ПРОПИТОЧНО-СКЛЕИВАЮЩАЯ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ И ОБМОТОЧНЫЙ ПРОВОД С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
IMPREGNATION AND ADHESIVE ORGANOSILICON COMPOSITION, AND WINDING WIRE WITH ITS APPLICATION

Изобретение относится к термостойким полимерным материалам на основе кремнийорганического связующего, используемым, в основном, для изготовления электроизоляционных материалов.
Кремнийорганические композиции, отверждаемые по реакции полиприсоединения, широко применяют в изделиях различного назначения в качестве заливочных или пропиточных агентов, обладающих высокими механическими свойствами, адгезией, огнестойкостью, короностойкостью, эрозостойкостью.
Согласно патентам US 3965065 А и US 4399064 А, для повышения огнестойкости и короностойкости в кремнийорганические композиции вводят большое количество гидроксида алюминия и различные оксиды металлов (например, диоксид титана, диоксид циркония, оксид цинка, оксид церия), являющиеся усиливающими добавками гидроксида алюминия.
2
3
2
3
2
n
3
2
2
3
3
1/2
x
2
1
3
2
y
3
z
Известен состав силиконового композиционного материала с повышенной адгезией, полученный на основе полидиметилсилоксана с концевыми винильными группами общей формулы (CH=CH)(CH)Si[OSi(CH)]OSi(CH)(CH=CH), содержащий 40 мас. ч. кремнийорганической смолы общей формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)SiO][CHVinSiO]} (х = 0,9÷1,2; у = 0÷0,4; z = 0,1÷0,4) и 5-25 мас. ч. галлуазита в расчете на 100 мас. ч. полимера - RU 2401850 С1.
4/2
3/2
Ближайшим аналогом изобретения является кремнийорганическая композиция для применения в высоковольтных электрических изоляторах, отверждаемая по реакции полиприсоединения, состоящая из: (А) 100 мас. ч. жидкой смеси полиорганосилоксанов, включающей (а) полиорганосилоксановую смолу, содержащую звенья SiO и RSiO (где R - метил, винил, фенил), и (b) полидиорганосилоксан вязкостью от 100 до 100000 мПа·с, содержащий не менее двух связанных с кремнием винильных групп; (В) 1-100 мас. ч. мелкодисперсного диоксида кремния; (С) полиорганогидридсилоксана, содержащего не менее двух связанных с кремнием атомов водорода, в количестве, при котором мольное соотношение атомов водорода, связанных с кремнием компонента (D), и винильных групп, связанных с кремнием компонента (А), составляет от 0,5:1 до 20:1; (D) платинового катализатора - US 5994461 А.
Недостатком ближайшего аналога, так же, как и вышеприведенных аналогов, является использование в них неорганических наполнителей, которые имеют тенденцию к осаждению в процессе переработки, что не позволяет их использовать в пропиточных композициях. Поэтому готовые изделия с применением этих композиций преимущественно получают методом формования.
Задачей настоящего изобретения является создание кремнийорганической композиции с клеящими свойствами для применения в пропиточных составах, используемых для получения электроизоляционных материалов на основе слюдяной бумаги, обладающих гибкостью и высокой огнестойкостью, и разработка конструкции обмоточного провода с использованием этой кремнийорганической композиции в изоляции провода, обладающего высокой короностойкостью.
