БУМАГА КАБЕЛЬНАЯ

Полезная модель относится к области производства бумаги кабельной, предназначенной для изоляции силовых кабелей на напряжение до 10 кВ включительно, для изоляции телефонных кабелей и обмоточных проводов, для изготовления различных электроизоляционных изделий и для разделительного слоя силовых кабелей с пластмассовой изоляцией.
Применение бумажной изоляции обусловлено тем, что данная изоляция химически стабильна, стойка к воздействию электрических полей, может длительно работать при повышенных температурах (70-85)°C, более экономична по сравнению с другими типами изоляционных материалов (пластмассы, резина), применяемых в кабелях для передачи электроэнергии. Электроизоляционная бумага состоит из волокон сульфатной целлюлозы, расположенных таким образом, чтобы образовалось механически прочное полотно.
Известна бумага кабельная одно- или многослойная из сульфатной сосновой или хвойной небеленой целлюлозы, имеющая деформированную структуру поверхности, полученную в результате операции микрокрепирования, произведенной на установке Клупак, относительное удлинение в машинном направлении (5-15)% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах (35-110) мкСм/см. При этом бумага может изготавливаться из смеси сульфатной небеленой целлюлозы с бактериальной целлюлозой или из смеси сульфатной небеленой хвойной целлюлозы с сульфатной небеленой лиственной целлюлозой. При этом бумага кабельная проклеена канифольным клеем, или окисленным крахмалом, или их смесью, и уплотнена на машинном каландре (RU 2531295, D21H 21/00, опубл. 20.190.2014). Принято в качестве прототипа.
В данном патенте описана бумага кабельная, не уступающая по диэлектрическим характеристикам, но более прочная, эластичная, термостойкая, технологичная, имеющая высокое сопротивление к растрескиванию в составе кабеля и обеспечивающая получение высококачественных и высоконадежных силовых кабелей с пропитанной бумажной изоляцией. А достигается это тем, что бумага кабельная имеет деформированную структуру поверхности в виде малозаметных микроскладок, полученную в результате операции микрокрепирования, что позволяет получить относительное удлинение в машинном направлении (5-15)%, в сочетании с таким же относительным удлинением (5-15)% в поперечном направлении, достигаемым за счет того, что для повышения эластичности в поперечном направлении бумажное полотно выполнено с волокнистой структурой, имеющей микрофибриллы на волокнах, сформированных за счет применения размола целлюлозы при высокой концентрации, т.е. при массовой доле волокна 25-35%, в процессе подготовки целлюлозы к производству бумаги.
3
Такая бумага кабельная микрокрепированная толщиной (90-150) мкм и плотностью (0,65-0,80) г/см, изготавливается из 100%-ной хвойной сульфатной небеленой целлюлозы. Бумага кабельная микрокрепированная отличается от обычной крепированной очень мелким крепом, почти незаметным для невооруженного глаза, поэтому толщина ее практически равна толщине некрепированной бумаги-основы. Эту бумагу в отличие от крепированной невозможно растянуть вручную. Преимущества в свойствах, которыми обладает микрокрепированная бумага, объясняются приданием волокнам повышенных упругопластических свойств и высокой гибкости за счет их предварительной деформации в процессе микрокрепирования без разрушения структуры бумаги, как при макрокрепировании.
Если обратиться к существующей практике в России, то для изготовления бумаги кабельной не производится «сосновая» небеленая целлюлоза. Производится хвойная сульфатная небеленая целлюлоза по ГОСТ 11208-82 «Целлюлоза древесная (хвойная) сульфатная небеленая. Технические условия». Это целлюлоза из смеси щепы еловой и сосновой древесины (в пропорции примерно 50%/50%). ГОСТом на щепу для производства данного вида целлюлозы ГОСТ 15815-83 ЩЕПА ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ допускается содержание в ней до 10% щепы лиственных пород. А в соответствии с указаниями по патенту бумага должна производится из 100% сульфатной хвойной небеленой целлюлозы. Но такое сырье не присутствует на рынке в объеме, достаточном для крупного производства, что естественно, сказывается на стоимости готового продукта.
Кроме того, придание волокнам повышенных упругопластических свойств и высокой гибкости за счет их предварительной деформации в процессе микрокрепирования, как описано в прототипе, не может позволить достичь относительное удлинение в машинном направлении (5-15)%, так как микрокрепирование никак не меняет свойства волокна.
