книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

Каучуки как натуральные, так и многие синтетические имеют ряд недостатков: низкая температура размягчения, недостаточная механическая прочность, гигроскопичность (при водопоглощении 4,8% резко снижаются электрические свойства — tg 8 = 0,1, Е„р — = 100 кв/см), легкая растворимость во многих жидких углеводо­ родах (бензин и др.). Поэтому каучуки используются большею частью после так называемой вулканизации. Получаемый мате­ риал называется резиной. Вулканизация — это термическая обра­ ботка каучука при температуре около 150° С с добавками (в ос­ новном серы), в резуьтате которой уменьшается пластичность, но сохраняются свойства эластичности.

Полагают, что при вулканизации сера присоединяется к моле­ кулам резины по месту двойных связей, образуя поперечные связи между молекулами. Этим объясняется увеличение ее механиче­ ской прочности и повышение стойкости против растворителей. При вулканизации вводят примеси, препятствующие окислению, а так­ же инертные наполнители, повышающие механическую прочность (мел и др.). Остаток непрореагированной серы с течением вре­ мени диффундирует на поверхность слоя резины и если этот слой соприкасается с медным проводом, то выделившаяся сера соеди­ няется с медью, образуя сернистую медь. Поэтому медные про­ вода, изолированные резиной, предварительно лудят и покрывают слоем пряжи. Вместо серы при вулканизации иногда вводят орга­ ническое вещество тиурам, которое при нагревании выделяет ак­ тивную серу, вступающую в реакцию.

Тиурамовая резина имеет повышенную механическую проч­ ность и стойкость против теплового старения, причем она не воз­ действует на медь. Однако тиурамовые резины отличаются пони­ женной эластичностью.

Натуральный каучук

Каучук представляет собой ненасыщенный полимер изопрена C5HS, образующиеся при полимеризации линейные цепи содержат двойные связи

Длина цепи достигает 40 000 А при поперечнике 2А; молекулярный вес составляет до 30 000.

Натуральный каучук добывают из сока каучуконосных расте­ ний. Каучук весьма эластичный материал, при разрыве удлиняю­ щийся на 400% и более. Термин «каучук» происходит от двух слов «кау» — дерево и «учу» — плакать. Это связано со способом полу­ чения первичного каучука из бразильской гевеи; в ее молочном соке (латексе) содержится до 40% каучука. После обкуривания или химической обработки получают так называемый крец-кау-

110

чук. В настоящее время для переработки применяют почти исклю­ чительно каучук, получаемый с плантаций гевеи. Продукты вул­ канизации каучука с небольшим количеством серы (2—5%) носят название мягкой резины; добавление серы в количестве 25—30% дает неэластичный твердый материал — эбонит (рис. 7-3).

Мягкая резина обладает эластичностью в широком интервале температур. Весьма опасным для резины является процесс старе­ ния; при этом в основном происходит окисление углеводородов. Старение сопровождается снижением механической прочности и эластичности; появляются трещины, падают и электрические свой­ ства. Этот процесс особенно интенсивно с g

(РТИ-1), после 24-часового воздействия

воды при 20°С имеет следующие свойства: s= 5; у=10_13 ом~1см~1; tg8 = 0,l; Епр=200 кв/см (толщина 1 мм).

Большею частью резиновые смеси содержат не только нату­ ральный, но и синтетический каучук.

Синтетический каучук

Синтетические каучуки представляют собой продукты, допу­ скающие вулканизацию, обладающие эластичностью в широком интервале температур (от —50 до +50°С) и достаточно высокой механической прочностью после их вулканизации.

Синтетический каучук чаще всего получают путем совместной полимеризации двух-трех мономеров. Наибольшее распростране­ ние имеют бутадиеностирольный, бутадиенонитрильный, полихлорпреновый, бутилкаучук, полиизопреновый, кремнийорганический каучук. Рассмотрим бутадиеностирольный и кремнийорганические каучуки.

Бутадиеностирольный каучук получают путем совместной по­ лимеризации бутадиена С4Н6 (72%) и стирола CsH8 (28%). Мо­ лекулярный вес каучука достигает 300000. При введении некото­ рых добавок этот каучук имеет повышенную стойкость к тепло­ вому старению и к растрескиванию при повторных деформациях.

111

■Этот синтетический каучук имеет пониженную -клейкость и эла­ стичность по сравнению с натуральными. Однако данный каучук имеет повышенную стойкость к истиранию, а также хорошие электрические свойства. Резина на основе этого каучука (марки СКС и СКСМ — морозостойкая) применяется для изоляции про­ водов и кабелей, изготовления прокладок и т. п.

Эскапон представляет собой твердый материал, получаемый путем термической обработки синтетического каучука без добав­ ления серы. Используемый для этой цели синтетический каучук (разновидность бутадиенового каучука) подвергается прессовке при давлении около 20 ати и температуре 260—300° С.

