Резины представляют собой вулканизированную многокомпонент­ную систему на основе каунуков. Из-за своей высокой эластичности ре­зины относятся к классу эластомеров.

К эластомерам принадлежат также такие материалы, как поли­уретаны, некоторые виды кремнийорганических полимеров, смесь ПЭ (90 %) и ПИБ (10 %), пластифицированный ПВХ и др. Отличи­тельной особенностью эластомеров является высокая эластичность и широкий температурный интервал между Т_с и Т_т. При этом Т_т нахо­дится намного выше максимально допустимой рабочей температуры, а Т_с — ниже минимальной рабочей температуры. Вулканизация кау- чуков заключается в разрыве некоторого числа двойных связей мак­ромолекул и сшивании их атомами серы (—S—) с образованием за счет боковых химических связей пространственной структуры. Про­цесс вулканизации протекает при температуре 138—200 °С. Каучуки вулканизируют, чтобы устранить их пластичность и повысить эла­стичность (упругость). У технических резин относительное удлине­ние при разрыве составляет 150—500 % и сохраняется до —40—60 °С.

При изготовлении резины в ее состав кроме каучука и вулкани­зирующих агентов (сера или тиурам, а чаще их смесь) вводят ускори­тели вулканизации, наполнители (мел, тальк, каолин, окись цинка и др.), которые улучшают механические свойства и удешевляют резину (наполнители дешевле каучуков в 20—75 раз), мягчители (стеарин, парафин) — для улучшения технологических свойств, антиокислите­ли, красители и другие ингредиенты, которые составляют вместе до 60 % и более, остальное каучук (35—40 %).

В зависимости от количества серы, вводимой в каучук, различа­ют резину мягкую и твердую. Мягкая резина содержит 1—3 % серы и обладает высокой эластичностью, твердая резина (эбонит) содержит 30—35 % серы — это твердый материал с высокой стойкостью к ударным нагрузкам, но невысоким относительным удлинением при разрыве (2—6 %).

Резина широко используется в производстве проводов и кабелей, диэлектрических перчаток, галош и других изделий. Существенный недостаток резины — низкая стойкость к действию озона, кислоро­да, света (особенно ультрафиолетового), тепла, электрических разря­дов. Под действием указанных факторов резина стареет и в результа­те термоокислительного структурирования становится хрупкой и растрескивается. Если старение резины вызвано термоокислитель­ной деструкцией, то она размягчается и становится липкой. Этот вид старения обычно наблюдается в резинах с относительно высоким со­держанием натурального каучука или его синтетического аналога и небольшой частотой боковых химических связей из-за низкого со­держания серы (1—1,5%). При непосредственном контакте резины с медью свободная сера химически взаимодействует с последней, об­разуя сернистую медь CuS. Поэтому в таких случаях медная жила провода предварительно покрывается слоем оловянно-свинцового припоя либо используется тиурамовая резина, для изготовления ко­торой берут не чистую серу, а ее соединение — тетраметилтиурамди- сульфид (тиурам) [(СН₃)₂ N-CS-S]₂.

Тиурамовая резина — это электроизоляционная резина, не со­держит свободной серы и поэтому может непосредственно наклады­ваться на медную жилу провода; кроме того, она более нагревостой- кая (65 °С), чем «сернистая» резина (55 °С).

В кабельной технике используют также резины, содержащие сажу. Эти резины имеют черный цвет и обладают сравнительно вы­сокой стойкостью к действию солнечного света (его УФ-спектра), хорошими механическими, но очень низкими электроизоляционны­ми свойствами. Поэтому такие резины используют только в качестве шланговой изоляции кабелей.

В производстве резин используют смеси каучуков натурального и синте­тического. Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока (латекса) каучуконосных деревьев, произрастающих в странах с тропическим клима­том. В чистом виде НК представляет собой полимер изопрена (метилдиви- нила)

(-СН₂-С= СН-СН₂-)„ СН₃

Это неполярный диэлектрик (в ~ 2,4; р ~ 10¹⁴ Омм; tg8 = 0,002, Е_пр ««40 кВ/мм). При вулканизации НК из-за влияния атомов серы усиливаются полярные свойства материала, показатели электрических свойств понижа­ются (в = 3-7; р - 10¹³ Ом-м; tg5 = 0,02-0,1; £_пр = 20-30 кВ/мм).

К синтетическим каучуком (СК), наиболее широко используемым в электроизоляционной технике, относятся: изопреновый (СКИ-30), бутадие­новый (СКБ), бутадиен-стирол ьный (СКС), бутил каучук (БК), хлорпрено- вый (наирит), бутадиен-нитрильный (СКН). Первые четыре вида каучуков являются неполярными диэлектриками и по своим электрическим свойст­вам близки к НК; последние два — диэлектрики полярные, с пониженными электроизоляционными свойствами (в = 8—10; р ~ 10⁸ Ом м; tg5 ~ 0,3; Е_пр= 12—22 кВ/мм). Резины на их основе более стойкие к действию масел бензина, окислителей, тепловому старению, менее газопроницаемы.

