鄒田甜，孫傳聰，熊秋菊，甄 珍，劉 威

（山東省藥品食品職業(yè)學(xué)院，山東 威海 264200）

0 引言

由絕緣紙和絕緣油組成的復(fù)合絕緣是油浸式電力設(shè)備應(yīng)用最廣泛的內(nèi)絕緣形式，其中天然纖維素絕緣紙因絕緣及力學(xué)性能好、環(huán)保可再生以及經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于油紙絕緣中[1]。木質(zhì)纖維素經(jīng)打漿、成型等造紙工藝后制成絕緣紙板，經(jīng)礦物絕緣油充分浸漬后的介電常數(shù)（εboard=4.1～4.8）為礦物絕緣油（εoil≈2.2）的兩倍及以上[2]。在交變場(chǎng)強(qiáng)下，絕緣油承擔(dān)更高的場(chǎng)強(qiáng)，而其電氣強(qiáng)度又遠(yuǎn)小于絕緣紙板，使得變壓器中導(dǎo)體與墊塊之間的楔形油隙成為內(nèi)絕緣中一個(gè)典型的薄弱環(huán)節(jié)[3]。降低絕緣紙板的介電常數(shù)可以相應(yīng)減小油隙的場(chǎng)強(qiáng)，尤其對(duì)于變壓器中0.2 mm左右的小油隙效果更為明顯。研究表明[4-5]，當(dāng)絕緣紙介電常數(shù)降低至3.5及以下時(shí)，油隙中的場(chǎng)強(qiáng)分布可得到明顯的改善，電氣強(qiáng)度及放電起始電壓可得到較大的提高。

有研究通過(guò)將低介電常數(shù)的聚合物粉末、顆粒纖維或片層結(jié)構(gòu)物質(zhì)與纖維素纖維進(jìn)行共混以制備更低介電常數(shù)的絕緣紙[6]，具有代表性的是日本三菱制紙株式會(huì)社于20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的商品型號(hào)為PB-T和PB-TC的兩種絕緣紙板，它們是由聚甲基戊烯（PMP）纖維和纖維素通過(guò)共混的方式制備而成，其相對(duì)介電常數(shù)為3.5，與傳統(tǒng)絕緣紙板墊片相比擊穿電壓提升了30%[7]。但由于PMP纖維與天然纖維質(zhì)量以及親水性的差異，導(dǎo)致抄造過(guò)程中在纖維均勻分散方面遇到較多問(wèn)題，使得成紙的介質(zhì)損耗較高，且力學(xué)性能難以滿(mǎn)足要求[8]。也有研究直接采用低介電常數(shù)的聚合物或人工合成纖維材料制備成絕緣紙，可完全替代纖維素絕緣紙[9-10]。例如杜邦公司采用聚間苯二甲酰間苯二胺短切纖維通過(guò)人工制備N(xiāo)omex紙（芳綸1313，PMTA）[11]，其介電常數(shù)僅為3.0左右，且具有較好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，是一種非常有前景的絕緣材料，在油浸式電力設(shè)備中已經(jīng)得到了應(yīng)用，但由于成本較高僅在設(shè)備的集熱點(diǎn)或重要部位有所應(yīng)用，未得到大面積的推廣。

由于人工合成PMTA纖維在絕緣、力學(xué)和熱穩(wěn)定性能方面的優(yōu)異表現(xiàn)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注?？梢詫⑵渥鳛橐环N增強(qiáng)材料，通過(guò)少量添加到基體中實(shí)現(xiàn)性能的提升。已有研究表明，在聚酰亞胺、橡膠等聚合物中摻雜少量PMTA可有效提高基體的熱穩(wěn)定性[12]。由于PMTA纖維的極性較弱，也有學(xué)者嘗試在天然纖維紙漿中添加少量PMTA以降低成紙的介電常數(shù)或提高電氣強(qiáng)度。然而，研究發(fā)現(xiàn)PMTA結(jié)構(gòu)特殊（如圖1所示），存在大量苯環(huán)，不易移動(dòng)，使得酰胺基上的氫原子反應(yīng)活性很差[11]，導(dǎo)致其與基體材料的界面結(jié)合性不好，在很大程度上影響了復(fù)合材料的力學(xué)性能。

