СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
METHOD FOR PRODUCTION OF POLYMER INSULATORS

Изобретение относится к способам получения высоковольтных полимерных изоляторов методом литья под давлением и может быть использовано в электротехнической промышленности.
Полимерные изоляторы обладают рядом преимуществ по сравнению с керамическими: существенно меньшим весом; сопротивляемостью по отношению к актам вандализма; лучшей устойчивостью к механическим нагрузкам, вибрациям и ударам; лучшими разрядными характеристиками. Однако широкое внедрение полимерных изоляторов сдерживается их высокой стоимостью, в том числе защитных оболочек.
Известно, что защитные оболочки изоляторов изготавливают из следующих полимерных материалов: эпоксидных смол, этилен-пропиленовых полимеров и сополимеров на их основе, силиконовых эластомеров (кремнийорганических резин). Наиболее надежными материалами для наружной изоляции являются силиконовые эластомеры, сохраняющие высокую гидрофобность даже при загрязнениях поверхности. Кроме того, эти материалы более устойчивы к солнечным ультрафиолетовым лучам, чем термопластичные материалы (E.A.Chemy J.E.E. Elektrical insulation Magazine, May/June, 1996, Vol.12, №3, P.7-15).
Наиболее высокопроизводительным методом получения полимерных изоляторов из силиконовых эластомеров является литье под давлением (авт.св. №1379810, МКИ H01B 19/00, 1986). Однако данный способ не позволяет получать изделия из кремнийорганических наполненных резин из-за их высокой вязкости, поэтому наполненные резины перерабатывают прессованием отдельных элементов защитной оболочки изолятора с их последующей сборкой на изолирующем стержне (авт.св. №1829051 A1, H01B 17/02, 19/00, опубл. в 1999). Следствием этого является ухудшение свойств изоляторов из-за наличия стыков между отдельными отпрессованными элементами и низкая производительность процесса, вызванная применением ручного труда при сборке.
Наиболее близким к предлагаемому является «Способ получения полимерных изоляторов» (пат. №2143147, 6H01B 19/00, 3/42, 17/32, опубл. в 1995). Способ включает установку стержня изолятора внутри разъемной пресс-формы, подачу под давлением дозированного количества изоляционного материала и отверждение на стержне в две стадии, причем изоляционный материал подвергают предварительному сдвиговому деформированию при определенной скорости и времени деформирования.
Недостатком данного способа является высокая себестоимость получаемого полимерного изолятора.
Задача предлагаемого технического решения заключается в получении изоляционного покрытия на высоковольтных полимерных изоляторах более низкой себестоимости.
-3
-1
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения полимерных изоляторов методом литья, включающем предварительное сдвиговое деформирование изоляционного материала при определенной скорости сдвига и времени деформирования, выбираемых из соотношения µ·γ·t·10≈80, где µ - наибольшая эффективная вязкость материала, МПа·с; γ - скорость сдвига, с; t - время обработки, с; установку стержня изолятора внутри разъемной пресс-формы, подачу под давлением дозированного количества изоляционного материала и отверждение на стержне в две стадии. Согласно изобретению в изоляционный материал предварительно вводят регенерат в виде высоковязкой пастообразной массы того же материала и добавляют его в количестве 5-20 мас.ч. на 100 мас.ч. изоляционного материала, при этом время предварительного сдвигового деформирования сокращают пропорционально количеству введенного регенерата.
Техническим результатом заявленного способа является получение высоковольтных полимерных изоляторов более низкой себестоимости.
Способ осуществляют следующим образом: отходы изоляционного материала измельчают до размеров 5-10 мм и регенерируют методом комплексной механо-термодеструкции (Шаховец С.Е., Богданов В.В. Комплексная регенерация шин. СПб.: «Проспект науки», 2008. - 192 с.) в червячных машинах до получения тестообразного регенерата без комков. Особенностью данной регенерации является комбинированное воздействие механического и теплового полей в совокупности с химической активацией материала. Регенерация включает две стадии: механотермическую деструкцию резиновой крошки и последующую обработку регенерата деструктирующим агентом (активатором). Роль такого агента может играть вода, которая, превращаясь в пар в зоне деструкции, осуществляет дополнительно к механо-термодеструкции материала его химическую (паровую) регенерацию и последующее охлаждение полученного продукта. Подобное совмещение механохимического и парового воздействия во многом исключает нежелательные механодеструктивные процессы в материале, что позволяет получать продукт более высокого качества.
Далее полученный регенерат смешивают на любом из известных типов смесителей (валковые, лопастные, роторные) с чистым изоляционным материалом в количестве 5-20 мас.%. При этом происходит не только смешение, но и предварительное сдвиговое деформирование чистого изоляционного материала, благодаря чему его вязкость снижается. Учитывая тот факт, что в состав исходной композиции вводится материал с уже пониженной в процессе регенерации вязкостью, время предварительного сдвигового деформирования может быть сокращено пропорционально количеству введенного регенерата.
