ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2005 года по МПК H01B3/04 H01B3/42 

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

4. Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·м

предлагаемый материал 1·10¹²

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 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 1Состав электроизоляционного материалаНаименование и содержание Предлагаемый материал по примеруИзвестная лентакомпонента электроизоляционного материала, мас.%3456789ПрототипАналогСлюдинитовая бумага203040605050505530Стеклоткань-65573645-473232Базальтовая ткань73    46 --Связующие:7534543  Полиэфир БА мол. М. 10000-15000                   Эпоксидная смола ЭД-22       8,725Полиэфирная смола ТФ-82       413Крезолформальдегидная смола       0,7 бутоксилированная РБ         

Таблица 2Характеристики и свойства электроизоляционного материалаПоказательПредлагаемый материал по примеруИзвестный материал 3456789ПрототипАналогТолщина0,120,110,10,080,10,100,080,130,15Уд. Объемное электрическое сопротивление при (155±2)°С, Ом·м6·10¹¹8·10¹¹6·10¹¹6·10¹¹6·10¹¹6·10¹¹6·10¹¹6·10¹¹6·10¹¹Электропрочность, кВ/мм152021232122201513Жесткость при (20±2)°С, н/м8664554919Прочность при растяжении, МПа403638303536403010Адгезионная прочность, МПа2,81,92,61,51,82,22,61,20,5Содержание связующего, мас.%746346713,438Содержание летучих, мас.%0,150,100,150,100,100,150,150,506,00Методы испытаний соответствуют ГОСТ 26103-84

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.

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