Эскапон имеет стереорегулярную (упорядоченную) простран­ ственную структуру, что обусловливает наличие у него ряда важ­ ных свойств; высокую механическую прочность, химическую устой­ чивость, теплостойкость. Он отличается хорошими электроизоля­ ционными свойствами, особенно в электрических полях высокой частоты, причем эти свойства сохраняются до 150—180° С.

Эскапон имеет темно-желтый цвет, хорошо обрабатывается, имеет достаточно высокую механическую прочность (временное сопротивление изгибу — 600 кг/см); он стоек к действию кислот и органических растворителей и обладает малой гигроскопично­ стью; водопоглощаемость за 24 часа 0,008%. Деформация при на­ гревании начинается при 130° С; кратковременный нагрев возмо­ жен до 200°, при этом не происходит заметного снижения электри­ ческих свойств. С течением времени старение у эскапона не об­

деталей, а также для изоляционных элементов кабелей. Гибкие и пропитанные экскапоновым лаком материалы используются для изоляции обмоток электрических машин.

Кремнийорганический каучук (силиконовый) . отличается от других синтетических каучуков высокой морозо- и нагревостойкостыо, стойкостью к озону, короне и к тепловому старению. Эти свойства объясняются отсутствием двойных связей в молекуле и высокой прочностью химической связи силоксанного скелета; на­ пример, структура диметилсилоксана имеет вид

ГСН3

I

—О—Si—

I

1 сн3Л

Молекулярный вес достигает 600 000.

Вулканизация кремнийорганических каучуков не может быть произведена обычным способом, так как они не имеют двойных

112

связей в главных цепях макромолекул. Для них требуется крайне длительная многоступенчатая вулканизация, которую проводят в присутствии органических перекисей, обычно перекиси бензоила.

нагревостойкостью обладает также фторкаучук (СКФ)- Типичные свойства кремнийорганических резин при нормаль­

ных условиях

е= 3,5; у = 10~15 ом -1 см~и, tgS = 10~3; Епр — 180 кв{см.

113

няются. Повышение частоты до 106 гц не сказывается на е и tg8. Повышение толщины сопровождается снижением Епр (рис. 6-2). Длительная рабочая температура для этой изоляции---- 1- 180° С (класс Н). Кратковременно допустима весьма высокая тем­ пература (15 сек, 1000°С). Тепловое старение не проявляется. Так после 1400 час при 200° С свойства изоляции проводов не измени­ лись (гибкость, твердость, электрическая прочность). Кремнийорганическая резина обладает высокой стойкостью к действию короны и озона. Влагопоглощение резины незначительно. Резина имеет небольшую механическую прочность и плохо работает на. истирание. Она не стойка к действию масел, кислот и щелочей. Кремнийорганические каучуки дороже в 10—20 раз синтетиче­ ских каучуков общего назначения. Несмотря на указанные недо­ статки в связи с ее высокой нагревостойкостыо кремнийорганическая резина применяется в кабельных изделиях и различных проводах с изоляцией класса Н при напряжениях до 1000 в.

7-5. ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ПЛАСТМАССЫ

Эти материалы (пенопласты) охватывают твердые и гибкие пластические массы, состоящие из элементарных ячеек, заполнен­ ных газообразными продуктами, и отличающиеся рядом специ­ фических особенностей — низким объемным весом, высокими тепло-, звуко- и электроизоляционными свойствами.

К пенопластам относятся материалы ячеистой структуры с изо­ лированными друг от друга газовыми включениями; в отличие от них поропласты имеют открыто пористую структуру. Прочность пенопластов, а также их термостойкость и электроизоляционные свойства в основном определяются свойствами полимеров, из ко­ торых они изготовлены. Получение пенистых пластмасс дости­ гается путем газообразования: а) специально вводимых газообразователей; б) составных частей композиции или веществ, об­ разуемых при поликонденсации; в) за счет термической или ра­ диационной деструкции полимера. В производстве пенопластов наибольшее распространение получил метод прессования порош­

влекают из пресс-формы и подвергают вспениванию при темпера­ туре выше точки размягчения. При этом смола размягчается, а сжатые внутри заготовки пузырьки газа расширяют пенопласт равномерно по всем направлениям. Переход от мономерного ма­ териала к пенопласту связан с уменьшением объемного веса и, как следствие, со снижением е. и tg8. К наиболее распространен­ ным пенопластам относятся материалы на основе полистирола

114

(ПС), поливинилхлорида (жесткие ПХВ и эластичные ПХВ Э)

рые полиуретановые пенопласты типа ПУ; класса С (^= 200° С) — пенопласты ФК и ПУТ; до 250° С — пенопласты К-40. Остальные

Рис. 7-5. Характеристики пенопластов: '