圖1 PMTA的分子結(jié)構(gòu)式Fig.1 Molecular structure formula of PMTA

提高PMTA纖維的表面活性，使其與基體材料更好地結(jié)合是當(dāng)前的研究難點(diǎn)。目前對(duì)PMTA纖維的表面改性方法主要有化學(xué)法和物理法[13]?；瘜W(xué)法是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在PMTA表面引入活性基團(tuán)，如利用乙酸酐試劑的表面蝕刻法、利用硝化反應(yīng)在苯環(huán)上引入硝基的表面接枝法等。然而化學(xué)法處理往往反應(yīng)條件苛刻，尤其是反應(yīng)時(shí)間難以控制，化學(xué)試劑的過(guò)度處理也會(huì)對(duì)纖維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，影響其性能的發(fā)揮[13]。物理法則主要是通過(guò)高速粒子濺射作用，使PMTA表面變得粗糙，從而增大與基體材料間的結(jié)合力，常用的物理法有等離子體處理法、超聲波法、γ射線(xiàn)法等[14]。與化學(xué)法相比，物理法操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、不需要催化劑，更重要的是對(duì)纖維無(wú)損害，有利于保持PMTA自身的優(yōu)異性能。

等離子體處理是目前研究最多的一種物理改性PMTA的方法，利用等離子體理化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)PMTA功能的改變。其原理為在低壓作用下，分子間距離及分子的自由運(yùn)動(dòng)距離會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，同時(shí)在電場(chǎng)作用下，分子會(huì)發(fā)生碰撞形成等離子體，產(chǎn)生輝光放電[15]，一方面高速電子撞擊PMTA表面產(chǎn)生蝕刻作用提高PMTA表面的粗糙度，另一方面高活性的自由基和離子會(huì)破壞PMTA表面的化學(xué)鍵，然后與斷鍵結(jié)合形成新的基團(tuán)，增大纖維的比表面積和表面自由能，從而提高纖維與基體間界面的粘結(jié)強(qiáng)度[16]。該方法處理深度僅在數(shù)十納米以?xún)?nèi)，在改性程度調(diào)控方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)[17-18]，等離子體改性后的芳綸纖維與樹(shù)脂、橡膠等材料間的界面抗剪切強(qiáng)度顯著提高。這為通過(guò)等離子體改性來(lái)增大PMTA與纖維素紙基材料間的結(jié)合力提供了借鑒，然而目前關(guān)于這方面的研究較少。

本研究擬采用低溫等離子體處理PMTA，改善其與纖維素基體摻雜時(shí)的界面不相容性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低絕緣紙介電常數(shù)的目的。首先，分別制備低溫等離子體處理PMTA/纖維素和未處理PMTA/纖維素復(fù)合紙，對(duì)比分析低溫等離子體改性對(duì)增強(qiáng)兩種纖維間結(jié)合性的有效性。然后，通過(guò)測(cè)試其性能變化初步研究摻雜配比對(duì)復(fù)合紙性能的影響，借助掃描電子顯微鏡（SEM）和X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）對(duì)絕緣紙的微觀(guān)形貌和化學(xué)元素進(jìn)行表征，進(jìn)一步分析低溫等離子體處理對(duì)提升PMTA改性絕緣紙力學(xué)性能的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

纖維素木漿為俄羅斯進(jìn)口的未漂針葉木硫酸鹽漿；PMTA短切纖維，長(zhǎng)度為35 mm，直徑約為10 μm，介電常數(shù)為2.7（50 Hz），杜邦公司；25#絕緣油，美央環(huán)保科技有限公司；丙酮（98%）和乙醇（≥99.5%），上海阿拉丁生化科技有限公司；紙張制備過(guò)程中的用水均采用電阻率為18.25 MΩ·cm的去離子水。

