КАБЕЛЬНАЯ БУМАГА Российский патент 2024 года по МПК D21H27/12 D21H11/04 

Изобретение относится к электротехнической и целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано в производстве кабельной бумаги, предназначенной для изоляции кабелей и различных электротехнических устройств.

Известна бумага кабельная для изоляции силовых кабелей по ГОСТ 23436-83, которая изготавливается из сульфатной небеленой целлюлозы, имеющей относительное удлинение в машинном направлении до 3,2% и в поперечном направлении до 9,0% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах (35-60) мкСм/см.

Недостатком такой бумаги является недостаточная прочность и эластичность как в машинном, так и поперечном направлении. Это может привести к повреждениям бумажной изоляции кабеля. В местах дефектов увеличивается напряженность электрического поля и снижается электрическая прочность изоляции кабеля. Это обстоятельство может привести к преждевременному выходу из строя (пробою) кабеля.

Известна бумага кабельная, которая имеет деформированную структуру поверхности в виде малозаметных микроскладок, полученную в результате операции микрокрепирования, удлинение в машинном направлении (5-15) % и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах (35-110) мкСм/см (по патенту RU2531295, кл. D21H 21/00, опубл. 20.10.2014).

Недостатками данной бумаги являются недостаточные диэлектрические характеристики и низкая эластичность в поперечном направлении.

Известна волокнистая масса для изготовления кабельной бумаги, которая содержит, мас. %:

- небеленую, сульфатную электроизоляционную целлюлозу 50-80;

- сульфатную облагороженную целлюлозу с содержанием α-целлюлозы 92-94% 20-50.

Указанные компоненты размалывают до степени помола 38-40 ШР для верхнего слоя и до 54-56 ШР для нижнего слоя бумаги. Из размолотой массы отливают двухслойную бумагу, прессуют ее и сушат (по патенту SU1331929, кл. D21H 5/14, опубл. 23.08.1987).

Недостатком известной бумаги является неравномерность характеристик, в том числе показателей механической прочности, в машинном и поперечном направлениях.

Известен способ изготовления бумаги, имеющей граммаж в соответствии с ISO 536, составляющий 50-250 г/м2, воздухопроницаемость по Гурлею в соответствии с ISO 5636-5, составляющую более 15 с, и растяжимость в соответствии с ISO 1924-3 в поперечном направлении, составляющую по меньшей мере 8%, причем указанный способ включает стадии:

a) обеспечения целлюлозной массы, предпочтительно сульфатной целлюлозной массы;

b) рафинирования целлюлозной массы;

c) разбавления целлюлозной массы, полученной на стадии b), и выгрузку разбавленной целлюлозной массы со скоростью выгрузки на формовочную сетку для формования бумажного полотна, причем скорость движения формовочной сетки по меньшей мере на 7 м/мин. больше или по меньшей мере на 7 м/мин. меньше скорости выгрузки;

d) прессования бумажного полотна, полученного на стадии с);

e) сушки бумажного полотна, полученного на стадии d), включающей стадию уплотнения бумажного полотна в устройстве Клупак (по патенту EP 3385444, кл. D21F 9/02, опубл. 24.04.2019).

В известном способе не указаны значения прочности при разрушении в машинном и поперечном направлениях, которые являются важными показателями, характеризующими эксплуатационные свойства бумаги.

Наиболее близким техническим решением является бумага кабельная, представляющая собой бумажное полотно из сульфатной небеленой целлюлозы, имеющее деформированную структуру поверхности, относительное удлинение в машинном направлении 5-15% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах 35-110 мкСм/см. Для повышения эластичности в машинном направлении деформированная структура поверхности бумажного полотна выполнена в виде поперечных складок или микроскладок, а для повышения эластичности в поперечном направлении бумажное полотно выполнено с волокнистой структурой, имеющей микрофибриллы на волокнах (по патенту RU154247, кл. D21H 21/00, опубл. 20.08.2015).

