Волокнистые электроизоляционные материалы

Для изоляции электрических машин и аппаратов широко применяют различные волокнистые материалы растительного происхождения (бумагу, картон, хлопчатобумажные и шелковые волокна, ткани и ленты), а также некоторые синтетические текстильные материалы, получаемые химической переработкой отдельных веществ: искусственный шелк, синтетические волокна (капрон, нейлон), материалы из полистирола, полихлорвинила, полиамидные и триацетатные пленки. Органические волокнистые изоляционные материалы отличаются невысокой нагревостойкостью. и в естественном виде без специальной обработки относятся к классу Y. Их недостаток — высокая гигроскопичность. Между их волокнами и нитями остаются воздушные промежутки (поры), легко поглощающие влагу.

Бумага и картон. Бумага и картон — листовые материалы коротко-волокнистого строения, состоящие из целлюлозы. Бумагу изготовляют из измельченного хлопчатобумажного тряпья и волокон древесины, которые подвергают специальной химической обработке. Все сорта бумаги обладают хорошими изоляционными свойствами, однако в электромашиностроении применяют только следующие специальные сорта: кабельную (толщиной 0,08—0,17 мм), телефонную (0,05 мм), конденсаторную (7—30 мк), оклеечную (0,33 мм), пропиточную (0,12 мм), намоточную (0,05—0,07 мм) и микалентную (20 мк).

Указанные сорта бумаги используют для изоляции обмоточных проводов и кабелей различного типа, изготовления конденсаторов, оклейки листов электротехнической стали, а также для изготовления микаленты (см. ниже) и различных слоистых пластических материалов (листового и фасонного гетинакса, бакелитовых трубок и пр.).

Картон изготовляют из того же сырья, что и бумагу, но он имеет значительно большую толщину. В электромашиностроении применяют следующие сорта картона: электрокартон, фибру и литероид.

Электрокартон имеет толщину от 0,2 до 3 мм и обладает высокими изоляционными свойствами. Диэлектрическая прочность его достигает 25 кВ на 1 мм толщины. Он очень эластичен, что позволяет изгибать его под нужными углами. Применяется для изготовления прокладок, корпусов катушек, шайб, пазовой изоляции электрических машин и пр.

Фибра — картон, обработанный слабыми кислотами. Обладает большой твердостью, прочностью и может подвергаться обработке на металлорежущих станках (сверлильном, токарном, фрезерном и пр.). Изготовляется в виде листов различной толщины или в виде стержней и трубок. Имеет хорошие изоляционные свойства, но повышенную гигроскопичность.
Текстильные материалы. Электроизоляционные текстильные материалы изготовляют, главным образом, из растительных волокон, представляющих собой в основном целлюлозу (хлопок, реже — лен, пенька, джут). Иногда применяют шелк, из которого получают тонкую и одновременно механически прочную изоляцию.

Из различных видов искусственных волокон наибольшее распространение получили искусственный шелк (вискозный и ацетатный), вырабатываемый путем химической переработки целлюлозы, а также капрон и нейлон. Полученные из целлюлозы искусственные вещества (эфиры целлюлозы) обладают хорошей растворимостью, что дает возможность изготовлять из них тонкие нити путем продавливания этих веществ через отверстия малого диаметра.

Капрон и нейлон, изготовляемые на основе искусственных полиамидных смол, механически прочны, негигроскопичны и нагревостойки.

Текстильные материалы из искусственных волокон находят применение в различных отраслях электроизоляционной техники (для изготовления обмоточных проводов, лакотканей и пр.). В электромашиностроении применяют различные виды текстильных изделий: нити, пряжу, ткани, ленты и пр. Главное преимущество тканей — очень высокая механическая прочность, позволяющая применять их для крепления токопроводящих и изоляционных деталей, а также в качестве основы для изготовления других изоляционных материалов (лакотканей, текстолита и др.).

