Гибкие пленки и жидкие кристаллы

Вопрос 23

ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В электротехнике весьма широко применяются волокнистые ма­териалы, т. е. материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы —волокон. В некоторых материалах, а именно в текстильных, волокнистое строение совер­шенно очевидно. В других волокнистых материалах, таких, как дерево, бумага, картон, волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, до­вольно большая механическая прочность и гибкость, удобство об­работки. Недостатками их являются невысокие электрическая проч­ность и теплопроводность (из-за наличия промежутков между волок­нами, заполненными воздухом); гигроскопичность —более высокая, чем у массивного материала того же химического состава (так как развитая поверхность волокон легко поглощает влагу, проникающую в промежутки между ними). Свойства волокнистых материалов могут быть существенно улучшены путем пропитки (см. § 6-10) —вот почему эти материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.

Большая часть волокнистых материалов —органические ве­щества. К ним принадлежат материалы растительного происхожде­ния (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и прочие материалы, состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химиче­ской переработки природного волокнистого (в основном целлюлоз­ного) сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синте­тических полимеров.

Целлюлозные волокнистые материалы имеют сравнительно боль­шую гигроскопичность, что связано как с химической природой целлюлозы, содержащей большое число полярных гидроксильных групп (см. ее структурную формулу на стр. 125), так и особенно­стями строения растительных волокон, а также невысокую нагре-востойкость (в непропитанном состоянии —класс Y, а в пропитан­ном — А, см. стр. 82). Некоторые искусственные, и в особенности синтетические, волокнистые материалы имеют значительно меньшую гигроскопичность и повышенную нагревостойкость по сравнению с целлюлозными материалами.

В тех случаях, когда требуется особо высокая рабочая темпера­тура изоляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить не могут, применяют неорганические волокнистые ма­териалы — на основе стеклянного волокна и асбеста (§ 6-16 и 6-19).

ДЕРЕВО

Благодаря своей распространенности, дешевизне и легкости механической обработки дерево явилось одним из первых электроизоляционных и конструкцион­ных материалов, получивших применение в электротехнике. Дерево обладает не­плохими механическими свойствами, в особенности если учесть его легкость: проч­ность дерева, отнесенная не к геометрическим размерам, а к массе, не ниже, чем у стали. Более тяжелые породы деревьев прочнее, чем более легкие. Прочность дерева в различных направлениях различна: прочность поперек волокон меньше, чем вдоль; плохо работает дерево на раскалывание вдоль волокон.

Недостатки дерева: 1) высокая гигроскопичность, обусловливающая резкое сни­жение электроизоляционных свойств дерева при его увлажнении, а также коробле­ние и растрескивание детален, изготовленных из влажного дерева, при его высу­шивании (вследствие того, что влажнее дерево при сушке дает уменьшение размеров, неодинаковое в различных направлениях); 2) нестандартность свойств дерева даже одной и той же породы; неоднородность свойств образцов дерева в зависимости от направления их выпиливания, наличие сучков и других дефектов; 3) низкая нагрево­стойкость, а также горючесть.

Свойства дерева улучшаются при его пропитке льняным маслом, различными смолами и т. д. Для плотных пород дерева (наиболее широко в электротехнике применяется береза, бук и граб) увеличение массы при пропитке составляет 60— 70 %. Пропитку дерева следует производить только после окончания всей механи­ческой обработки (распиловки, сверления и пр.). Наиболее интенсивно дерево всасывает влагу вдоль волокон, и поэтому торцы досок должны быть защищены особенно тщательно, их следует после пропитки дополнительно лакировать. Если деревянные детали предназначаются для работы в трансформаторном масле, то их после сушки пропитывают тем же маслом.

Дерево в электротехнике применяется для изготовления штанг приводов разъ­единителей и масляных выключателей, рукояток рубильников, опорных и крепеж­ных деталей трансформаторов высокого и низкого напряжения, пазовых клиньев электрических машин, фанерного шпона для производства клееных материалов, деревянных опор линий электропередачи и связи и т. п.

БУМАГА И КАРТОН

Бумага и картон — это листовой или рулонный материал коротковолокнистого строения, состоящий в основном из целлюлозы. Для производства бумаги обычно применяют древесную целлюлозу. В состав древесины помимо целлюлозы и воды входят различные вещества, которые рассматриваются как примеси: лигнин (при­дающий древесине хрупкость), смолы (особенно в древесине хвойных пород), соли и др. Для удаления примесей размельченная в щепу древесина подвергается варке в котлах, содержащих водные растворы щелочей или кислот, которые переводят в растворимые в воде соединения; затем целлюлоза тщательно отмывается водой от примесей. Обычная писчая и печатная бумага, в том числе и бумага, на которей напечатана настоящая книга, изготавливаются из сульфитной целлюлозы, получен­ной в результате варки древесины в растворе, содержащем сернистую кислоту H2SO3; такая целлюлоза в процессе ее изготовления легко приобретает белый цвет.