Бутадиеновый каучук (-СН₂—СН=СН-СН₂-)_Л — продукт полимериза­ции бутадиена (дивинила). При температуре 200—300 °С без вулканизирую­щих агентов в результате дополнительной полимеризации по месту двойных связей бутадиен переходит в твердый продукт, по механическим свойствам похожий на эбонит, но более стойкий к действию температуры, кислот и ор­ганических растворителей. Этот продукт известен под названием эскапон (от первых букв «СК» и фамилии изобретателя — JI.T. Понаморев); его элек­трические свойства: в = 2,7—3,0; р = 10¹⁵ Омм; tg5 ~ 5-Ю^-4. На основе эска- пона изготовляют лаки, лакоткани и т. п.

Получают бутадиеновый каучук и стереорегулярный. У нас он известен как СКД, в ФРГ — Буна ЦБ. У него высокая морозостойкость (до -65 °С).

Бутадиен-стиролъный каучук — продукт совместной полимеризации бу­тадиена СН₂=СН-СН=СН₂ и стирола СН₂=СН₂С₆Н₅. У нас известны его марки СКС-30, СКС-30 АРКМ-15, СКС-30 АРПД, в ФРГ - буна С-3, буна С-4. По электроизоляционным свойствам каучук СКС-30 АРПД не уступает НК, но имеет более низкие прочностные свойства, поэтому в резиновых смесях его применяют совместно с НК.

Бутилкаучук получают путем совместной полимеризации изобутилена СН₂= =С(СН₃)₂ и небольшого количества изопрена. На его основе произво­дят резины, стойкие к действию озона, кислорода и кислот; газопроницае­мость у них ниже в 10—20 раз (важная особенность), чем у резин на основе НК, но меньше эластичность.

Хлорпреновый каучук получают путем полимеризации хлорпрена Н₂С=СС1- СН=СН₂. Отечественное название наирит, в ФРГ, США, Япо­нии — неопрен. Это полярный диэлектрик. На его основе производят масло и бензостойкие резины.

Бутадиен-нитрильный каучук — продукт совместной полимеризации бу­тадиена и акрилонитрила CH₂=CH-CN. Каучук, вулканизированный тиура- мом, более нагревостойкий. Известны следующие марки: СКН-40, СКН-26 и СКН-18. В ФРГ выпускают пербунан, буна Н, буна НН.

Кремнийорганические каучуки и резины, в отличие от вышерассмотрен- ных, у которых в основе строения молекулярных цепей находятся атомы уг­лерода, имеют остов макромолекул, построенный из чередующихся атомов кремния и кислорода:

I I

— О — Si — О — Si —

Это линейные полимеры, полученные путем поликонденсации. Вулкани­зируют их с помощью перекиси бензоила. Резины на их основе имеют высо­кую влаго- и нагревостойкость (до 250 °С), высокую стойкость к действию кислорода, озона, УФ-лучей и смазочных масел, обладают высокой стойко­стью к действию электрических разрядов, короно- и трекингостойкостью, со­храняют гибкость при температуре до -70—100 °С. Кремнийорганические ре­зины имеют плотность 1,60—1,75 Мг/м³, предел прочности при растяжении а_р = 20—45 МПа, относительное удлинение перед разрывом 5 = 150—200 %, в (при 50 Гц) = 3,5-5,0, р = 10¹²-10¹⁴ Ом-м, tg5 (при 50Гц) = 0,01-0,008, Е_пр «20 кВ/мм, TKJIP = (10—11) • 10"⁵ С¹, морозостойкость -60 °С. В крем- нийорганические резины в качестве наполнителя вводят 15 % двуокиси крем­ния Si0₂ в коллоидном состоянии либо двуокиси титана ТЮ₂, либо смеси кремниевой кислоты (белая сажа) и каолина (или мела) в равных частях, либо аэросил (15—20 %). Из-за относительно высокой гигроскопичности этих на­полнителей (особенно каолина и мела) электрические свойства резин не­сколько ухудшаются. Недостатком является низкая прочность на разрыв. Для изоляции кабельных изделий применяют кремнийорганические резины марок К-69; К-1520; К-673; К-697.

7.6. ПРИРОДНЫЕ СМОЛЫ, ЦЕЛЛЮЛОЗА И ЕЕ ЭФИРЫ

Природные смолы представляют собой органические вещества растительного (канифоль) или биогенного (шеллак) происхождения. К ним также относятся ископаемые смолы (копалы, например, ян­тарь). Все эти материалы нерастворимы в воде, при нагревании раз­мягчаются и плавятся. Для них характерным является то, что при высыхании растворов у них образуется тонкая пленка.

Канифоль (гарпиус) — твердый продукт от желтого до светло-ко- ричневого цвета, получают из живицы хвойных деревьев (преимуще­ственно сосны) путем отгонки жидких составных частей (скипида­ра). Канифоль состоит главным образом из абиетиновой кислоты С₂₀Н₃₀О₂ и ее изомеров; нерастворима в воде, но растворима в спир­те, ацетоне, скипидаре, бензоле, бензине, нефтяных и растительных маслах. Это слабополярный диэлектрик (е «2,8; р = 10¹³—10¹⁴ Ом м; tg5 ~ 310~³; Е_пр = 10—15 кВ/мм); при 50—70 °С размягчается; на воз­духе постепенно окисляется.

