§ 59. Электроизоляционные лаки
Лаки представляют собой коллоидные растворы* различных пленкообразующих веществ в специально подобранных органических растворителях. Пленкообразующими называются такие вещества, которые в результате испарения растворителей и процессов отвердевания (полимеризации) способны образовать твердую пленку.
К пленкообразующим веществам относятся смолы (природные и синтетические), растительные высыхающие масла, эфиры целлюлозы** и др. В качестве растворителей пленкообразующих веществ применяют легкоиспаряющиеся (летучие) жидкости: бензол, толуол, ксилол, спирты, ацетон, скипидар и др.
*Коллоидные растворы отличаются от молекулярных (истинных) растворов тем, что состоят из некристаллизующихся частичек, которые по размерам превосходят молекулу.
**Эфиры целлюлозы — аморфные вещества, получающиеся в результате химической переработки растительной клетчатки.
Чтобы создать электроизоляционный лак, удовлетворяющий ряду требований, подбирают несколько пленкообразующих веществ, которые составляют основу лака. Для полного растворения лаковой основы и равномерного высыхания лака иногда приходится применять несколько растворителей.
Для разбавления загустевших лаков в них вводят разбавители, которые отличаются от растворителей меньшей испаряемостью. Кроме того, они могут растворять лаковую основу только с растворителями. В качестве разбавителей применяют бензин, лаковый керосин, скипидар и некоторые другие жидкости.
В состав лака могут еще входить пластификаторы и сиккативы.
Пластификаторы — вещества, придающие лаковой пленке эластичность; к ним относятся касторовое масло, жирные кислоты льняного масла и другие маслообразные жидкости.
Сиккативы представляют собой жидкие или твердые вещества, вводимые в некоторые лаки (масляные и др.), чтобы ускорить их высыхание.
При сушке слоя лака, нанесенного на какую-либо поверхность, содержащиеся в нем органические растворители улетучиваются (испаряются), а пленкообразующие вещества в результате процессов полимеризации образуют твердую лаковую пленку. Эта пленка может быть гибкой (эластичной) или негибкой и хрупкой в зависимости от свойств пленкообразующих веществ, составляющих лаковую основу.
По своему назначению электроизоляционные лаки делятся: на пропиточные, покровные и клеящие.
Пропиточные лаки применяют для пропитки обмоток в электрических машинах и аппаратах с целью цементации (соединения) витков обмотки друг с другом, а также с целью устранения пористости в изоляции обмоток.
Рис. 113. Прибор для определения пропитывающей способности лаков
Пропиточный лак, проникая в поры изоляции обмоток, вытесняет оттуда воздух и после своего отвердевания делает обмотку влагостойкой. При этом повышается электрическая прочность изоляции обмотки и ее коэффициент теплопроводности. Одной из главных характеристик пропиточных лаков является их пропитывающая способность. Эта характеристика определяется с помощью прибора, представленного на рис. 113. Прибор состоит из металлического основания 1 и металлической плиты с вертикально расположенной на ней трубкой 3. Высота трубки равна 110 мм, а ее внутренний диаметр 35 мм.
Для определения пропитывающей способности лака между основанием 1 прибора и его верхней плитой 2 закладывается стопка из 50 листов специальной пропиточной бумаги или батиста (площадь листа 100x100 мм). При помощи четырех барашков 5 стопка из листов батиста плотно зажимается между плитой и основанием прибора, после чего через отверстие в крышке 4 в трубку 3 заливают лак до отметки 100 мм. Пропитку лаком листов батиста производят в течение 15 мин, после чего лак из трубки сливают. Разобрав прибор, определяют, сколько листов бумаги пропитал данный лак. Чем больше листов бумаги пропитано лаком, тем выше его пропитывающая способность. У пропиточных электроизоляционных лаков пропитывающая способность составляет от 30 до 50 листов бумаги.
Покровные лаки применяют для создания на поверхности уже пропитанных обмоток влагостойких или маслостойких лаковых покрытий. К покровным лакам также относятся эмальлаки, применяемые для эмалирования обмоточных проводов, а также лаки, применяемые для изоляции листов электротехнической стали в магнитопроводах.
Клеящие лаки применяют для склеивания различных электроизоляционных материалов: листочков слюды (в производстве слоистой слюдяной изоляции), керамики, пластмасс и др. Основное требование, предъявляемое к клеящим лакам, состоит в том, чтобы эти лаки обладали хорошим прилипанием (адгезией) и образовывали бы прочный шов.
Следует заметить, что в практике бывает так, что один и тот же лак может применяться в качестве пропиточного и покровного или в качестве покровного и клеящего.
Все лаки по способу сушки делятся на две группы: лаки воздушной (холодной) сушки и лаки печной (горячей) сушки.
У лаков воздушной сушки отвердевание пленки происходит при комнатной температуре. К лакам воздушной сушки относятся шеллачные, эфироцеллюлозные и некоторые другие.
