Волокнисті матеріали

1. Характеристика волокнистих матеріалів.

2. Властивості, галузь застосування волокнистих матеріалів:

А) дерево;

Б) папір і картон;

В) текстильні матеріали;

Г) лакотканини.

1. Волокнисті матеріали складаються з частинок подовженої форми – волокон, проміжки між якими заповнені повітрям у непросочених матеріалів і природними або синтетичними смолами у просочених. Переваги: невисока вартість, велика механічна міцність, гнучкість і зручність обробки. Недоліки: невисокі електрична міцність і теплопровідність. Просочення покращує властивості.

Непросочені волокнисті матеріали за видом сировини діляться на матеріали:

а) рослинних волокон;

б) паперу, картону, бавовняної тканини і пряжі;

в) тваринних волокон (натуральний шовк);

г) синтетичних і штучних волокон (шовк, капрон і т.п.);

д) неорганічне волокно (скляне волокно, азбест).

2. А) Дерево – один із перших електроізоляційних і конструкційних матеріалів завдяки дешевизні і легкості механічної обробки. Дерево має непогані механічні властивості, особливо з урахуванням його легкості: міцність дерева, віднесена не до геометричних розмірів, а до ваги, не нижче, ніж у сталі. Міцність дерева в різних напрямках різна: міцність поперек волокон менше, ніж вздовж; погано витримує дерево розколювання вздовж волокон. Основою дерева, як всякого рослинного волокна, є органічна речовина – целюлоза. Має велику діелектричну проникність і тангенс кута діелектричних втрат (e=6,5-7, tgd= 0,005-0,01). Недоліки:

- нестандартність властивостей (неоднорідність властивостей залежно від напрямку їх випилювання, наявності сучків і інших дефектів),

- висока гігроскопічність, яка обумовлюється різким зниженням електроізоляційних властивостей дерева при його зволоженні,

- низька нагрівостійкість і горючість.

Властивості дерева покращуються при його просочуванні парафіном, льняним маслом, різними смолами і т.п. Просочування дерева слід проводити тільки після закінчення механічної обробки (розпилювання, свердлення і т.і.). Коли дерев¢яні деталі призначені для роботи у трансформаторному маслі, тоді їх після сушки просочують тим же маслом.

Дерево застосовують для виготовлення дерев'яних опор ліній електропередачі, кріпильних деталей трансформаторів високої і низької напруги, пазових клинів електричних машин, рукояток рубильників, штанг приводів, роз¢єднувачів і масляних вимикачів і т.п.

Б) Папери і картон -листові і рулонні матеріали коротковолокнистої будови, що складається в основному з целюлози. До складу деревини, крім целюлози і води, входять різні речовини, які розглядаються як домішки: лігнін (надаючий крихкість), смоли, солі й ін. Для видалення домішок розмелена в щепу деревна вариться у котлах, які містять водні розчини лугів чи кислот, які переводять домішки в розчинні у воді з¢єднання; потім целюлоза ретельно відмивається водою від домішок.

Для виготовлення паперу механічно оброблена (розмелена) целюлоза з великою кількістю води відливається суцільним шаром на рухому сітку паперороблячої машини. При видаленні води крізь комірки сітки, ущільненні і сушінні при пропусканні між стальними валками, деякі із яких мають обігрів, отримується папір у вигляді рулонів. Міцність паперу при розтягуванні більше в напрямку вздовж рулону, ніж поперек. Міцність також сильно залежить від вологості паперу: як дуже сухий, так і вологий папір мають знижену механічну міцність.

Кабельний папір марок К і КМ використовується для силових кабелів напруги до 35 кВ, КВ і КВУ – 35 кВ і вище, КВМ і КВМУ – 110 кВ і більше. Телефонний папір марок КТ і КТУ має товщину 50 мкм, щоб зменшити ємність ізоляції телефонних кабелів. Телефонний папір випускається як натурального кольору (жовтуватого), та і пофарбований в червоний, синій чи зелений колір; різний колір служить для розпізнавання жил телефонного кабелю. Просочувальний папір використовується для виготовлення листового гетінаксу.

Найтонший і високоякісний вид електроізоляційних паперів – конденсаторний папір, вживаний для виготовлення діелектрика конденсаторів. Конденсаторний папір виготовляють з сульфатної деревної целюлози. При використовуванні конденсаторного паперу як діелектрик звичайно беруть декілька шарів із застосуванням різних просочувальних мас (рідких, напіврідких і твердих).

