Волокнистые материалы

Волокнистые материалы состоят преимущественно из частиц уд­линенной формы - волокон, промежутки между которыми запол­нены воздухом у непропитанных материалов и природными или синтетическими смолами у пропитанных. Преимуществами мно­гих волокнистых материалов являются невысокая стоимость, до­вольно большая механическая прочность, гибкость и удобство об­работки. Недостатки - невысокие электрическая прочность и теп­лопроводность, более высокая, чем у массивных материалов того же состава, гигроскопичность. Пропитка улучшает свойства волок­нистых материалов.

Непропитанные волокнистые материалы по виду исходного сы­рья можно подразделить на материалы из: растительных волокон; бумаги, картона, хлопчатобумажной пряжи и ткани; животных во­локон (натуральный шелк); искусственных и синтетических воло­кон (ацетатный шелк, капрон и др.); неорганических волокон (стек­лянное волокно, асбест).

Дерево является одним из первых электроизоляционных и конструкционных материалов, получивших применение в электротехнике, чему способствовали его дешевизна и легкость механи­ческой обработки. Основой дерева, как и всякого растительного волокна, является органическое вещество - целлюлоза, представ­ляющая собой полимерный углеводород (С₆Н,₀О₅)_п, молекулы ко­торого имеют вид длинных цепей с числом звеньев до двух тысяч. В каждом элементарном звене молекулы содержится по три гидро-ксильных группы ОН, обусловливающих полярность целлюлозы. Эти группы смещаются в электрическом поле по отношению ко всей молекулярной цепи, что создает эффект дипольно-радикальной поляризации. Поэтому целлюлоза имеет относительно большие диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь [г_г = (6,5...7); tg8 = (0,005...0,01)].

Более тяжелые породы деревьев имеют большую механическую прочность, чем легкие. Прочность поперек волокон у дерева мень­ше, чем вдоль.

К недостаткам дерева относятся высокая гигроскопичность, не­стандартность свойств, низкая нагревостойкость и горючесть. При про­питке дерева льняным маслом или различными смолами свойства улуч­шаются. Если детали из дерева предназначены для работы в трансфор­маторном масле, то после сушки они пропитываются тем же маслом.

В электротехнике дерево применяется для изготовления дере­вянных опор линий электропередачи, крепежных деталей трансфор­маторов высокого и низкого напряжения, пазовых клиньев элект­рических машин и т.п.

Бумага и картон - листовые или рулонные материалы коротковолокнистого строения, состоят в основном из целлюлозы. Наиболее тонкий и высококачественный вид электроизоляционной бумаги - конденсаторная бумага, применяемая для изготовления диэлектрика конденсаторов. Конденсаторную бумагу изготовля­ют из сульфатной древесной целлюлозы. В нашей стране был раз­работан простой способ производства борированной целлюлозы, обеспечивающий конденсаторной бумаге резко сниженную зависи­мость tg 8 от плотности бумаги. По новой технологии выпускается бумага марок: КОН - обычная, СКОН - специальная, улучшенного качества, МКОН - с малыми диэлектрическими потерями, ЭМКОН -с высокой электрической прочностью и малыми потерями.

При использовании конденсаторной бумаги в качестве диэлек­трика обычно используют несколько слоев с применением различ­ных пропиточных масс, которыми могут быть различные неполяр­ные, полярные, жидкие, полужидкие и твердые пропиточные мас­сы. Применение нескольких слоев обеспечивает перекрытие сквозных отверстий и проводящих включений в отдельных листах. Бумага не является высокочастотным диэлектриком. На перемен­ном токе она используется до частоты 10 кГц.

К числу «старейших» материалов, применяемых в качестве элек­троизоляционных, относится электрокартон. Это связано с его низ­кой стоимостью и хорошими технологическими свойствами. В сочетании с высокой стабильностью и механической прочностью при пропитке электрокартона трансформаторным маслом можно по лучить изоляцию с высокими электрическими параметрами.

Для производства электроизоляционных картонов наиболее широко применяют сульфатную целлюлозу, а в некоторые виды^ыкартонов добавляют хлопковую целлюлозу высокой степени чистоты. Картон марки AM, в который добавляется хлопковая цел­люлоза, имеет лучшие электрические характеристики, чем картон марки А. Электроизоляционные свойства картона улучшаются пр~ пропитке его жидким диэлектриком, поэтому электроизоляционный картон широко применяется в качестве основного твердого материала в силовых трансформаторах, для которых он выпускается нескольких различных марок.