Эластичность в машинном направлении достигается именно за счет образования микроскладок на бумаге во влажном состоянии и последующего высушивания и фиксирования этих складок, что дает возможность бумажному полотну дополнительно удлиняться на 5-15% процентов за счет распрямления этих складок. Упомянутое в описании прототипа каландрирование и тем более суперкаландрирование полностью раздавит созданные микроскладки бумаги, и тем самым пропадет весь эффект от микрокрепирования.
В патенте по прототипу указано, что для придания водоотталкивающих свойств, закрепления микрокрепа и увеличения механической прочности бумага кабельная микрокрепированная может изготавливаться с проклейкой канифольным клеем, или окисленным крахмалом, или их смесью. В действительности, для того, чтобы обеспечить электроизоляционные свойства бумаги наряду с ее хорошей пропиткой применяемыми на кабельных заводах пропиточными составами, в бумаге должно быть обеспечено: нейтральный pH целлюлозы, и, соответственно, вырабатываемой из нее кабельной бумаги по ТУ, минимальное количество глинозема (сульфата алюминия) в бумаге или, в идеале, полное его отсутствие, отсутствие проклейки в массе канифольным клеем и отсутствие крахмала. В соответствии с ТУ заявленного технического решения, бумага должна производиться без добавки канифольного клея (не проклеивается в массе) и без добавки крахмала, с пониженным содержанием глинозема (не более 15 кг/т) или полным его отсутствием. А приведенные в прототипе меры по обработке неизбежно вызовут снижение требуемых свойств бумаги.
Решение по прототипу направлено на придание бумаге кабельной прочностных и эластичных свойств исключительно за счет механической обработки этой бумаги без учета свойств самого материала, из которого бумага изготавливается. Сочетание более высоких механических (прочностных) показателей мешочной бумаги и ее эластичности достигается применением в процессе массоподготовки (подготовки целлюлозы к процессу отлива бумаги) размола. При таком размоле волокна целлюлозы не рубятся и не укорачиваются, и как бы «расчесываются» - процесс называется фибрилляцией. За счет появления на волокнах микрофибрилл увеличивается количество образуемых между волокнами связей - водородных мостиков. Это является основой для придание бумаге прочности и эластичности. Но эти базовые процессы не учтены в прототипе.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных характеристик за счет гарантированной стабилизации механических (прочностных) показателей бумаги и ее эластичности.
Указанный технический результат достигается тем, что бумага кабельная одно- или многослойная из сульфатной небеленой целлюлозы имеет повышенную эластичность как в поперечном, так и в машинном направлении, достигаемую в поперечном направлении за счет применения размола при высокой концентрации (при массовой доле волокна 25-35%) в процессе подготовки целлюлозы к производству бумаги, а в машинном направлении за счет операций крепирования или микрокрепирования, т.е. формирования на бумажном полотне мелких поперечных складок/микроскладок одним из известных в технике способов (шаберные устройства, устройства с обреченным валом или устройства с резиновой лентой - устройства типа “клупак”).
При этом для улучшения пропитки бумаги кабельной пропиточными составами и снижения стенания пропиточных составов, и, соответственно, повышения изолирующих свойств бумаги в кабеле и ресурса кабеля, бумага подвергается ионизации (обработке коронным разрядом).
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 изображена конструкция бумажного полотна, отдельно на выноске показаны микрофибриллы на волокнах целлюлозы.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция бумаги кабельной одно- или многослойной, изготавливаемой из сульфатной небеленой целлюлозы (ГОСТ 11208-82 «Целлюлоза древесная (хвойная) сульфатная небеленая. Технические условия»). Сульфатная небеленая хвойная целлюлоза всегда содержит некоторое количество (до 10%) лиственной целлюлозы. Таким образом, бумага кабельная изготавливается из имеющегося в достаточном объеме на рынке сырья, что не оказывает влияния на стоимость конечного продукта.
Бумага кабельная представляет собой одно- или многослойное бумажное полотно 1, имеющее деформированную структуру 2 поверхности, полученную в результате операции крепирования или микрокрепирования, относительное удлинение в машинном направлении 5-15% и удельную электрическую проводимость водной вытяжки при гидромодуле 1:50 в пределах 35-110 мкСм/см.
Данная бумага имеет повышенную эластичность как в поперечном, так и в машинном направлении. В поперечном направлении это качество достигается за счет применения размола при высокой концентрации (при массовой доле волокна 25-35%) в процессе подготовки целлюлозы к производству бумаги. Размол целлюлозы в ролле производят в водной среде. При вращении барабана волокно уносится жидкостью и, попадая между ножами барабана и гребенки, размалывается. В первом случае ножи барабана не столько рубят волокно, сколько расщепляют его и разминают. Разрыв происходит по длине волокна, причем волокна расщепляются на весьма тонкие элементарные волоконца толщиной в 10-5 µ, при одновременном значительном ослизнении и набухании волокна.