Електрокартон має низьку вартість і добрі технологічні властивості, високу стабільність і механічну міцність. При просоченні трансформаторним маслом можна отримати ізоляцію з високими електричними параметрами. Для виробництва електрокартону найбільш широко застосовують сульфатну целюлозу, бавовняну целюлозу. Широко застосовують як основний твердий матеріал у силових трансформаторах.

Картон в основному відрізняється від паперу більшою товщиною. Електроізоляційний картон виготовляється двох типів: повітряний – більш твердий і пружний, призначений для роботи на повітрі (прокладки для пазів електричних машин, каркаси котушок, шайби і т.і.), і масляний – більш рихлий і більш м¢який за структурою, призначений для роботи у трансформаторному маслі. Картон випускається в листах товщиною до 3 мкм, в окремих випадках більше.

В) Текстильні матеріали отримуються методами спеціальної обробки (прядіння, ткання) довговолоконної сировини. Тканини відрізняються рівною будовою (переплетіння ниток). Текстильні матеріали мають більш високу механічну міцність, особливо при перегинанні і при стиранні, і не так сильно знижають міцність при зволоженні, але ці матеріали і просочені вироби з них набагато дорожче і мають меншу електричну міцність, ніж папери і просочені папери.

В електроізоляційній техніці пряжу використовують для захисних покровів кабелю (бавовняна пряжа) і для ізоляції (обмотки і обплетіння) обмотувальних проводів (більш тонка бавовняна й інші типи пряж і ниток); стрічки і тканини використовують для захисту ізоляції електричних машин і апаратів (особливо міцні стрічки – з діагональним переплетінням ниток “ялинкою”).

До природних волокон відносять бавовняну пряжу і натуральний шовк. Із останнього отримують більш тонку ізоляцію. Однак шовк набагато дорожче бавовняного волокна і в техніці електричної ізоляції витісняється штучними і синтетичними волокнами.

Основні типи штучних волокон – віскозний і ацетатний шовк, отримані із ефірів целюлози. За зовнішнім виглядом обитва ці типи нагадують натуральний шовк, але пряжа із них такої ж товщини, що і бавовняна. За електроізоляційними властивостями віскозний шовк не має переваг перед бавовняним волокном, але ацетатний шовк перевершує як бавовняне волокно, так і натуральний шовк.

Із синтетичних волокнистих матеріалів слід відмітити поліетилентерефталатні (лавсан, терилен, терен, дарон і ін) поліамідні (капрон, дедерон, найлон, анід і ін.), поліетиленові, полістирольні, полівінілхлоридні (хлорин і ін) і політетрафторетиленові. Ці матеріали, як і гнучкі плівки, – це лінійні полімери з високою молекулярною вагою. Деякі синтетичні волокна, наприклад поліамідні, після виготовлення підлягають витяжці для додаткової орієнтації лінійних молекул вздовж волокон і покращення механічних властивостей волокна; при цьому збільшується і довжина волокна, воно стає тонше. Із синтетичних волокон в електроізоляційній техніці більше використання знайшов капрон. Використання капрону замість натурального шовку і бавовняної пряжі у виробництві обмотувальних проводів дає великий економічний ефект, бо капрон не тільки дешевше і легко доступний, а і дає більшу довжину нитки такого ж перетину із одиниці ваги, так як щільність капрону невелика.

Г) Лакотканини - гнучкі електроізоляційні матеріали, представляють собою тканини, просочені електроізоляційним лаком. Тканина, що просочується, забезпечує механічну міцність, гнучкість і певну еластичність. Лаки утворюють на поверхні міцну плівку, яка додає добрі електричні властивості і стійкість до дії вологи.

Лакотканини виготовляють на основі бавовняних, шовкових і скляних тканин і синтетичних волокон, застосовуються у вигляді різних стрічок, прокладок, обгорток і ін.

У виробництві лакотканин використовують склотканини з різними типами просочувальних складів (масляних, кремнійорганічних, фторопластових), які відрізняються високою стійкістю до дії температури, вологого середовища й інших чинників. Також використовують азбестові волокна, одержувані з мінералу «азбест» досить складного складу.

Азбестова пряжа застосовується для обплетення нагрівостійких проводів і кабелів, призначених для роботи при температурі Т = 50-450 °С. В електропромисловості випускають азбестові електро- і теплоізоляційні стрічки, шнури, картони, дошки.

В електромашино-, електроапаратобудуванні й інших галузях народного господарства широко використовуються гнучкі електроізоляційні трубки. Найширше застосування отримали лаковані трубки і трубки, що виготовляються на основі каучуку і звані еластомерами.