Главная стр 1
скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрооборудования



ОТЧЕТ ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ №


по курсу Электротехническое материаловедение

на тему Волокно

Выполнил студент

гр.ЭО-97-2 Романовский Р.Ю.

___________________________

"____"__________________1999

Принял доцент

Торопцев В.П.

___________________________

___________________________

"____"_________________ 1999

Липецк 1999





Общие сведения о природных материалах

Стенки сосудов и клеток древесины построены из мельчайших волоконцев – фибрилл. Основным веществом, образующим фибриллы, является -целлюлоза – природное высокополи-мерное вещество, относящееся к группе углеводородов и имеющее состав, характеризуемый формулой: (C6H10O5)n, где n выше 1000. Молекула целлюлозы имеет вид цепочки, составленной из ряда глюкозных колец:

CH2OH H OH
C O C C

H H OH H H

C C O C C O

OH H H


H H

C C C O


H OH CH2OH n

Связь остатков молекул глюкозы осуществляется посредством первичных валентностей кислорода. Это обстоятельство чрезвычайно существенно, так как первичные валентности соз-дают очень прочные связи, чем об’ясняется инертный и стабильный характер целлюлозы и ее высокое сопротивление химическим воздействиям.

В каждом глюкозном кольце содержится по три полярные гидроксильные группы –ОН-, по своей природе обладающие реакционной способностью, которая обеспечивает ряд химико-физических явлений, проявляющихся в производстве и эксплуатации бумаг и картонов. При воздействии переменного электрического поля группы ОН вызывают релаксационные диэлек-трические потери. Кроме того, они способны притягивать к себе молекулы воды из окружаю-щего воздуха, что обусловливает гидрофильность и гигроскопичность целлюлозы, усугубляе-мую ее волокнистым строением.

Скопления макромолекул целлюлозы образуют мицеллы, в которых зазоры между моле-кулами составляют около 1 нм, из мицелл образуются элементарные волокна – фибриллы, в ко-торых зазоры между мицеллами составляют около 10 нм. Так как размер молекулы воды очень мал, примерно 0.25 нм, то они могут проникать глубоко внутрь структуры целлюлозы, попадая в зазоры между макромолекулами и закрепляясь на последних за счет притяжения гидроксиль-ными группами. Этим об’ясняется то, что гигроскопичность древесины и всех целлюлозных ма-териалов нельзя полностью устранить пропиткой. Все пропиточные массы, состоящие из моле-кул относительно большого размера – не менее нескольких нанометров, заполняют лишь отно-сительно грубые поры волокнистого материала и не могут проникать в межмолекулярные за-зоры, куда проникает вода.

В древесине содержится до 25-30% лигнина – органического вещества, уже не относяще-гося к углеводам, а характеризующегося наличием фенольных групп. Наличие легнина повы-шает механическую прочность древесины, но придает древесному волокну хрупкость и снижает его химическую стойкость против окисления. Поэтому дешевые сорта неэлектротехнических бумаг, например газетной, изготовляемые из древесной массы с повышенным содержанием лиг-нина, с течением времени желтеют и теряют механическую прочность даже при комнатной тем-пературе. Кроме того, в древесине всегда содержится известное кол-во органических продуктов жизнедеятельности деревьев (смолистые вещества), а также минеральные соли, определяющие зольность древесины.