Недостатком данной бумаги является то, что для выравнивания характеристик прочности и эластичности в машинном и поперечном направлениях необходимо при размоле волокна дополнительно проводить процесс фибриляции, в результате которого на волокнах формируются микрофибриллы. Также следует отметить, что в данном патенте указан достаточно большой диапазон, характеризующий эластичность бумаги в машинном и поперечном направлениях, а именно относительное удлинение, которое составляет 5-15%, и нет данных о других характеристиках, влияющих на эксплуатационные свойства бумаги, например, прочность (предел прочности на растяжение, показатель растяжения, деформация при разрушении, поглощение энергии при растяжении). Из чего можно сделать, что наличие микрофибрилл в известной кабельной бумаге обеспечивает только повышение эластичности в поперечном направлении.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, заключается в обеспечении изотропности характеристик прочности и эластичности кабельной бумаги.

Указанный технический результат достигается тем, что кабельная бумага, представляет собой бумажное полотно из сульфатной небеленой целлюлозы, имеющее деформированную структуру поверхности, выполненную в виде поперечных складок (микроскладок), относительное удлинение в машинном направлении 5-15% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах 35-110 мкСм/см, и отличается тем, что волокна, образующие каркас, равномерно ориентируются в машинном направлении и в поперечном направлении, при этом деформация при разрушении в машинном направлении (MD = machine direction) составляет от 5,0 до 9,5%, а деформация при разрушении в поперечном направлении (CD = cross direction) составляет от 6,0 до 11,5%.

Кроме того, предел прочности на растяжение может составлять в машинном направлении от 6,5 до 11,0 кН/м, в поперечном направлении от 5,0 до 9,5 кН/м.

Кроме того, показатель растяжения может составлять в машинном направлении от 70 до 110 Нм/г, в поперечном направлении от 55 до 80 Нм/г.

Кроме того, поглощение энергии при растяжении может составлять в машинном направлении от 250 до 360 Дж/м², в поперечном направлении от 250 до 420 Дж/м².

Кабельная бумага, согласно настоящему техническому решению, изготавливается из целлюлозы с зольностью от 0% и не более 1%. Практический опыт показывает, что указанное ограничение зольности, то есть отсутствие в бумаге большего количества минеральных примесей, позволяет гарантированно обеспечить бумаге изолирующие свойства на уровне или выше ГОСТов и ТУ.

Целлюлоза сначала подвергается размолу при высокой концентрации при массовой доле волокна 25-35% с образованием длинного фибриллированного (каркасного) волокна. Размол при высокой концентрации дает бережное разделение на отдельные волокна с хорошей фибрилляцией и без укорачивания, что придает волокнам хорошие бумагообразующие свойства, в частности, высокое разрушающее усилие бумажного полотна в сочетании с высокой эластичностью.

После размола при высокой концентрации выполняют дополнительный размол при низкой концентрации при массовой доле волокна 3,5-5%. Предпочтительно эту операцию следует производить в конических мельницах в одну или две ступени. Размол при низкой концентрации дополнительно фибриллирует волокно и способствует образованию некоторого количества более короткого волокна, которое заполняет пустоты между длинными волокнами, образующими каркас, тем самым снижая пористость бумаги, и за счет этого придает бумаге более высокие изолирующие диэлектрические свойства.

Далее полученная бумажная масса выпускается на сетку бумагоделательной машины, на которой и начинается формование бумажного полотна. Сетка при этом подвергается тряске, например, за счет колебаний грудного вала в осевом направлении. За счет тряски волокна, в особенности образующие каркас, ориентируются в разных направлениях, а не преимущественно в машинном, что нивелирует разницу в свойствах бумаги в машинном и поперечном направлениях.

Важно, чтобы разница скоростей сетки и струи бумажной массы, выпускаемой из напорного ящика на сетку, была в диапазоне от 0 до 30 м/мин. Такое соотношение, также как и тряска, способствует ориентации волокон в разных направлениях, а не преимущественно в машинном, как это происходит при производстве печатных видов бумаг, например, газетной.