1.2 樣品制備

為了探究低溫等離子體改性處理后的PMTA短切纖維對(duì)絕緣紙性能的影響，在實(shí)驗(yàn)室中分別制備低溫等離子體處理PMTA/纖維素絕緣紙和未處理PMTA/纖維素絕緣紙進(jìn)行對(duì)比。常用的等離子體處理氣體包括 O2、H2、NH3和惰性氣體等[18-19]。因?yàn)槎栊詺怏w僅對(duì)纖維表面有蝕刻作用，不能引入新的官能團(tuán)，因此本研究不予考慮；而O2環(huán)境下會(huì)在PMTA中引入-COOH，對(duì)其長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性造成影響；H2的強(qiáng)還原性則多適用于金屬表面的處理，因此綜合考慮本研究采用NH3作為處理氣體[20]。處理過(guò)程如下[17-18]：首先用丙酮在75℃下浸泡PMTA短切纖維24 h，去除纖維表面的附著物，取出后用無(wú)水乙醇洗滌，去除纖維表面的灰塵、油污等雜質(zhì)，然后放入100℃的真空烘箱中干燥3 h。將干燥后的PM‐TA短切纖維放入低溫等離子體處理腔內(nèi)，抽壓至3～4 Pa后以30 L/min的流量通入NH3，再抽真空，如此重復(fù)以上操作3次，以保證腔體內(nèi)無(wú)其他氣體雜質(zhì)，然后再次向腔體中通入NH3，并保持腔體中的壓力恒定為30 Pa。因?yàn)樘幚頃r(shí)間過(guò)長(zhǎng)或功率過(guò)大，等離子體的刻蝕作用會(huì)將先前產(chǎn)生的溝槽或引入的極性基團(tuán)剝離掉；處理時(shí)間過(guò)短或功率過(guò)小，改性效果不明顯，所以本研究選擇在200 W放電功率下處理15 min。處理完畢后打開(kāi)射頻電源進(jìn)行放電，取出PMTA備用。

將處理前后的PMTA短切纖維分別與纖維素漿粕按照一定的配比共混，通過(guò)解離、過(guò)濾、烘干等步驟抄造復(fù)合絕緣紙[21]，考慮到PMTA摻雜量過(guò)低時(shí)，對(duì)介電性能影響效果較小，而過(guò)高時(shí)，又會(huì)造成力學(xué)性能的大幅下降，本研究選擇PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～40%，樣品編號(hào)及配方如表1所示。制備的絕緣紙手抄片直徑為20 cm，平均厚度約為0.13 mm，纖維的密度約為120 g/cm2。

表1 絕緣紙樣品編號(hào)及配方Tab.1 Insulating paper sample numbers and formula

1.3 性能測(cè)試

為避免樣品受潮后極性水分子對(duì)電氣性能的影響，在測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行干燥及真空浸漬等預(yù)處理[21]：將直徑為3.5 cm的絕緣紙樣品在90℃、100 Pa條件下脫氣干燥48 h，同時(shí)將25#絕緣油在60℃、100 Pa下脫氣干燥24 h，隨后將絕緣油和紙絕緣按照質(zhì)量比為20∶1混合后在60℃/100 Pa真空干燥箱中浸漬24 h，備用。

按照IEC 60250-1969，采用Concept 80型寬頻介電譜儀測(cè)試樣品的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)；按照ISO 1924/3:2005采用AT-L-1型拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率；按照IEC 60243-1:2013，采用DRK218型固體絕緣材料電壓擊穿測(cè)定儀測(cè)試樣品的交/直流電氣強(qiáng)度；按照IEC 60093:1980，采用Keithley 6517B型靜電計(jì)測(cè)試樣品的體積電阻率。

利用FPMRC-SEM-200型電子顯微鏡觀(guān)測(cè)和比較PMTA短切纖維在低溫等離子體處理前后的形貌變化以及復(fù)合絕緣紙的微觀(guān)形貌。在觀(guān)察之前，需對(duì)所有樣品噴鍍厚度為25 nm的金層。

利用X射線(xiàn)光電子能譜分析經(jīng)低溫等離子體處理及未經(jīng)處理的PMTA纖維表面化學(xué)成分。用單色Al-K X射線(xiàn)源（H=1 486.6 eV，瓦數(shù)為250 W），在1.33×10-11Pa的分析室中加壓獲得XPS光譜。