Для изоляции обмоток электрических машин и при ремонтных работах широко используют тканые (с кромками) хлопчатобумажные ленты: тафтяную (толщиной 0,18—0,20 мм), киперную с диагональным (киперным — «елочкой») переплетением нитей (0,30—0,35 мм) и батистовую (0,10—0,12 мм). Пряжу (нити, скрученные из отдельных волокон) применяют для изоляции проводов и шнуров путем обмотки и оплетки.

В электроизоляционной технике используют в большей степени механические свойства непропитанных тканей и лент, чем их электрические свойства. Объясняется это тем, что без специальной обработки ткани не могут служить изоляторами, так как между их нитями остаются поры, поглощающие влагу.

Для улучшения изоляционных свойств волокнистых материалов их поры заполняют различными твердеющими влагонепроницаемыми веществами: естественными и искусственными смолами, битумами и пленками, образующимися при высыхании некоторых масел. Смолы и масла растворяют в различных легколетучих жидкостях, получая лаки и эмали. При сушке лака, нанесенного тонким слоем на твердую поверхность и проникшего в поры изоляции, растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние. При этом образуется пленка, плотно пристающая к твердой поверхности и обладающая высокими электроизоляционными свойствами и малой гигроскопичностью. Процесс заполнения воздушных пор волокнистых материалов твердеющими электроизоляционными веществами называется пропиткой. Для пропитки применяют природные лаки (шеллачные, копаловые, битумные, масляные и их смеси) и синтетические, получаемые химической переработкой различных органических веществ (бакелитовые, глифталевые, полихлорвиниловые, нитроцеллю-лозные и пр.).

В зависимости от режима сушки различают лаки и эмали холодной (воздушной) и горячей (печной) сушки. Температура горячей сушки не должна превышать 110°С во избежание пересушивания, при котором лаковая пленка становится хрупкой и растрескивается.

Для пропитки изоляции обмоток электрических машин и аппаратов наибольшее распространение получили пропиточные лаки горячей сушки. Пропитку волокнистых изоляционных материалов этим лаком осуществляют следующим образом. Изделия предварительно просушивают в печи в течение 5—10 ч при температуре 100—110°С и в горячем состоянии (при температуре 60—70 °С) погружают в аднну с лаком. Через 15—30 мин пропитанные изделия вынимают из ванны, дают избытку лака стечь и подвергают сушке в печи при температуре 100—110°С (в соответствии с режимом сушки, рекомендуемым для данного лака). После такой пропитки с последующей сушкой на поверхность изделия наносят покровную эмаль и осуществляют окончательную сушку.

Эмаль после высыхания образует твердое блестящее покрытие, предохраняющее от влияния влаги и механических воздействий.

Современная техника применяет лаки и эмали, различающиеся и по составу, и по назначению. Каждый из них имеет свою технологию применения. Эти подробности детально указываются в стандартах и технических условиях на соответствующие лаки.
Наибольшее распространение получили следующие сорта лаков: светлые масляные лаки; имеют в качестве основы высыхающие масла, а в качестве растворителя — бензин, обычный или лаковый керосин или же их смеси. Изготовляют как воздушный, так и печной сушки; применяют для покрытия листов электротехнической стали и проволоки с эмалевой изоляцией, для изготовления светлых лакотканей и пр. Имеют высокие изолирующие и защитные свойства, но не маслостойки;

черные битумные лаки холодной сушки; изготовляют из асфальтов и нефтяных битумов, растворенных в бензоле, толуоле или скипидаре или же в смеси их с бензином и лаковым керосином. Применяют в качестве антикоррозионных покрытий стальных деталей;

черные масляно-битумные лаки; применяются в качестве пропиточных и покровных лаков при производстве и ремонте электрических машин;

шеллачный лак — раствор шеллака в спирте; применяется как клеящий лак при изготовлении миканитов и при различных электромонтажных и ремонтных работах. Требует горячей сушки, может быть использован и как лак холодной сушки;