При изготовлении электроизоляционных сортов бумаги и картона древесина должна подвергаться специальной химической обработке – варке в соответствующих растворах, основ-ная цель которых сводится к уменьшению содержания лигнина, удалению смол и т.п. В этих процессах лигнин и др. инкрустирующие вещества перходят в раствор и удаляются вместе с ним, а целлюлозные волокна после промывки выделяются в чистом виде. Этого можно достичь варкой щепы как в кислых, так и в щелочных растворах, но для электроизоляционных материа-лов лучше применять щелочную варку, в результате которой получается продукт с большей стойкостью к тепловому старению. В настоящее время применяют сульфатный способ варки, при котором в щелочной раствор входят едкий натр и сульфат натрия Na2S. Такой продукт но-сит название сульфатной небеленой целлюлозы; его используют в качестве исходного сырья для изготовления современных волокнистых электроизоляционных материалов. Целлюлоза по ГОСТ 5186-82 имеет значительно меньше кол-во золы, число соринок на 1 м2, меньшую прово-димость водной вытяжки по сравнению с целлюлозой по ГОСТ 12454-78, поэтому ее примене-ние для изготовления бумаг с высокими электрическими показателями (КВМ, КВМС, КВМСУ, ТВ, ТВУ). Целлюлоза кислой варки называется сульфитной. Сульфитный способ производства заключается в варке древесной щепы в кислом растворе бисульфита кальция [Ca(HSO3)2] при повышенной температуре. Обычная отечественная сульфатная целлюлоза, используемая для электроизоляционных материалов, имеет следующий состав: -целлюлоза 84-88%, гемицел-люлоза 9-11%, лигнин 3-4%, смолы и др. в-ва менее 0.5%, неорганические в-ва (зола) менее 0.5% (мас.). Для получения электроизоляционных бумаг повышенного качества применяют цел-люлозу, в которой содержание -целлюлозы достигает 94-95% за счет снижения содержания гемицеллюлозы.

Для изготовления бумаги и картона волокнистый полуфабрикат – древесная целлюлоза подвергается сложной механической разработке в водной среде – размолу, в результате чего по-лучается бумажная масса или пульпа – водно-волокнистая суспензия требуемого качества. Раз-молотая бумажная масса с концентрацией волокна 0.1-0.3% при отливе тонких бумаг –5-15 мкм (для более толстых бумаг концентрация выше) поступает на сетку бумагоделательной машины, которая, кроме продольного движения, испытывает поперечные колебания для более равномер-ного распределения волокон на сетке. Обезвоживание массы достигается сначала простым стеканием воды через сетку, а далее с помощью отсоса на вакуумных ящиках, расположенных под сеткой: сходящая с сетки бумага имеет влажность 90% (мас.). Дальнейшее обезвоживание до 70-75% происходит на прессовой части машины, где бумага движущаяся на поддерживаю-щем ее сукне, проходит между обжимающими валами, затем поступает в сушильную часть ма-шины, проходит по поверхности нагреваемых до 45-95°C цилиндров, после чего влажность ее становится менее 10%. Бумага, выходящая из сушильной части машины, имеет относительно невысокую плотность – 900 кг/м3, для увеличения плотности ее пропускают через глезер – сис-тему валов, расположенными один под другим, давление между которыми постепенно увеличи-вается. После прохождения, бумага приобретает плотность до 1100-1200 кг/м3. Материалы, из-готовленные из древесной целлюлозы, обладают хорошими механическими свойствами и впол-не удовлетворительными электрическими, позволяющими использовать их в высушенном и пропитанном виде при весьма высоких напряжениях. Нагревостойкость обычных целлюлозных материалов невелика, и в пропитанном состоянии они относятся к классу А (105°С). На тепло-вое старение целлюлозных материалов влияют кол-во содержащейся в них влаги, кислород воз-духа, напряженность электрического поля; на изоляцию, работающую в среде трансформатор-ного масла, оказывают воздействие также продукты его окисления. На рис.1 приведено влияние растворенного в масле кислорода на старение бумаги при 140°С. Снижение его содержания с 3 до 0.3% уменьшает скорость старения в 3 раза. При тепловом старении целлюлозных материа-лов их электрические показатели изменяются незначительно; изменению подвержены в основ-ном механические показатели: разрушающие напряжение при растяжении, продавливании, раз-дирании. По мере старения волокна целлюлозы теряют свою эластичность, материал становится хрупким и электрическая прочность его снижается в результате образования трещин и наруше-ния целостности при механических воздействиях, которым подвергается изоляция в эксплуата-ции.
Зависимость срока службы целлюлозной изоляции от температуры (при неизменности остальных воздействующих факторов) выражается следующим соотношением:

Lg L = A + B*T,

где L-срок службы; T-термодинамическая температура; A,B-эмпирические коэффициенты.

