Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 18 )

Различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами.

Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, так как в природных условиях асфальты также образовались из нефти. Асфальты обычно загрязнены минеральными примесями. В электроизоляционной технике из нефтяных битумов применяют битумы марок БН-111, БН-IV и БН-V, а также более тугоплавкие спецбитумы марок В и Г. Температура размягчения для них должна быть не ниже определенных значений (от 50°С для БН-111 до 125°С для В).

Температура размягчения асфальтов доходит до 220°С. Более тугоплавкие битумы, как правило, имеют лучшие электроизоляционные свойства, которые медленнее ухудшаются при повышении температуры (рисунок 7.1), они труднее растворимы и при низких температурах более тверды и хрупки. Температура размягчения битума может быть повышена продувкой, т. е. пропусканием воздуха сквозь расплавленный битум. Повышение температуры размягчения битума происходит при этом вследствие окисления и дополнительной полимеризации битума. Если, наоборот, температуру размягчения битума требуется снизить, это может быть достигнуто сплавлением битума с небольшим количеством нефтяного масла.

Рисунок 7.1 - Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь

от температуры для битумов

марок БН-V (1) и Г (2) при частоте 50 Гц

Битумы используются для изготовления лаков и компаундов.

7.2 Воскообразные диэлектрики

Воскообразные материалы представляют собой твердые легкоплавкие вещества, обладающие кристаллическим строением, низкой механической прочностью и малой гигроскопичностью. Они употребляются для пропитки и заливки. Существенным недостатком их при использовании в качестве пропиточных масс является значительная усадка при застывании, доходящая до 15…20%. Поэтому большая часть объема пор изоляции оказывается заполненной воздухом, что приводит к понижению электрической прочности пропитанной изоляции. В связи с этим воскообразные вещества, в особенности для пропитки изоляции, работающей при высоких напряжениях, вытесняются жидкими и полужидкими пропиточными массами.

Давший название рассматриваемой группе материалов пчелиный воск для электрической изоляции в настоящее время не употребляется.

Парафин - это наиболее дешевое и широко известное неполярное воскообразное вещество. Получают его разгонкой и вымораживанием из соответствующей фракции дистиллата парафинистой нефти. Очищенный парафин имеет плотность от 0,85 до 0,90 г/см3 и температуру плавления от 50 до 55°С. Значение тангенса угла диэлектрических потерь парафина от 0,0003 до 0,0007, а удельное электрическое сопротивление - более 1016 Ом×м. Парафин не смачивается водой, и его удельное поверхностное сопротивление не менее 1018 Ом даже при высокой влажности окружающего воздуха. При нормальной температуре парафин обладает высокой химической стабильностью, но при нагреве до 130…140°С на воздухе легко окисляется, снижая удельное сопротивление в 100 раз и более. Парафин иногда применяют для пропитки бумажных конденсаторов низкого напряжения, для пропитки дерева и картона, для заливки катушек с невысокой рабочей температурой. Парафин, как и другие вещества, состоящие из предельных углеводородов, нерастворим в воде и спиртах, но растворяется в жидких углеводородах: нефтяных маслах, бензине, бензоле. При испарении растворителя парафин (как и другие воскообразные продукты) не образует сплошной прочной пленки, поэтому он непригоден для изготовления лаков.

Церезин подобно парафину представляет собой смесь твердых углеводородов метанового ряда, но количество атомов углерода в его молекулах (n=39…53) больше, чем в молекулах парафина (n=10…36), кроме того, молекулы церезина имеют сильно разветвленные цепочки углеродных атомов в отличие от слабо разветвленных цепочек молекул парафина.

Церезин изготовляют путем очистки минерала озокерита (горного воска), представляющего собой продукт естественного перерождения нефти в условиях доступа воздуха. По запасам озокерита наша страна занимает первое место в мире. Преимуществами церезина по сравнению с парафином являются более высокая температура плавления (от 65 до 80°С) и стойкость к окислению; удельное электрическое сопротивление у церезина несколько больше, а тангенс угла диэлектрических потерь несколько меньше, чем у парафина. Поэтому церезин, несмотря на его повышенную стоимость по сравнению с парафином, вытесняет его, в частности при пропитке бумажных и слюдяных конденсаторов.

Необходимость повышения рабочих температур бумажных конденсаторов привела к разработке пропиточных воскообразных материалов с температурой плавления от 100 до 130°С (синтетический парафин и синтетический церезин). Они представляют собой высокомолекулярные углеводороды, получаемые в качестве побочных продуктов при изготовлении синтетического бензина и масел. Электроизоляционные свойства этих материалов близки к свойствам натурального парафина и натурального церезина.

Вазелин - близкая к собственно воскообразным веществам масса, при нормальной температуре полужидкая (мазеобразная), применяется для пропитки бумажных конденсаторов. Вазелин является смесью твердых и жидких углеводородов, получаемой из нефти. Свойства конденсаторного вазелина: ρ>>5×1012 Ом×м при 20°; tgδ<<0,0002 при 1кГц.