Применяют канифоль при изготовлении лаков и компаундов. Добавляют к нефтяному маслу, используемому для пропитки бумаж­ной изоляции силовых кабелей. Канифоль в качестве флюса ис­пользуют при пайке медных проводников, латунных и бронзовых изделий, так как при температуре примерно 150 °С она хорошо рас­творяет окислы меди.

Шеллак — продукт жизнедеятельности некоторых насекомых, питаю­щихся соком деревьев, произрастающих в тропических странах Южной и Юго-Восточной Азии. После очистки он имеет вид хрупких чешуек от свет­ло-лимонного до темно-коричневого цвета. Почти нерастворим в бензоле и бензине, хорошо растворим в спирте, частично — в ацетоне. В расплавлен­ном состоянии совмещается с канифолью, копалами, новолаками, битума­ми, глифталем.

Шеллак — полярный диэлектрик (в =3,5; р = 10¹³—10¹⁴ Ом м; tg5 = = 10"²—10"³; £_пр = 20—30 кВ/мм), при 35 °С теряет хрупкость, при 50—60 °С становится гибким, а при 80 °С плавится. Применяют в производстве клея­щих лаков и миканитов.

Янтарь — ископаемая смола; представляет собой твердый тугоплавкий продукт деревьев-смолоносов, произраставших десятки тысяч лет назад.

Имеет цвет от светло-желтого до темно-коричневого, плотность 1050—1096 кг/м³, температура размягчения 175—200 °С, температура плавления выше 300 °С. Янтарь практически нерастворим ни в каких растворителях; в рас­плавленном виде растворяется в скипидаре, сероуглероде, бензине, маслах. Его электрические свойства: е = 2,8; р = 10¹⁵—10¹⁷ Ом м; tg5 =10~³; удельное поверхностное сопротивление у полированного образца мало зависит от влажности и равно 10¹⁷ Ом при относительной влажности воздуха ц/_в = 30 % и 10¹⁶ Ом при \|/_в = 80 %.

Применение янтаря ограничено из-за его дороговизны, поэтому исполь­зуется там, где требуется высокое сопротивление постоянному току незави­симо от влажности воздуха, например для вводов в электроизмерительных приборах.

Целлюлоза и ее эфиры. Сама целлюлоза — природный полимер с химической формулой (С₆Н₇0₂ ЗОН)„, где п >1000 (2500—3100). Та­ким образом, каждое химическое звено молекулярной цепи целлю­лозы содержит три гидроксильные группы —ОН, которые и обуслов­ливают ее полярность (е = 6,6; tg5 = (6—7)-Ю^-2). Целлюлоза в чистом виде — твердое неплавкое вещество, растворимое в ограниченном числе растворителей (например, в медноаммиачном водном раство­ре), при 110°С заметно окисляется, а при 150 °С разрушается. Вхо­дит в состав всех растительных волокон, в хлопке ее содержится до 99 %, в древесине — 43—54 %. Целлюлозные материалы состоят из волокон, представляющих собой пустотелые трубочки диаметром от 0,02 до 0,07 мм, толщиной стенок 0,002—0,008 мм и длиной от не­скольких миллиметров до нескольких десятков миллиметров. Волок­на, в свою очередь, состоят из фибрилл (элементарные волокна), а фибриллы — из мицелл. Фибриллы представляют собой тонкие тру­бочки с наружным диаметром примерно 1000—5000 А. Мицеллы — это пучки молекулярных цепей целлюлозы длиной 100—200 А и диа­метром 20—50 А. Между волокнами, мицеллами, фибриллами и мак­ромолекулами целлюлозы имеются различные по размеру поры (см. с. 86).

Гидроксильные группы (одна или все три) целлюлозы, вступают в реакцию, в результате образуются простые и сложные эфиры. В ре­акции атом водорода гидроксильной группы может замещаться соот­ветственно этилгруппой —С₂Н₅, цианэтилгруппой —CH₂CH₂CN, нит- рогруппой —N0₂ или ацетилгруппой —СОСН₃. При этом образуется соответственно этилцеллюлоза, цианэтилцеллюлоза, нитроцеллюло­за или ацетилцеллюлоза. Поскольку сильнополярные группы —ОН замещаются менее полярными, у эфиров целлюлозы более слабо вы­ражена полярность (8 = 3—5; р=10¹²—10¹⁴ Ом м; tgS =(2—7)10~³; Е_пр = 30-80 кВ/мм).

Эфиры целлюлозы являются термопластами, поэтому при на­гревании плавятся и в соответствующих растворителях растворяют­ся. Используются они для изготовления волокон, пленок, лаков и пластмасс (этролы).

