絕緣下降的原因。

圖5為不同短切纖維直徑所造芳綸紙的力學性能測試結果。從圖5 可以看出，C0 的彈性模量為1.56 GPa，拉伸強度為33.5 MPa。隨著纖維直徑增加，芳綸紙的彈性模量和拉伸強度總體呈現遞減趨勢。D2 的彈性模量和拉伸強度分別降低至1.02 GPa 和25.3 MPa，相對C0 分別下降了35%和24%。相比擊穿強度降幅，力學性能的降幅更大，這是因為力學性能與短切網絡相關，電氣性能則與纖維界面相關。短切纖維直徑增加時，纖維界面缺陷呈現先緩后急的遞增趨勢，當短切纖維質量一定時，纖維直徑越大，則纖維數量越少，且隨著直徑線性增加，單根纖維體積呈二次增加，導致纖維數量驟減，從而影響到纖維網絡的均勻性和對局部斷裂的約束能力，導致D2的力學性能下降較大。

圖5 不同直徑短切纖維所造芳綸紙的力學性能測試結果Fig.5 Mechanical properties testing results of aramid papers prepared by chopped fibers with different diameters

2.2 纖維長度對芳綸紙電氣絕緣性能的影響

圖6為不同長度短切纖維所造芳綸紙的電氣性能測試結果。從圖6(a)可以看出，隨纖維長度的增加，芳綸紙的擊穿強度呈線性遞減，其中L18的擊穿強度為8.7 kV/mm，相比C0 下降約63%。從圖6(b)可以看出，隨著纖維長度的增加，芳綸紙的電導率呈線性遞增，其中L18的電導率為7.78×10-15S/m，相比C0提高了62倍。從圖6(c)可以看出，隨著纖維長度增加，芳綸紙的初始電位由C0 的2.97 kV 下降至L12 的1.07 kV 和L18 的0.24 kV，720 s 后電位保持率由96%分別降至28%、6%。從圖6(d)可以看出，隨著纖維長度的增加，芳綸紙陷阱曲線發生嚴重淺化。相比于C0，L12 深陷阱深度降低至1.11 eV，密度降低至1.29×1011eV-1·m-3，淺陷阱深度為1.01 eV，密度增加至1.80×1011eV-1·m-3。L18 的深陷阱深度減小至1.08 eV，密度降至小于1×1010eV-1·m-3。上述結果說明，短切纖維長度增加至12 mm、18 mm 時，芳綸紙的擊穿強度降幅可達64%，同時伴有明顯的電導率提高和電荷陷阱淺化。

圖6 纖維長度對芳綸紙電氣性能的影響Fig.6 The influence of fiber length on the electrical performance of aramid papers

圖7為不同長度短切纖維制得芳綸紙的SEM圖像。從圖4(a)、(b)和圖7 可以看出，隨著短切纖維長度的增加，芳綸紙纖維界面缺陷加重，尤其是L18表面出現了沉析纖維的鏤空區域，且產生了短切纖維接觸形成的“硬”質界面。上述結果說明，短切纖維過長會導致成紙結構松散，這源于較長纖維在紙漿中的纏繞蜷曲，這也是L18 擊穿強度大幅下降的原因。

圖7 不同長度短切纖維所造芳綸紙的SEM圖像Fig.7 SEM images of aramid papers prepared by chopped fibers with different lengths

圖8為不同長度短切纖維所造的芳綸紙的力學性能測試結果。從圖8 可以看出，隨著纖維長度的增加，芳綸紙的拉伸強度呈遞減趨勢，L12 和L18 的拉伸強度分別為28.8 MPa 和27.8 MPa，其中L18 的拉伸強度相對C0 降低了17%。芳綸紙的彈性模量則隨纖維長度增加呈先減后增趨勢，L12 和L18 的彈性模量分別為1.36 GPa 和1.48 GPa，L12 的彈性模量相對C0（1.56 GPa）降低了13%。當纖維長度增加時，力學性能的變化幅度明顯小于擊穿強度的變化幅度，結合微觀表征可解釋如下：從力學拉伸的角度看，一根較長的短切纖維蜷曲為多根并排狀，和多根較短的短切纖維直接并聯，在應變過程中沒有較大差異。但從電氣絕緣的角度看，采用長度為12 mm 和18 mm 的纖維將加重纖維界面缺陷程度，甚至產生短切纖維間的硬質界面，進而對芳綸紙的電氣絕緣性能產生明顯削弱作用。