При изготовлении же бумаги, применяемой в качестве электрической изоляции, а также особо прочной упаковочной и тому подобной бумаги применяется суль­фатная и натронная целлюлоза, получаемая путем варки древесины в растворах, содержащих едкий натрий NaOH. Щелочная целлюлоза обычно не отбеливается и сохраняет желтоватый цвет, обусловленный неудаленными красящими веществами древесины. Щелочная целлюлоза дороже сульфитной. Однако, поскольку в процессе щелочной варки исходная целлюлоза древесины в меньшей мере подвергается де­струкции (разрушению макромолекул) и сохраняет более высокую молекулярную массу и длину волокон, чем в процессе кислотной варки, щелочные бумаги имеют более высокую механическую прочность и более стойки к тепловому старению, что для технических бумаг, в частности электроизоляционных, чрезвычайно важно. Для изготовления бумаги механически обработанная (размолотая) целлюлоза с боль­шим количеством воды отливается сплошным слоем на движущуюся бесконечную сетку бумагоделательной машины. При удалении воды сквозь ячейки сетки, уплот­нении и сушке при пропускании между стальными валками, некоторые из которых

имеют обогрев, получается бумага в виде рулона. Проч­ность бумаги при растяжении больше в направлении вдоль рулона, т. е. вдоль длины сетки бумажной машины, чем поперек, так как вероятность ориентации волокон вдоль рулона больше, чем поперек него. Прочность также сильно зависит от влажности бумаги: как слишком сухая, так и увлажненная бумага имеет пониженную механическую прочность (рис. 6-22).

Кабельная бумага согласно ГОСТ С45—77 выпус­кается различных марок, обозначаемых буквами К,

KM, KB, КВУ, КВМ и КВМУ (эти буквы обозначают: К — кабельная, М — многослойная, В — высоковольтная, У — уплотненная) и цифрами от 15 до 240 (обозначающими номинальную толщину бумаги — от 15 до 240 мкм). Бумаги марок К и КМ применяются для силовых кабелей напряже­нием до 35 кВ, KB и КВУ— 35 кВ и выше, КВМ и КВМУ — 110 кВ и более. Объемная масса неуплотненных кабельных бумаг двух различных марок составляет 0,76 или 0,87 Мг/м3, а уплотненных бумаг 1,09—1,10 Мг/м3. Уплотненные бумаги, пропитанные нефтяным маслом, имеют более высокую диэлектрическую проница­емость (примерно 4,3), чем неуплотненные (примерно 3,5). В связи с этим в кон­струкциях кабелей на напряжение выше 35 кВ используется следующая комбина­ция уплотненных и неуплотненных бумаг: ближайшие к жиле слои ее выполняются из уплотненной бумаги, а последующие слои — из неуплотненной, поэтому при удалении от жилы е, изоляции уменьшается, что (имеется в виду работа кабеля при переменном напряжении) обеспечивает более равномерное распределение напря­женности электрического поля в изоляции.

В бумажной изоляции силового кабеля слабыми местами — очагами развития пробоя — являются зазоры между отдельными лентами бумаги в каждом повиве. В кабелях с вязкой пропиткой (например, масляно-канифольным компаундом, стр. 133) в эксплуатации после многократных последовательных нагревов и охла­ждений кабеля часть зазоров, ближайших к жиле, оказывается не заполненной про­питочным компаундом. В этих зазорах возникает ионизация, разрушающая как компаунд, так и бумагу и способствующая постепенному прорастанию ветвистого разряда от жилы к свинцовой оболочке кабеля. Старение кабельной изоляции заставляет принимать для кабелей с вязкой пропиткой невысокую рабочую (дли­тельную) напряженность электрического поля, равную 3—4 МВ/м. Кабели такого типа используют лишь при сравнительно небольших рабочих напряжениях, не превышающих 35 кВ. При более высоких напряжениях применяют масло- и газо­наполненные кабели, в которых рабочая напряженность поля доходит до 10— 12 МВ/м.