Нитроцеллюлоза огне- и взрывоопасна. Для электроизоляцион­ной техники наибольший интерес представляет триацетат целлюло­зы (ТАЦ). ТАЦ трудновоспламеняем, стоек к действию углеводоро­дов и ароматических растворителей. Применяется для изготовления электроизоляционных пленок, которые часто для увеличения эла­стичности пластифицируют. Пленки, в свою очередь, используют для изоляции секций обмоток электрических машин и аппаратов. Они имеют е = 3,6; tg5 =710^-3, длительную нагревостойкость 90—100°С.

Трицианэтилцеллюлоза имеет высокую диэлектрическую прони­цаемость (е «15,5), что делает ее очень перспективной в конденсато- ростроении. Однако сравнительно низкое удельное объемное сопро­тивление (р ~ 10⁸ Ом м) ограничивает возможности ее использова­ния, так как постоянная времени RC этих конденсаторов имеет ма­лую величину (RC = 0,012 с). Например, при емкости конденсатора в 1 мкФ сопротивление будет равно 0,01 МОм.

Древесина одна из первых нашла применение в качестве электро­изоляционного, конструкционного и особенно строительного мате­риала. Это в значительной мере объясняется доступностью древеси­ны, ее дешевизной, легкостью обработки и относительно неплохими механическими свойствами. В настоящее время в электротехнике применение древесины ограничено. Ее используют в качестве на­полнителя в пресс-порошках и древеснослоистых пластиках (ДСП), в том числе электротехнического назначения (см. гл. 7.4.), ограни­ченно — в производстве рукояток рубильников, опорных и крепеж­ных деталей трансформаторов высокого и низкого напряжения и др. В качестве конструкционного материала древесину применяют в производстве грузовых и пассажирских вагонов, для изготовления бортов и пола грузовых автомобилей, шпал и т. п. Наиболее широко используется в строительном деле.

Древесина — природный материал растительного происхожде­ния; состоит из 43—54 % целлюлозы, 19—29 % лигнина, остальное — низкомолекулярные углеводороды и другие компоненты. Древесина имеет волокнистое строение и высокую влажность, что в значитель­ной мере влияет на формирование ее механических и особенно элек­трических свойств. Волокна древесины (см. выше «Целлюлоза и ее эфиры») направлены вдоль оси ствола дерева и пронизаны густой се­тью капилляров. Влага размещается в стенках клеток волокон и меж­клеточном пространстве — капиллярах. Наличие большого количе­ства продольных и радиальных капилляров является причиной легкого поглощения влаги непропитанной древесиной.

Влажность свежесрубленной древесины различных пород состав­ляет 40—100 %, после сушки до воздушно-сухого состояния — 15—20 %, в комнатных условиях — 7—10 %. Все свойства древесины устанавливают при стандартной влажности 15 %, а для производст­венных помещений — при 12 %. Древесина имеет высокую гигро­скопичность, что обусловливает нестабильность ее свойств, которые зависят от природы дерева, его возраста, места произрастания и мно­гих других факторов. Древесину разделяют на хвойные породы (со­сна, ель, лиственница, кедр, пихта) и лиственные породы (дуб, бук, береза, клен, граб и др.).

В связи с волокнистым строением свойства древесины анизотроп­ны и существенно зависят от направления волокон (направления рас­пила ствола дерева). Электрическая прочность древесины вдоль воло­кон в 3—4 раза, а удельное объемное сопротивление в 10 раз и более ниже, чем поперек волокон. Древесина различных пород в воздушно- сухом состоянии имеет Е_пр вдоль волокон 1,4—4,0 кВ/мм, поперек — 5,2—6,1 кВ/мм, р вдоль волокон (1,7—42)-10⁹ Ом м, поперек — (1—160)Ю¹⁰ Ом м. Вдоль волокон а_с = 42-59 МПа, а_р = 129 МПа; а_и поперек волокон — 79—110 МПа. К сожалению, во многих случаях изделия из древесины используют в положении, когда ее волокна идут параллельно силовым линиям поля (например, рукоятка рубильника), т. е. в самом неблагоприятном направлении. Поэтому в электротехни­ке древесину там, где это целесообразно, заменяют пластмассой.

К недостаткам древесины относятся:

— высокая гигроскопичность, что при увлажнении приводит к резкому ухудшению электрических свойств, а при высушивании из­делий, изготовленных из влажной древесины, к их короблению и растрескиванию;

— нестандартность электрических и механических свойств древе­сины даже одной и той же породы, а также в зависимости от направ­ления распила (вдоль или поперек волокон);

— низкая нагревостойкость и горючесть (пожароопасность).

Некоторые из указанных недостатков древесины устраняют пу­тем ее пропитки (после высушивания) специальными веществами. Пропитка древесины значительно улучшает ее электрические свой­ства, снижает гигроскопичность и способствует стабилизации элек­трических характеристик и геометрических размеров изделий. У про­питанной древесины различных пород Е_пр вдоль волокон 4,2— 6,7 кВ/мм, а поперек — 6,8—7,6 кВ/мм, р вдоль и поперек волокон 210¹⁰—710¹¹ Ом м. При пропитке древесины смолами ФФ, ГФ и т. п. заметно улучшаются механические характеристики. Древесину как электроизоляционный материал используют только в пропитанном виде. В качестве пропиточных материалов используют парафин, олифу, синтетические смолы, нефтяные масла. В ряде случаев для повышения стойкости к гниению, разрушению насекомыми и возго­ранию древесину дополнительно обрабатывают специальными веще­ствами (антисептиками, антипиренами).