圖8 不同長度短切纖維所造芳綸紙的力學性能測試結果Fig.8 Mechanical testing results of aramid papers prepared by chopped fibers with different lengths

2.3 結晶溫度對芳綸紙電氣絕緣性能的影響

圖9為結晶溫度從290℃降至230℃時的短切纖維SEM 圖。從圖9 可以看出，隨著結晶溫度的降低，纖維表面粗糙度增加，出現溝壑狀形貌。圖10為不同結晶溫度下短切纖維的XRD 測試結果。從圖10 可以看出，短切纖維主要在2θ為17.3°、23.5°和27.1°處出現對應(110)、(200)和(211)晶面的衍射峰，降低結晶溫度后，衍射峰削弱，表明短切纖維的結晶度有所下降，這是由于較低結晶溫度下分子鏈運動約束較大，更難形成鏈間氫鍵和晶體結構[19-20]。

圖9 不同結晶溫度下短切纖維的SEMFig.9 SEM images of chopped fibers under different crystalizing temperature

圖10 不同結晶溫度下短切纖維的XRDFig.10 XRD of chopped fibers under different crystalizing temperature

圖11 為不同結晶溫度短切纖維所造芳綸紙的電氣絕緣性能測試結果。從圖11(a)可以看出，隨著結晶溫度降低，芳綸紙的擊穿強度呈先緩后急的遞減趨勢，T290、T270 相對C0（23.4 kV/mm）的降幅不大，但T250 和T230 降幅明顯，擊穿強度分別為20.5kV/mm 和15.0 kV/mm，相比C0下降了12%和36%。從圖11(b)可以看出，芳綸紙的電導率隨結晶溫度的變化趨勢與擊穿強度相反，具有較低擊穿強度的T250 和T230 的電導率分別提升至1.89×10-15S/m 和4.78×10-15S/m，其中T230 的電導率相比C0（1.23×10-16S/m）提升約38 倍。從圖11(c)可以看出，隨著結晶溫度下降，芳綸紙的初始電位和電位保持率均降低，當結晶溫度為230℃時，芳綸紙的初始電位為1.57 kV，相比C0（3.15 kV）降低了50%，同時電位保持率下降至59%。從圖11(d)可以看出，隨著結晶溫度降低，芳綸紙的陷阱分布發生淺化，深陷阱深度和密度減小，淺陷阱深度減小，密度略有增加。其中T230 的深陷阱深度為1.12 eV，密度為3.46×1011eV-1·m-3，淺陷阱深度為1.04 eV，密度為1.48×1011eV-1·m-3，曲線呈現明顯的淺陷阱峰，說明絕緣強度受到損傷。上述結果說明，短切纖維結晶溫度降至250℃及以下時，芳綸紙的絕緣性能會顯著受損。

圖11 結晶溫度對芳綸紙電氣性能的影響Fig.11 The influence of crystalline temperature on the electrical performance of aramid papers

圖12為不同結晶溫度短切纖維所造芳綸紙的SEM 圖像。從圖12 可以看出，隨著結晶溫度的降低，界面缺陷先顯現出一定程度改善，這源自于略低結晶溫度下短切纖維結晶度適度降低，與沉析纖維的結構差異性縮小，界面得到改善。然而，結晶溫度進一步降低至250℃和230℃時，短切纖維規整度降低，出現“Y”型畸變，這源于低結晶度纖維在熱壓中的熔融，也與其在打漿中因結晶度和強度較低產生的劈裂受損有關。不論哪種畸形纖維，都意味著更復雜的界面情況和更易產生孔隙缺陷，同時低結晶溫度也會造成纖維本體強度降低。