а) прочность на сжатие в функции удельного веса; б) диэлектрическая прони­ цаемость в функции удельного веса; в) tg 5 в функции удельного веса; г) проч­ ность на сжатие в функции температуры

имеют более низкую термостойкость (около 80—100°С). Термо­ стойкость пенопластов зависит отчасти от состава газовой фазы. Так, например, при заполнении пор не воздухом, а азотом, термо­ стойкость от 150° С может повыситься до 200° С. Все пенопласты имеют малый объемный вес: 0,05—0,2 и отличаются заметным водопоглощением, особенно при низком объемном весе; они имеют пониженную механическую прочность по сравнению с монолит­

115

ными материалами. Механическая прочность пенопластов сни­ жается с уменьшением удельного веса (рис. 7-5); более низкой механической прочностью обладают кремнийорганические пласт­ массы; их прочность снижается еще больше при нагреве. Упрочне­ ние пенопластов достигается при малых добавках (3—5%) стек­ ловолокна, асбеста и т. п. По упругомеханическим свойствам пе­ нопласты делятся на жесткие и эластичные.

Электрические свойства пенопластов определяются не только составом, но и объемным весом; при уменьшении объемного веса снижается е, tg8 и Е„р.

Диэлектрическая проницаемость имеет небольшую величину около 1,5 и tg8<0>005 вследствие большого содержания газооб­ разной фазы; электрическая прочность низка.

7-0. ЛАКИ И КОМПАУНДЫ

Применение лаков и компаундов для электрической изоляции сопровождается повышением ее нагревостойкости благодаря тому, что лаковая пленка затрудняет доступ кислорода. Далее повы­ шается влагостойкость и электрическая прочность изоляции в ре­ зультате заполнения микропор пропитывающим веществом. Бла­ годаря повышению теплопроводности изоляции при пропитке уменьшается ее перегрев; увеличивается также стойкость к вибра­ циям и другим механическим воздействиям за счет цементирую­ щей способности пропитывающих составов. Пропитывающие и покровные материалы подразделяются на две основные группы—• лаки и компаунды.

Лаки

Электроизоляционные лаки представляют собой жидкие в нормальных условиях растворы или водные эмульсии пленкооб­ разующих веществ (основы) с добавлением сиккативов, ускоряю­ щих процессы отвердения лаковой основы и пластификаторов, придающих гибкость лаковой пленке. В качестве основы приме­ няют синтетические и природные смолы и битумы в смеси с высы­ хающими растительными маслами (льняным или тунговым) или

летучими растворителями. Такие лаки твердеют вследствие уле­ тучивания растворителя и вследствие окисления натуральных смол и растительных масел: в результате присоединения кислоро­ да пленка льняного или тунгового масла на воздухе твердеет. Лаки на основе синтетических смол твердеют вследствие улетучи­ вания растворителя и полимеризации смолы. Большинство лаков с растворителями оказывает размягчающее и разъедающее дей­ ствие на изоляцию эмальпроводов; наблюдается плохое заполне­

116

ние пор изоляции, а также недостаточное просыхание в глубоколежащих слоях изоляции. Водоэмульсионные лаки, представляю­ щие собой тонкодисперсные эмульсии лаковых основ в воде, не влияют на качество эмалевой изоляции, но не лишены других не­ достатков, свойственных лакам с растворителями. Вследствие от­ носительно небольшого содержания пленкообразующих (до 60%) неизбежно происходит недостаточное заполнение пустот обмотки. В последние годы выпущены лаки без растворителей, содержащие 100% пленкообразующих. Отсутствие в их составе растворителей, разбавителей или воды позволяют осуществить более глубокую пропитку, получить более плотную пленку и улучшить электриче­ ские свойства. Электроизолирующие лаки подразделяют на пропи­ точные, покровные, клеящие и специальные.

Пропиточные лаки, заполняя воздушные включения в пори­ стых материалах, позволяют повысить электрическую и механи­ ческую прочность; одновременно увеличивается теплопроводность и несколько повышается влагостойкость материала.

Покровные лаки, образуя на поверхности материала прочную, влагонепроницаемую пленку, позволяют в известной мере повы­ сить влагостойкость изоляции; однако пленка лака обладает не­ устранимой пористостью, образующейся при удалении раствори­ теля.

Поэтому лакировка изделия способна лишь замедлить, но не предотвратить проникновение влаги при длительном воздействии атмосферы с влажностью 98%; следует подчеркнуть, что погло­ щенная лаковой пленкой влага удаляется с трудом, что зачастую является причиной снижения электрических свойств лакированной изоляции, подвергнувшейся действию влажного воздуха.

Клеящие лаки сочетают высокие изолирующие свойства с клеящей способностью.