У лаков печной сушки отвердевание пленки возможно лишь при температурах значительно выше комнатной (от 100° С и выше). В лаках печной сушки применяют термореактивные пленкообразующие вещества (глифталевые, резольные и другие смолы), отвердевание которых обусловлено процессами полимеризации, требующими повышенных температур. Лаки горячей сушки, как правило, обладают более высокими механическими и электрическими характеристиками.
По лаковой основе лаки делятся на смоляные, масляные, масляно-битумные и эфироцеллюлозные.
Смоляные лаки представляют собой растворы природных или синтетических смол в органических растворителях. К смоляным лакам относятся шеллачные, глифталевые, бакелитовые, поливинилацеталевые, кремнийорганические и др. В зависимости от основы смоляные лаки могут быть термопластичными (поливинилацеталевые, полихлорвиниловые и др.) и термореактивными (глифталевые, бакелитовые и др.).
Масляные лаки представляют собой растворы растительных (высыхающих и полувысыхающих) масел в органических растворителях. К высыхающим маслам относятся тунговое и льняное масла. Тунговое масло добывается из орешков тунгового дерева, оно быстро высыхает, образуя эластичную влагостойкую пленку. Льняное масло получается из семян льна. Уваренное до определенной плотности льняное масло служит основой масляных лаков. В масляные лаки обычно вводят сиккативы — вещества, ускоряющие высыхание лаков.
Пленки масляных лаков являются термореактивными веществами, т. е. не размягчаются при нагревании. С целью повышения твердости пленок в масляные лаки вводят иногда природные или синтетические смолы.
Область применения масляных лаков в электротехнике весьма ограничена по сравнению со смоляными лаками. Масляные лаки применяют для пропитки электроизоляционных лакотканей, эмалирования обмоточных проводов и как покровные лаки, отличающиеся стойкостью к влаге.
Масляно-битумные лаки представляют собой растворы масляно-битумных смесей в органических растворителях (скипидар, толуол, ксилол и др.). Для этого применяют битумы нефтяные и природные (асфальты). Из растительных масел применяется главным образом льняное масло. Пленки этих лаков имеют черный цвет. Они обладают хорошими электроизоляционными свойствами, отличаются эластичностью и водостойкостью. Пленки маслянобитумных лаков термопластичны и легко растворяются в минеральных маслах и в ряде растворителей, что является их недостатком.
Масляно-битумные лаки (марки БТ-95; БТ-987, БТ-980 и др.) широко применяют в качестве пропиточных лаков для обмоток электрических машин.
Эфироцеллюлозные лаки представляют собой растворы эфиров целлюлозы (нитроцеллюлоза, ацетилцеллюлоза и др.)* в смеси растворителей (амилацетат, ацетон, спирты и др.). Пленки этих лаков прозрачны, имеют характерный блеск и обладают стойкостью к минеральным маслам, бензину и озону. Эфироцеллюлозные лаки применяют преимущественно для лакирования хлопчатобумажных оплеток проводов с резиновой изоляцией — для защиты резины от действия бензина, минеральных масел и озона. К металлам эти лаки прилипают плохо **.
*Эфиры целлюлозы — высокополимерные аморфные вещества, представляющие собой продукты химической переработки растительной целлюлозы.
**При лакировании металлических деталей на их поверхность предварительно наносят слой грунтового лака (грунт), который надежно соединяется с поверхностью металла. На слой грунта наносят слой эфироцеллюлозного или другого лака, плохо прилипающего к данному металлу.
Применение эфироцеллюлозных лаков облегчается тем, что они являются лаками воздушной сушки, но область применения их в электротехнике относительно невелика.
Основными характеристиками лаков в жидком состоянии являются: вязкость, время высыхания и пропитывающая способность. У лаковых пленок определяют термоэластичность, водопоглощаемость и электрические характеристики.
Вязкость лаков определяется с помощью приборов — вискозиметров. Для определения вязкости лаков чаще всего используют вискозиметр ВЗ-4 (см. рис. 89). Он вмещает 100 мл испытуемой жидкости лака.
Сосуд вискозиметра вначале промывают бензином или другим растворителем и дают высохнуть на воздухе. Затем его заполняют испытуемым лаком и дают отстояться в течение 5 мин. После этого, подставив какую-нибудь емкость под сточное отверстие вискозиметра, открывают пробку и пускают в ход секундомер. За вязкость принимается время (сек) истечения 100 мл данного лака из вискозиметра ВЗ-4. Вязкость является очень важной характеристикой лака, так как она определяет пропитывающую способность лаков и другие их свойства.
Время высыхания лака воздушной сушки определяется следующим образом. Пропитывают испытуемым лаком полоски бумаги толщиной 0,05 мм и площадью 100x200 мм2. В случае испытания лака воздушной сушки пропитанные бумажные полоски сушат при температуре 20° С в хорошо вентилируемом помещении. Затем на поверхность лакированной бумаги накладывается кусочек фильтровальной бумаги размером 20x20 мм, который прижимается к поверхности лакированной бумаги грузом 200 г, действующим на металлическую пяту площадью в 1 см2. Это испытание продолжается в течение 30 сек. Лак считается высохшим, если после снятия груза фильтровальная бумага не прилипает к поверхности лакированной бумаги и не оставляет на ней волокон. При этом отмечается время высыхания лака при 20° С.