7.7. ВОСКООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Воскообразные диэлектрики представляют смесь предельных алифатических углеводородов, молекулы которых состоят из не­скольких десятков углеродных атомов. Они имеют отчетливо выра­женное кристаллическое строение, малую гигроскопичность, низкие температуру плавления и механическую прочность и большую усадку (до 15—20 %) при застывании. Последнее ограничивает их примене­ние для пропитки конденсаторной бумаги, так как после пропитки значительная часть объема пропитываемого изделия оказывается за­полненной воздухом, что приводит к снижению напряжения иониза­ции и_и и пробивного напряжения U_np. Поэтому воскообразные мате­риалы используют только при изготовлении конденсаторов на постоянное напряжение до 1000 В и переменное — до 300 В. Ис­пользуют их также в кабельном производстве. Получают воскообраз­ные диэлектрики путем переработки нефти или ее продуктов (озо­керита).

Парафин — неполярный диэлектрик (е = 2,1—2,2; р = 10¹³— 10¹⁶ Ом м; tg5 =(3-7)-Ю-⁴; Е_пр = 20—30 кВ/мм). По химическому строению и электрическим свойствам он подобен нефтяным элек­троизоляционным маслам и полиэтиленам. Его молекулы по длине больше, чем молекулы нефтяного масла, но во много раз меньше молекул полиэтилена. Температура плавления 50—62 °С. На воздухе при температуре выше 130 °С легко окисляется, при этом резко (в 100 раз и более) снижается р и повышается к.ч.

Парафин растворяется в бензоле, бензине, нефтяных маслах, се­роуглероде, при нагревании — в растительных маслах. В спирте и воде не растворяется; гигроскопичность ничтожно мала.

Церезин получают из озокерита (горный воск), представляющего собой продукт естественного перерождения нефти в условиях досту­па воздуха. Молекулы церезина имеют сильно разветвленную цепь углеродных атомов и более мелкокристаллическую структуру, чем парафин. Характерной его особенностью является образование тон­ких, эластичных, нерастрескивающихся пленок, малая гигроскопич­ность и малая проницаемость для жидкостей и газов. В сравнении с парафином при застывании дает меньшую усадку, р у него выше, а tg5 ниже; = 65—80 °С. Несмотря на то что стоимость церезина выше стоимости парафина, его в производстве конденсаторов ис­пользуют предпочтительнее.

Вазелин — это смесь твердых и жидких предельных углеводоро­дов, которые получают из нефти. При комнатной температуре он имеет мазеобразное состояние. Как по химическому строению, так и по электрическим свойствам вазелин подобен парафину.

7.8. ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Волокнистые материалы состоят из частиц удлиненной формы — волокон, отличающихся большой величиной отношения длины к диаметру. Их можно разделить на природные и синтетические.

К природным волокнам относятся материалы растительного (хло­пок, лен, пенька, джут, бумага, дерево), животного (шелк, шерсть) и минерального (асбест) происхождения. Синтетические волокна полу­чают из полиамидов, полиэфиров (например, полиэтилентерефтала- та), полистирола и других полимеров путем вытягивания их из рас­плавов или растворов. К синтетическим волокнам относятся также ацетатный и медноаммиачный шелк и стеклянные волокна.

К преимуществам многих волокнистых материалов можно отне­сти их достаточно высокую гибкость и механическую прочность, легкую обрабатываемость и дешевизну, к недостаткам, из-за высо­кой пористости, — гигроскопичность и низкую электрическую проч­ность и теплопроводность. Особенно гигроскопичными являются целлюлозосодержащие материалы. Для улучшения свойств волокни­стой электрической изоляции ее обычно пропитывают жидкими или воскообразными диэлектриками или лакируют. Когда требуются во­локнистые материалы высокой нагревостойкости, используют стек­лянные волокна и асбест (см. гл. 7.10 и 7.13).

Электроизоляционные бумаги. Из древесины путем химической переработки получают техническую целлюлозу, которая и является сырьем для изготовления конденсаторной, кабельной и другой элек­троизоляционной бумаги.

Конденсаторная бумага является наиболее тонкой и высококачественной электроизоляционной бумагой. В процессе ее изготовления волокна ориен­тируются в одном направлении, в результате чего прочность вдоль волокон выше, чем поперек. Конденсаторную бумагу выпускают следующих марок: КОН — обычная, СКОН — специальная улучшенного качества, МКОН — с малыми диэлектрическими потерями, ЭМКОН — с высокой электрической прочностью и малыми потерями, АНКОН — адсорбентная, с малыми ди­электрическими потерями и повышенной электрической прочностью. В за­висимости от плотности известны следующие марки бумаги: МКОН-08, КОН-1, КОН-2, СКОН-3 и другие; цифра указывает плотность бумаги (0,8 - 800 кг/м³; 1 - 1000 кг/м³; 2 -1200 кг/м³; 3 - 1300 кг/м³). Бумагу КОН-2 используют для изготовления конденсаторов, работающих при по­стоянном напряжении, КОН-1 — при переменном. Конденсаторная бумага в зависимости от марки имеет номинальную толщину от 4 до 30 мкм.