Телефонная бумага марок КТ и КТУ согласно ГОСТ 3553—73 имеет толщину 50 мкм. Объемная масса телефонных бумаг должна быть малой (не более 0,80— 0,82 Мг/м3), чтобы уменьшить емкость изоляции телефонных кабелей (в этих ка­белях, работающих при сравнительно низком напряжении, бумага находится в не-пропитанном состоянии). Телефонная бумага выпускается как натурального цвета (желтоватого, свойственного сульфатной целлюлозе), так и окрашенной в красный, синий или зеленый цвет; различная расцветка служит для различения жил теле­фонных кабелей.

Пропиточная бумага марок ЭИП-50, ЭИП-63 и ЭИП-75 (числа обозначают массу 1 ма бумаги в граммах; толщины этих бумаг 0,09; 0,11 и 0,13 мм соответ­ственно) употребляется для изготовления листового гетинакса (стр. 152)

Намоточная бумага марок ЭН-50 и ЭН-70 (числа обозначают номинальную тол­щину в микронах) — более тонкая и плотная по сравнению g пропиточной.

Конденсаторная бумага — весьма важный и ответственный материал: в пропи­танном виде она используется как диэлектрик бумажных конденсаторов. Выпу­скается двух видов: КОН — обычная конденсаторная бумага и силкон — бумага

для силовых конденсаторов. По объемной массе различают марки: 0,8 (только сил­кон), 1 и 2. Бумаги марки 0,8 имеют объемную массу около 0,8 Мг/м3; марки 1— 1,0 Мг/м3 и марки 2 — от 1,17 до 1,25 Мг/м3. Номинальные толщины различных марок этих бумаг — от 4 до 30 мкм. Конденсаторная бумага выпускается в рулонах (бобинах) шириной от 12 до 750 мм. Помимо механических свойств, химического состава (так, «разрывная длина* должна быть не менее 8000—8500 м, зольность — не более 0,4 % для бумаг КОН и не более 0,3 % для бумаг силкон) ГОСТ норми­рует электроизоляционные свойства, в том числе наибольшее число токопроводящих включений (от 5 включений на 1 м2 для бумаги силкон-1 толщиной 30 мкм до 1800 включений на 1 м2 для бумаги КОН-2 толщиной 4 мкм) и наименьшее пробивное напряжение (от 240 В для бумаги КОН-2 толщиной 4 мкм до 600 В для бумаги силкон-1 толщиной 30 мкм).

Малая толщина конденсаторной бумаги позволяет получить высокую удельную (на единицу объема) емкость конденсатора, поскольку в первом приближении, при невысоких рабочих напряжениях удельная емкость обратно пропорциональна ква­драту толщины диэлектрика.

Как уже отмечалось, бумага используется в конденсаторе в пропитанном со­стоянии. Поэтому весьма важно иметь расчетные формулы, позволяющие определить электроизоляционные свойства (er, tg 6 и £пр) пропитанной бумаги, исходя из заданных свойств бумаги и пропиточного состава. Такие формулы получил В. Т. Ренне, исходя из эквивалентной схемы диэлектрика, предусматривающей последовательное соединение слоев целлюлозы, пропиточной массы и воздуха, оставшегося при пропитке в порах бумаги.

Приведем лишь одну из формул Ренне, определяющую диэлектрическую про­ницаемость пропитанной бумаги:

бумаги, формула (6-1) упрощается, так как в ней можно принять у — 0. Еще более упрощается формула (6-1) для расчета е, сухой непропнтанной бумаги, так как в этом случае не только у = 0, но и еЛ1 = 1.

На рис. 6-23 представлено влияние диэлектрической проницаемости ег1 про­питочной массы на диэлектрическую проницаемость пропитанной конденсаторной бумаги. Учитывая старение пропитанной бумаги при длительном воздействии элек­трического поля, рабочую напряженность для бумажных конденсаторов с жидкой пропиткой обычно принимают 25—35 МВ/м при постоянном напряжении и 12— 15 МВ/м при переменном напряжении частоты 50 Гц.

В качестве диэлектрика силовых электрических конденсаторов наряду с кон­денсаторной бумагой все шире применяют синтетические пленки (§6-11); весьма перспективна для этой цели неполярная полипропиленовая пленка, имеющая малый tg б при довольно высокой нагревосюйкости. Выпускаются и бумажно-пленочные конденсаторы, диэлектрик которых состоит из двух слоев — бумаги и пленки; при этом бумага играет роль фитиля, по которому в процессе пропитки проникает в глубь конденсатора пропиточная масса (пропитка чисто пленочных конденсато­ров затруднена).