7.3 Электроизоляционные лаки и компаунды

Большое значение в электроизоляционной технике имеют лаки и компаунды. В процессе изготовления изоляции их используют в жидком виде, но в готовой, работающей изоляции они находятся уже в твердом состоянии. Таким образом, лаки и компаунды являются твердеющими материалами.

7.3.1 Лаки

Лаки - это коллоидные растворы смол, битумов, высыхающих масел, составляющие так называемую лаковую основу в летучих растворителях. При сушке лака растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние, образуя (в тонком слое) лаковую пленку.

По применению электроизоляционные лаки разделяются на три группы: пропиточные, покровные и клеящие.

Пропиточные лаки служат для пропитки пористой и, в частности, волокнистой изоляции (бумага, картон, пряжа, ткань, изоляция обмоток электрических машин и аппаратов). После пропитки поры в изоляции оказываются заполненными уже не воздухом, а высохшим лаком, имеющим значительно более высокую электрическую прочность и теплопроводность, чем воздух. Поэтому в результате пропитки повышается пробивное напряжение, увеличивается теплопроводность, уменьшается гигроскопичность, улучшаются механические свойства изоляции. После пропитки органическая волокнистая изоляция в меньшей мере подвергается окисляющему влиянию воздуха, а потому ее нагревостойкость повышается.

Покровные лаки служат для образования механически прочной, гладкой, блестящей, влагостойкой пленки на поверхности твердой изоляции (часто - на поверхности предварительно пропитанной пористой изоляции). Такая пленка повышает напряжение поверхностного разряда и поверхностное сопротивление изоляции, создает защиту лакируемого изделия от действия влаги, растворителей и химически активных веществ, а также улучшает внешний вид изделия и затрудняет приставание к нему загрязнений.

Некоторые покровные лаки (эмаль - лаки) наносят не на твердую изоляцию, а непосредственно на металл, образуя на его поверхности электроизоляционный слой (примеры: изоляция эмалированных проводов, изоляция листов электротехнической стали в расслоенных магнитопроводах электрических машин и аппаратов).

К покровным лакам принадлежат также пигментированные эмали; это - лаки, в состав которых входит пигмент, т. е. порошок неорганического состава (обычно - оксиды металлов), придающий пленке определенную окраску, улучшающий ее механическую прочность, тепло-проводность и адгезию к поверхности, на которую нанесен лак. В полупроводящих лаках пигментом является углерод (сажа); пленки таких лаков имеют низкое удельное поверхностное сопротивление и наряду с лентами из железистого асбеста используются в производстве электрических машин на высокие рабочие напряжения для улучшения картины электрического поля на границе пазовых и лобовых частей обмоток.

Клеящие лаки применяются для склеивания между собой твердых электроизоляционных материалов (пример: клейка листочков расщепленной слюды при изготовлении миканитов) или для приклеивания их к металлу. Помимо высоких электроизоляционных свойств и малой гигроскопичности (общие требования для всех электроизоляционных лаков), клеящие лаки должны обеспечивать особо высокую адгезию к склеиваемым материалам. Приведенное разделение лаков по областям применения не всегда может быть выдержано достаточно строго. Так, при изготовлении гетинакса и текстолита лак, пропитывающий отдельные слои бумаги или ткани и склеивающий эти слои друг с другом, является одновременно пропиточным и клеящим.

По режиму сушки различают лаки горячей (печной) сушки, которые требуют для сушки повышенной температуры (обычно более 100°С), и лаки холодной (воздушной) сушки, которые достаточно быстро и хорошо сохнут при комнатной температуре.

Режим сушки лака определяется как его основой, так и растворителем. Если основа лака термореактивна, для сушки обычно нужна повышенная температура, лаки с термопластичной основой не требуют запекания пленки при высокой температуре.

С другой стороны, лаки, в состав которых входит растворитель, кипящий при высокой температуре (например, керосин), требуют печной сушки независимо от вида лаковой основы. Лаки с растворителем, легко испаряющимся при нормальной температуре (например, бензин или ацетон), могут быть лаками воздушной сушки, если только их основа не требует высокой температуры для запекания пленки. Как правило, лаки печной сушки дают более высококачественную пленку, чем лаки воздушной сушки; последние применяются в основном при ремонтных работах.

Смоляные лаки - растворы синтетических, искусственных или природных смол.

Бакелитовые лаки - растворы бакелита в спирте. Это пропиточные и клеящие термореактивные лаки, дающие механически прочную, но малоэластичную и обладающую заметной склонностью к тепловому старению пленку. Они используются в производстве гетинакса и текстолита, при изготовлении изоляции электрических аппаратов высокого напряжения и т. п.