Повышение нагревостойкости целлюлозных материалов может быть достигнуто также путем введения добавок – ингибиторов, задерживающих процесс термоокислительной деструк-ции. В США разработана бумага таково типа под названием инсульдур, в которую вводится смесь дицианамида, меламина и полиакриламида. Нагревостойкость этой бумаги по сравнению с обычной повышена на 25-30°С. Аналогичная бумага разработана и в России. Применение спе-циальных технологических процессов с целью получения целлюлозных материалов с улучшен-ными свойствами обычно вызывает их удорожание, поэтому их используют в тех случаях когда обычные материалы не могут быть применены.



Древесина как электроизоляционный материал

Анизотропность древесины обусловливает зависимость ее свойств от направления распи-ла и расположения волокон. Электрическая прочность древесины вдоль волокон в 3-4 раза ни-же, чем поперек, а об’емное сопротивление может отличаться в 10 раз. Свойства древесины за-висят от породы дерева, его возраста, места произрастания и др. факторов. Плотность древеси-ны большинства пород после сушки колеблется в пределах 400-800 кг/м3, причем обычно более мягкие хвойные породы имеют плотность ближе к нижнему пределу и более низкие механичес-кие параметры, чем более твердые лиственные породы, плотность которых приближается к вер-хнему пределу. В связи с этим непосредственно для целей электротехники в качестве конструк-ционно-изоляционного материала применяется древесина лиственных пород: древесина хвой-ных пород перерабатывается на целлюлозу. Механические показатели непропитанной древеси-ны приведены в табл.1, электрические в табл.2. В свежесрубленном состоянии содержание вла-ги в древесине различных пород может колебаться в пределах от 35 до 65%. При сушке до воз-душно-сухого состояния происходит значительная ее усадка: по длине волокна до 0.5% в ради-кальном направлении до 5% и в тангенциальном – до 10%. Сушка деталей, изготовленных из воздушно-сухой древесины, которой они подвергаются для улучшения электрических показате-лей, вызывает дополнительную усадку, а увлажнение высушенных деталей – увеличение их раз-меров.


Таблица 1

Порода древесины



Плотность, кг/м3



Разрушающее напряжение, МПа

При сжатии вдоль волокон

При статическом изгибе перпендикулярно волокнам

При растяжении вдоль волокон

Береза

640

44.7

99.7




Бук

640

46.1

93.8

129.1

Дуб

720

52.0

93.5

128.8

Сосна

540

46.6

87.7



Таблица 2



Порода древесины и режим подготовки

Электрическая прочность перпендикулярно слоям, МВ/м

Пробивное напряжение параллельно слоям l=58 мм, кВ

tg

r

, перпендикулярно слоям, Ом*м

s, Ом

Бук, высушенный при 105°С в течение 30 ч



40

0.024

3.8

0.35*1011

1.5*1012



Бук, высушенный и пропитанный трансформаторным маслом под вакуумом по режиму сушки трансформаторов 110кВ

4.2

46

0.0146

3.8

0.64*1012


0.86*1013



Береза (высушенная в течение 30 ч при 105°С)






0.0132

3.2

0.77*1011


3.0*1012



Береза, высушенная и пропитанная трансформаторным маслом под вакуумом по режиму сушки трансформаторов 110кВ