Микалентная бумага, применяемая в качестве подложки микаленты (§ 6-17), — одна из немногих разновидностей электроизоляционных бумаг, производимых не из древесной целлюлозы щелочной варки, а из длинноволокнистого хлопка. Она имеет толщину 20 ± 2 мкм и массу 1 м2, равную 17 г; выпускаема в рулонах шириной 450 или 900 мм.

Картон в основном отличается от бумаги большей толщиной. Электроизоля­ционные картоны изготовляются двух типов: воздушные более твердые и упругие, предназначенные для работы на воздухе (прокладки для пазов электрических ма­шин, каркасы катушек, шайбы), и масляные — более рыхлой структуры и более мягкие, предназначаемые в основном для работы в трансформаторном масле (на­пример, в изоляции маслонаполненных трансформаторов). Масляные картоны хорошо пропитываются маслом и в пропитанном виде имеют высокую электриче­скую прочность. В рулонах выпускаются только наиболее тонкие электроизоля­ционные картоны. Обычно же картоны (употребительные толщины — до 3 мм, в отдельных случаях выше) выпускаются в листах. Электроизоляционные картоны изготовляются из древесной или хлопковой целлюлозы.

Особая бумага и картон. Помимо описанных выше материалов типа бумаг и кар­тонов, изготовляемых из целлюлозы, для электрической изоляции с успехом при­меняются бумаги из целлюлозы с добавками других волокнистых материалов и даже бумаги, совсем не содержащие целлюлозы. Так, бумаги из смеси целлюлозы с полиэтиленовым волокном имеют еп tg б и гигроскопичность меньшие, а механи­ческую прочность большую, чем чисто целлюлозные бумаги. Такие бумаги, в ча­стности, находят применение в изоляции кабелей весьма высокого напряжения.

Как уже отмечалось (стр. 125), эфиры целлюлозы имеют меньшие гг, tg б и гигроскопичность по сравнению с целлюлозой. Помимо полного превращения целлюлозы в ее эфиры и изготовления из них волокна, возможна ее химическая об­работка, ^превращающая поверхностный слой волокна в эфир, но не изменяющая остальной части волокна. Так, ацетилированная бумага из целлюлозы, частично превращенной в ацетилцеллюлозу, имеет лучшие электроизоляционные свойства и меньшую гигроскопичность (рис. 6-24), а также несколько более высокую нагрево-стойкость по сравнению с целлюлозной бумагой. Еще выше (на 10—25 °С) нагрево-стойкость бумаги, обработанной раствором цианамида CN2H2.

ФИБРА

Она изготовляется из тонкой бумаги, которая пропускается через теплый рас­твор хлористого цинка ZnCl2 и затем наматывается на стальной барабан до получе­ния слоя нужной толщины, причем отдельные слои бумаги прилипают друг к другу; затем фибра срезается с барабана, тщательно промывается водой и прессуется. Промывка фибры необходима для того, чтобы удалить остатки хлористого цинка, легко диссоциирующего на ионы и ухудшающего электроизоляционные свойства фибры. Листовая электротехническея фибра (марка ФЭ) по ГОСТ 14613—69 вы­пускается толщиной от 0,6 до 3 мм (конструкционные сорта фибры изготовляются толщиной до 35 мм). Цвет фибры может быть черным, серым, красным и опреде-

ляется окраской бумаги, взятой для ее изго­товления. Фибра имеет невысокие электрои­золяционные свойства и значительную гигро­скопичность; однако ее механическая проч­ность значительна (предел прочности при растяжении вдоль листа не менее 70— 75 МПа, удельная ударная вязкость 20— 30 кДж/м2). Она хорошо обрабатывается: Ь) 2 режется, пилится, строгается, принимает вин­товую резьбу; размоченная в горячей воде тонкая фибра может формоваться. Плотность ^ фибры 1—1,5 Мг/м3; более плотная фибра лучше как по механическим, так и по элек­троизоляционным характеристикам. При воз­действии электрической дуги фибра разлага­ется, выделяя большое число газов, способ- ' ствующих гашению дуги. В связи о этим фибровые трубки применяют для изготовления стреляющих разрядников. В последнее время вместо фибры в ка­честве дугогасящего материала часто употребляют полиметилметакрилат (§ 6-6). Перспективны бумаги типа фенилон (за рубежом — номекс), изготовляемые из синтетического волокна (ароматический полиамид); отдельные волокна с примесью фибридов, т. е. мелких волокон из материала, аналогичного по составу основному волокну, но имеющего пониженную температуру размягчения. При пропускании фениловой бумаги между горячими валками фибр иды прочно связывают основные волокна. Фенилоновые бумаги, имеющие нагревостойкость 200—220 °С, могут при­меняться как в чистом виде (для изоляции электрических машин, сухих трансформа­торов, кабелей), так и в композициях с пленками, слюдяными материалами, а также в виде основы для слоистых пластиков (§ 6-13). На рис. 6-25 представлены темпера-турно-частотные зависимости ег и tg б бумаги номекс.

ТЕКСТИЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие сведения. Текстильные материалы получаются методами специальной обработки (прядение, тканье) длинноволокнистого сырья. Ткани отличаются от бу­маг вполне определенным строением (переплетение нитей), в то время как в бумаге отдельные волокна расположены по отношению друг к другу неправильно, беспоря­дочно. При прочих равных условиях текстильные материалы (ткани, ленты) имеют более высокую механическую прочность, особенно при перегибе и при истирании, и не столь сильно снижают прочность при увлажнении, но эти материалы и про­питанные изделия из них намного дороже и обладают меньшей электрической прочностью, чем бумаги и пропитанные бумаги.

Непосредственное определение диаметра волокон и изделий из них затрудни­тельно, так как волокна часто не имеют правильной цилиндрической формы. По­этому для оценки толщины волокон, пряжи и нитей согласно ГОСТ 10878—70 ука­зывается масса (в граммах) единицы длины (километра) нити; эта единица (г/км) называется текс. Единица СИ толщиты нити — килограмм на метр; очевидно, что один килограмм на метр равен одному мегатексу. Для пряжи, скрученной из не­скольких нитей, в ее марке после значения толщины отдельных нитей и знака умножения записывается число нитей: так, обозначение 50 текс X 3 относится к пряже, скрученной из трех нитей толщиной по 50 текс. Определение толщины нити в тексах исходит из предположения об известной плотности материала нити. Так, для полиэтиленового волокна плотность равна 0,92 Мг/м3, для капронового и нейлонового 1,14, для полиэтилентерефталатного 1,40, для хлопчатобумажного 1,52, для политетрафторэтиленового 2,3, для стеклянного (§ 6-16) примерно 2,5 Мг/м3.

В соответствии с химической природой и технологией получения различные во­локна имеют сильно различающиеся нагревостойкость (стр. 82),

Природные волокна. К ним относятся хлопчатобумажная пряжа и натуральный шелк. Из последнего получается более тонкая изоляция. Однако шелк много дороже хлопчатобумажного волокна и в технике электрической изоляции вытесняется искусственными и синтетическими волокнами.

Искусственные волокна. Основные типы этих волокон — вискозный и ацетат­ный шелк, получаемые из эфиров целлюлозы (стр. 125) В отличие от исходной целлю­лозы ее эфиры обладают растворимостью в подходящих по составу растворителях и позволяют изготовлять из них тонкие нити при вытекании растворов сквозь отвер­стия (фильеры) малого диаметра.

Вискозный шелк изготовляют переработкой целлюлозы с последующим пере­водом вытянутых из прядильного раствора волокон в вещество, близкое по своей химической природе к исходной целлюлозе. Ацетатный шелк по составу предста­вляет собой уксуснокислый эфир целлюлозы (ацетат целлюлозы).

По внешнему виду оба эти типа искусственного шелка напоминают натуральный шелк, но пряжа из них такой же толщины, что и хлопчатобумажная. По электро­изоляционным свойствам вискозный шелк не имеет преимуществ перед хлопчато­бумажным волокном, он даже несколько более гигроскопичен, чем хлопчатобумажное волокно [см. рис. (6-26)], но ацетатный шелк превосходит как хлопчатобумажную пряжу, так и натуральный шелк. Возможно и поверхностное ацетилирование (стр. 144) хлопчатобумажной пряжи; подвергнутая такой обработке пряжа обладает меньшей гигроскопичностью, чем у исходной хлопчатобумажной пряжи.

Синтетические волокна. Из синтетических волокнистых материалов следует отметить полиэтилентерефталатные (лавсан, терилен, терен, дакрон), полиамидные (капрон, дедерон. нейлон, анид), полиэтиленовые, полистирольные, поливинил-хлоридные (хлорин) и политетрафторэтиленовые. Понятие о химической природе и основных свойствах материалов, из которых изготовляются (вытягиванием из растворов или расплавов) эти волокна, было дано выше (§ 6-5, 6-6 и 6-11). На­помним, что такие материалы, равно как и материалы, из которых изготовляются гибкие пленки (§ 6-11), —это линейные полимеры с высокой молекулярной массой. Многие синтетические волокна, например, полиамидные, после изготовления подвергаются вытяжке для дополнительной ориентации линейных молекул вдоль во­локон и улучшения механических свойств волокна; при этом, очевидно, увеличи­вается и длина волокна, и оно становится тоньше. В СССР из синтетических волокон в электроизоляционной технике большое применение имеет капрон. Использование капрона вместо натурального шелка и хлопчатобумажной пряжи высоких номеров в производстве обмоточных проводов дает большой экономический эффект, ибо капрон не только много дешевле, чем шелк и тонкая хлопчатобумажная пряжа, 146

и легко доступен, но и дает большую длину нити того же сечения из единицы массы, так как плотность капрона сравнительно невелика (стр. 122).