Заключительным этапом изготовления кабельной бумаги является микрокрепирование с образованием поперечных складок или микроскладок. Предпочтительно микрокрепирование производить в устройствах типа «Клупак» с рабочим элементом в виде бесконечной резиновой ленты. Возможно применение и любых других известных способов. Микрокрепирование придает бумаге эластичность в машинном направлении, примерно равную эластичности в поперечном.

Дополнительно необходимо отметить, что категорически не допускается последующая обработка бумажного полотна (отделка) в каландрах, софт-каландрах и других подобных устройствах, поскольку такая обработка полностью нивелирует эффект от микрокрепирования.

Применение.

Кабельная бумага производится по следующей технологии.

Исходное сырье для производства кабельной бумаги поступает на предприятие в виде баланса хвойного, в нашем случае представляющего по породному составу смесь сосны и ели в соотношении примерно 50%/50%. Требования к балансу определяются ГОСТ 9463-2016 «Лесоматериалы круглые хвойных пород». Технические условия. Баланс может иметь длину до 6,5 м. Длинные хлысты раскряжевываются (распиливаются) на слешерных установках на балансы длиной 2 м для подачи в окорочный барабан. После окорки, осуществляемой мокрым способом, балансы поступают в рубительные машины для рубки на щепу.

Альтернативно исходное сырье поступает на предприятие в виде щепы технологической, требования к которой определяет ГОСТ 15815-83 «Щепа технологическая. Технические условия».

По породному составу технологическая щепа также как и баланс, представляет собой смесь из щепы сосны и ели примерно в таком же соотношении 50%/50%.

Доля сырья, получаемого предприятием в виде баланса и в виде щепы, определяется рядом факторов, в числе которых сезонный и погодный факторы, конъюнктура рынка и прочие и в среднем соотношение составляет 70%/30%.

Готовая для дальнейшей переработки щепа по конвейеру поступает в варочный цех, где варится в установке непрерывной варки типа Камюр сульфатным способом. Процесс непрерывной варки сульфатным способом стандартный.

Важная особенность: для производства кабельной бумаги варят «мягкую» хвойную сульфатную небеленую целлюлозу с выходом 47-49 %, то есть с относительно низким выходом, со степенью провара (делигнификации) по регламенту 38-44 единиц Каппа (фактически верхний предел может достигать 50 единиц Каппа), определяемой по ГОСТ 10070-74.

Сваренную целлюлозу промывают подготовленной, очищенной от минеральных включений водой, очищают от посторонних включений путем сортирования и далее с целлюлозного завода перекачивают на бумажную фабрику, где на бумагоделательной машине производится кабельная бумага.

Отметим, что исходная хвойная небеленая целлюлоза для производства бумаги имела зольность 0,91 % (менее 1%), что сопоставимо с требованиями к целлюлозе электротехнических сортов (пример - целлюлоза хвойная сульфатная небеленая электроизоляционная марки ЭКБ производства целлюлозного завода Питкяранта - зольность 0,5%)

Целлюлоза для производства бумаги при температуре 48°С и степени помола 14°ШР (определяемой на приборе Шоппер-Риглера по стандарту ISO 5267-1) обезвоживается до высокой концентрации 25-35% (в описываемом примере подавалась на размол высокой концентрации и подвергалась размолу при концентрации 31,7%), степень помола после операции размола при высокой концентрации составляла 15-16°ШР, а температура массы на выходе из рафинера выше 100°С за счет затрачиваемой на размол энергии.

Незначительный прирост степени помола (всего до 2°ШР) при значительных затратах энергии на размол высокой концентрации (примерно 320 кВтч на тонну) свидетельствует о размоле с разработкой волокна (фибриллированием) без его укорачивания.