Специальные лаки предназначаются для использования в опре­ деленных отраслях изоляционной техники. К ним относятся лаки на основе поливинилацеталевых смол (винифлекс и метальвин), применяемые для изоляции эмальпроволоки. Пленка весьма проч­ но скрепляется с металлом провода, обладает твердостью, эла­ стичностью и высоким сопротивлением к истиранию. Допустимая

иную группу зачастую носит условный характер в связи с возмож­ ностью использования одних и тех же лаков для разных назначе­ ний. Лаки могут подвергаться сушке на воздухе («холодной») и в печах («горячей»). Выбор того или иного метода сушки опре­ деляется составом лака; более высокими свойствами обладают лаки горячей сушки. Существенно важным параметром лака слу­ жит предельно допустимая температура.

Лаки, предназначенные для температур не свыше 130° С,

117

(класс В) содержат в качестве основы битумы, растительные вы­ сыхающие масла, а также меламиноформальдегидные, крезол- и

В качестве пигментов применяют железный сурик, литопон и др. Эмали применяют для нанесения покрытий на обмотки машин и деталей аппаратуры. Эмали, предназначенные для работы при температурах до 155° (класс F), содержат в качестве основы эпоксидные и глифталевые.смолы. Эмали, обладающие более вы­

эмалью производится двухступенчатая сушка обмоток: для уда­ ления растворителя при 120° С в течение 4 час и для полимериза­ ции смолы при 200° С в течение 8 час.

Компаунды

Лаки и эмали с растворителями (40—70%) отличаются тем недостатком, что после сушки в пленке остаются каналы, через которые постепенно проникает влага. Даже при многократной пропитке влагостойкость изоляции, пропитанной лаком, ниже чем пропитанной термореактивным компаундом. Надлежащей про­ питкой компаундом удается также в значительной мере устранить ионизацию в газовых включениях. Этим объясняется широкое применение компаундов, особенно для высоковольтной изоляции. Электроизоляционные компаунды представляют собой лаки, не содержащие растворителей, или смеси органических веществ, на­ ходящиеся в момент их применения в жидком состоянии и затем твердеющие в результате полимеризации или охлаждения. Ком­ паунды подразделяются на термореактивные, твердеющие благо­ даря полимеризации, и термопластичные, твердеющие при охлаж­ дении. Термопластичные компаунды получают на основе воскооб­ разных материалов (церезин), битумов и термопластичных смол, термореактивные — на основе термореактивных смол. В состав

118

тех и других вводят иногда наполнитель для повышения прочно­ сти и рабочей температуры, снижения усадки и др. Компаунды высокого качества почти не содержат летучих компонентов (не более 1%), имеют в рабочем состоянии небольшую вязкость, не­ обходимую для проникновения во внутренние пустоты, и мини­ мальную усадку при твердении, обладают высокими изоляцион­ ными свойствами. .

Термопластичные компаунды (битумные) содержат природные или нефтяные битумы — смеси различных углеводородов и их про­ дуктов окисления и полимеризации, а также канифоль, высыхаю­ щие масла (льняное). Имеются термопластичные компаунды на основе воскообразных диэлектриков (церезин). Эти компаунды имеют ряд недостатков — склонность к растрескиванию при низких температурах, способность растворяться в углеводородах, необ­ ходимость при пропитке высокой температуры, вызывающей ста­ рение изоляции, иногда вытекание компаунда при нагреве во время работы и др. Так, для пропитки битумный компаунд необ­ ходимо разогреть до 160° С; тщательная пропитка компаундом изоляции (компаундирование) требует применения высокого ва­ куума, а затем — давления. Рабочая температура таких компаун­ дов редко превышает 105° С (класс Е).

Термореактивные компаунды содержат полимеризационные смолы, ингибиторы, поддерживающие стабильность и низкую вяз­ кость компаунда при хранении, и катализаторы (отвердители), вводимые перед употреблением компаунда в целях ускорения про­ цесса твердения. Этот процесс протекает обычно при комнатной

нической прочности компаунда и снижением его стоимости. Сле­ дует учитывать уменьшение вязкости при введении наполнителем. Компаунды имеют различную нагревостойкость.

Полиэфирный компаунд типа МБК на основе метакрилоэфирной смолы при добавлении сиккативов полимеризуется за 8 час при 120° С и за 18 час при 75° С. Компаунд применяется для изо­ ляции класса А (до 105°С).

Полиэфирный компаунд типа КП10 — КП24 состоит из смеси полиэфирных смол, катализатора (перекись бензола— 1%) и сик­ катива— 3%. Он отличается высокой пропитывающей способно­ стью и быстрым процессом твердения (примерно полчаса при 120° С). Компаунд применяют для изоляции класса В (до 120° С).

тализатора (перекись бензоила 1%). Компоненты смешивают перед употреблением. Срок хранения (без смешивания) около

11&