автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Оптимизация технологии производства стеклотекстолитов

На правах рукописи

СИМОНОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛОТЕКСТОЛИТОВ

Специальность 05.09.02 - Электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидат технических наук

1 7 МАЙ 2012

Москва 2012

005044368

005044368

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образов; тельном учреждении высшего профессионального образования "Национал! ный исследовательский университет «МЭИ»" на кафедре физики элсктрс технических материалов, компонентов и автоматизации электротехнологичс ских комплексов.

Научный руководитель: доктор технических наук, проф. Серебрянникс

Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук Славинский Але!

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно- исследовательский и! статут специального машиностроения» (ОАО «ЦНИИСМ»)

Защита состоится "31" мая 2012 г. в 17 час. на заседании диссертационног Совета Д 212.157.15 при ФГБОУВПО "Национальный исследовательски университет «МЭИ»" по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул д. 13, ауд. Е-205.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью организации, направлять по а; ресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет. С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотет ФГБОУВПО "Национальный исследовательский университет «МЭИ»" Автореферат разослан "30" апреля 2012 г. Ученый секретарь диссертационного Совета

сандр Зиновьевич, генеральный директор ЗА( «Московский завод «Изолятор» им. А.Баркова кандидат технических наук Дшотров Олег

Вячеславович, заместитель технического

директора-начальник конструкторско-техноло-гического отдела ЗАО «Москабель-Фуджикура

к.т.н.,

А.М. Боровкова

Общая характеристика работы Актуальность работы

Слоистые пластики электротехнического назначения являются одним из наиболее многотоннажных видов электроизоляционных материалов. В Российской Федерации в общем выпуске всех электроизоляционных полимерных материалов доля слоистых пластиков составляет примерно 35 %. Из этого количества около 30 % выпускается стеклотекстолитов, причем объем их производства непрерывно растет.

Стеклотекстолиты находят применение во всех видах электрооборудования, радиоэлектронных приборов, энергетического оборудования и т.д. Технический уровень и эксплуатационная надежность этой продукции в значительной степени зависят от качества и стабильности свойств стеклотекстолитов при воздействии различных эксплуатационных факторов (температуры, механических и электрических нагрузок, повышенной влажности, радиации и др.).

Общая тенденция развития электротехнической промышленности, связанная с повышением технического уровня, надежности и долговечности, а также с увеличением единичной установочной мощности электрических машин, генераторов, трансформаторов, предопределяет все более высокие требования к свойствам электроизоляционных слоистых пластиков. Это в свою очередь вызывает необходимость постоянного улучшения показателей качества серийно выпускаемых традиционных стеклотекстолитов, разработки и освоения новых типов стеклотекстолитов на основе новых связующих и наполнителей, что и определяет актуальность работы.

Цель и задачи работы

Целью работы является совершенствование технологии производства и повышение качества готовых стеклотекстолитов.

В соответствии с этим основными задачами работы являются:

- анализ существующих технологий изготовления стеклотекстолитов;

- обоснование необходимости оптимизации состава связующего и технологии его переработки;

- исследования процессов изменения теплопроводности при полимеризации связующего в ходе прессования стеклотекстолитов;

- расчет циклограммы пропитки и прессования стеклотекстолитов, обеспечивающей увеличение производительности;

- оценка свойств материалов, изготовленных по оптимизированной технологии;

- разработка технической документации на технологический процесс изготовления стеклотекстолитов.

Научная новизна

1. Впервые экспериментально изучена взаимосвязь плотности пропитывающего состава, вязкости и скорости пропитки стеклоткани.

2. Исследовано влияние различного количества ускорителя аминного типа на время желатинизации и сроки хранения пропиточного состава.

3. Определены зависимости текучести связующего в препреге от температуры, времени, давления.

4. Исследовано влияние энергии активации реакции пропитывающего состава на время полимеризации связующего при прессовании стеклотекстолита.

5. Исследованы электрофизические и механические свойства материалов, изготовленных по предложенной в работе технологии.

Практическая ценность полученных результатов:

1. Оптимизированы состав связующего при производстве стеклотекстолитов и технология его переработки, что позволяет уменьшить на 19% расход растворителя и обеспечивает сокращение времени прессования в 2 раза;

2. Предложено и опробовано применение оптимизированного состава связующего для пропитки на вертикальной пропиточной машине, позволяющее получить качественный препрег при увеличении скорости пропитки в 4 раза;

3. Обосновано применение для обогрева плит прессов и сушильных камер пропиточных машин в качестве теплоносителя термомасла и достижение больших температур, чем в случае использования пара, что позволяет сократить время прессования;

4. Показана возможность применения термодожигающей установки при пропитке, представлена методика обеспечения экологически безопасного производства стеклотекстолитов с уменьшением расхода газа в 2,8 раза и существенным уменьшением попадания в атмосферу вредной паровоздушной смеси;

5. Изготовлено и реализовало потребителям более 4000 тонн стеклотекстолитов, изготовленных по модернизированной технологии.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты оптимизации состава связующего для пропитки наполнителей и прессования стеклотекстолитов;

2. Технологические параметры пропитки наполнителей на современных пропиточных машинах;

3. Диаграмма процесса прессования препрегов для получения стеклотекстолитов;

4. Экспериментальные данные по свойствам изготовленных материалов.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на Х1-Х11 Международных конференциях «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта сентябрь 2006г. и сентябрь-октябрь 2008г.), на XII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Москва 2-3 марта 2006г.

Публикации по работе

Результаты диссертационной работы опубликованы в 7 изданиях, в том числе в трудах конференций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованной литературы из 102 наименований и 6 приложений, содержит 102 страницы, 33 иллюстрации, 15 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, представлены основные положения, выносимые на защиту, изложена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе дается описание существующей технологии пропитки наполнителей.

При изготовлении стеклотекстолитов одним из важнейших вопросов является пропитка стеклоткани - изготовление препрега для дальнейшего прессования. Технологический процесс пропитки в России осуществляется в основном на машинах со скоростью 2-3 м/мин, пропиточными составами, содержащими более 50 % масс, растворителя.