Для повышения е и Е_п«бумагу пропитывают соответствующими диэлек­трическими материалами. У непропитанной конденсаторной бумаги Е_пр со­ставляет 35—40 кВ/мм (при h ~ 0,01 мм), после пропитки нефтяным конден­саторным маслом Е_пр возрастает до 250—300 кВ/мм. Бумага, в том числе и пропитанная, подвержена электрическому старению при длительном воз­действии электрического поля. При старении все электрические характери­стики ухудшаются и завершается процесс старения электрохимическим пробоем. Поэтому для конденсаторной бумаги следует брать большой (до 10 раз) запас электрической прочности, т. е. рабочая напряженность электрического поля должна быть в несколько раз меньше (до 10 раз), чем Е_пр бумаги, соответственно непропитанной или пропитанной. Рабочую на­пряженность для бумажного конденсатора после пропитки нефтяным кон­денсаторным маслом принимают равной: при постоянном напряжении 25—35 кВ/мм и переменном (50 Гц) — 12—15 кВ/мм; при этом у бумаги, хорошо просушенной перед пропиткой маслом, в ~ 3,7; tg5 «(2—3)10~³ при 50 Гц.

При температуре 110—120 °С бумага заметно окисляется и механическая прочность ее снижается, а при 150—160 °С бумага быстро разрушается.

Кабельную бумагу применяют для изоляции силовых кабелей и арматуры для них. Для изоляции силовых кабелей на напряжение до 35 кВ включи­тельно и обмоточных проводов для трансформаторов на напряжение до 150 кВ используют кабельную бумагу, обозначенную буквами К, М и П. Для изоляции кабелей на напряжение от 110 до 500 кВ используют кабельную бумагу, обозначенную буквами К, В, М, С и У. Буквы обозначают виды ка­бельной бумаги: К — обычная (однослойная), М — многослойная, П — бо­лее прочная к разрушающему механическому воздействию, В — высоко­вольтная, С — стабилизированная, У — уплотненная. При маркировке бумаги, кроме букв, проставляют цифры, указывающие номинальную тол­щину в микрометрах.

Недостатком бумажной изоляции силовых кабелей являются пустоты (зазоры) между отдельными слоями бумаги, оставшиеся после пропитки изоляции масляно-канифольным компаундом. В этих зазорах возникают частичные электрические разряды, которые, так же как и в конденсаторной бумаге, приводят к электрохимическому пробою. Поэтому из-за электри­ческого старения кабельной изоляции рабочую длительную напряжен­ность электрического поля бумажно-масляной изоляции принимают равной 3—4 кВ/мм (для масло- и газонаполненных кабелей до 10—12 кВ/мм).

Электротехнический картон, так же как и электроизоляционную бумагу, изготавливают из растительных волокон, но в отличие от электробумаги электрокартон имеет большую толщину — от 0,1 до 3 мм. При малой толщине (0,1—0,8 мм) электрокартон выпускают в виде рулонов, при большой — в листах. Его Е_пр = 7,5—11 кВ/мм (чем больше толщина, тем ниже Е_пр).

К текстильным электроизоляционным материалам относятся хлопчатобумажные ткани и волокна, шелк натуральный и синтетиче­ский, стеклоткань и стекловолокно.

Хлопчатобумажное и шелковое волокно в виде пряжи применяют для обмоток и оплеток проводников и электрических шнуров, а также для про­изводства тканей. Хлопчатобумажную пряжу изготавливают из длинных во­локон хлопчатника. Натуральный шелк получают из коконов червя-шелко- пряда. Каждый кокон состоит из одной нити длиной -2000 м и диаметром 0,01—0,015 мм. Пряжа из натурального шелка позволяет обеспечить мень­шую толщину изоляции и лучшую ее устойчивость к влажности, чем хлопча­тобумажная. Искусственный шелк получают в результате переработки цел­люлозы. Изоляция проводов из ацетатного шелка по электрическим свойствам превосходит изоляцию из натурального шелка.

К пропитанным волокнистым электроизоляционным материалам относятся лакоткани, лакобумаги, электроизоляционные ленты. По­лучают эти материалы путем пропитки электроизоляционными лака­ми или специальными составами волокнистых материалов (тканей, бумаги, ленты) природных и синтетических, растительного и живот­ного происхождения, органических и минеральных.

При пропитке поры волокнистых материалов заполняются про­питывающим электроизоляционным составом, в результате чего по­вышается электрическая прочность и теплопроводность, снижается гигроскопичность. В ряде случаев повышается нагревостойкость.

