RU2246146C1

RU2246146C1 - Электроизоляционный материал

Info

Publication number: RU2246146C1
Application number: RU2003125025/09A
Authority: RU
Inventors: Т.В. Орлова (RU); Т.В. Орлова; В.Е. Немилов (RU); В.Е. Немилов; А.В. Вавилов (RU); А.В. Вавилов
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-02-10
Also published as: RU2003125025A

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электроизоляционным материалам на основе слюдинитовых бумаг и упрочняющих подложек из неорганических волокон (стеклянных и базальтовых), предназначенных для электроизоляции проводов или коллекторов электрических машин. Электроизоляционный материал содержит слой слюдинитовой бумаги, подложку из неорганического волокна и связующие в виде полиэфира на основе бетулина и адипиновой кислоты с молекулярной массой 10000-15000. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение электрической, механической прочностей электроизоляционного материала с одновременным повышением термостойкости и эластичности при упрощении технологии. Дополнительным преимуществом является простота получения связующего с заданной молекулярной массой. 2 табл.

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроизоляционным материалам на основе слюдинитовых бумаг и упрочняющих подложек из неорганических волокон (стеклянных или базальтовых), предназначенных для электроизоляции проводов или коллекторов в электрических машинах.

Из уровня техники известны слоистые электроизоляционные материалы, состоящие из слюдинитовой бумаги, стеклоткани или ткани из базальтовых волокон, монолитизированные в материал связующими композициями, содержащими в том числе и полиэфирные смолы (а.с. СССР №67092 МКИ² Н 01 В 3/04, 1979 г., пат. РФ №2084031 МПК⁶ Н 01 В 3/04, 1997 г., пат. РФ №2120145 МПК: Н 01 В 3/04, 1998 г.). Известен также электроизоляционный материал, состоящий из слюдинитовой бумаги, склеенной с двух сторон со стеклотканью связующим марки ЭП-9125 (ТУ 16-503. 192-79. Лента стеклослюдинитовая, пропитанная связующим марки ЛСЭП-9125ТГ. Техпроцесс изготовления стеклослюдинитовой ленты марки И 79. 011. 168. 00029-79). Лак ЭП-9125 представляет собой раствор в органических растворителях эпоксидной смолы и кислых полиэфиров АД-1 (продукт поликонденсации адипиновой кислоты и этиленгликоля). Данный материал имеет нагревостойкость не выше 130°С и низкие диэлектрические характеристики при рабочих температурах.

Наиболее близким к предлагаемому является материал, содержащий пропитанный связующим слой слюдинитовой бумаги и совмещенный с ним слой подложки из неорганических волокон, где в качестве связующего используют композицию, состоящую из диановой смолы, полиэфирной смолы марки ТФ-82, являющейся продуктом поликонденсации диметилового эфира терефталевой кислоты и смеси гликолей, состоящей на 80 мол.% из этиленгликоля и на 20 мол.% из диэтиленгликоля, температура плавления смолы ТФ-82:80-100 С и мол. м. 15000-25000, а также, в качестве добавки, бутоксилированной крезолформальдегидной смолы. Как указанно в описании, компоненты связующего в известном способе (прототип) не реагируют с друг другом вплоть до температуры 160°С и т.о. композиция представляет собой термопластичное связующие до температуры 160°С. Поэтому при сушке в пропиточной машине недопустимо поднятие температуры выше 160°С и исключена последующая стадия термообработки, обеспечивающая в ряде случаев повышение термостойкости и механической прочности материала. Также к недостаткам данного электроизоляционного материала можно отнести технологическую сложность приготовления многокомпонентного связующего, малую эластичность, сравнительно невысокие показатели электропрочности, механической прочности и термостойкости.

Техническим результатом заявляемого технического решения является устранение указанных недостатков, а именно повышение электрической, механической прочностей электроизоляционного материала с одновременным повышением термостойкости и эластичности при упрощении технологии получаемого материала.

Поставленная задача достигается тем, что известный электроизоляционный материал, содержащий слой слюдинитовой бумаги, подложку из неорганических волокон, связующее, в состав которого входит полиэфирная смола, в качестве связующего содержит полиэфир на основе бетулина и адипиновой кислоты с мол. м. 10000-15000 при следующем соотношении компонентов, мас.%

слюдинитовая бумага 20-60

связующее 3-7

подложка из неорганических волокон остальное

Только заявляемые ингредиенты состава и соотношение компонентов материала обеспечивают достижение цели, указанной выше.