Современные пропиточные линии требуют совершенно другого технологического подхода к процессу пропитки стеклотканей. Увеличение скорости пропитки в 4-5 раз приводит:

- к увеличению длины рулона стеклоткани до 2000 м и необходимости обеспечения безостановочной работы пропиточной линии при смене рулона путем склейки стеклоткани в конце рулона;

- к существенному уменьшению количества растворителей в пропиточном составе;

- к разработке рецептуры связующего, обеспечивающей необходимую сушку при высоких скоростях.

Рисунок 1. Схема пропиточной линии ЛЭСТ 1200: 1 - стеклоткань, направление движения; 2 - узел склейки (соединения перезаправляемых рулонов); 3 - ванна для пропиточного состава; 4 - восходящая шахта сушильной камеры с 4-мя тепловыми зонами; 5 - перевальные валы, охлаждаемые водой; 6 -нисходящая шахта сушильной камеры с 4-мя тепловыми зонами; 7 - препрег.

На рис. 1 приведена схема пропитки рулонных тканей с автоматизированной системой управления. При прохождении полотна через сушильную камеру происходят два процесса: испарение растворителя и частичное отверждение ) связующего. При поступлении полотна в сушильную камеру температура поддерживается несколько ниже точки кипения растворителя, а затем постепенно повышается. Слишком быстрое испарение растворителя может вызвать появление на поверхности ткани вздутий, кратеров и т.п. Когда полотно при прохождении сушильной камеры достигает зоны с температурой кипения растворителя, последний в основном должен быть удален из пленки связующего. При этом вязкость связующего должна быть достаточно низкой, чтобы не задерживался выход растворителя из внутренних слоев. Температура в сушильной камере регулируется таким образом, чтобы в конце сушки связующее было в стадии «В». Чтобы избежать перехода связующего в стадию «С», температура в зоне перед выходом полотна из сушильной камеры снова снижается при помощи системы валиков, охлаждаемых водой.

При изготовлении препрега свойства пропиточного состава определяют его качество и технологические режимы переработки. Поэтому изучение и исследование связующего для пропитки является определяющим для совершенствования технологии изготовления стеклопластиков.

Во второй главе приведены результаты исследования связующего для пропитки препрега.

Усовершенствование технологических процессов изготовления стеклопластиков потребовало проведения дополнительных исследований свойств |

эпоксифенолформальдегидного связующего ИФ-2/ЭП и других составов, применяемых при пропитке стеклоткани.

Известно, что при условии, что все поры наполнителя (стеклоткани) при пропитке связующим заполнены, то масса связующего ть поглощенная порами наполнителя на 1 м2 равна:

т1=й)-Г0-к (1)

где ш - относительная объемная пористость стеклоткани; И - толщина стеклоткани, м; у о - плотность связующего, кг/м3

Если часть объема пор не будет заполнена связующим или в нем окажутся пузырьки воздуха, то:

т

к0-а-г0-Ь (2)

1 - ло

где ко - коэффициент учитывающий степень заполнения пор связующим.

В свою очередь относительная объемная пористость стеклоткани может быть выражена уравнением:

увк-ти

з (3)

где уа_плотность волокон стеклоткани, кг/м ; Ь - толщина, м;

т„ - масса 1 м2 стеклоткани, кг. Подставляя значение ю в уравнение (2), получим выражение для п^:

----(4)

/ в

Однако при выходе стеклоткани из связующего вследствие смачивания на обеих поверхностях будут образовываться тонкие слои связующего (с толщинами Ь^.

Если исходить из уравнения, связывающего динамическую вязкость пропиточного состава I] со скоростью движения стеклоткани V при выходе ее из ванны пропиточной машины, то толщину слоя для сравнительно малых толщин можно приблизительно определить из уравнения:

(5)

где Уо - плотность связующего, кг/м3; т| - динамическая вязкость, Па-с; % -ускорение свободного падения (9,8 м/с2).

Тогда количество связующего, наносимое на обе стороны наполнителя на 1 м2 последнего 1Й2 составит:

Щ = 2 • А, • у0 (6)

или с учетом уравнения (5) с некоторым округлением:

т2 - 0,64 ■ т]у0- г/-V (7)

где Ш2 - в кг; V - в м/с.

Если концентрация связующего в процентах будет равняться С, то отношение массового количества связующего к количеству пропитанного наполнителя после сушки (удаления растворителя) в процентах составит:

¡у = т

С-(/и, +т2) + тн

Или с учетом уравнений (4), (6):

С-[кй-у0{уе ■И-тн)+640• ув^у0 'У'

уу ___^ у * и ч* и и '_■ о у » • д_

~ С\к0-у0(/е-к-тн)+ 640Уе'тн (9)

Из анализа этого уравнения и рассмотрения механизма процесса пропитки следует, что при прочих равных условиях:

1) С увеличением плотности пропитывающего связующего у0 увеличивается относительное содержание связующего т в пропитанном наполнителе, приближаясь постепенно к постоянной величине (так как с увеличением плотности вязкость раствора увеличивается быстрее).

2) С увеличением скорости V выхода наполнителя из пропиточной ванны или увеличением вязкости т] пропитывающего раствора также увеличивается относительное содержание связующего (за счет увеличения ТОЛЩИНЫ Ь]) с той же тенденцией, что и при увеличении плотности.

3) С увеличением плотности волокон наполнителя у, относительное количество связующего в пропитанном наполнителе незначительно уменьшается, так же как и с увеличением толщины наполнителя Ь.

Все вышеперечисленные теоретические выводы хорошо согласуются с практикой. Так зависимость между плотностью пропитывающего состава, скоростью прохождения наполнителя в пропиточной ванне и относительным содержанием смолы в пропитанном наполнителе хорошо подтверждаются экспериментальными данными.

Из практики изготовления стеклотекстолитов известно, что при небольших скоростях пропитки наполнителей относительное содержание смолы удается хорошо рейдировать изменением плотности связующего. Однако в случае больших скоростей это сделать трудно и приходится устанавливать регулирующую систему, обеспечивающую необходимый нанос, так же как и при применении составов с очень высокой вязкостью, которые уменьшают слишком большую толщину связующего на поверхности выходящего из ванны пропитанного наполнителя.