Для решения поставленной задачи предложена пропиточно-склеивающая кремнийорганическая композиция, включающая:
(A) кремнийорганическую смолу общей формулы
3
3
0,5
x
2
{[(CH)SiO][SiO]}, где х = 0,9-1,2;
(B) кремнийорганическую смолу общей формулы
3
3
0,5
x
2
3
2
y
{[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]}, где х = 0,8-1,0; у = 0,2-0,5;
2
(C) полидиметилсилоксан вязкостью от 2000 до 80000 мм/с (при 25°С) общей формулы
2
3
2
3
2
n
3
2
2
CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH, где n = 200-1100;
(D) полидиметилметилгидридсилоксан, содержащий не менее двух связанных с кремнием атомов водорода, общей формулы
3
3
3
2
3
x
m
3
3
(CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH), где х = 0,25-1,25; m = 20-25;
(E) платиновый катализатор;
при этом в 100 мас. ч. суммарного содержания компонентов (А), (В) и (С) содержится 15-45 мас. ч. компонента (А), 8-22 мас. ч. компонента (В), не менее 45 мас. ч. компонента (С); а компонент (D) применяют в количестве, при котором мольное соотношение атомов водорода, связанных с кремнием компонента (D), и винильных групп, связанных с кремнием компонентов (В) и (С), составляет от 1:1 до 2:1; и компонент (Е) содержится в количестве, необходимом для ускорения отверждения композиции.
В различных вариантах применения пропиточно-склеивающей кремнийорганической композиции можно использовать в качестве платинового катализатора мелкий платиновый порошок, или платинохлористоводородную кислоту, или спиртовой раствор платинохлористоводородной кислоты, или алкенилсилоксановый комплекс платины, или олефиновый комплекс платины, или карбонильный комплекс платины.
2
Кроме того, если вязкость пропиточно-склеивающей кремнийорганической композиции более 1500 мм/с (при 25°С), кремнийорганическая композиция дополнительно включает органический растворитель - толуол или ксилол.
Кремнийорганическую композицию получают смешением всех компонентов в любом сосуде с мешалкой при температуре не выше 10-40°С.
2
Указанную композицию отверждают по реакции полиприсоединения в присутствии платинового катализатора при температуре выше 100°С с образованием огнестойкого полимера, обладающего повышенным уровнем стойкости к напряженности электрического поля. Она может применяться как в виде 100%-го жидкого состава с вязкостью до 1500 мм/с (при 25°С), так и в виде раствора в органическом растворителе, в качестве которого используют ароматические углеводороды - толуол, ксилол. Поэтому за счет низкой вязкости и отсутствия наполнителей разработанную композицию можно использовать как пропиточный связующий агент в различных изделиях, например, в производстве слюдяных и стекловолокнистых ламинатов.
Компоненты (А) и (В) являются кремнийорганическими смолами типа MQ с молекулярной массой 1500-5000.
Компонент (А) обеспечивает хорошую склейку слюдяной бумаги со стеклотканью или пленочными материалами из полиэфиров и полиимидов. Компонент (В) повышает огнестойкость отвержденного материала, а компонент (С) придает композиции и склеенным ею материалам необходимую эластичность. Компонент (D) является сшивающим агентом при отверждении композиции.
При содержании компонента (А) менее 15 мас. ч. на 100 мас. ч. суммарного содержания компонентов (А), (В) и (С) снижается клеящая способность композиции, что приводит к расслоению склеенной ленты после отверждения. При содержании компонента (А) более 45 мас.ч. снижается огнестойкость ленты (время самозатухания более 30 с).
При содержании компонента (В) менее 8 мас. ч. на 100 мас. ч. суммарного содержания компонентов (А), (В) и (С) снижается огнестойкость ленты (время самозатухания более 30 с). При содержании компонента (В) более 22 мас. ч. уменьшается эластичность композиции, и изгиб ленты на шкале гибкости ШГ-1 увеличивается до 5 мм.
При содержании компонента (С) менее 45 мас. ч. на 100 мас. ч. суммарного содержания компонентов (А), (В) и (С) уменьшается эластичность композиции, и изгиб ленты на шкале гибкости ШГ-1 увеличивается до 5 мм.
Предлагаемая пропиточно-склеивающая кремнийорганическая композиция иллюстрируется нижеследующими примерами.
Пример 1
3
3
0,5
2
3
3
0,5
2
3
2
0,5
2
3
2
3
2
200
3
2
2
3
3
3
2
3
1,25
25
3
3
2
Кремнийорганическую композицию получают смешением 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO]} с молекулярной массой 2000, 22 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]} с молекулярной массой 3000, 63 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH вязкостью 2000 мм/с, 15 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH) (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%).