Полиамидное волокно энант превосходит капрон и нейлон по нагревостойкости и механической прочности. Нитрон (за границей — орлон) — это полимер акрил-нитрила

Он характеризуется большой механической прочностью и нагревостойкостыо (температура размягчения его выше 235 °С). Электрическая прочность непропитан-ных текстильных материалов определяется электрической прочностью воздуха в сквозных отверстиях между нитями, а потому весьма мала. Путем пропитки лаком (см. ниже) можно закрыть эти отверстия лаковой пленкой и этим резко повысить электрическую прочность ткани и ее влагостойкость.

ЛАКОТКАНИ

Лакотканыо называется гибкий электроизоляционный материал, представля­ющий собой ткань, пропитанную электроизоляционным лаком. Ткань обеспечивает значительную механическую прочность, а лаковая пленка — электрическую проч­ность материала. Лакоткань широко применяют для изоляции в электрических машинах, аппаратах, кабельных изделиях в виде обмоток (из лакоткани, нарезанной лентами), оберток, прокладок и др.

В качестве ткани для изготовления лакоткани чаще всего применяют хлопчато­бумажную и реже шелковую ткань; соответственно этому различают лакоткани хлопчатобумажные и шелковые (лакошелк). Шелковые лакоткани по сравнению с хлопчатобумажными дороже, но зато тоньше, что позволяет получить изоляцию с малыми габаритами, и имеют более высокую электрическую прочность. Как хлоп­чатобумажные, так и шелковые лакоткани принадлежат к числу электроизоля­ционных материалов класса нагревостойкости А (предельная рабочая температура 105 СС). Применение находят также лакоткани на основе тканей из синтетических волокон, в частности капрона и стеклоткани.

По роду пропитывающего лака наиболее распространенные лакоткани под­разделяются на светлые (желтые) — на масляных лаках и черные — на масляно-битумных лаках. Светлые лакоткани относительно стойки к действию органических растворителей; недостатком их является склонность к тепловому старению, обусло­вленная большим содержанием сиккативов в масляных лаках (для достижения боль­шой скорости сушки при прохождении ткани через пропиточную машину). Электри­ческая прочность светлых лакотканей: хлопчатобумажных 35—50 МВ/м, шелковых 55—90 МВ/м. Плотность хлопчатобумажных лакотканей, как светлых, так и чер­ных близка к 1,1 Мг/м3; шелковые лакоткани имеют плотность 0,9—1,0 Мг/м3. Черные лакоткани в соответствии с общими свойствами масляно-битумных лайм обладают лучшими электроизоляционными свойствами: так, £пр черных хлопчато­бумажных лакотканей примерно 50—60 МВ/м. Гигроскопичность черных лако­тканей значительно меньше, чем светлых. Недостатком черных лакотканей является их пониженная стойкость к действию органических растворителей. Предел прочности при растяжении лакотканей наибольший в направлении вдоль рулона. Удлинение перед разрывом больше всего в направлении под острым углом к длине рулона (по диа­гонали). Хлопчатобумажные, шелковые и капроновые электроизоляционные лако­ткани выпускаются в соответствии с ГОСТ 2214—78. Обычно они поставляются в рулонах шириной от 700 до 1050 мм. Толщины различных лакотканей соста­вляют: хлопчатобумажных от 0,15 до 0,30 мм, шелковых от 0,04 до 0,15 мм, капроновых от 0,10 до 0,15 мм.

При пропитке бумаги лаками (обычно масляными) получаются лакобумаги, которые могут использоваться как заменитель лакоткани. Лакобумаги дешевле лакотканей и обладают повышенными электроизоляционными свойствами, но имеют меньшую механическую прочность (особенно при растяжении поперек рулона) и меньшее удлинение перед разрывом. В последнее время наблюдается тенденция к за­мене лакотканей и лакобумаг более прогрессивными гибкими электроизоляцион­ными материалами —гибкими пленками .