2 介電性能和力學(xué)性能結(jié)果與分析

2.1 PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙性能

圖2為P0～P4樣品的介電性能測(cè)試結(jié)果。從圖2可以看出，添加PMTA纖維后的絕緣紙相對(duì)介電常數(shù)均低于未添加PMTA纖維的絕緣紙，并且隨著PMTA短切纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。表2給出了工頻（50 Hz）下P0～P4樣品的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。從表2可知，當(dāng)PMTA纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、20%、40%時(shí)，與未添加PMTA纖維的絕緣紙相比，復(fù)合絕緣紙的介電常數(shù)依次降低了3.5%、11.4%、14.4%、22.6%，介質(zhì)損耗因數(shù)的變化趨勢(shì)與介電常數(shù)表現(xiàn)出相似的規(guī)律。這是由于一定量低極性PMTA的添加會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕緣紙內(nèi)分子轉(zhuǎn)向極化率減少，從而使其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)降低。

圖2 PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙的介電性能Fig.2 Dielectric properties of PMTA/cellulose composite insulating papers

表2 PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)（工頻50 Hz）Tab.2 Relative permittivity and dielectric loss factor of PMTA/cellulose composite insulating papers(50 Hz)

圖3為P0～P4樣品的抗張強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果。從圖3可以看出，與未添加PMTA纖維的絕緣紙相比，PMTA纖維的添加造成復(fù)合絕緣紙的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均有不同程度的下降，且添加量越高，下降幅度越大。結(jié)果表明，單純將PMTA和天然纖維進(jìn)行物理復(fù)合，雖然低極性的PMTA降低了復(fù)合絕緣紙的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗因數(shù)，但由于兩種纖維無(wú)法有效結(jié)合，紙的機(jī)械強(qiáng)度明顯下降，無(wú)法滿(mǎn)足工程需求。

圖3 PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of PMTA/cellulose composite insulating papers

2.2 低溫等離子體處理PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙性能

圖4為P5～P8樣品的介電性能測(cè)試結(jié)果，表3給出了工頻（50 Hz）下P5～P8樣品的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)。從圖4可以看出，低溫等離子體處理后的PMTA/纖維素絕緣紙的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)隨PMTA含量的變化呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。對(duì)比表2和表3發(fā)現(xiàn)，在50 Hz下，兩種復(fù)合絕緣紙的εr相差不大，但是tanδ有較大差異，低溫等離子體處理PMTA后的復(fù)合絕緣紙介質(zhì)損耗因數(shù)相比未處理時(shí)有不同程度下降，摻雜量越高，下降幅度越大，這可能是因?yàn)榻?jīng)低溫等離子體處理后PMTA表面的活性官能團(tuán)增多，與纖維素在界面處的結(jié)合強(qiáng)度提高，在電場(chǎng)作用下，兩種纖維交界處的界面極化降低，從而使介質(zhì)損耗降低。

圖4 低溫等離子體處理PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙的介電性能Fig.4 Dielectric properties of PMTA/cellulose composite insulating papers treated by low temperature plasma

表3 低溫等離子體處理PMTA/纖維素復(fù)合紙的相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)（工頻50 Hz）Tab.3 Relative permittivity and dielectric loss factor of PMTA/cellulose composite insulating papers treated by low temperature plasma(50 Hz)

圖5為PMTA改性前后復(fù)合絕緣紙的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比圖。從圖5可以看出，與未改性PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙相比，改性后的PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙?jiān)诹W(xué)性能上得到了一定的提高。當(dāng)PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%時(shí)，抗張強(qiáng)度分別提升了9.4%、8.5%，斷裂伸長(zhǎng)率則分別提升了4.2%、4.2%，盡管當(dāng)PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)，力學(xué)性能提升幅度更大，但此時(shí)復(fù)合絕緣紙的力學(xué)性能較未添加PMTA纖維的絕緣紙降低太多，已不能滿(mǎn)足復(fù)合絕緣紙的要求。因此，通過(guò)低溫等離子體對(duì)PMTA改性，可以在不提升絕緣紙介電常數(shù)和介質(zhì)損耗的前提下，在一定程度上補(bǔ)償力學(xué)性能的損失，當(dāng)改性PMTA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，復(fù)合絕緣紙的抗張強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率得到了較好的補(bǔ)償。