2
К полученной композиции добавляют винилсилоксановый комплекс платины в растворе изопропилового спирта в количестве 75 мг Pt/кг композиции, включающей компоненты (А) - (D). Готовую композицию с вязкостью 1300 мм/с наносят на полиимидную пленку, накладывают на нее слюдяную бумагу и отверждают в печи при температуре 140°С в течение 10 мин. Получают полиимиднослюдяную ленту со временем самозатухания 10 с, выдерживающую изгиб 1 мм по шкале гибкости ШГ-1.
Пример 2
3
3
0,5
0,9
2
3
3
0,5
2
3
2
0,5
2
3
2
3
2
200
3
2
2
3
3
3
2
3
1,25
25
3
3
2
Кремнийорганическую композицию получают смешением 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO]} с молекулярной массой 5000, 22 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]} с молекулярной массой 3000, 63 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH вязкостью 2000 мм/с, 15 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH) (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%).
2
К полученной композиции добавляют винилсилоксановый комплекс платины в растворе изопропилового спирта в количестве 75 мг Pt/кг композиции, включающей компоненты (А) - (D). Готовую композицию с вязкостью 1200 мм/с наносят на полиимидную пленку, накладывают на нее слюдяную бумагу и отверждают в печи при температуре 140°С в течение 10 мин. Получают полиимиднослюдяную ленту со временем самозатухания 10 с, выдерживающую изгиб 1 мм по шкале гибкости ШГ-1.
Пример 3
3
3
0,5
1,2
2
3
3
0,5
2
3
2
0,5
2
3
2
3
2
200
3
2
2
3
3
3
2
3
1,25
25
3
3
2
Кремнийорганическую композицию получают смешением 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO]} с молекулярной массой 1500, 22 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]} с молекулярной массой 3000, 63 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH вязкостью 2000 мм/с, 15 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH) (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%).
2
К полученной композиции добавляют винилсилоксановый комплекс платины в растворе изопропилового спирта в количестве 75 мг Pt/кг композиции, включающей компоненты (А) - (D). Готовую композицию с вязкостью 1500 мм/с наносят на полиимидную пленку, накладывают на нее слюдяную бумагу и отверждают в печи при температуре 140°С в течение 10 мин. Получают полиимиднослюдяную ленту со временем самозатухания 10 с, выдерживающую изгиб 1 мм по шкале гибкости ШГ-1.
Пример 4
3
3
0,5
2
3
3
0,5
2
3
2
0,5
2
3
2
3
2
1100
3
2
2
3
3
3
2
3
1,25
25
3
3
2
Кремнийорганическую композицию получают смешением 20 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO]} с молекулярной массой 2000, 8 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]} с молекулярной массой 3000, 72 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH вязкостью 80000 мм/с, 5,5 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH) (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%) и 108 мас. ч. толуола.
К полученной композиции добавляют винилсилоксановый комплекс платины в растворе изопропилового спирта в количестве 25 мг Pt/кг композиции, включающей компоненты (А) - (D). Раствором композиции в толуоле пропитывают стеклоткань, накладывают на нее слюдяную бумагу и отверждают в печи при температуре 170°С в течение 10 мин. Получают стеклослюдяную ленту со временем самозатухания 15 с, выдерживающую изгиб 1 мм по шкале гибкости ШГ-1.
Пример 5
3
3
0,5
2
3
3
0,5
2
3
2
0,5
2
3
2
3
2
1100
3
2
2
3
3
3
2
3
1,25
25
3
3
2
Кремнийорганическую композицию получают смешением 30 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO]} с молекулярной массой 2000, 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]} с молекулярной массой 3000, 55 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH вязкостью 80000 мм/с, 10 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH) (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%) и 110 мас. ч. толуола.