Вопрос 24

СЛОИСТЫЕ ПЛАСТИКИ

Широкое применение в качестве конструкционных и электро­изоляционных материалов имеют слоистые пластики, в которых наполнителем является тот или иной листовой волокнистый мате­риал. К этим материалам относятся гетинакс, текстолит и др.

Гетинакс получается посредством горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Для производства гетинакса берется проч­ная и_ нагревостойкая пропиточная бумага (§ 6-12). Пропитка ее смолой может производиться различными способами. Наиболее распространенным способом в течение ряда лет был способ пропитки лаком, т. е. раствором бакелита А в спирте, с последующей сушкой В пропиточной машине бумага (или ткань —для производства текстолита, см. ниже), разматываясь с рулона, проходит через ванну с лаком, поднимается в сушильную шахту и через валики на­матывается на приемный механизм. Существенным недостатком этого способа пропитки является расходование больших количеств дорогого растворителя —спирта, пары которого при сушке удаляются, 152

к тому же применение легкогорючего спирта повышает пожарную опасность производства.

В СССР была разработана технология производства слоистых электроизоляционных пластиков, для которой характерна пропитка бумаги или ткани жидкими водными суспензиями фенолформаль-дегидных смол; при сушке пропитанной бумаги вода испаряется. Данная технология производства слоистых пластиков совершенно не требует применения спирта, и внедрение ее в производство не­которых марок слоистых пластиков дало большую экономию. Пропи­танная (бакелитизированная) бумага нарезается листами требу­ющегося формата, собирается пачками нужной толщины и уклады­вается между стальными плитами гидравлического пресса. Прессы для производства слоистых пластиков с целью повышения произ­водительности выполняются с располагаемыми в несколько «этажей» плитами и заготовки из пропиточной бумаги закладывают одно­временно во все этажи. Во время прессования через просверленные в плитах каналы пропускается пар, который нагревает плиты, от плит теплота передается прессуемому материалу, бакелит в нем расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдель­ными листами ее и, запекаясь (переходя в стадию С), твердеет и связывает отдельные слои бумаги. При прессовке гетинакса обычно устанавливают давление около 1 МПа; температура плит пресса 160—165 °С; время выдержки под давлением от 2 до 5 мин на каждый миллиметр толщины досок, считая с момента достижения плитами пресса указанной выше температуры. По окончании прессования, перед выемкой отпрессованных досок, последние охлаждаются при­мерно до температуры +60 °С, для чего подача пара в каналы плит прекращается, и в эти же каналы пропускается холодная вода. У отпрессованного материала края обрезают под прямым углом циркульной пилой.

Согласно ГОСТ 2718—74 листовой электротехнический гетинакс выпускается различных марок (табл. 6-5). Отметим только две из них: 1 —для панелей распределительных устройств, щитов, изо­ляционных перегородок в устройствах низкого напряжения (выпускается в листах толщиной от 0,2 до 50 мм); V — для деталей, работаю­щих в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения (выпускается в листах толщиной от 5 до 50 мм). Для всех марок гетинакса длина—не менее 700 мм, ширина —не менее 550 мм. Электрическая прочность гети­накса в направлении, перпендику­лярном слоям, Епр ~ 20—40 МВ/м, диэлектрическая проницае­мость ег от 5 до 6. Дугостойкость гетинакса, как и других пластиков на фенолформальдегидном связующем, невысока: после воздействия разряда на поверхности материала остается науглероженный след, обладающий значительной электрической проводимостью (явление тренинга). Слоистая структура гетинакса, как и других слоистых пластиков (а также слюды и слюдяных материалов, см. § 6-18), приводит к заметной анизотропии свойств в направлениях, пер­пендикулярном и параллельном слоям. Так, например, удельное объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50—100 раз, а элек­трическая прочность вдоль слоев в 5—8 раз ниже, чем поперек слоев. Гетинакс может обрабатываться режущим инструментом из твердых сплавов, причем скорости резания при небольших подачах велики; станки должны быть оборудованы вытяжной вентиляцией для уда­ления пыли; охлаждение ведется воздушной струей. Торцы штампо­ванных деталей рекомендуется защищать электроизоляционным ла­ком. Не следует снимать фрезой поверхностный слой материала, ибо такая обработка ведет к ухудшению влагостойкости гетинакса. Гетииакс нашел применение в высоко- и низковольтном аппарато-приборостроении, а также в технике связи.