Так как при прохождении полотна после пропитки происходят два процесса: испарение растворителя и частичное отверждение связующего, то одной из основных задач при повышении скорости пропитки является оптимальное количество растворителя. Обычно использовались составы с концентрацией 46 % основы (смолы) и 54 % растворителя.

Были изучены зависимости плотности связующего от концентрации при температурах 20°С (средняя температура в зимний период) и 37°С (средняя температура в летний период) (рис. 2).

и:о 1100 1080 1060 5- 1040

I 1020 i

tí 1ГМХ> 9S0 960 940

40 45 50 <5 60 65 70 75 SO

Концентрация (массовая доля нелетучи* веществ, */о)

Рисунок 2. Зависимость плотности пропиточного связующего ИФ-2/ЭП от концентрации нелетучих веществ при различных температурах

Приведенные данные показывают пропорциональную зависимость плотности пропиточного состава от его концентрации и незначительную зависимость от температуры в цехе.

На рисунке 3 представлена зависимость динамической вязкости связующего по Брукфильду от концентрации при температурах 20 и 37°С. ло

„ 300 ¿ 250

!■ 200 ft

I 100 -I

м

50 -

0 -40

Рисунок 3. Зависимость вязкости связующего ИФ-2/ЭП от концентрации нелетучих веществ при различных температурах Вязкость при росте концентрации связующего изменяется по экспоненциальному закону, и при концентрации выше 65 % происходит ее резкий рост (рис. 3). При этом вязкость, как известно, зависит от температуры, что также подтверждается данными (рис. 4).

Для достижения однородности связующего в ванне пропиточной машины было установлено дополнительное оборудование, позволяющее осуществлять постоянное перемешивание и поддержание постоянного уровня и температуры в ванне. После установки оборудования значение динамической вязкости составило (72 - 90) мПа с.

; <

—......

20 °С

---------

т

45 50 55 60 65 "О 75 80

Концентрация (массовая доля нелетучи* веществ ), °<>

Температур», С

Рисунок 4. Зависимость динамической вязкости связующего ИФ-2/ЭП от температуры.

Пропиточный состав с концентрацией выше (66 - 67) % имеет высокую вязкость, поэтому применение его при пропитке приводит к усложнению транспортировки пропиточного состава по трубопроводам, нарастанию вязкости при работе линии и, как следствие, получению пропитанной стеклоткани с нестабильными характеристиками.

В связи с этим для производства стеклотекстолитов был рекомендовано связующее с концентрацией 65+1 %, таким образом сократив применение растворителя с 52 до 35 %.

Дополнительно проведенные работы показали возможность использования составов без растворителей для пропитки, например, стеклослюдинитовых лент, что позволило создать для этих целей специальное оборудование и в перспективе применить аналогичную технологию для стеклопластиков.

В третьей главе предоставлены результаты исследования свойств препре-га для прессования, из которых выделены следующие:

- содержание связующего в препреге;

- текучесть связующего в препреге и его вытекание при прессовании;

- содержание летучих веществ.

Содержание связующего в препреге имеет большое значение как для процесса прессования стеклопластика, так и для механических характеристик готового стеклотекстолита. Результаты испытаний готового стеклотекстолита показали, что оптимальное количество связующего и наполнителя находится в диапазоне (35 - 39) % и (65 - 61) % масс., соответственно.

Однако, этот показатель существенно зависит от времени желатинизации связующего и, соответственно, его текучести в препреге.

В результате анализа времени желатинизации пропиточного состава при пропитке стеклоткани и последующего прессования стеклотекстолита из этой стеклоткани, было установлено, что время желатинизации варьировалось от 6 до 9 минут при соблюдении технологического регламента. Результаты были получены на основе данных более 140 партий связующего (рис. 5).

ю

Рисунок 5. Значение параметра «время желатинизации» связующего ИФ-2/ЭП В процессе прессования стеклотекстолита из препрега с различным временем желатинизации связующего, было установлено, что вытекание напрямую зависит от времени желатинизации. На рисунке б показано, что при изменении времени желатинизации с 6,25 мин. до 7 мин. процент вытекания связующего составляет от 14,5 % до 21 %, что ведет к нестабильным характеристикам готового стеклотекстолита.

25

;

20

...........

ю ;—

в 6.1 6.4 б,б 6.8 7 7,2

Время веятипшии. МИН

Рисунок 6. Зависимость количества вытекшего связующего при прессовании от времени желатинизации.

При значении показателя «время желатинизации» б мин. и менее значительно снижается вытекание связующего при прессовании.

Одним из способов снижения вытекания является использование ускорителя отверждения, поэтому при производстве стеклотекстолита в качестве ускорителя отверждения при изготовлении совмещенного связующего марки ИФ-2/ЭП был использован 2-метилимидазол (далее 2-МИ). При подборе оптимального количества ускорителя необходимо было учесть, что жизнеспособность пропиточного состава, так же как и жизнеспособность полученного препрега, должна быть не менее 10 суток.

На рисунке 7 представлены результаты определения времени желатинизации партии связующего ИФ-2/ЭП в зависимости от количества вводимого 2-МИ - с исходным временем желатинизации 6,25 мин.

Концентрация 2-МИБ сетующем, % к МАССОВОЙ доле смол

Рисунок 7. Зависимость значения показателя «временя желатинизации» ИФ-2/ЭП от количества вводимого 2-МИ Ускоритель позволяет регулировать время желатинизации связующего. В зависимости от количества 2-МИ время снижается на (15 - 30) %.

На рисунке 8 приведены результаты измерения времени желатинизации партии пропиточного состава с ускорителем и без ускорителя от времени хранения при комнатной температуре. Показания результата хранения в течение 10

Срокхранапи, сутки

Рисунок 8. Зависимость показателя «время желатинизации» от количества введенного 2-МИ в связующее ИФ-2/ЭП и от времени хранения.