К полученной композиции добавляют винилсилоксановый комплекс платины в растворе изопропилового спирта в количестве 25 мг Pt/кг композиции, включающей компоненты (А) - (D). Раствором композиции в толуоле пропитывают стеклоткань, накладывают на нее слюдяную бумагу и отверждают в печи при температуре 170°С в течение 10 мин. Получают стеклослюдяную ленту со временем самозатухания 15 с, выдерживающую изгиб 1 мм по шкале гибкости ШГ-1.
Пример 6
3
3
0,5
2
3
3
0,5
0,8
2
3
2
0,2
2
3
2
3
2
1100
3
2
2
3
3
3
2
3
0,25
20
3
3
2
Кремнийорганическую композицию получают смешением 45 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO]} с молекулярной массой 2000, 10 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]} с молекулярной массой 5000, 45 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH вязкостью 80000 мм/с, 10 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH) (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,26%) и 110 мас. ч. толуола.
К полученной композиции добавляют винилсилоксановый комплекс платины в растворе изопропилового спирта в количестве 25 мг Pt/кг композиции, включающей компоненты (А) - (D). Раствором композиции в толуоле пропитывают стеклоткань, накладывают на нее слюдяную бумагу и отверждают в печи при температуре 170°С в течение 10 мин. Получают стеклослюдяную ленту со временем самозатухания 15 с, выдерживающую изгиб 1 мм по шкале гибкости ШГ-1.
Пример 7
3
3
0,5
2
3
3
0,5
0,8
2
3
2
0,2
2
3
2
3
2
1100
3
2
2
3
3
3
2
3
0,25
20
3
3
2
Кремнийорганическую композицию получают смешением 30 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO]} с молекулярной массой 2000, 22 мас .ч. КО смолы формулы {[(CH)SiO][SiO][(CH)(CH=CH)SiO]} с молекулярной массой 5000, 48 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH=CH(CH)SiO[(CH)SiO]Si(CH)CH=CH вязкостью 80000 мм/с, 22 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH)SiO{[(CH)SiO][CH(H)SiO]}Si(CH) (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,26%) и 122 мас. ч. толуола.
К полученной композиции добавляют винилсилоксановый комплекс платины в растворе изопропилового спирта в количестве 25 мг Pt/кг композиции, включающей компоненты (А) - (D). Раствором композиции в толуоле пропитывают стеклоткань, накладывают на нее слюдяную бумагу и отверждают в печи при температуре 170°С в течение 10 мин. Получают стеклослюдяную ленту со временем самозатухания 15 с, выдерживающую изгиб 1 мм по шкале гибкости ШГ-1.
Таким образом, показано, что предлагаемая кремнийорганическая композиция при использовании ее в пропиточных составах позволяет получить электроизоляционные материалы на основе слюдяной бумаги, обладающие гибкостью и высокой огнестойкостью.
Указанные свойства созданной пропиточно-склеивающей кремнийорганической композиции могут быть использованы при производстве обмоточного провода для систем изоляции различных электрических машин, особенно для электродвигателей с частотно-регулируемым приводом.
Распространение напряжения в обмотках двигателя из-за импульсных напряжений оказывает сильнейшее воздействие, в особенности на межвитковую изоляцию, так как потенциал напряжения между витками может достигать значений, равных трехкратному рабочему напряжению двигателя, что соответствует величинам напряжения, вызывающим частичные разряды с интенсивностью свыше 2000 пКл, и приводит к быстрому разрушению изоляции.
Ближайшим аналогом изобретения является обмоточный провод, содержащий токопроводящую жилу, покрытую изоляционным слоем, который состоит из ленты стеклоткани, предварительно подклеенной к ней слюдяной бумаги и полимерной пленки, а изоляционный состав, пропитывающий и склеивающий между собой элементы изоляционного слоя, выполнен на основе эпоксидной или кремнийорганической смолы в отвержденном или полуотвержденном состоянии - RU 56707 U1.
Недостатком ближайшего аналога является низкая короностойкость, т.е. отсутствие устойчивости к действию частичных разрядов, и недостаточная гибкость изоляции провода.