В качестве пропитывающих составов используют лаки масляные (класс нагревостойкости Е), битумно-масляные (классы нагрево- стойкости в зависимости от природы пропитываемого объекта А, Е, В), полиэфирноэпоксидные (класс нагревостойкости F), кремний- органические (класс нагревостойкости П) и др. Поверхности само­клеящих тканей и лент (предварительно пропитанные электроизоля­ционным лаком) покрывают специальным клеящим составом.

Лакоткани получают путем пропитки хлопчатобумажной или шелковой ткани масляным или масляно-битумным лаком. При про­питке масляным лаком получают лакоткани желтого цвета марок ЛХ (хлопчатобумажные) толщиной 0,15—0,25 мм и Е_пр = 35—50 кВ/мм и ЛШ (шелковые) толщиной 0,04—0,16 мм и Е_пр = 55—90 кВ/мм. Сле­довательно, лакоткани ЛШ хотя и тоньше, чем лакоткани ЛХ, одна­ко Е_пр у них в 1,5—2 раза выше.

Лакоткани, пропитанные масляно-битумными лаками черного цвета, малостойки к действию органических растворителей, но более стойки к тепловому старению. К лакотканям относятся также элек­троизоляционные трубки, полученные путем пропитки лаками пле­теных трубок.

Лакобумаги являются фактически заменителями лакотканей. Они дешевле, имеют повышенные электроизоляционные свойства, одна­ко механические свойства у них хуже.

7.9. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ЛАКИ, ЭМАЛИ И КОМПАУНДЫ

Лаки, эмали и компаунды — это многокомпонентные материа­лы, находящиеся при изготовлении изоляции в жидком виде, а в го­товой изоляции — в твердом состоянии. Следовательно, они являют­ся твердеющими материалами.

Лаки — это смолы, битумы, высыхающие растительные масла или их смеси, составляющие лаковую основу, разбавленные органи­ческими растворителями. В некоторые из них также вводят пласти­фикаторы и сиккативы (катализаторы химических процессов отвер­ждения). При высыхании лака растворитель улетучивается и на поверхности образуется лаковая пленка, обеспечивающая механиче­ские и электроизоляционные свойства, стойкость к атмосферным воздействиям.

По назначению лаки подразделяются на пропиточные, покров­ные и клеящие. На практике один и тот же лак может быть исполь­зован в качестве пропиточного и покровного или покровного и клея­щего.

Пропиточные лаки применяют для пропитки пористой и, в частно­сти, волокнистой изоляции (бумаги, ткани, изоляции обмоток аппаратов и электромашин). После пропитки увеличиваются электри­ческая прочность и теплопроводность изоляции, снижается гигроско­пичность, у конденсаторной бумаги, кроме того, увеличивается диэлектрическая проницаемость, а следовательно, емкость конденса­торов. При пропитке органической волокнистой изоляции возрастает также нагревостойкость, так как уменьшается окисляющее влияние кислорода воздуха. К пропиточным лакам относятся лаки кремнийор­ганические (КО-921, КО-8Ю), масляно-битумные (БТ-980, БТ-987), масляно-глифталевые (ГФ-95) и др. Буквы указывают на химическую природу основного компонента лака, первая цифра — назначение лака (9 — электроизоляционный), последующие цифры — порядковый но­мер лака в соответствующей группе.

Покровные лаки служат для образования на поверхности лакируе­мых изделий гладкой, блестящей, механически прочной и влагостой­кой пленки. Часто покровные лаки используют для покрытия пред­варительно уже пропитанной пористой (волокнистой) изоляции.

Некоторые покровные лаки, так называемые эмаль-лаки, наносят не на поверхность твердого диэлектрика, а непосредственно на по­верхность металла, образуя электроизоляционный слой (и одновре­менно осуществляя антикоррозионную защиту). Эмаль-лаки служат, например, для производства изоляции эмалированных проводов, листов электротехнической стали и т. п. При внесении в покровный лак пигмента — мелкодисперсного неорганического наполнителя, являющегося одновременно и красителем, — получаем эмаль.

В качестве покровных лаков применяют кремнийорганический лак (КО-928, КО-938 В и др.), полиуретановый (УЛ-1), масляный (MJI-1), полиамидный (АД-9113), полиимидный (ПАК-1). Применя­ют эмаль-лаки на поливинилацеталевой основе (BJI-941).

Клеящие лаки применяют для склеивания листов твердых диэлек­трических материалов, например в производстве миканитов, — лис­точков расщепленной слюды. Используют эти лаки также для склеи­вания твердых диэлектриков с металлами. Основные требования, предъявляемые к клеящим лакам, — высокая адгезия к склеиваемым материалам, хорошие механические и электрические свойства.

К клеящим лакам относятся: клей на основе фенолоформальде- гидной смолы (БФ-2, БФ-4 и БФ-6), полиуретановый клей (ПУ-2), эпоксидный горячего отверждения (ЭП, ЭПР), холодного отвержде­ния (ВС), эпоксидно-кремнийорганический холодного отверждения (К-400) и др.