Стеклослюдобумажные материалы - адгезионные соединения, состоящие из разнородных компонентов. Адгезионные силы в таких материалах связывают слюдинитовую бумагу с армирующией ее подложкой, а также определяют их повышенные деформационные свойства, толщина же полимерного адгезива вносит вклад в значение электропрочности. Увеличение адгезионной прочности между слоями материала в предлагаемом способе обеспечивается тем, что полиэфир на основе бетулина и адипиновой кислоты с мол. м. 10000-15000 способен в интервале температур 200-240°С к дополиконденсации, диффузии фрагментов связующего в поверхностный слой слюдинитовой бумаги и самоорганизации надмолекулярной структуры. Соответственно увеличиваются механическая прочность, термостойкость и, за счет значительного снижения содержания органического полимерного компонента в материале и толщины полимерного адгезива, электропрочность материала, а пластические свойства использованного полиэфира обуславливают повышенные значения эластичности. Полиэфир на основе бетулина и адипиновой кислоты (в дальнейшем по тексту полиэфир-БА) с мол. м. 40000-50000 описан (В.Е.Немилов и др. "Полиэфир на основе бетулина и адипиновой кислоты" в Физико-химия полимеров: Сборник научных трудов. Тверь, ТГУ, 1996 г., с.124-127). Однако в предлагаемом техническом решении особо важное значение имеет мол. м., не превышающая 15000, и его структура жесткоцепного полимера с короткими углеводородными фрагментами в цепи разделяющими фрагменты жесткости

При таких показателях данный полимер обладает термостойкостью, способностью в определенном интервале температур к реакциям дополиконденсации с увеличением мол. м. до 30000-35000 и одновременным формированием высокоорганизованной структуры. Т.о. в технологии предлагаемого электроизоляционного материала предусмотрена термообработка при температуре 200-240°С в течение 2-3 ч, при которой происходит окончательное формирование структуры материала с прочным взаимодействием всех компонентов в целом, что в свою очередь обеспечивает высокие показатели термостойкости и механической прочности, малое содержание органического компонента - связующего - повышенные значения электропрочности. Связующее при пропитке используется в виде раствора полиэфира БА в толуоле с концентрацией 30 мас.%, простота компонентного состава связующего обеспечивает упрощение технологии электроизоляционного материала.

В предлагаемом материале используют слюдинитовые бумаги, полученные любым из известных способов, например, из мусковита или флогопита (природные минералы слюды) с поверхностной плотностью от 50 до 250 г/см², стеклоткань или ткань из базальтовых волокон электроизоляционные толщиной 0,03-0,05 мм с поверхностной плотностью от 24 до 140 г/м². Предложенный композиционный состав материала обеспечивает эластичность (за счет диффузии в поверхностные слои слюдобумаги термопластичного органического полимера связующего), дополнительную электропрочность и механическую прочность, термостойкость (температура плавления образующегося в процессе дополиконденсации полимера 250°С), что исключает отслоение слюдинитовой бумаги от подложки даже при температурах выше 200°С.

Сущность изобретения иллюстрируется примерами и данными таблиц 1 и 2.

Пример 1. На размоточный узел пропиточной машины устанавливают рулон слюдинитовой бумаги и рулон стеклоткани. На стеклоткань, движущийся со скоростью 2-10 м/мин, методом окунания непрерывно наносят раствор связующего (30 мас.% раствор полиэфира БА в толуоле), на смоченную стеклоткань непрерывно укладывают слюдинитовую бумагу, которая при этом пропитывается раствором связующего. Полученное таким образом стеклослюдинитовое полотно поступает в сушильную камеру, где при температуре 95-105°С происходит испарение растворителя, затем полотно подается на горячие каландры с температурой 200°С, время прохождения в каландрах 8 мин и давление 2 МПа, далее сматывается в рулон через изолирующие прокладки и помещается в термокамеру с температурой 220°С на 2 ч. Содержание связующего в готовом электроизоляционном материале 3 мас.% содержание слюдинитовой бумаги 40 мас.%, толщина 0,09 мм, электропрочность 16,2 кВ/мм, удельное объемное электрическое сопротивление при (155±2)°С, Ом·м 4,6·10¹¹, жесткость при (20±2)°С, Н/м-6, прочность при растяжении, МПа - 38, адгезионная прочность, МПа - 2, содержание летучих 0,12 мас.%.