Проведенные исследования показали, что оптимальным для состава ИФ-2/ЭП является (0,03 - 0,04) % содержания 2-МИ к основе. Изготовлены опытно-промышленная партии совмещенного связующего с введением 0,03 % 2-метилимидазола к массовой доле смолы и без ускорителя. Препрег, изготовленный на основе связующего с 0,03 % ускорителя был жизнеспособным в течение 10 суток (рис. 9).

При прессовании препрега, пропитанного связующим с ускорителем вытекание практически отсутствует (таблица 2).

Срок хранении, сутки

Рисунок 9. Изменение значения показателя «время желатинизации» препрега при хранении (связующее с 0,03% 2-МИ).

Таблица 2 - Данные по вытеканию связующего ИФ-2/ЭП при прессовании

№ партии Время желатинизации исходного связующего, мин., с 2-МИ, % к м.д. смол Время желатинизации связующего с 2-МИ, мин, с Вытекание при прессовании

19 6,34 0,03 5,22 Вытекания не было.

20 6,47 - 6,47 Сильное вытекание

21 6,57 - 6, 57

22 6,55 - 6,55

26 6,44 - 6,44

32 7,00 0,03 5,36 Вытекания не было.

33 7,30 0,03 5,55

34 7,43 0,03 5,52

35 7,25 0,03 5, 52

37 6,51 0,03 5,40

38 7,15 0,025 5,50

Таким образом исследования изготовленных промышленных партий пре-прегов и изготовление из них стеклотекстолита подтвердили правильность выбранного количества ускорителя в связующем. В результате значительно уменьшено вытекание в процессе прессования стеклотекстолита.

В четвертой главе представлены результаты исследований процесса прессования стеклотекстолитов.

Следующими факторами, влияющими на качество материала при прессования стеклотекстолитов являются:

- температура прессования;

- давление при прессовании;

- время выдержки при температуре и давлении.

Для связующих, применяемых в производстве стеклотекстолитов, характерно выделение теплоты при отверждении, в результате чего возможны внутренние перегревы, особенно при изготовлении толстых плит стеклотекстолита, что ведет к расслоению готовых пластиков.

Управление процессом прессования по определенной программе может дать положительные результаты, только в том случае, если температурные режимы не имеют значительных колебаний.

Методом дифференциально-сканирующей калориметрии установлено, что температура отверждения связующего ИФ-2/ЭП с ускорителем (2-МИ) и без него практически не меняется и составляет (162 - 164)°С (рис. 10).

Рисунок 10. Термограмма отверждения связующего ИФ-2/ЭП Для определения оптимальных температур при прессовании стеклотек столитов был проведен ряд экспериментальных прессовок с разными режима ми, определена степень полимеризации связующего в зависимости от условиГ прессования (таблица 4).

Таблица 4 - Зависимость температуры стеклования связующего ИФ-2/ЭП : стеклотекстолите от условий прессования_____

Номер образца Условия прессования Температура стеклования (метод ДСК, среднее значение ), °С

1 Т=160°С, Р=90 бар, 20 мин/1 мм суммарной толщины пакета 111,6

2 Т=170°С, Р=90 бар, 10 мин/1 мм суммарной толщины пакета 106,3

3 Т=180°С, Р=90 бар, 5 мин/1 мм суммарной толщины пакета 88,3

Результаты испытаний готового стеклотекстолита показали, что при условии достижения температуры 170°С в плитах пресса время прессования стеклотекстолита СТЭФ (связующее ИФ-2/ЭП) определяется из расчета 10 мин/мм суммарной толщины пакета (свойства соответствуют ГОСТ). Уменьшение времени выдержки до 5 мин/мм не обеспечивает достаточной степени отверждения связующего при повышении температуры прессования до 180°С (свойства не соответствуют ГОСТ).

Для выяснения возможных перегревов за счет полимеризации связующего при прессовании были исследованы изотермы отверждения связующего ИФ-2/ЭП при трех температурах 140°С, 160°С, 180°С с различным соотношением смол и введением 2-МИ (таблица 5).

Таблица 5 - Изотермы отверждения связующего ИФ-2/ЭП-ЛЭСТ

Соотношение смол бакелитовая: эпоксидная Добавки Изотерма 180°С Изотерма 160° С Изотерма 140°С

Тпика, °С ДН, Дж/г Тпика, °С ДН, Дж/г Тпика, °С АН, Дж/г

35:65 - 180,1 10,732 160,5 32,612 140,9 91,077

+2-МИ 180,2 10,519 160,5 32,048 140,9 96,657

40:60 - 180,1 10,875 160,5 27,459 140,9 92,280

+2-МИ 180,2 10,975 160,8 25,067 140,9 90,199

Как видно при температуре отверждения 180°С энергия активации минимальна, чуть превышает 10 Дж/г и практически не зависит от изменения соотношения смол и добавки ускорителя, в то время как при температурах 140°С и 160°С это влияние заметно.

Для изучения зависимости температуры отверждения от температуры пресса были изготовлены образцы стеклотекстолита толщиной 50 мм из пре-прега (стеклоткань ЭЗ-200, эпоксиднофенолформальдегидное связующее с ускорителем 2-метилимидазол и без ускорителя). Внутри каждого образца равномерно по высоте располагались 5 термопар для контроля температуры в момент прессования.

На рисунке 12 приведены результаты измерений максимальных температур в середине образца при различных температурах прессования прё-прега пропитанного связующим содержащим 2-МИ и без него.

Результаты показали, что ускоритель практически не влияет на повышение максимальных температур в зависимости от температуры прессования, но время набора этой максимальной температуры на образцах с ускорителем короче.

Максимальные превышения температуры внутри образца достигают (7 - 5)°С при температурах прессования 100, 120, 140, 160°С и (3 - 2)°С при температурах прессования (180 - 200)°С.

100 110 120 »0 140 150 160 170 180 190 200 Твмтиритра прссся, °С

Рисунок 12. Зависимость температуры отверждения стеклотекстолита от температуры

пресса.

Учитывая масштабный фактор при изготовлении стеклопластиков тол-щйнами до 100 мм и размерами плит (1,0 х 1,5) м факт переірева внутренних слоев стеклопластика необходимо учитывать и ограничивать температуру перегрева при прессовании.