Качество лаковых пленок определяется в основном свойствами ла­ковой основы — химическим составом пленкообразующего вещества. Поэтому в зависимости от природы пленкообразующего вещества электроизоляционные лаки подразделяются на лаки: смоляные, мас­ляные, битумные, масляно-смоляные, масляно-битумные, эфироцел- люлозные и др. Все лаки содержат тот или иной летучий растворитель в количестве, необходимом для создания требуемой вязкости.

Смоляные лаки — это коллоидные растворы синтетических или природных смол (глифталевой, бакелитовой, кремнийорганической, шеллака и т. п.). Фактически это готовый полимер и его высыхание заключается в испарении растворителя и формировании пленки.

Масляные лаки представляют собой высыхающие растительные масла с небольшим содержанием сиккатива, разбавленные до тре­буемой вязкости органическим растворителем. «Высыхание» этих ла­ков заключается не в простом механическом удалении растворителя, а в результате процессов полимеризации, протекающих за счет двой­ных связей молекул (триглицеридов) масла и ускоряемых под дейст­вием кислорода воздуха, освещения (ИК-лучей), температуры и сиккатива (катализатора). При этом образуется трехмерный электро­изоляционный полимер в виде плотной, твердой, блестящей, хорошо ад тезированной к металлическим и другим поверхностям пленки, которая практически не растворяется в органических растворителях.

Основу битумных лаков составляют битумы, представляющие со­бой сложные смеси углеводородов и продуктов их окисления и поли­меризации. Они обычно содержат некоторое количество серы. Это аморфные, термопластичные вещества, при низких температурах даю­щие характерный излом в виде раковины. Они черного или темно-ко­ричневого цвета, хорошо растворимы в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле и т. п.). Различают битумы искусственные, представ­ляющие собой кубовой остаток после перегонки и крекинга нефти и нефтепродуктов, и природные (ископаемые), называемые также ас- фальтами. Температура плавления битумов колеблется в широких пределах от 50 до 220°С. Асфальты имеют более высокую 7^. Биту­мы — это слабополярные вещества (е = 2,5—3,0; р = 10¹³—10¹⁴ Ом м; tg8 - 0,01; Е_пр = 10-25 кВ/мм).

Битумные лаки дешевле по сравнению с масляными, пленки на их основе менее гигроскопичны, они менее эластичны, при нагреве размягчаются, подвержены действию растворителей. Поэтому в ка­честве электроизоляционных лаков используют не битумные, а масляно-битумные лаки, которые по своим свойствам занимают про­межуточное положение между лаками чисто масляными и битумны­ми. Присутствие высыхающих масел придает образующимся плен­кам большую гибкость и нагревостойкость, становятся менее подверженными действию растворителей.

Основу масляно-смоляных лаков составляют природные высыхаю­щие масла и синтетические смолы. Наиболее распространенным ла­ком этой группы является масляно-глифталевый лак, широко применяемый для пропитки обмоток масляных трансформаторов и защиты печатного монтажа радиоблоков; отличается повышенной нагревостойкостью (130 °С), пониженной гигроскопичностью. Это маслостбйкий полимер.

Электроизоляционные лаки по режиму сушки подразделяются на лаки горячей (выше 70 °С) и холодной (20 °С) сушки. Лаки горячей сушки, как правило, обладают более высокими электрическими и механическими свойствами.

Эфироцеллюлозные лаки — это термопластичные полимеры. Наи­более значимый из них — нитроцеллюлозный лак (нитролак), пред­ставляющий собой раствор нитроцеллюлозы в ацетоне, этил ацетате или другом растворителе. Для предохранения нитроцеллюлозных пленок от растрескивания в эти лаки вводят пластификаторы (касто­ровое масло, дибутилфталат и др.). Лак быстро сохнет, образуя проч­ные, твердые, блестящие пленки, плохо адгезирующие к металлам.

Поэтому для лучшего сцепления с металлической поверхностью пленки предварительно покрывают специальными грунтами, после чего на них наносят нитролак.

Компаунды — это электроизоляционные пропиточные и заливоч­ные составы, состоящие из смеси различных смол, битумов, масел и др. и не содержащие растворителя. В момент применения при нор­мальной или повышенной температуре компаунды находятся в жид­ком состоянии. Затем компаунды затвердевают в результате охлажде­ния или происходящих химических процессов. По механизму отверждения компаунды делятся на термопластичные (на основе биту­мов, церезина и т. п.), работающие при низких температурах, и термо­реактивные (на основе метакриловой кислоты, полиуретанов, эпок­сидных смол и т. п.), используемые для работы при повышенных температурах.

Компаунды в зависимости от назначения подразделяются на пропиточные и заливочные. Особую группу составляют порошкооб­разные компаунды, применяемые для напыления изоляции. Компа­унды производят на основе синтетических смол, битумов, воскооб­разных диэлектриков. Для улучшения механических свойств в них вводят пластификаторы, отвердители и наполнители (кварцевую муку, тальк и др.).

В электро- и радиотехнике компаунды применяют для пропитки обмоток электрических машин, трансформаторов и дросселей, за­ливки радиосхем и приборов, герметизации различных узлов, изго­товления литой изоляции и т. п.

7.10. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ СТЕКЛА

Дата добавления: 2015-08-09