Технической задачей изобретения является повышение короностойкости и гибкости изоляции провода.
Эта задача решена в предлагаемом обмоточном проводе, содержащем токопроводящую жилу, покрытую двухслойной термообработанной изоляцией, первый слой выполнен из слюдосодержащей ленты, состоящей из электроизоляционной стеклоткани и слюдяной бумаги, пропитанных и склеенных между собой разработанной кремнийорганической композицией, а второй слой выполнен из полиимидно-фторопластовой пленки.
Провод изготавливают на обмоточной машине, в которой обматываемая жила по входному ролику поступает в тяговое устройство, которое обеспечивает равномерную ее транспортировку и дальнейшее наложение двух слоев изоляции: слюдосодержащей ленты и полиимидно-фторопластовой пленки. Оба слоя накладывают плотно и равномерно.
Направление обмоток должно быть взаимно противоположным для усиления механической прочности провода. С тягового устройства через выходной ролик готовый провод поступает в приемное устройство, предназначенное для намотки на барабан готового провода.
2
Состав 1 м изоляции обмоточного провода, в мас. %:
электроизоляционная стеклоткань
10-15
слюдяная бумага
55-45
разработанная кремнийорганическая композиция
25-20
полиимидно-фторопластовая пленка ПМФ-1
10-20
При указанном составе изоляции обеспечивается хорошая склейка слюдяной бумаги с электроизоляционной стеклотканью, значительно повышается короностойкость отвержденного материала при необходимой эластичности, при выходе за границы содержания применяемых материалов наблюдается ухудшение свойств изоляции.
2
Так, содержание электроизоляционной стеклоткани в составе на 1 м изоляции менее 10 мас. % приведет к снижению механической прочности изоляции, а более 15 мас. % приведет к снижению напряжения начала возникновения частичных разрядов.
2
Содержание слюдяной бумаги в составе на 1 м изоляции менее 45 мас. % приведет к снижению теплопроводности, а более 55 мас. % приведет к снижению стойкости к частичным разрядам.
2
Содержание разработанной кремнийорганической композиции в составе на 1 мизоляции менее 20 мас. % приведет к снижению стойкости к частичным разрядам, а применение более 25 мас. % экономически нецелесообразно.
2
Содержание полиимидно-фторопластовой пленки марки ПМФ-1 в составе на 1 мизоляции менее 10 мас. % приведет к снижению диэлектрических характеристик и, соответственно, снижению ресурса изоляции, а применение более 20 мас. % экономически нецелесообразно.
Технология получения первого слоя изоляции с требуемыми параметрами для использования в обмотке провода описана в приведенных выше примерах (Примеры 1-7).
Второй слой изоляции обмоточного провода выполнен из полиимидно-фторопластовой пленки марки ПМФ-1, которая повышает химическую стойкость обмотки и ее гидростабильность.
В Таблице 1 приведены сравнительные значения параметра короностойкости (напряжения начала возникновения частичных разрядов) изоляции заявленного провода при различном содержании предлагаемой кремнийорганической композиции, ближайшего аналога и провода ПСДКТ, используемого в электродвигателях с частотно-регулируемым приводом.
Данные, приведенные в Таблице 1, показывают на значительное улучшение параметра короностойкости изоляции заявленного провода, производимого с применением предлагаемой кремнийорганической композиции, входящей в изоляцию в качестве пропиточного состава при изготовлении первого слоя изоляции из электроизоляционной стеклоткани и слюдяной бумаги. Более высокий уровень начала возникновения частичных разрядов, чем уровень напряжения электрического поля, действующего на изоляцию при рабочем напряжении на зажимах двигателя с учетом возникающих импульсных перенапряжений, обеспечивает стойкость изоляции к воздействию частичных разрядов.
Применение данного обмоточного провода в системах изоляции различных электрических машин, особенно в электродвигателях с частотно-регулируемым приводом, позволит значительно повысить безопасность и увеличить ресурс их работы.