4.5

56




3.81

0.36*1012

2.2*1013

В непропитанном состоянии древесина обладает очень низкими и нестабильными элек-троизоляционными параметрами, пропитка улучшает ее электрические, а иногда и механичес-кие свойства, снижает гигроскопичность, способствует стабилизации размеров, поэтому в качес-тве электроизоляционного материала древесина применяется только в пропитанном виде. Электрические параметры пропитанной древесины зависят от пропитывающего вещества (пара-фин, олифа, нефтяное масло, синтетические смолы) и способа пропитки. Пропитка деталей из древесины может производиться под давлением после сушки под вакуумом, а также путем про-

варки под вакуумом или при атмосферном давлении. Количество пропитывающего вещества, поглощаемого древесиной при пропитке, составляет от 40 до 60% (мас.). Максимальное погло-щение масла достигается при охлаждении древесины в самом масле. Пропитка не устраняет полностью гигроскопичности древесины, поэтому детали, пропитанные олифой или синтетичес-кими смолами (лаками), работающие на воздухе, дополнительно покрывают изоляционным ла-ком или олифой с последующей запечкой при повышенной температуре. Ряд недостатков древе-сины: гигроскопичность, нестандартность свойств, низкая нагревостойкость значительно огра-ничивают ее применение в качестве электроизоляционного материала. Наибольшее применение в электротехнике находят бук, береза, граб, которые используют в трансформаторах с жидкос-тным заполнением для изготовления деталей крепления отводов, опорных элементов обмоток и др.; в электрических машинах – для пазовых клиньев; хвойные породы применяют для изготов-ления опор и траверс линий передачи электроэнергии и линий связи. Древесина используется также для изготовления древеснослоистых пластиков электротехнического назначения.

Конденсаторная бумага

Наиболее тонкий и высококачественный вид электроизоляционных бумаг – конденсатор-ную бумагу применяют для изготовления диэлектрика конденсаторов, в котором она подверга-ется воздействию наиболее высоких напряженностей поля по сравнению с использованием бу-маги в других электроизоляционных конструкциях. Происходящая замена чисто бумажного ди-электрика в конденсаторах бумажно-пленочным потребовала улучшения электроизоляционных свойств конденсаторной бумаги: снижения ее потерь и содержания слабых мест, повышения электрической прочности и однородности. Конденсаторную бумагу изготавливают из сульфат-ной древесной целлюлозы. Во многих странах проводится работа по улучшению свойств элек-троизоляционной конденсаторной целлюлозы как полимера.



В СССР разработан простой способ получения борированной нагревостойкой малопо-терьной целлюлозы, который состоит в пропитке обычной электроизоляционной целлюлозы расплавом тетраборной кислоты и мочевины с последующей термофиксацией. В этом случае об-разуется эфир целлюлозы и тетраборной кислоты. При этом достигается значительное снижение

tg при ограниченном уменьшении r.
скачать


Смотрите также:
Отчет по лабораторной работе №1 по курсу " Электротехническое материаловедение"
248.81kb.
Отчет по лабораторной работе № по курсу Электротехническое материаловедение
106.63kb.
Отчет по лабораторной работе выполняется на листах формата а типовой отчет по лабораторной работе должен содержать
210.55kb.
Курсовая работа по курсу " Электротехническое материаловедение" на тему "Органические диэлектрики "
376.45kb.
Отчет по лабораторной работе №1 по курсу "тоэ"
129.53kb.
Отчет по лабораторной работе №6 по курсу"Электрические машины"
27.91kb.
Отчёт по лабораторной работе №3 «Microsoft Office. Текстовый редактор word часть Основы» по курсу «Информатика» Студент группы с-11: Дашков М. М
80.83kb.
Отчет по лабораторной работе №4 по курсу"Электрические машины"
63.9kb.
Отчет по лабораторной работе №1 по курсу "Метрология и электрические измерения"
90.05kb.
Отчет по лабораторной работе №1 по курсу " Электрические машины "
134kb.
Отчет по лабораторной работе №5 по курсу"Электрические машины"
57.64kb.
Отчет по лабораторной работе №7-8 по курсу "Электрические и электронные аппараты"
143.42kb.