Диэлектрические материалы. Строение и свойства

ЛЕКЦИЯ №8

Волокнистые материалы. Дерево, бумага, картон. Текстильные материалы. Натуральные, синтетические и искусственные волокна.

Пластмассы. Слоистые пластики. Гетинакс, текстолит, асбогетинакс, стеклотекстолит

 

В электротехнике весьма широко применяются волокнистые материалы, то есть материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы — волокон.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность. Гигроскопичность их 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, 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 основной целлюлозного) сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.

Волокнистые целлюлозные материалы имеют сравнительно большую гигроскопичность, что связано как с химической природой целлюлозы, содержащей большое число полярных гидроксильных групп, так и особенностями строения растительных волокон, а также невысокую нагревостойкость (в непропитанном состоянии — класс Y, а в пропитанном — А. 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 волокнистые органические материалы обеспечить не могут, применяют волокнистые неорганические материалы — на основе стеклянного волокна и асбеста.

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. Прочность дерева в различных направлениях различна: прочность поперек волокон меньше, чем вдоль.

Недостатки дерева: высокая гигроскопичность, обусловливающая резкое снижение электроизоляционных свойств дерева при его увлажнении, а также коробление и растрескивание деталей, изготовленных из влажного дерева, при его высушивании (вследствие того, что влажное дерево при сушке дает уменьшение размеров, неодинаковое в различных направлениях); нестандартность свойств дерева даже одной и той же породы, неоднородность свойств образцов дерева в зависимости от направления их выпиливания, наличие сучков и других дефектов; низкая нагревостойкость, а также горючесть.Свойства дерева улучшаются при его пропитке льняным маслом, различными смолами и т. д.

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 другие. Обычная писчая и печатная бумага, в том числе и бумага, на которой напечатано это пособие, изготавливаются из сульфитной целлюлозы, напучен­ной 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 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 не удаленными красящими веществами древесины. Щелочная целлюлоза дороже сульфитной. Однако, поскольку в процессе щелочной варки исходная целлюлоза древесины в меньшей мере подвергаемся 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.Кабельная бумага выпускается различных марок, обозначаемых буквами. К, КМ, 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).

Телефонная бумага марок КТ и КТУ согласно имеет толщину 50 мкм.

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.

Микалентная бумага, применяемая в качестве подложки микаленты, — 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; выпускается 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. Масляные картоны хорошо пропитываются маслом и в пропитанном виде имеют высокую электриче­скую прочность. Электроизоляционные картоны изготовляются из древесной или хлопковой целлюлозы.

Особая бумага и картон. Так, бумаги из смеси целлюлозы с полиэтиленовым волокном имеют er, tg d и гигроскопичность меньшие, а механи­ческую прочность большую, чем чисто целлюлозные бумаги. Такие бумаги, в ча­стности, находят применение в изоляции кабелей весьма высокого напряжения.

Фибра.Фибра изготавливается из тонкой бумаги, которая пропускается через теплый раствор хлористого цинка, а затем наматывается на стальной барабан, причем слои прилипают друг к другу, образуя нужную толщину. После чего бумага тщательно промывается водой и прессуется Фибра имеет невысокие электроизоляционные свойства и значительную гигроскопичность, однако она отличается высокой механической прочностью, хорошо обрабатывается. При воздействии на фибру электрической дуги она разлагается, выделяя газ, способствующий гашению дуги, поэтому фибру используют для изготовления стреляющих разрядников. В настоящее время фибра заменяется некоторыми синтетическими смолами.