圖5 PMTA改性前后復(fù)合絕緣紙力學(xué)性能對(duì)比Fig.5 Comparison of mechanical properties of composite insulating paper before and after PMTA modification

2.3 體積電阻率和交/直流電氣強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果與分析

體積電阻率和電氣強(qiáng)度是表征絕緣紙絕緣性能的重要參數(shù)，為進(jìn)一步探究復(fù)合絕緣紙絕緣性能的優(yōu)劣，對(duì)P0、P5～P8樣品的體積電阻率和交/直流電氣強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果分別如圖6和圖7所示。從圖6可以看出，隨著改性PMTA纖維摻雜量的增多，樣品的體積電阻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在改性PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合絕緣紙比未添加PMTA纖維的絕緣紙具有更高的體積電阻率，且此時(shí)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)下降不明顯；當(dāng)改性PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，相比未添加PMTA纖維的絕緣紙，體積電阻率分別降低了3.7%和6.4%，下降幅度較?。划?dāng)改性PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%后，體積電阻率下降速率開(kāi)始變快，下降幅度變大。

圖6 復(fù)合絕緣紙的體積電阻率Fig.6 Volume resistivity of composite insulating papers

圖7 復(fù)合絕緣紙的交/直流電氣強(qiáng)度Fig.7 AC/DC electric strength of insulating papers

從圖7可以看出，復(fù)合絕緣紙的交流電氣強(qiáng)度隨著改性PMTA纖維摻雜量的增加呈下降趨勢(shì)，與未添加PMTA纖維的絕緣紙P0相比，P5～P8復(fù)合絕緣紙的交流電氣強(qiáng)度依次降低了0.9%、4.8%、5.4%、10.4%。隨著改性PMTA纖維摻雜量的增加，復(fù)合絕緣紙的直流電氣強(qiáng)度呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中P5樣品的直流電氣強(qiáng)度上升了0.9%，P6～P8樣品的直流電氣強(qiáng)度分別降低了1.8%、1.7%、4.7%。由此可知在低摻雜量時(shí)，與未添加PMTA纖維的絕緣紙相比，復(fù)合絕緣紙的交/直流電氣強(qiáng)度均稍有下降但降幅不大，而當(dāng)摻雜量超過(guò)20%后，交流電氣強(qiáng)度下降幅度較明顯。

綜上，結(jié)合2.2中介電常數(shù)、介質(zhì)損耗因數(shù)和力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)改性PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，復(fù)合絕緣紙的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)與未添加PMTA纖維的絕緣紙相比降低不顯著；當(dāng)改性PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合絕緣紙的力學(xué)性能急劇下降，不能滿(mǎn)足絕緣紙應(yīng)用要求；當(dāng)改性PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，復(fù)合絕緣紙的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)均有較大幅度的下降，當(dāng)改性PMTA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，復(fù)合絕緣紙具有更優(yōu)的力學(xué)性能且此時(shí)復(fù)合絕緣紙的體積電阻率和電氣強(qiáng)度與未添加PMTA纖維的絕緣紙基本相同。因此，摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的低溫等離子體改性PMTA纖維對(duì)復(fù)合絕緣紙的改性效果較優(yōu)。

3 低溫等離子體處理對(duì)復(fù)合絕緣紙力學(xué)性能補(bǔ)償作用的機(jī)理

圖8為未處理PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙P3和P4的SEM圖。

圖8 未處理PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙的SEM圖像Fig.8 SEM images of untreated PMTA/cellulose insulating papers

從圖8中圓圈內(nèi)可以看到，纖維素簇及其周?chē)s散分布著細(xì)且短的PMTA纖維，清晰可見(jiàn)兩種纖維的邊界，且纖維間存在很多大的孔隙，說(shuō)明兩種纖維的界面相容性很差，這是造成力學(xué)性能大幅下降的主要原因。進(jìn)一步觀(guān)測(cè)改性后PMTA/纖維素復(fù)合絕緣紙P6的微觀(guān)形貌，如圖9(a)所示，發(fā)現(xiàn)盡管與未添加PMTA纖維的絕緣紙（圖9(b)）相比，復(fù)合絕緣紙內(nèi)纖維素間仍可以看到部分分散的PMTA纖維邊界，但與圖8相比，此時(shí)復(fù)合紙表面更加平整，纖維交界處的孔隙變小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)低溫等離子體處理后，PMTA與纖維素間的相容性得到改善。