圖12 不同結晶溫度短切纖維所造芳綸紙的SEM圖像Fig.12 SEM images of aramid papers prepared by chopped fibers with different crystalline temperatures

圖13為不同結晶溫度短切纖維所造芳綸紙的力學性能測試結果。從圖13可以看出，隨著結晶溫度的降低，芳綸紙的彈性模量和拉伸強度整體呈現先緩后急的遞減趨勢。當結晶溫度高于270℃時，兩項力學性能指標降幅較小。當結晶溫度低于250℃后，力學性能下降嚴重，其中T230的強度和模量分別為16.9 MPa和1.13 GPa，分別比C0的拉伸強度（33.5 MPa）和彈性模量（1.56 GPa）下降了50%和28%。上述結果表明，短切纖維結晶溫度對芳綸紙電氣與力學性能的影響具有閾值跳變特點，跳變點為250℃。結晶溫度尚不過低時，短切纖維本體強度下降幅度不大，且因結晶度下降導致與沉析纖維的界面作用得到改善，補償了本體性能下降帶來的絕緣和機械強度削弱，使得T290 和T270 呈現出與C0 相當的性能水平。然而，當結晶溫度過低時，主要矛盾轉變為纖維本體的嚴重損傷，畸形纖維引入了過多的界面缺陷，而受損纖維的機械強度也大幅下降，導致T250和T230發生性能驟降。

圖13 不同結晶溫度短切纖維所造芳綸紙的力學性能Fig.13 Mechanical properties of aramid papers prepared by chopped fibers with different crystalline temperatures

2.4 纖維配比對芳綸紙電氣絕緣性能的影響

纖維配比是間位芳綸紙抄造的關鍵參數。一般情況下，沉析纖維占比提高，芳綸紙致密度、柔順性乃至抄紙工藝可控性都會提高。但為了均衡芳綸紙的結構強度，紙中須添加足量的短切纖維[21]。本研究以相對常見的7/3（沉析纖維與短切纖維的質量比為7∶3，即C0）作為參照，討論10/0至5/5的6 種配比對芳綸紙性能的影響。

圖14為不同纖維配比芳綸紙的絕緣性能測試結果。從圖14(a)可以看出，隨著短切纖維占比提高，芳綸紙的擊穿強度呈先升后降趨勢。10/0 芳綸紙的擊穿強度為27.4 kV/mm，9/1 時芳綸紙的擊穿強度提高至30.1 kV/mm，比C0（23.4 kV/mm）提升了29%。繼續提高短切纖維占比，芳綸紙的擊穿強度卻逐步下降，5/5 時芳綸紙的擊穿強度相比9/1 時下降了50%，這說明僅摻雜少量短切纖維對提升芳綸紙擊穿強度有益。從圖14(b)可以看出，當短切纖維占比小于30%時，芳綸紙的電導率隨配比變化不明顯。當其占比超過40%后，電導率提升幅度變大，6/4 和5/5 芳綸紙的電導率分別為1.22×10-15S/m和3.02×10-15S/m，相對7/3 時分別提高了10 倍和30倍。從圖14(c)可以看出，隨著短切纖維占比提升，芳綸紙的初始電位不斷降低，5/5時芳綸紙的初始電位低至2.05 kV，同時其電位保持率也降至59%。從圖14(d)可以看出，擊穿強度低的芳綸紙如6/4 和5/5，均呈現出明顯的陷阱淺化。而擊穿強度相對7/3更高的芳綸紙如9/1、8/2 和10/0，則具有更偏深陷阱的曲線特征。從數值上看，7/3 的深陷阱深度為1.18 eV，9/1、8/2 和10/0 的深陷阱深度分別增加至1.25、1.22、1.19 eV，這說明少于3 份的短切纖維占比，尤其是9/1 芳綸紙維持了良好的深陷阱特性，對載流子束縛力較強。上述結果說明，從電氣絕緣的角度，因考慮力學性能而采取的7/3 并不是最優配比，9/1具有最高的擊穿強度。

圖14 纖維配比對芳綸紙電氣性能的影響Fig.14 The influence of fiber ratio on the electrical performance of aramid papers