Для определения оптимальных температур отверждения была исследована зависимость теплопроводности препрегов от температуры в процессе их термообработки (рисунок 13).

0.1«

І і

1 , |стэф

1

» ' Р® 1

і і і

І

о""*? —. « I > ' і I * » 3 » а г і І а і» 4 | > » ч»

■ " " І. І

15 50 75 10» I» 150 173 ЯЮ ХИ 230 373 МО 315

0.14 0,13 0.Ї 0,0» 0.0« 0.04 0,02 О

Рисунок 13. Зависимость теплопроводности препрегов разных марок от температуры (СФ-фольгированный стеклотекстолит, СТЭФ-стеклотеклотекстолит)

Было установлено, что для препрегов, пропитанных эпоксифенолфор-мальдегидным связующим, теплопроводность X в процессе отверждения повышается в 2-3 раза.

Это важный фактор, который необходимо учитывать, особенно при прессовании толстых стеклопластиков. Он влияет на цикл прессования, так как ускоряется прогрев заготовки и соответственно уменьшается время прогрева.

16

Температурно-временной график технологии изготовления стеклотекстолита марки СТЭФ 10,0 представлен на рисунке 14.

»г ими

Рисунок 14. Температурно-временной график прессования

Из температурно-временного графика прессования стеклотекстолита толщиной 10 мм видно, что по новой технологии (1) время выдержки под давлением и при температуре прессования изменилось с 20 мин/мм до 10 мин/мм толщины пакета.

В таблице 6 приведены характеристики стеклотекстолитов разных марок, изготовленных по новой рецептуре и технологии. Приведенные данные показывают, что полученный стеклотекстолит полностью соответствует требованиям ГОСТ.

Таблица 6 - Свойства стеклотекстолитов разных марок

Физико-механические и электрические характеристики Марка стеклотекстолита, толщина 2,0 мм

СТЭФ (эпоксифе-нолформальдегидное связующее) СТ-ЭТФ (эпокситрифе-нолыюе связующее) СТ (фенолфор-мальдегидное связующее)

Требования ГОСТ Результаты испытаний Требования ГОСТ Результаты испытаний Требования ГОСТ Результаты испытаний

1 2 3 4 5 6 7

Плотность, кг/м3 16001900 1824 1700-1900 1766 16001800 1754

Разрушающее напряжение при статическом изгибе, перпендикулярно слоям, не менее, МПа 350 448 в исх.сост. 350 при 180°С 140 а исх.сост. 404 при 180°С 157 200 179,4

Окопчание таблицы б

1 2 3 4 5 6 7

Разрушающее напряжение при растяжении, не менее, МПа 220 251 220 291 100 79,4

Удельное обьемн. электрич. сопротивление, не менее (после выдержки 24ч /23 "С/относит. влаж.93%), Омм 1 • Ю10 2 • 1013 1 • 10ш 3 • 1013 1 • 108 2 • Ю10

Сопротивление изоляции (после выдержки 24ч / 23°С/в диет, воде) не менее, МОм 5 - 104 8,1 ■ 104 5 ■ 104 8,7 • 104 5 • 104 невы-держ.

Тангенс угла ди-элект. потерь при частоте 10 Гц, (после выдержки 24ч/23°С/в диет, воде) не более 0,04 0,021 0,04 0,016 0,04 >0,04

Класс нагрево-стойкости 155°С 155°С 180°С 180°С 180°С 180°С

Важной задачей оптимизации использования энергоресурсов при модернизации технологии изготовления стеклотекстолитов является утилизация паровоздушной смеси (ЛВС), образующейся при пропитке. Количество смеси при скоростях пропитки более 10 м/мин может достигать 6-7 тыс. м /час. Поэтому для решения проблемы сжигания и использования вторичного тепла для технологии изготовления стеклотекстолита можно использовать единый комплекс, включающий в себя линии для пропитки рулонных тканей ЛЭСТ-1200, гидравлические пресса и установку термического дожигания ТДУ (рис.15).

При этом предусматриваются устройства, позволяющие использовать теплоту отходящих очищенных от примесей газов, как для подогрева ПВС, направляемой на сжигание, так и для нагрева масла, поступающего затем в су шильные камеры пропиточных машин и плиты прессов. Охлаждение пли-прессов также производится маслом.

Впервые в РФ использование высокотемпературного органического теп лоносителя (ВОТ) при прессовании стеклотекстолита показало его высокук эффективность. Фактический расход тепла на цикл при производстве стекло текстолита снизился с 5030 тыс. ккал/цикл при применении пара до 1400 тыс ккал/цикл с использованием ВОТ.

Рисунок 15. Мнемосхема ТДУ

Первые результаты серийного использования ТДУ показали, что расход газа на 1 тонну готового стеклотекстолита снизился в 2,8 раза. Получаемое таким образом тепло позволило обогревать термомасло для плит прессов и пропиточных машин и уменьшить количество выбросов вредных веществ в атмосферу в 15 раз.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

Основные выводы

1. Изучена зависимость плотности и вязкости пропиточного состава от массовой доли смолы в нем. Определены оптимальные параметры, рабочая концентрация связующего увеличена с 46 % до 65 %. Достигнута экономия растворителей (17 -19) %.

2. Исследовано влияние ускорителя аминного типа на время желатиниза-ции связующего. Определено оптимальное количество ускорителя, обеспечивающее жизнеспособность связующего и пропитанной стеклоткани на его основе. Уменьшено вытекание связующего при прессовании стеклотекстолита.

3. Установлено дополнительное оборудование на пропиточной машине, позволяющее поддерживать постоянные параметры пропиточного состава.

4. Применение на практике изученных закономерностей поведения свя зугощего ИФ-2/ЭП и введение в эксплуатацию нового оборудования позволили увеличить скорость протяжки стеклополотна в 4 раза, получая препрег стабильного качества. Использование магазина запаса стеклоткани вместимостью 25 м, устройства автоматической склейки и применение рулонов стеклоткани длиной 2000 м дали возможность организовать длительный непрерывный процесс пропитки.

