随着电气设备和电力系统技术的不断革新与进步，绝缘材料在保障设备安全、稳定、高效运行方面发挥着至关重要的作用。聚合物基绝缘纸因其轻质高强、优异柔韧性、易加工成型等特点，广泛应用于电气设备中。芳纶绝缘纸作为一种高性能绝缘纸材料，相对于传统绝缘纸具有更加优异的力学性能、耐高温以及耐化学稳定性。然而，随着电气设备领域对高集成化、轻量化和微型化要求的不断提升，传统的亚毫米厚度芳纶绝缘纸在空间利用率与绝缘性能的平衡方面存在局限性，限制了其在高性能电气设备中的应用。芳纶纳米纤维绝缘纸因其高的比表面积和大的长径比，在绝缘领域具有广泛的应用。然而，芳纶纳米纤维因其固有的分子链结构限制了其绝缘性能的进一步提升。此外，制备工艺流程长、制备难度高等问题同样限制了芳纶纳米纤维绝缘纸的大规模的应用。因此，开发厚度薄且优异绝缘性能的聚合物纤维基绝缘纸对现代电气设备的进一步发展至关重要。
图1 PAR纳米纤维膜的制备示意图
近日，武汉纺织大学熊思维副教授在期刊《Chemical Engineering Jouranl》上，发表了最新研究成果“High-performance polyarylate nanofiber membranes with ultra-thin structure, multi-environmental tolerance, and recyclability for advanced electrical insulation”。论文第一作者为武汉纺织大学在读硕士马花，通讯作者为熊思维副教授。该工作通过熔融纺丝-原位裂解策略制结合可拓展热压工艺，成功制备了厚度为30μm的PAR纳米纤维膜。具有高长径比的PAR纳米纤维在可拓展热压工艺下构筑了致密的三维网络结构，形成了曲折复杂的电荷耗散路径。与商业芳纶纸相比，PAR纳米纤维膜表现出优异的绝缘性能，同时在极端环境下PAR纳米纤维膜仍保持良好的绝缘性能，完全满足高集成化电气设备在严苛环境下的要求。此外，PAR纳米纤维膜基于热塑性分子链可逆熔融的特性，可实现闭环回收再生。
图2 PAR纳米纤维膜的微观形貌
随着热压温度的升高，PAR纳米纤维膜表面更加平整，几乎很难观察到明显的孔洞。而商业芳纶纸内部仍保留明显的纤维结构，尽管存在一定的纤维界面粘结，但结合程度较低，且存在较大的孔隙缺陷。这是由于PAR纳米纤维具有较好的热塑性，在热压过程中，受热激发的分子链局部熔融形成粘流态，从而增强了纤维间的界面结合力，减少了界面缺陷的生成，并提高了膜的致密性和结构完整性。
图3 PAR纳米纤维膜的电绝缘性能
随着热压温度的升高，PAR纳米纤维膜的击穿强度呈现出先上升后下降趋势。。这是因为PAR纳米纤维膜经热处理后当热压温度达到170℃时，击穿强度达到52.12 kV/mm。进一步提高热压温度至210℃时，击穿强度达到最高值71.46 kV/mm，较商业芳纶纸提升252.4%，纤维间发生熔融粘结，界面结合力大幅增强，进一步减少了内部的空隙缺陷和局部电场集中效应。同时，PAR纳米纤维膜内致密三维网络结构不仅抑制了电荷在纤维间的局部聚集效应，还有效分散了注入电荷，使电荷迁移路径更加曲折复杂，延缓了电树的生长过程。
图4 PAR纳米纤维膜的热稳定性、柔韧性和轻质性
随着温度的升高，商业芳纶纸发生显著的收缩变形，其表面因氧化作用逐渐变深，表明高温导致材料结构劣化。相比之下，PAR 纳米纤维膜尽管表面颜色同样加深，但其尺寸稳定性明显优于商业芳纶纸，热收缩变形程度显著降低。PAR纳米纤维膜的拉伸强度为86.57 MPa，较商业芳纶纸提高了21.4%。值得注意的是，PAR纳米纤维膜还具有出色的轻量化和稳定性。此外，PAR纳米纤维膜基于热塑性分子链可逆熔融的特性，使PAR纳米纤维膜能够在保持优异性能的同时，实现资源的高效循环利用，为高性能绝缘材料的绿色可持续发展提供了新的技术路径。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164782
人物简介：
熊思维，副教授，四川大学博士，硕士导师。已在Advanced Fiber Materials，Chemical Engineering Journal，Composites Science and Technology等期刊等国际期刊发表SCI论文20余篇，申请中国专利6项，授权1项，主持国家自然科学基金，湖北省自然科学基金、湖北省教育厅指导性项目等科研项目8项，获得湖北省科技进步二等奖和三等奖各1项，中国纺织工业联合会科技进步奖1项，第十八届挑战杯全国一等奖1项，第十八届挑战杯湖北赛区特等奖1项。
