一、研究背景间位芳纶纸以其卓越的机械强度和出色的绝缘能力，在电气工业中占据举足轻重的地位，成为理想的绝缘材料。然而，长时间暴露于高电压和大功率操作环境之下，绝缘纸面临着电气损坏的风险，如击穿或电晕老化等现象。遗憾的是，目前大多数受损的芳纶纸被简单地通过掩埋、焚烧等方式处理。这种做法不仅违背了循环经济的核心理念，更因其潜在的污染性，对环境构成了不容忽视的威胁。因此，探索高效且环保的芳纶纸回收再利用方法，对于促进资源循环利用和环境保护具有重要意义。针对这一问题，华北电力大学律方成课题组提出了一种闭环回收策略，可以高效、高质量地回收电损坏的芳纶绝缘纸。通过去质子化受损的芳纶纸分解成单链结构，进而暴露出电损伤产生的杂质，实施了一系列逐步净化的工艺，旨在彻底去除杂质。随后通过质子化过程重构分子间氢键，实现芳纶纸的闭环回收。这种方法不仅完全恢复了纸张原有的微观结构，而且保证了再生纸的绝缘与机械性能。此外，该回收策略还可拓展至芳纶基复合材料。相关成果以“Closed loop recycling of electrically damaged meta-aramid papers with high electrical insulation and mechanical strength”为题发表在Composites Science and Technology期刊上，硕士生傅律乾对该研究做出了重要贡献。本文论文的通讯作者为华北电力大学电气与电子工程学院庾翔，樊思迪副教授。二、研究内容该策略区别于传统的物理回收法与极端条件下的化学回收法，仅需将损坏后的芳纶纸在DMAc/LiCl体系中140℃下去质子化3 h便可有效将芳纶纳米纤维与杂质分离，纯化后的芳纶原液经涂膜，质子化与热压等一系列工艺后能够再生为与原纸张性能相差无几的回收纸，并且在多轮回收后其性能依旧保留在高水平，且适用于大规模工业化的回收场景。图1 电损坏间位芳纶纸的回收流程在SEM图像中看出：原始纸张拥有致密且均匀平坦的表面，横截面显示蜂窝状结构，空腔尺寸为2-3 μm。在击穿损坏后，碳痕的中心会出现一直径约70 μm的孔洞，该孔的边缘已完全碳化，并伴有碳颗粒。在第一个回收周期之后，纸张表面和横截面形态仍然保存完好，类似于原始纸张。在第二个回收周期后纸张也拥有类似的形貌结构。对于电晕老化后的纸张，其表面出现了粉化现象，颗粒的尺度约为0.5-2 μm，在其截面图像中出现了大尺度的缺陷，较原纸张的截面疏松很多，但仅一轮回收后纸张的表面与截面形貌均恢复到原始状态。图2 电击穿回收各样品表面与截面SEM图像图3 电晕老化回收各样品表面与截面SEM图像在电击穿回收各样品的X射线衍射（XRD）图谱中，随着回收轮次的增加，峰高有轻微的下降，表明回收纸的晶型与结晶度均与原纸张保持一致。在电晕老化后，样品衍射峰的峰高有明显下降，表明结晶度的显著降低，但在回收后恢复到原始水平。傅里叶红外光谱（FTIR）用于分析各样品中的氢键数量，主要分析Amide I，Amide II，Amide III以及Amide A四个特征峰。在电击穿回收各样品的FTIR图谱中，随着回收轮次增加，Amide A峰有轻微蓝移，表明样品中氢键数量基本不变，而在电晕老化后，样品的Amide A峰出现明显蓝移，代表氢键数量的显著降低，这一现象在回收之后得到改善。总而言之，对于电击穿与电晕老化两种电损伤的间位芳纶纸，都可以通过这种回收策略来获得结晶度与氢键数量保持不变的再生纸。图4 电击穿回收各样品XRD图谱与FTIR光谱图5 电晕老化回收各样品XRD图谱与FTIR光谱测试各样品介电常数与介电损耗后发现，在电击穿回收中，随着回收轮次的增加，样品的介电常数有轻微降低，介电损耗轻微升高。表明杂质的掺入在纸张内部产生了更多空腔，但由于有效的除杂步骤，介电性能的变化几乎可以忽略不计。在电晕老化后，样品的介电常数出现显著降低，而介损显著升高，这与老化期间的热效应造成纸张内部大尺度的缺陷有关，但再生纸表现出与原来一致的介电性能水平，表明其内部结构恢复到原始状态。图6 各样品介电常数与介电损耗测试结果在综合比较两类电损伤回收样品的性能后，可以总结出：再生纸拥有和原始纸相差无几的服役能力。在击穿概率为63.2%时，原始纸张的击穿场强为199.4 kV/mm，在经一轮电击穿回收后变为196.8 kV/mm，仅下降1.3%；在经二轮电击穿回收后变为189.8 kV/mm，仅下降4.8%。在电晕老化后，纸张的击穿场强锐减至178.9 kV/mm，但在回收后恢复到195.9 kV/mm，已经与原始状态相差无几。在机械性能方面，选择拉伸强度，弹性模量与断裂伸长率三项参数为研究对象。结果表明：在经过电击穿的两轮回收与电晕老化回收后，再生纸的三项参数都保持在原始值的90%以上，依旧拥有优秀的机械性能。同时，该回收策略拥有高达94%的质量回收率，无疑为电损坏的芳纶纸创造了良好的回收途径。图7 各样品绝缘性能测试结果图8 各样品机械性能测试结果此回收策略还被推广到以间位芳纶为基底的复合绝缘纸中，我们选择纳米TiO 2，纳米BN与纳米Al 2O 3三种无机微粒作为填料，分别对间位芳纶纸进行改性，并对比回收前后复合纸的绝缘性能与机械性能。结果表明：该回收策略同样可以高质量的回收间位芳纶复合纸，原始BN-PMIA，Al 2O 3-PMIA，以及TiO 2-PMIA三种复合纸的击穿场强分别为354.9 kV/mm，252.9 kV/mm和242.6 kV/mm，在一轮回收后变为364.1kV/mm，249.7 kV/mm和245.2 kV/mm，变化幅度均不超过5%，机械性能的测试结果与绝缘性能类似。以上结论都验证了该回收策略在复合材料领域的可行性。三、研究结论总而言之，电损伤间位芳纶绝缘纸的闭环回收与再生策略是一条非常可行且有价值的途径，它为因电气损坏而无法继续服役的废弃芳纶纸提供了有效的解决方案。在保证回收效率的同时，再生纸的各项性能达到了原纸张的90%上，保持了良好的服役能力。此外，这项策略也成功地回收了芳纶基复合绝缘纸。这意味着该策略可以进一步推广到各类芳纶产品，如织物、纱线、绳索、手套等。这拓宽了回收策略的实用性，为碳中和社会的绿色发展带来了广阔的可能性。相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110688来源：高分子科学前沿声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！