5. Изучена зависимость температуры экзотермической реакции отверждения связующего ИФ-2/ЭП от температуры прессования. Определены оптимальные условия отверждения связующего при изготовлении стеклотекстолита СТЭФ (давление, температура, время выдержки). Разработана технология прес-

сования, которая позволила в 2 раза (до 10 мин/мм толщины пакета) сократить время выдержки стеклотекстолита под давлением и при температуре.

6. Применение термомасла в качестве теплоносителя позволило обеспе чить необходимую температуру при пропитке стеклоткани и прессовании стеклотекстолита СТЭФ и исключить дополнительную тепловую обработку материала.

7. Использование в технологии изготовления стеклотекстолитов термо-дожигающей установки позволило почти полностью исключить попадание в атмосферу ПВС, использовать тепло от ее сжигания для нагрева термомасла, снизить расход газа в 2,8 раза на 1 т продукции.

8. Организована работа на новом участке пропиточно-прессового цеха: увеличено количество механизированных операций, автоматизирована работа пропиточных маппш и прессов.

9. Разработана и внедрена техническая документация на изготовление связующего для пропиточной линии ЛЭСТ-1200, на процессы пропитки стеклоткани и прессования стеклотекстолитов. Выпущено более 4000 т стеклотекстолитов различных марок.

Список публикаций

1 Д.В.Симонов, В.Г.Огоньков, Е.В.Афошина «Усовершенствования в технологии изготовления стеклотекстолитов» Электротехника, №11 2009 г. С 42-46.

2 В.И.Лебедев, Д.В.Симонов «Стеклопластики», рукопись в книге «Электроизоляционные материалы и система изоляции для электрических машин» ч 1.

3 Патент на полезную модель № 107392. Универсальная линия для изготовления пропитанных пленкостеклослюдосодержащих лент// В.И.Лебедев, В.Г.Огоньков, Д.В.Симонов, А.ВЛщенко, М.С.Масленцева; 2011.

4 Д.В.Симонов «Новые направления в технологии изготовления слоистых пластиков» тезисы докладов: Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов 2-3 марта 2006 г. Москва. С. 49-50

5 Д.В.Симонов, В.Т.-С.Цой «Пути оптимизации технологии изготовления стеклопластиков» Х1-я МКЭЭЭ, 18-23 сентября 2006 г. - Труды, ч.1. С. 61-62.

6 Д.В.Симонов, С .В .Серебрянников, В.Г.Огоньков, Е.В.Афошина «Усовершенствования в технологии изготовления стеклопластиков» ХП-я МКЭЭЭ, 29 сен-тября-4 октября 2008 г. - Труды, С. 34-35.

7 Д.В.Симонов, ВГ.Огоньков, Е.В.Афошина «Оптимизация процесса прессования стеклотекстолитов» Вестник МЭИ № 6 2011 г. С 195-205.

Подписано в печать Зак. )££ Тир. 100 П.л.

Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2581

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

На правах рукописи

Симонов Дмитрий Валентинович

УДК 621.315.61

Оптимизация технологии производства стеклотекстолитов

Специальность 05.09.02"Электротехнические материалы и изделия"

Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Серебрянников C.B.

Москва 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..............................................................................................................................3

ГЛАВА 1. Технология пропитки наполнителей при изготовлении стеклотекстолитов ........................................................................................7

ГЛАВА 2. Исследование связующего для пропитки препрега

при изготовлении стеклотекстолитов ..........................................................19

ГЛАВА 3. Исследование свойств препрегов для прессования

стеклотекстолитов ..........................................................................................................31

ГЛАВА 4. Процесс прессования стеклотекстолитов и

свойства полученных материалов....................................................................48

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................76

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................78

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................87

Приложение 1......................................................................................................................87

Приложение 2......................................................................................................................89

Приложение 3 ....................................................................................................................91

Приложение 4 ....................................................................................................................93

Приложение 5 ....................................................................................................................95

Приложение 6 ....................................................................................................................99

ВВЕДЕНИЕ

Слоистые пластики электротехнического назначения являются одним из наиболее многотоннажных видов электроизоляционных материалов. В Российской Федерации в общем выпуске всех электроизоляционных полимерных материалов доля слоистых пластиков составляет примерно 35 %. Из этого количества около 30 % выпускается стеклотекстолитов, причем объем их производства, диктуемый постоянно увеличивающимся спросом, непрерывно растет.

Стеклотекстолиты находят применение во всех видах электрооборудования, радиоэлектронных приборов, энергетического оборудования и т.д. Технический уровень этой продукции в значительной степени зависит от качества стеклотекстолитов и стабильности их свойств при воздействии различных эксплуатационных факторов (температуры, механических и электрических нагрузок, повышенной влажности, радиации и др.) [1 - 4].

Общая тенденция развития электротехнической промышленности, связанная с повышением технического уровня, надежности и долговечности, а также с увеличением единичной установочной мощности электрических машин, генераторов, трансформаторов, предопределяет все более высокие требования к свойствам электроизоляционных слоистых пластиков. Это в свою очередь вызывает необходимость постоянного улучшения качественных показателей серийно выпускаемых традиционных стеклотекстолитов, разработки и освоения новых типов стеклотекстолитов, в том числе на основе новых связующих, что и определяет актуальность работы [2, 3,4]-

Качество слоистых пластиков определяется уровнем современного оборудования для их изготовления (пропиточных машин и гидравлических прессов), наличием средств автоматизации и механизации, а также в большой мере качеством связующего [1-2, 4-6].

Целью настоящей работы является оптимизация технологии производства стеклотекстолитов.

В соответствии с этим основными задачами работы являются:

- анализ существующих технологий изготовления стеклотекстолитов;

- обоснование необходимости оптимизации состава связующего и технологии его переработки;

- исследования процессов изменения теплопроводности и теплопередачи при полимеризации наполнителя в ходе прессования стеклотекстолитов;

- расчет циклограммы пропитки и прессования стеклотекстолитов, обеспечивающей увеличение производительности в

2-4 раза;

- оценка свойств материалов, изготовленных по оптимизированной технологии;

- разработка технической документации на технологический процесс изготовления стеклотекстолитов.