глифталевые лаки, содержащие в качестве основы глифталевые синтетические смолы, а в качестве растворителя — ацетон, смесь толуола и бензина и др. Масло-стойки обладают хорошими изоляционными и защитными свойствами и являются лаками печной сушки. Применяют в качестве пропиточных и покровных лаков и для изготовления серых эмалей, используемых для покрытия деталей электрических машин и аппаратов;

бакелитовые лаки — растворы синтетической смолы бакелита в спирте. Пропиточные и клеющие лаки горячей сушки, дающие механически прочную, но малоэластичную и склонную к тепловому старению пленку;

нитроцеллюлозные лаки (нитролаки); представляющие собой раствор целлюлозы в различных растворителях. Дают хорошую быстросохнущую защитную, но не теплостойкую пленку.

Для пропитки неподвижных катушек и заливки различных токопроводящих деталей (для заполнения воздушных промежутков вокруг катушек электрических аппаратов, пустот в кабельных муфтах, заливки крышек аккумуляторов и пр.) применяют компаунды. Они обеспечивают более влагостойкую и влагонепроницаемую пропитку, чем лаки, и при охлаждении затвердевают полностью. В них не остается пор от испарившегося растворителя, что наблюдается при пропитке лаками. В качестве основы для изготовления компаундов служат битумы. Для придания компаундам большей эластичности, нагревостойкости и маслостойкости к ним добавляют высыхающие масла, смолы и воск. Процесс пропитки компаундами может вестись при повышенной температуре (выше температуры их плавления). Подлежащие пропитке изделия погружают на определенное время в расплавленный компаунд и вынимают, не дожидаясь полного его застывания.

Более совершенной является вакуумная пропитка компаундами. Она заключается в том, что подлежащее пропитке изделие сначала подвергают сушке в герметически закрытом котле (автоклаве) в вакууме, а затем пропитывают в этом же котле под давлением в несколько атмосфер. В некоторых случаях пропитку производят за несколько циклов с периодической подачей давления в автоклав.

Лаки, смолы и эмали используют не только для пропитки волокнистых материалов, но и для изготовления эмалированной проволоки, пластмассовой изоляции проводов, покрытия листов электротехнической стали, склеивания различных твердых электроизоляционных материалов и изделий и пр.

В последнее время для изоляции электрических машин и аппаратов широко применяют различные волокнистые материалы неорганического происхождения: стеклянное волокно и асбест. Основным преимуществом этих материалов перед органическими является их более высокая нагревостойкость. Стеклянное волокно изготовляют путем пропускания расплавленной стеклянной массы сквозь отверстия малого диаметра. В толстом слое стекло является хрупким и ломким материалом. Однако весьма тонкие волокна (диаметром 3—7 мк) имеют настолько большую гибкость, что могут обрабатываться приемами текстильной технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон, ткут стеклянные ткани и ленты. Эти же нити используют для изоляции обмоточных проводов.

Для склеивания и пропитки материалов из стекловолокна применяют органические лаки и смолы повышенной нагреваемости или кремнийорганические лаки и смолы. Таким путем получают различные стеклолакоткани, стеклоленту, стеклотекстолит и пр.

Кремнийорганические смолы, как показывает их название, содержат, кроме углерода, характерного для органических веществ, также и кремний, являющийся одним из важнейших составных частей многих неорганических диэлектриков. Такие смолы обладают значительной нагревостойкостью, хорошими электроизолирующими свойствами и малой гигроскопичностью.

Для изоляции катушек тяговых двигателей применяют монолитную кремний-органическую изоляцию. Катушку заливают кремнийорганическим компаундом. После затвердевания она представляет собой единую монолитную конструкцию.

Асбестовое волокно также может обрабатываться методами текстильной и бумажной технологии: из него изготовляют ткани, ленту, бумагу и картон. В некоторых случаях в асбестовую пряжу для повышения прочности добавляют хлопчатобумажные волокна. Асбестовые изделия гигроскопичны и обладают невысокими изоляционными свойствами. Поэтому в изоляционной технике асбест применяется как вспомо­гательный теплостойкий материал и требует дополнительной обработки лаками или битумами.