圖9 P6和P0絕緣紙的SEM圖像Fig.9 SEM images of P6and P0insulating papers

圖10為低溫等離子體處理前后PMTA纖維的XPS圖譜，光譜中的3個(gè)主要峰分別對(duì)應(yīng)纖維的C、N、O元素，依次出現(xiàn)在284、400、532 eV附近，表5為等離體處理前后PMTA表面化學(xué)成分變化。

圖10 低溫等離子體處理前后PMTA表面的XPS光譜Fig.10 XPS spectra of PMTA surface before and after low temperature plasma treatment

表5 低溫等離子體處理前后PMTA表面化學(xué)成分Tab.5 Surface chemical composition of PMTA before and after low temperature plasma treatment

從圖10可以看出，經(jīng)NH3環(huán)境的低溫等離子體處理后，纖維中C元素的特征峰強(qiáng)度減弱，而N元素的特征峰強(qiáng)度增強(qiáng)。從表5可知，處理后PMTA纖維中的C元素濃度從73.93%下降到68.45%，N元素濃度則顯著升高，從7.45%上升至12.39%，且N和C的濃度比從0.101增大至0.181，O和C的濃度比從0.179增大至0.227。結(jié)合圖1中PMTA結(jié)構(gòu)式可以看出，C1s由 C-C、C=O、C=C、C-N、C-H鍵組成，N1s由C-N、N-H鍵組成，改性后C1s降低，而N1s升高，說(shuō)明C1s中有鍵斷開(kāi)，如C=O、C-H鍵等，然后與低溫等離子體處理中產(chǎn)生的H+和NH4+重新形成新鍵，如H-O和N-H，即在PMTA表面引入了新的活性官能團(tuán)-OH和-NH。纖維素中存在的大量-OH，與改性的PMTA間的活性基團(tuán)間可以形成氫鍵，纖維素和PMTA間通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起，如圖11所示。因此，PMTA纖維與纖維素間的結(jié)合力得到增強(qiáng)。

圖11 改性PMTA和纖維素的結(jié)合過(guò)程Fig.11 The binding process of modified PMTA and cellulose

由XPS和SEM的結(jié)果可知，NH3環(huán)境的低溫等離子體處理可以對(duì)PMTA表面進(jìn)行蝕刻，使其表面變得粗糙，同時(shí)引入N元素使其表面的極性官能團(tuán)數(shù)量增加，均在一定程度上提升了PMTA與纖維素間的相容性，增大了兩種纖維邊界處的結(jié)合力，補(bǔ)償了一部分復(fù)合絕緣紙力學(xué)性能的損失，因此經(jīng)低溫等離子處理后的PMTA/纖維素復(fù)合紙的力學(xué)性能較未處理時(shí)有所提高。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)簡(jiǎn)單物理混合PMTA纖維可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合絕緣紙介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)的降低，但同時(shí)也會(huì)造成其力學(xué)性能的大幅度下降。

（2）NH3環(huán)境下的低溫等離子體處理提高了PMTA纖維表面的粗糙度和極性基團(tuán)濃度，有利于增強(qiáng)PMTA纖維與纖維素基體的結(jié)合，在一定程度上補(bǔ)償了復(fù)合絕緣紙力學(xué)性能的損失。

（3）10%低溫等離子體改性PMTA+90%纖維素制備的復(fù)合絕緣紙具有較低的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)，力學(xué)性能損失得到較大補(bǔ)償，同時(shí)兼具較高的交/直流電氣強(qiáng)度和體積電阻率。

綜上，經(jīng)低溫等離子體改性處理后，PMTA纖維能使復(fù)合絕緣紙?jiān)诒３至己玫牧W(xué)性能、電氣強(qiáng)度下，使其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)大幅下降。但如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)體積電阻率、電氣強(qiáng)度和力學(xué)性能的提升等問(wèn)題仍有難度，未來(lái)有待進(jìn)一步展開(kāi)研究。