Научная новизна работы.

1. Впервые экспериментально изучена взаимосвязь плотности пропитывающего состава, вязкости и скорости пропитки стеклоткани.

2. Исследовано влияние различного количества и типа ускорителя на время желатинизации и сроки хранения пропиточного состава.

3. Определены зависимости текучести связующего в препреге от температуры, времени и давления.

4. Исследовано влияние экзотермической реакции пропитывающего состава при прессовании стеклотекстолита.

5. Исследованы свойства материалов, изготовленных по предлагаемой технологии.

Практическая ценность полученных результатов:

1. Оптимизированы состав связующего при производстве стеклотекстолитов и технология его переработки, что позволяет уменьшить на (17 — 19) % расход растворителя и обеспечивает сокращение времени прессования в 2 раза;

2. Предложено и опробовано применение оптимизированного состава связующего для пропитки на вертикальной пропиточной машине с автоматизированной системой управления, позволяющее получить качественный препрег при увеличении скорости пропитки в 4 раза;

3. Обосновано применение для обогрева плит прессов и сушильных камер пропиточных машин в качестве теплоносителя термомасла и достижение больших температур, чем в случае использования пара;

4. Изучена возможность применения термодожигающей установки при пропитке и использования тепла от сжигания паровоздушной смеси для нагрева теплоносителей;

5. Представлена методика обеспечения экологически безопасного производства стеклотекстолитов с уменьшением расхода газа в 2,8 раза и существенным снижением попадания в атмосферу вредной паровоздушной смеси;

6. Изготовлено и реализовано потребителям более 4000 тонн стеклотекстолитов по новой технологии.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты оптимизации состава связующего для пропитки наполнителей и прессования стеклотекстолитов;

2. Технологические параметры пропитки наполнителей связующим на современных пропиточных машинах;

3. Диаграмма процесса прессования препрегов для получения стеклотекстолитов;

4. Экспериментальные данные по свойствам изготовленных материалов.

Материалы диссертации докладывались на Х1-ХП МКЭЭЭ (Крым, Алушта сентябрь 2006 г. и сентябрь-октябрь 2008 г.), на XII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Москва 2-3 марта 2006 г.

ГЛАВА 1. Технология пропитки наполнителей при изготовлении стеклотекстолитов

Качество слоистых пластиков определяется в большей мере уровнем применяемого технологического оборудования для их изготовления (пропиточных машин, гидравлических прессов) и оснащенностью производства средствами механизации и автоматизации [7-10].

Пропиточные машины, в которых стеклоткани перерабатываются в полуфабрикат (препрег), являются важнейшим видом оборудования, используемого в производстве стеклопластиков.

К пропиточным машинам предъявляются высокие требования, особенно к узлу пропитки и сушильным камерам, поскольку они должны обеспечить высокое качество пропитанного наполнителя: равномерность содержания связующего, содержание летучих и растворимых продуктов в последнем. Это определяет равномерную текучесть связующего при последующем прессовании и однородность свойств готового стеклопластика [2]. Этим же можно объяснить усиливающуюся тенденцию варьировать узлы пропитки и сушильные камеры [2, 11-12]. Практика показала, что для пропитки стекло- и хлопчатобумажных тканей, как правило, используют вертикальные пропиточные машины. Такое расположение камеры обеспечивает равномерное нанесение связующего, чего при горизонтальном расположении достичь значительно труднее.

При прохождении полотна через сушильную камеру происходят два процесса: испарение растворителя и химическая реакция отверждения связующего [2, 11-13]. Когда полотно поступает в сушильную камеру, температура сначала поддерживается несколько ниже точки кипения растворителя, а затем постепенно повышает-

ся. Слишком быстрое испарение растворителя может вызвать нежелательное явление на поверхности наполнителя (образование вздутий, кратеров и т.п.). Когда полотно при прохождении сушильной камеры достигает зоны с температурой кипения растворителя, последний в основном должен быть удален из пленки связующего. При этом вязкость связующего должна быть достаточно низкой, чтобы не задерживался выход растворителя из внутренних слоев связующего. Температура в сушильной камере регулируется таким образом, чтобы в конце сушки состояние связующего было близко к точке желатинизации. Чтобы избежать перехода связующего в стадию «С», температура в зоне перед выходом полотна из сушильной камеры снова снижается при помощи системы валиков, охлаждаемых водой [2, 3, 7]. Температурный режим в сушильной камере пропиточной машины подбирают в соответствии с типом связующего.

Для изготовления слоистых пластиков электроизоляционного назначения чаще всего применяют [2, 4 -7]:

1. Спирторастворимые фенолоформальдегидные смолы резольного типа.

2. Эпоксидные смолы. Благодаря наличию эпоксидных групп с помощью соответствующих отвердителей их можно переводить в полимерные структуры и получать стеклопластики обладающие необходимой жесткостью. Смолы отличаются высокими механическими и электрическими свойствами, а также нагрево- и влагостойкостью [2-4, 15].

3. Смесевые эпоксидно-фенолоформальдегидные композиции, получаемые при отверждении эпоксидно-диановой смолы фенолоформальдегидной. В процессе реакции, в отличие от фено-лоформальдегидных смол, не происходит выделения побочных

продуктов реакции, поэтому нет большой усадки связующего и не возникают внутренние напряжения, при которых разрушается полимер и наполнитель, что обеспечивает высокие технические характеристика материала [2, 3, 7, 11].

4. Новолачные эпоксидные смолы и композиции на их основе. Используются в качестве альтернативы эпоксидным смолам, однако имеют более разветвленную структуру и дополнительное количество реакционных групп. При отверждении создают «сшитую» структуру, обеспечивающую хорошую прочность и химическую стойкость при высоких температурах [15].

5. Полифункциональную эпокситрифенольную смолу (ЭТФ). Получаемый с применением ЭТФ стеклопластик обладает высокими механическими характеристиками при температуре 180-200°С, что является важным показателем для применения такого материала в электрических машинах и аппаратах классов нагрево-стойкости 155°С и 180°С, работающих в тяжелых и экстремальных условиях эксплуатации [11].