圖15為不同纖維配比芳綸紙的SEM 圖。根據一般造紙經驗，由于熱壓過程中短切纖維的形態剛性和沉析纖維可被熔融軟化的性質，沉析占比越高的芳綸紙應呈現出更高的致密度和平整度。然而，從圖15 可以看出，10/0 芳綸紙的表面卻呈現大量的沉析纖維孔洞，這說明當缺乏短切纖維作為骨架時，沉析芳綸紙在熱壓中無法維持穩定性；隨著短切纖維占比提高，表面致密度先呈現出改善效果，9/1達到最優，之后開始下降。尤其對于過高短切纖維占比的6/4 和5/5 芳綸紙，其存在大量短切纖維間的硬質界面，形成了大面積的沉析纖維鏤空。

圖15 不同纖維配比的芳綸紙SEM圖像Fig.15 SEM images of aramid papers with different fiber ratios

圖16為不同纖維配比芳綸紙的力學性能測試結果。從圖16 可以看出，10/0 芳綸紙的拉伸強度和彈性模量分別為11 MPa 和1.31 GPa，僅為7/3 芳綸紙的33%和84%。隨著短切纖維占比增加，芳綸紙的拉伸強度和彈性模量不斷增長，但各占比區間內的力學性能增速存在差異。對于9/1 芳綸紙，其拉伸強度和彈性模量分別為15.9 MPa 和1.33 GPa，相對10/0 芳綸紙提升并不明顯，這可能是由于短切纖維占比尚且較低，短切纖維無法覆蓋整張芳綸紙，造成芳綸紙中存在由純沉析纖維組成的薄弱區域，限制了芳綸紙整體力學性能提升。當短切占比提高至20%時，拉伸強度和彈性模量大幅改善，分別達到了28.3 MPa 和1.481 GPa，說明此時短切纖維網絡的連續性增強，芳綸紙由沉析纖維主導的脆性向短切纖維主導的韌性轉變。進一步增加短切纖維占比時，兩項力學性能指標增速再次放緩，這說明在短切纖維占比較高時，新產生的缺陷折損了芳綸紙的力學性能。結合圖15 中的界面與短切纖維形態變化可知，高短切纖維占比會產生短切纖維-短切纖維形式的“硬”質界面，同時生成更多的短切纖維-沉析纖維界面孔隙，從而影響芳綸紙的力學性能。

圖16 不同纖維配比的芳綸紙力學性能Fig.16 Mechanical properties of aramid papers with different fiber ratios

3 結 論

本文采用控制變量法，以短切纖維直徑為25 μm、長度為6 mm、結晶溫度為300℃、短切纖維占比為30%的參數制備的間位芳綸紙為參照，研究了短切纖維特性及占比對間位芳綸紙電氣絕緣性能的影響，得到如下結論。

（1）在短切纖維直徑增加至45 μm 的過程中，成紙中沉析纖維對短切纖維的包覆度下降，沉析纖維鏤空、短切纖維脫出等界面缺陷加劇，導致芳綸紙的擊穿強度、拉伸強度降幅達16%、24%，電導率提升了10倍。

（2）在短切纖維長度增加至18 mm 的過程中，短切纖維發生蜷繞，產生難以調和的短切纖維間“硬質”界面，由此導致間位芳綸紙的擊穿強度降幅達63%，電導率提高了62 倍，但因短切纖維網絡沒有受損，芳綸紙的拉伸強度并未降低。

（3）在纖維結晶溫度降低至230℃的過程中，短切纖維結晶度下降，本體結構穩定性減弱，在熱壓中出現熔融分叉現象，導致擊穿強度、拉伸強度降幅達36%和50%，電導率提升了40 倍，且性能衰減主要存在于結晶溫度低于250℃的芳綸紙中。

（4）在短切纖維占比由0遞增至50%的過程中，間位芳綸紙的拉伸強度呈單調遞增趨勢，而擊穿強度則隨芳綸紙致密度呈先增后減的趨勢，在占比為10%時達到最優，擊穿強度相比參照樣提升了29%，電導率與參照樣接近。