Если определяют время высыхания лака горячей сушки, то пропитанные лаком бумажные полоски сушат при повышенной температуре, указанной в технологической инструкции на данный лак. В остальном процесс испытания проводят так же, как и лака воздушной сушки. При очень высоких температурах высыхания (150—200° С) лакируют не полоски бумаги, а медные пластинки толщиной 1 мм.
Пропитывающая способность пропиточных электроизоляционных лаков определяется с помощью прибора (см. рис. 113), который был описан ранее.
Термоэластичность — время (ч) теплового старения лаковой пленки при заданной температуре, по истечении которого на пленке появляются трещины при изгибании ее вокруг стального стержня диаметром 3 мм.
Для определения этой характеристики испытуемый лак наносится (погружением) на тонкие (толщиной 0,1 мм) медные полоски шириной 15 мм и длиной 150 мм. Толщина высушенной лаковой пленки на медной полоске должна составлять 0,045—0,055 мм. Заготовленные лакированные полоски свободно подвешивают в термостате (обогреваемой камере), где поддерживается заданная температура испытания (105, 150, 200°С). При постоянном воздействии температуры и доступа кислорода воздуха лаковые пленки претерпевают процесс теплового старения, в результате чего становятся хрупкими. Через определенные промежутки времени из термостата вынимают по одной лакированной медной полоске. После охлаждения до комнатной температуры полоску изгибают на 180° вокруг стального стержня диаметром 3 мм. Затем через лупу с пятикратным увеличением наблюдают за появлением трещин на наиболее растянутом участке изогнутой лаковой пленки.
Водопоглощаемость лаковой пленки — это увеличение веса лаковой пленки, нанесенной на металлическую полоску (толщиной 0,1 мм и площадью 50X50 мм2), после пребывания ее в дистиллированной воде в течение 24; 48 ч и более. Увеличение веса лаковой пленки (водопоглощаемость) выражают в процентах по формуле
где Gо — вес металлической пластинки без лаковой пленки; G— вес металлической пластинки, покрытой лаком в исходном состоянии; G2 — вес металлической пластинки, покрытой лаком, но после пребывания в воде.
Для определения электрических характеристик лак наносят ровным слоем толщиной 0,045—0,055 мм на медные пластинки толщиной 0,2 мм и площадью 150x125 мм2. Медные пластинки
предварительно обезжиривают каким-либо растворителем: бензином, толуолом и др. Затем, окуная пластинки в лак с последующей сушкой, наносят слой лака необходимой толщины. Пленка лака толщиной 0,045—0,055 мм образуется в результате многократного погружения медной пластинки в лак. Температуру и время сушки выбирают согласно технологической инструкции на данный лак. На готовые лаковые пленки наклеивают электроды из фольги и производят электрические измерения (изложены в § 39).
Следует заметить, что очень трудно подобрать электроизоляционный лак, удовлетворяющий одновременно нескольким требованиям, например, чтобы он быстро высыхал, был теплостойким и водостойким. Обычно быстровысыхающие лаки — нетеплостойки, а лаки с высокой теплостойкостью, например кремнийорганические, требуют высоких температур для сушки (180—200° С).
Перед применением вязкость лака должна быть доведена до требуемой величины. С этой целью в загустевшие лаки небольшими порциями вводят разбавители (бензин, керосин и др.).
Растворители и разбавители являются легковоспламеняющимися жидкостями, а пары их в смеси с воздухом (при определенной концентрации) могут образовать взрывчатые смеси. Поэтому при работе с лаками должны соблюдаться меры предосторожности. Разведение больших количеств лака разбавителями следует производить в вытяжных шкафах или в хорошо вентилируемых помещениях, так как пары растворителей и разбавителей токсичны. Пропитка обмоток лаками должна производиться в специальных пропиточных установках, в которых объекты пропитки и лак находятся в герметически закрытых металлических емкостях.
Опасность пожара и опасность для работающего персонала в значительной мере устраняются при применении водно-эмульсионных лаков, растворителем в которых является водопроводная пода. В настоящее время получили распространение несколько видов пропиточных водно-эмульсионных лаков, в состав которых не входят дорогостоящие органические растворители. Кроме воды и лаковой основы, в состав водно-эмульсионных лаков вводят еще эмульгаторы. Это вещества, препятствующие оседанию частичек лаковой основы, взвешенных в воде. Перспективными являются лаки без растворителей на основе синтетических смол, тунгового масла и полиэфиров. Характерной особенностью этих лаков является способность быстро отвердевать в толстом слое. Для пропитки обмоток это имеет важное значение. Основные характеристики нескольких электроизоляционных лаков приведены в табл. 32.