6. Кремнийорганические полимеры и композиции на их основе. Стеклопластики обладают высокой термостойкостью (до 200°С длительно и до 300°С кратковременно), дугостойки. Преимуществом материалов такого типа является малая зависимость диэлектрических свойств от температуры. Однако стеклотекстолиты на основе кремнийорганических полимеров обладают низкой механической прочностью. Для устранения этого недостатка полимеры модифицируют эпоксидными и фенолоформальдегидными олиго-мерами [16].

В качестве наполнителя для изготовления стеклотекстолитов чаще всего используют стеклоткани полотняного переплетения, изготовленные из волокна на основе бесщелочного алюмобороси-ликатного стекла. Стекловолокнистый наполнитель, и в частности, стеклоткани, обладают ценными свойствами: высокой механической прочностью и теплостойкостью [17-19]. Некоторые марки стеклоткани, применяемые в производстве стелотекстолитов, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики тканей из стеклянного

волокна

Марка ткани Толщина, мм Масса 1 м2, г Число нитей на 1 см Вид переплетения

основа уток

Э1-25 0,025+0,002 24+2 30+1 30+1 полотняное

Э1-100 0,100+0,008 106±6 20+1 20+1

Э1-125 0,125+0,010 145+9 16+1 16+1

ЭЗ-100 0,100±0,010 108+10 20+1 20+1

ЭЗ-125 0,125+0,013 145+12 16+1 16+1

ЭЗ-200 0,200+0,020 195+16 10+1 10+1

Физико-механические и диэлектрические свойства слоистых пластиков могут быть значительно улучшены путем предварительной обработки стеклоткани гидрофобным замасливателем или аппретами, содержащими органические производные кремния и хрома. Такие аппреты, вступая во взаимодействие как со стекловолокном, так и со связующими, повышают влагостойкость, термическую стойкость, улучшают диэлектрические свойства и другие характеристики материала.

Наряду с различными тканями из стеклянного волокна в производстве стеклотекстолитов в последнее время находят применение нетканые армирующие материалы на основе некрученого стекловолокна, которые могут использоваться для получения стеклотекстолитов электротехнического назначения типа СТ, СТЭФ. [2, 7]

На отечественных заводах, изготавливающих слоистые пластики, для пропитки тканей используют в основном вертикальные машины.

В производстве слоистых пластиков для пропитки тканей фе-нолоформальдегидными, и эпоксиднофенолформальдегидными связующими используется вертикальная пропиточная машина с паровым обогревом (рисунок 1). Средняя рабочая скорость пропитки стеклоткани 1,8 м/мин. Температура в сушильной камере 100-115 °С при расходе пара 700-1000 кг/ч.

Рисунок 1. Вертикальная сдвоенная пропиточная машина с паровым обогревом

1 =

Более совершенными следует считать вертикальные пропиточные машины с паровым обогревом, разработанные в последние годы (рисунок 2). Они отличаются экономичностью (при температуре в камере до 140°С расход пара составляет 700 кг/ч), имеют плавное регулирование скорости движения полотна, снабжены устройством намотки пропитанного полотна в рулон и устройствами для резки на листы [2, 7].

Рисунок 2. Вертикальная сдвоенная пропиточная машина с паровым обогревом и гидравлическим приводом

Однако всем машинам с паровым обогревом присущи общие конструкционные недостатки, которые заключаются в несовершенстве механизма размотки и замены рулонов, отсутствии зон подсушки материала перед пропиткой и охлаждения его перед разрезкой или намоткой в рулоны, несовершенстве пропиточных устройств, сушильных камер и недостаточной оснащенности приборами контроля и регулирования пропиточных машин в целом.

Кроме вертикальных пропиточных машин с паровым обогревом, в производстве слоистых пластиков применяются также машины с индукционным обогревом. Эти машины имеют повышен-

ную производительность за счет достижения большей температуры в сушильной камере и благодаря простоте конструкции. Однако их существенным недостатком являются отсутствие системы плавного регулирования температуры и недостаточная степень пожаро- и взрывобезопасности.

Интересное конструктивное решение пропиточной машины вертикального типа представлено фирмой Karatsch, Швейцария. Полотно в этой машине наматывается в два рулона. Склейка в конце рулонов происходит в специальном прессе. Петлевый компенсатор позволяет склеивать материал без остановки процесса. Машина снабжена двумя обогреваемыми валами и механизмом предварительной лакировки наполнителя. Пропиточная машина обогревается горячим маслом. Подача связующего в лакировальную и пропиточную ванны рециркуляционная. Сушильная камера состоит из двух или четырех зон. Горячий воздух подается через сопла (дюзы) навстречу движению материала. В нижней части первой зоны и верхней части второй зоны находятся короба для отсоса воздуха. Перевальные валы охлаждаются водой для предотвращения прилипания смолы. В нижней части второй зоны производится охлаждение материала, которое завершается на двух охлаждаемых валах. Механизм намотки на два рулона имеет узел корректировки положения полотна по ширине. В случае необходимости машина может быть снабжена механизмом резки полотна на листы.

Аналогична по своему устройству вертикальная пропиточная машина фирмы Vits, Германия (рисунок 3).

Jhi

t т

-■к

d

»•—о—j4

-

—s-----v,f——Ih

j(|—^ -77т

'ssL ?x *J

' -J^-J'uS' _*1

Рисунок 3. Вертикальная пропиточная машина фирмы Vits

Принципиально новым словом в области пропитки стеклотканей для стеклопластиков стала разработка новой линии для пропитки ЛЭСТ-1200 и запуск ее в производство на ЗАО «Элек-троизолит». В таблице 2 даны технические характеристики новой линии для пропитки рулонных тканей полимерными смолами в сравнении с используемыми в серийном производстве пропиточными машинами.

Таблица 2 — Сравнительная характеристика пропиточных машин

Наименование

Линия для пропитки ЛЭСТ-1200

Вертикальная ма