Пример 2. Технологический процесс аналогичен примеру 1. При этом используют слюдинитовую бумагу, базальтовую ткань, связующее на основе полиэфира БА. Содержание связующего в готовом материале 4,5 мас.%, содержание слюдинитовой бумаги 30 мас.%, толщина 0,11 мм, электропрочность 15,5 кВ/мм, удельное объемное электрическое сопротивление при (155±2)°С, Ом 6·10¹¹ жесткость при (20±2)°С, Н/м - 6, прочность при растяжении, МПа - 36, адгезионная прочность, МПа - 2,7, содержание летучих 0,12 мас.%.

Остальные примеры по составу и свойствам электроизоляционного материала в физической форме ленты сведены в табл. 1 и 2 соответственно.

Поскольку электроизоляционный материал на основе полиэфира БА может быть изготовлен в виде различных физических форм: ленты или листового материала различной толщины (коллекторный слюдопласт), ниже приводятся сведения о возможной реализации этого варианта конструкции, проиллюстрированные примерами 10 и 11.

Пример 10. Слоистую композицию, состоящую из слюдинитовой бумаги, стеклоткани, пропитанную раствором полиэфира БА (аналогично примерам 1-9) с 10 пропиточных машин объединяют в десятислойное полотно на горячих каландрах при температуре 170°С, давлении 4 МПа, время прохождения полотна через каландры 10 мин. После охлаждения на воздухе монолитизированный материал нарезают на листы определенных размеров, толщина материала в данном примере 0,95 мм, далее листы помещают в камеры термообработки с температурой 200-240°С на 2 ч. Содержание связующего в готовом материале 3 мас.%, слюдинитовой бумаги 40 мас.%. Эксплуатационные показатели в сравнении с ГОСТ 26103-84:

1. Усадка при постоянном давлении, % не более

предлагаемый материал 3

промышленно выпускаемый 8

2. Электрическая прочность, кВ/мм

предлагаемый материал 34

промышленно выпускаемый 28

3. Массовая доля связующего, мас.%

предлагаемый материал 3

промышленно выпускаемый 9

4. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·м

предлагаемый материал 6·10¹¹

промышленно выпускаемый 1·10¹¹

5. Длительно допустимая рабочая температура, °С

предлагаемый материал 200-230

промышленно выпускаемый 130-155

6. Предел прочности при статическом изгибе, МПа

предлагаемый материал 160

промышленно выпускаемый 115

Пример 11. Слоистую композицию, состоящую из слюдинитовой бумаги, базальтовой ткани пропитывают раствором полиэфира БА (аналогично примерам 1-10), из полученного полотна выкраивают листы необходимых размеров и набирают в пакет (например, 20 слоев), далее пакет прессуют на горячем прессе при температуре 220°С, давлении 10 МПа, время прессования 3 мин. Полученный материал после охлаждения на воздухе подвергают термообработке при температуре 200-240°С в течение 3 ч. Содержание связующего в материале 7 мас.%, слюдинитовой бумаги 60 мас.%. Показатели ГОСТ 26103-84.

1. Усадка при постоянном давлении, % не более

предлагаемый материал 2

промышленно выпускаемый 9

2. Электрическая прочность, кВ/мм

предлагаемый материал 30

промышленно выпускаемый 24

3. Массовая доля связующего, мас.%

предлагаемый материал 7

промышленно выпускаемый 9

предлагаемый материал 1·10¹²

промышленно выпускаемый 1·10¹¹

предлагаемый материал 200-230

промышленно выпускаемый 130-155

предлагаемый материал 180

промышленно выпускаемый 115

Срок годности промышленно выпускаемых материалов (по ГОСТу) не менее 12 месяцев обусловлен реакционной способностью применяемого связующего после формирования материала, а в предлагаемом материале показатели срока годности значительно превышены, за счет того, что термопластичное связующее не подвержено химическим превращениям во времени и срок годности в этом случае определяется естественным старением полимера-36 месяцев и более.