Фольгированный гетинакс. Для изготовления печатных схем низковольтных цепей аппаратуры используют фольгированный ге­тинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной стороны или с двух сторон электролитической красно-медной фоль­гой толщиной 0,035—0,05 мм. На рис. 6-31 показан печатный мон­таж, полученный травлением фолыированного гетинакса.

Текстолит. Этот пластик аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Свойства различных марок листового элек­тротехнического текстолита определяются ГОСТ 2910—74. Свойства текстолита на основе хлопчатобумажной ткани (например, марка Б, см. табл. 6-5) в общем близки к свойствам гетинакса; текстолит имеет повышенную удельную ударную вязкость, стойкость к истиранию и сопротивление раскалыванию (при вдавливании клина в торец доски). Текстолит в пять-шесть раз дороже гетинакса, так как стои­мость ткани значительно выше стоимости бумаги, и применяется лишь в отдельных случаях для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателей

и т. п.). Текстолит марки ЛТ на основе синтетической (лавсановой) ткани с пропиткой эпоксидно-фенолформальдегидной смолой более влагостоек, но его нагревостойкость (до 85 СС) понижена.

Другие виды слоистых пластиков. Это текстогетинакс (комби­нированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и на­ружными — с обеих сторон —слоями хлопчатобумажной ткани); древеснослоистые пластики (ДСП) —типа фанеры на бакелитовой смоле, более дешевые, чем гетинакс, но с худшими электроизоля­ционными свойствами и более гигроскопичные; более нагревостой-кие слоистые пластики — на неорганических основах: асбогетинакс на основе асбестовой бумаги и асботекстолит на основе асбестовой ткани (см. § 6-19); наиболее нагревостойкие, влагостойкие и меха­нически прочные слоистые пластики — стеклотекстолиты на основе неорганической —стеклянной (см. § 6-16) ткани с нагревостойкими связующими (см. характеристики для стеклотекстолита марки СТЭФ на эпоксидном связующем в табл. 6-5). Наряду со стеклотекстоли-тами выпускаются и более дешевые слоистые пластики на основе не стеклоткани, а стекломата, получаемого без тканья, т. е. без переплетения нитей друг с другом.

Фасонные и намотанные изделия. Помимо описанных выше ли­стовых слоистых пластиков, находят применение и фасонные слои­стые изделия. Таковы намотанные изделия, известные под назва­нием гетинаксовых (бакелитовых) трубок (внутренний диаметр от 10 до 30 мм) и цилиндров (внутренний диаметр от 30 до 600 мм). Бакелитовые трубки и цилиндры выпускаются различной длины при толщине стенки от 1,5 до 3 мм. Они изготовляются из лакиро­ванной с одной стороны (на специальных лакировочных машинах) намоточной бумаги (§ 6-12), более тонкой и плотной, чем пропиточная бумага, которая идет на производство листового гетинакса. Лаки­рованная бумага туго наматывается на металлическую оправку и вместе с ней подвергается запеканию в термостате, после чего готовое изделие снимается с оправки. Свойства намотанных изделий усту­пают свойствам листового гетинакса. Изготовляются также тексто­литовые цилиндры, стержни и различные фасонные детали сложной формы, в частности гасильные камеры для масляных выключателей. Текстолит применяется и как конструкционный материал, например, для изготовления подшипников и бесшумных зубчатых передач. Зубчатые колеса для таких передач прессуются из набранных в стопки заготовок, отштампованных из пропитанной ткани.

ЭЛАСТОМЕРЫ

Большое значение в самых разнообразных отраслях техники и в быту имеют материалы на основе каучука и близких к нему по свойствам веществ —так называемых эластомеров.

НАТУРАЛЬНЫЙ КАУЧУК

Натуральный каучук получается из особых растений — каучу­коносов. Большая часть каучуконосов содержит каучук в млечнсм соке (латексе), представляющем собой взвесь в воде микроскопических частиц округленной формы (глобул); глобулы имеют тонкую оболочку из белковых веществ и жирных кислот. Каучук выделяется при коагуляции латекса и удалении примесей. По химическому составу натуральный каучук представляет собой полимерный угле­водород, имеющий состав (C5Hs)n и строение, характеризуемое на­личием двойных связей:

Уже при нагреве до температуры 50 °С каучук размягчается и становится липким, а при низких температурах он хрупок. Каучук растворяется в углеводородах и сероуглероде. Раствор каучука в бензине, называемый обычно резиновым клеем, может приме­няться для прочного склеивания каучука и резины. Высокая эла­стичность каучука связана с зигзагообразной, «шарнирной» формой цепочек его молекул; при действии на каучук растягивающего уси­лия форма цепочки приближается к прямолинейной. Кау