Из материалов волокнистого строения в электромашино- и аппаратостроении широко применяется листовая и трубчатая фибра, в основном в качестве конструкционного и изоля­ционного материалов. Так как под действием электрической дуги фибра выделяет большое количество газов, то в электрических ап­паратах она используется также и в качестве дугогасительного элемента, однако использование фибры для этой цели сокращаете из-за возможности применения других материалов с более высокими диэлектрическими и механическими характеристиками (орга­ническое стекло, винипласт, феноло-формальдегидные смолы). Из­готовляется фибра из тонкой бумаги, пропускаемой через раствор хлористого цинка. После намотки на стальной барабан и получе­ния слоя нужной толщины, в котором отдельные слои бумаги при­липают друг к другу, фибра срезается с барабана, тщательно про­мывается водой и прессуется. Промывка необходима для удаления следов хлористого цинка, ухудшающего электроизоляционные свойства фибры. Листовую электротехническую фибру изготовля­ют марки ФЭ толщиной 0,4... 12 мм. В зависимости от использо­ванного красителя фибра может быть красного, коричневого, чер­ного или серого цвета.

Фибра неустойчива к воздействию влаги, поэтому она не при­меняется для деталей, требующих сохранения точных размеров, так как при поглощении влаги фибра меняет свои размеры. При нагре­вании до температуры 180°С фибра медленно обугливается и при температуре примерно 300 °С воспламеняется.

Лакоткани - гибкие электроизоляционные материалы, пред­ставляющие собой ткань, пропитанную электроизоляционным лаком. К пропитанным волокнистым материалам относятся также л а к о -бумаги и электроизоляционные ленты. Основа пропи­танных материалов - ткань или бумага - обеспечивает высокую меха­ническую прочность, гибкость и определенную эластичность. Элект­роизоляционные лаки, заполняя при пропитке поры ткани, образуют на поверхности после высыхания прочную пленку, которая обеспечи­вает хорошие электрические свойства и стойкость к действию влаги.

Лакоткани изготовляют на основе хлопчатобумажных, шелко­вых и стеклянных тканей из синтетических волокон. Они находят применение в электрических машинах, аппаратах, кабельных из­делиях в виде различных лент, прокладок, оберток и др.

В зависимости от типа пропитывающего лака лакоткани под­разделяются на светлые (желтые), изготовляемые на масляных ла­ках, и черные - на масляно-битумных лаках.

Светлые лакоткани имеют высокие электрические характерис­тики, устойчивы к воздействию нефтяных масел, бензина, воды, но имеют повышенную склонность к тепловому старению, в процессе которого возрастает жесткость при нагревании.

Черные лакоткани обладают более высокими, чем светлые, элек­трическими характеристиками, влагостойкостью и меньшим теп­ловым старением, но не стойки к воздействию масел и бензина. Ла­коткани, в которых в качестве основы используется капроновая ткань, превосходят по своей эластичности шелковые, но они менее устойчивы к резкому повышению температуры, например при пай­ке изолированных проводников.

В производстве лакотканей используется также стеклоткань с различными типами пропитывающих составов (масляных, крем­нийорганических, фторопластовых), многие марки которых отли­чаются высокой устойчивостью к воздействию температуры, влаж­ной среды и других факторов.

Основой лакотканей является, как это было отмечено, различного рода ткань, выполненная методами специальной обработки длинно­волокнистого сырья, называемого волокном. Для электроизоляцион­ной техники используются различные типы волокон, в том числе асбе­стовые волокна, получаемые из минерала асбест сложного состава.

Асбестовые волокна по сравнению с органическими менее проч­ны и более жестки, поэтому в ряде случаев к асбестовому волокну добавляют хлопковые синтетические и другие волокна. Асбесто­вая пряжа применяется для оплетки нагревостойких проводов и кабелей, предназначенных для работы при температуре 50...450°С. В электропромышленности выпускаются асбестовые электро- и теп­лоизоляционные ленты, шнуры, картоны, доски.

В электромашино- и электроаппаратостроении и других отрас­лях народного хозяйства широко используются электроизоляци­онные гибкие трубки. Наиболее широкое применение получили лакированные трубки и трубки, изготовляемые на основе каучука, называемые эластомерными.