Анализ результатов эксперимента, представленных в примерах и таблицах, показывают повышение электропрочности, эластичности, термостойкости получаемого материала при одновременном увеличении физико-механических характеристик и упрощении технологии, что можно объяснить значительным снижением органической компонента - термопластичного связующего в материале, высокоорганизованной структурой полимерного адгезива, формирующийся в процессе получения электроизоляционного материала с протеканием диффузионных процессов в поверхностные слои слюдинитовой бумаги и увеличением адгезионного взаимодействия (за счет наличия полярных групп в связующем и самоорганизации полимера при термообработке) с подложкой.

Экспериментально показано, что изменение соотношения компонентов в сторону увеличения содержания связующего приводит к понижению электрофизических характеристик, что связано с увеличением толщины органического полимерного адгезива и изменением характера самоорганизации при термообработке, а уменьшение содержания связующего ниже 3 мас.% приводит к резкому падению физико-механических показателей и эластичности. Изменение соотношений компонентов в материале в сторону увеличения содержания слюдинитовой бумаги приводит к уменьшению физико-механических показателей - прочности на растяжение и прочности на статический изгиб ниже показателей по ГОСТу, уменьшение же содержания слюдинитовой бумаги ниже 20 мас.% снижает электрофизические характеристики материала также ниже показателей по ГОСТу.

Применение жесткоцепных термопластичных полимеров в качестве связующих для композиционных материалов гражданского назначения сдерживается из-за их высокой стоимости и сложности синтеза, однако предлагаемый в заявляемом техническом решении полиэфир БА получен из вторичного неутилизируемого в настоящее время сырья лесохимической отрасли, что значительно снижает его стоимость по сравнению с промышленно выпускаемыми жесткоцепными полимерами. К дополнительным преимуществам заявляемого технического решения относится также простота получения полиэфира БА с мол. м. 10000-15000 в расплаве мономеров при температуре 255°С продолжительности процесса 4 ч и атмосферном давлении на стандартном отечественном оборудовании.

Таблица 1
Состав электроизоляционного материала
Наименование и содержание	Предлагаемый материал по примеру							Известная лента
компонента электроизоляционного материала, мас.%	3	4	5	6	7	8	9	Прототип	Аналог
Слюдинитовая бумага	20	30	40	60	50	50	50	55	30
Стеклоткань	-	65	57	36	45	-	47	32	32
Базальтовая ткань	73					46		-	-
Связующие:	7	5	3	4	5	4	3
Полиэфир БА мол. М. 10000-15000

Эпоксидная смола ЭД-22								8,7	25
Полиэфирная смола ТФ-82								4	13
Крезолформальдегидная смола								0,7
бутоксилированная РБ

Таблица 2
Характеристики и свойства электроизоляционного материала
Показатель	Предлагаемый материал по примеру							Известный материал
	3	4	5	6	7	8	9	Прототип	Аналог
Толщина	0,12	0,11	0,1	0,08	0,1	0,10	0,08	0,13	0,15
Уд. Объемное электрическое сопротивление при (155±2)°С, Ом·м	6·10¹¹	8·10¹¹	6·10¹¹	6·10¹¹	6·10¹¹	6·10¹¹	6·10¹¹	6·10¹¹	6·10¹¹
Электропрочность, кВ/мм	15	20	21	23	21	22	20	15	13
Жесткость при (20±2)°С, н/м	8	6	6	4	5	5	4	9	19
Прочность при растяжении, МПа	40	36	38	30	35	36	40	30	10
Адгезионная прочность, МПа	2,8	1,9	2,6	1,5	1,8	2,2	2,6	1,2	0,5
Содержание связующего, мас.%	7	4	6	3	4	6	7	13,4	38
Содержание летучих, мас.%	0,15	0,10	0,15	0,10	0,10	0,15	0,15	0,50	6,00
Методы испытаний соответствуют ГОСТ 26103-84

Claims

Электроизоляционный материал, содержащий слои слюдинитовой бумаги, подложку из неорганического волокна, связующее, содержащее полиэфирные смолы, отличающийся тем, что в качестве связующего содержит полиэфир на основе бетулина и адипиновой кислоты с молекулярной массой 10000-15000 при следующем соотношении компонентов в материале, мас.%:

Слюдинитовая бумага 20-60

Полиэфир на основе бетупина

и адипиновой кислоты с

молекулярной массой 10000-15000 3-7

Подложка из неорганического волокна Остальное