После размола высокой концентрации целлюлоза для производства бумаги дополнительно подвергается размолу в две ступени при низкой концентрации 3,6%±0,1%, в описываемом примере реализации в конических мельницах, до достижения степени помола 25-37°ШР (помол массы, измеренный в напорном ящике по технологическому регламенту); готовая к производству кабельной бумаги целлюлоза имела среднюю длину волокна 2,7 мм, что свидетельствует о высоком потенциале прочности целлюлозы для выработки прочной и эластичной бумаги.

Как и в случае размола высокой концентрации, незначительный прирост степени помола при значительных затратах энергии на размол низкой концентрации (примерно 100 кВтч на тонну) свидетельствует о размоле с разработкой волокна (фибриллированием) без его существенного укорачивания. Некоторое контролируемое при размоле низкой концентрации количество образующегося короткого волокна («мелочи») в дальнейшем при формовании бумажного полотна на сеточном столе бумагоделательной машины заполняет пространство между длинным волокнами, формирующими каркас бумажного полотна, способствуя формованию более плотного бумажного полотна с меньшим количеством пустот и пор и более высокими изолирующими свойствами.

При выработке кабельной бумаги в готовую после размола массу, в отличие от выработки других видов продукции, полностью прекращается подача клея канифольного, крахмала катионного и глинозема, то есть, по существу, кабельная бумага производится из 100% сульфатной хвойной небеленой целлюлозы без посторонних примесей и химикатов. По техническому регламенту, водородный показатель pH бумажной массы в напорном ящике колеблется в диапазоне 5,5-7,5, то есть от слабокислого до нейтрального.

Приготовленная и разбавленная водой до необходимой концентрации бумажная масса подается из напорного ящика на сетку бумагоделательной машины (БДМ). На сетке БДМ, собственно, и происходит процесс формования бумажного полотна и удаляется избыток воды, а именно, бумажная масса при очень низкой концентрации широкой струей через выпускную щель напорного ящика (шириной 6900 мм) выливается из напорного ящика на движущуюся сетку БДМ. Вода постепенно удаляется через сетку, и происходит формование полотна. Основная задача процесса формования - заставить образующие каркас длинные волокна ориентироваться в горизонтальной плоскости в разных направлениях, а не в машинном. Такое расположение волокон на сетке обеспечивается двумя методами:

- сетка буммашины при формовании полотна подвергается тряске за счет колебаний грудного вала в осевом направлении с частотой 6,6 ГЦ и амплитудой 18,6 мм (иными словами, в направлении, перпендикулярном машинному);

- абсолютная разница между скоростями сетки и струи (массы из напорного ящика, выпускаемой на сетку) при формовании бумажного полотна составляла 14 м/мин, что укладывается в рекомендуемый формулой диапазон для достижения наилучших результатов по ориентации волокна в разных направлениях.

Сформированное полотно поступает в прессовую часть, на башмачный пресс, где доводится до сухости примерно 39%, и далее в сушильную часть.

Сушильная часть разделена устройством для микрокрепирования бумаги (Clupak = Клупак) на две части. Сушильные цилиндры до Клупака доводят бумагу до влажности примерно 37%, после чего бумага подвергается обработке в устройстве Клупак для ее микрокрепирования. На установке Клупак относительно влажное полотно проходит между металлическим цилиндром и бесконечным резиновым полотном. За счет упругих свойств резины резиновое полотно вначале вытягивается, а затем получает усадку вместе с прижатой к нему бумагой, вследствие чего на поверхности бумаги образуются микроскладки (или микрокреп).

После этого результат фиксируется досушиванием полотна на сушильных цилиндрах после Клупака до влажности примерно 6%.