Сочетание более высоких механических (прочностных) показателей мешочной бумаги и ее эластичности достигается применением в процессе массоподготовки (подготовки целлюлозы к процессу отлива бумаги) размола при высокой концентрации (30%±2%). При таком размоле волокна целлюлозы не рубятся и не укорачиваются, и как бы «расчесываются» - процесс фибрилляции. За счет появления на волокнах микрофибрилл увеличивается количество образуемых между волокнами связей - водородных мостиков.
Понижение концентрации массы при размоле приводит к уменьшению толщины волокнистой прослойки между ножами размалывающею аппарата, и волокна подвергаются более сильному режущему действию ножей, в результате чего они больше укорачиваются и меньше гидратируются. Понижение концентрации массы при размоле дает тот же эффект, что и повышение удельного давления при одной и той же концентрации массы.
При высокой концентрации (25-35%) волокнистая суспензия теряет свойства текучести и превращается по существу в сыпучее вещество - влажную крошку. Такую массу размалывают в дисковых рафинерах со шнековой подачей или в энтштипперах при относительно большом зазоре между размалывающими органами. Главное действие размола в этом процессе заключается в интенсивном трении волокон друг о друга, в результате чего наружные оболочки волокон повреждаются и волокна фибриллируются, набухают и пластифицируются без укорочения и расщепления. Такая масса хорошо обезвоживается на сетке бумагоделательной машины, и изготовленная из нес бумага обладает высокими растяжимостью и сопротивлением раздиранию.
А в машинном направлении эластичность обеспечивается за счет операций крепирования или микрокрепирования, т.е. формирования на бумажном полотне мелких поперечных складок/микроскладок одним из известных в технике способов (шаберные устройства, устройства с обреченным валом или устройства с резиновой лентой - устройства типа “клупак”).
Энергия разрыва бумаги кабельной крепированной или микрокрепированной в машинном направлении выше, чем у кабельной бумаги по прототипу одной толщины, в связи с тем, что между волокнами целлюлозы образованы микрофибриллы - микроволоконца или подобная волокну структура тонких нитей с эластичной структурой, которые состоят из гликопротеинов и целлюлозы. Микрофибриллы и фибриллы располагаются более или менее ориентированно вдоль оси волокна или под небольшими углами к ней. Макромолекулы могут проходить одновременно через соседние микрофибриллы, прочно связывая их вместе. Что касается длины микрофибрилл, то у целлюлозных препаратов она иногда достигает нескольких микронов. Микрофибриллы также обладают способностью объединяться между собой и образовывать более крупные фибриллы, которые можно видеть под обычным микроскопом, наблюдая хорошо размолотую волокнистую массу. Микрофибриллы образуют слои из более или менее параллельных пучков, причем каждый слой расположен под определенным углом к соседним слоям. Механизм, посредством которого достигается столь высокоупорядоченная ориентация слоев, и то, каким образом происходит изменение ориентации при переходе от слоя к слою, -неизвестны. Микрофибриллы стабилизируются до тех пор, пока сравнительно несовершенные кристаллические соединения не начнут плавиться.
Поэтому бумага кабельная крепированная или микрокрепированная способна выдерживать гораздо большие динамические и изгибающие нагрузки в составе кабеля. Растяжимость и динамическая прочность в машинном направлении являются одними из наиболее важных эксплуатационных свойств электроизоляционного материала.
Для улучшения пропитки бумаги пропиточными составами и снижения стекания пропиточных составов, и, соответственно, повышения изолирующих свойств бумаги в кабеле и ресурса кабеля, бумага подвергается ионизации (обработке коронным разрядом). Этот процесс ионизационной обработки используется для повышения адгезионных свойств за счет поверхностной обработки. Цель поверхностной обработки - увеличить смачиваемость поверхности, улучшая таким образом ее способность к образованию связей с растворителями, клеями, красками, лаками и материалами для экструзионного покрытия. Чтобы поверхность хорошо смачивалась жидкостью, поверхностная энергия пластика должна быть выше поверхностного натяжения этой жидкости. Поверхностная энергия измеряется в динах на сантиметр. В идеале поверхностная энергия пластика должна быть на 7-10 дин/см выше, чем поверхностное натяжение растворителя или жидкости.
Настоящая полезная модель промышленно применима, позволяет получить бумагу кабельную с реальными высокими прочностными и эластичными свойствами за счет оптимизированного использования структуры размолотой целлюлозы.