В результате нескольких опытных выработок получена кабельная бумага толщиной 140 мкм со следующими показателями - см. таблицу

Опытные выработки бумаги БК-140 за 5 мес. 2023-2024 года

Таблица - Средние показатели по выработке

Показатель Ед. измер. Стандарт испытаний Норма по стандарту ноя
'23 дек
'23 янв
'24 фев
'24 мар
'24 Масса 1 м² г/м² ГОСТ Р ИСО 536 100-110 103 103 103 100 100 Влажность % ГОСТ
ИСО 287 5,5-8,0 5,7 7,1 7,1 6,9 6,9 Сопротивление воздуха (по методу Гурлея) с ISO 5636-5 20-80 36 43 43 38 33 Предел прочности на растяж. MD кН/м ISO 1924-3 не менее 6,3 10,7 9 10 8,2 9,1 Предел прочности на растяж. CD кН/м ISO 1924-3 не менее 4,1 6,5 7,4 7 7,1 7,1 Показатель растяжения MD Нм/г ISO 1924-3 не менее 60 104 88 97 80 92 Показатель растяжения CD Нм/г ISO 1924-3 не менее 40 63 72 68 69 72 Деформация при разрушении MD % ISO 1924-3 не менее 4,4 5,1 6,1 5,8 5,9 5,4 Деформация при разрушении CD % ISO 1924-3 не менее 4,8 6,9 7,8 8,4 7,8 7,8 Поглощение энергии при растяж. MD TEA Дж/м² ISO 1924-3 не менее 185 324 313 331 285 280 Поглощение энергии при растяж. CD TEA Дж/м² ISO 1924-3 не менее 173 314 351 363 344 344 Толщина мм ГОСТ Р ИСО 534 0,133-0,147 145 143 143 140 138

Как видно из таблицы, предложенная бумага с равномерно ориентируемыми в разных направлениях волокнами, образующими каркас, имеет хорошие изолирующие свойства (с безусловным выполнением требований ГОСТа 23436-83 и ТУ 5456-001-88920033-2012), высокую прочность и эластичность одновременно и в машинном, и поперечном направлениях, превышающие значения, установленные стандартами.

Таким образом, предлагаемые технические решения способствуют обеспечению изотропности характеристик прочности и эластичности кабельной бумаги и обеспечивают достижение технического результата.

Изобретение относится к электротехнической и целлюлозно-бумажной промышленности и может быть использовано в производстве кабельной бумаги, предназначенной для изоляции кабелей и различных электротехнических устройств. Кабельная бумага представляет собой бумажное полотно из сульфатной небеленой целлюлозы, имеющее деформированную структуру поверхности, выполненную в виде поперечных складок, относительное удлинение в машинном направлении 5-15% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах 35-110 мкСм/см. Волокна, образующие каркас, равномерно ориентируются в машинном направлении и в поперечном направлении. При этом деформация при разрушении в машинном направлении составляет 5,0-9,5%, а в поперечном направлении - 6,9-11,5%. Предел прочности на растяжение в машинном направлении составляет 6,5-11,0 кН/м, в поперечном направлении - 5,0-9,5 кН/м. Показатель растяжения в машинном направлении составляет 70-110 Нм/г, в поперечном направлении - 55-80 Нм/г. Поглощение энергии при растяжении в машинном направлении составляет 250-360 Дж/м², в поперечном направлении – 250-420 Дж/м². Обеспечивается изотропность характеристик прочности и эластичности кабельной бумаги. 1 табл.

Кабельная бумага, представляющая собой бумажное полотно из сульфатной небеленой целлюлозы, имеющее деформированную структуру поверхности, выполненную в виде поперечных складок, относительное удлинение в машинном направлении 5-15% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах 35-110 мкСм/см, образующие каркас волокна равномерно ориентируются в машинном направлении и в поперечном направлении, при этом деформация при разрушении в машинном направлении составляет от 5,0 до 9,5%, а деформация при разрушении в поперечном направлении составляет от 6,0 до 11,5%, отличающаяся тем, что предел прочности на растяжение составляет в машинном направлении от 6,5 до 11,0 кН/м, а в поперечном направлении от 5,0 до 9,5 кН/м, показатель растяжения составляет в машинном направлении от 70 до 110 Нм/г, а в поперечном направлении от 55 до 80 Нм/г, поглощение энергии при растяжении составляет в машинном направлении от 250 до 360 Дж/м², а в поперечном направлении от 250 до 420 Дж/м².