Пример 1. Защитные оболочки полимерных изоляторов, выведенных из эксплуатации, или бракованные изделия измельчают в любом из известных типов дробилок (ножевые, роторные и др.) до размеров 5-10 мм и помещают в червячный экструдер. Изменяя условия обработки материала, добиваются получения регенерата в виде высоковязкой тестообразной массы без комков (табл.1).
Полученный регенерат смешивают в количестве 5-20 мас.ч. со стандартной смесью для получения высоковольтных изоляторов (состав: синтетический каучук термостабильный с винильными группами СКТВ-1 - 100 мас.ч.; наполнитель аэросил А-175 - 30 мас.ч.; антиструктурирующая добавка НД-8 - 8 мас.ч.; оксид титана - 10 мас.ч. (или оксид цинка - 5 мас.ч.); вулканизующий агент - 2,3-дихлорбензоил (ДХБ) - 1,3 мас.ч.) в любом из известных типов смесителей.
Нижний предел количества введенного регенерата объясняется тем, что введение меньшего количества регенерата не рационально с экономической точки зрения; верхний предел ограничивается падением физико-механических и электрических свойств композиции (табл.2).
Ввиду того, что в композицию вводят определенное количество регенерата с низкой вязкостью, исходная вязкость смеси понижается и цикл предварительного сдвигового деформирования можно сократить.
Так, в исходную смесь с вязкостью 63,5 МПа·с вводят регенерат в количестве 5 мас.% с вязкостью 0,5 МПа·с. Вязкость композиции будет:
и
p
где µ - вязкость исходной смеси, µ - вязкость регенерата,  - доля регенерата в смеси.
Для рассматриваемого случая М=63,5(1-0,05)+0,5·0,05=60,32+0,02=60,34.
При содержании регенерата 20 мас.% вязкость композиции будет М=63,5(1-0,2)+0,5·0,2=50,8+0,1=50,9.
-3
-1
Таким образом, время предварительного сдвигового деформирования, определяемого из зависимости µ·γ·t·10≈80, где µ - наименьшая вязкость материала МПа·с; γ - скорость сдвига, с; t - время обработки, с (пат. 2143147, 6H01B 19/00, 3/42, 17/32 от 1995 г. - прототип) может быть сокращено пропорционально введенному количеству регенерата (табл.3, 4). Величина скорости сдвига γ для любого из применяемых типов смесителей может быть найдена в справочной литературе или рассчитана из простых зависимостей (см. Вострокнутов Е.Г. и др. Переработка каучуков и резиновых смесей. - М.: Химия, 1980, с.66, 144-146).
Далее из полученной смеси изготавливают изоляторы с защитной оболочкой аналогично тому, как описано в прототипе: обработанную подобным образом композицию дозируют и подают под давлением в разъемную нагретую литьевую форму с предварительно установленным в ней стержнем, где происходит вулканизация (отверждение), после чего изделие извлекают из формы и проводят вторую стадию его вулканизации в термошкафу.
В настоящее время стоимость 1 кг исходной смеси для защитного покрытия изоляторов составляет от 350 до 400 руб./кг. Для наиболее распространенных подвесных изоляторов расход смеси составляет от 0,3 до 1,5 кг на одно изделие в зависимости от размеров, следовательно, для изоляторов средних размеров при введении 20% регенерата может быть получена экономия (с учетом расходов на измельчение отходов и получение регенерата) в среднем от 20 до 120 руб. на одно изделие.
Таким образом, заявленный способ позволяет снизить себестоимость полимерных изоляторов.
Таблица 1
Параметры регенерации и вид получаемого продукта
№ п/п
Параметры регенерации
Вид получаемого продукта
1
Температура корпуса Т<sub>корп.</sub>=25°С. Зазоры минимальные
Крошка
2
Температура корпуса Т<sub>корп.</sub>=60°С. Зазоры минимальные, производительность низкая
Подогретая крошка Т<sub>крошки</sub>=40-50°С
3
Температура корпуса Т<sub>корп.</sub>=170-180°С. Зазоры минимальные, высокая производительность
Комкообразный регенерат Т<sub>регенерата</sub>=250°С
4
Температура корпуса Т<sub>корп.</sub>=195-205°С. Зазоры минимальные, высокая производительность
Тестообразный регенерат с незначительными включениями крошки Т<sub>регенерата</sub>=290°С
5
Повторное пропускание регенерата при условиях п.4
Тестообразный регенерат без включений Т<sub>регенерата</sub>=310°С
Таблица 2
Результаты механических и электрических испытаний образцов вулканизатов с использованием регенерата
№ п/п
Состав вулканизатов (исходная смесь/регенерат)
Свойства вулканизатов после термического старения в течение 72 часов при температуре 250°С
Электрические показатели после выдержки в воде при температуре 20°С в течение 24 часов
σ, МПа
ε, %
ρ, Ом·м·10<sup>-13</sup>
tgδ
E, кВ/м
ε*
Тр
Д
1
100/0 (прототип)
2,9
110
10
0,03
20
3,0
3,5
300
2
95/5
2,9
110
10
0,03
20
3,0
3,5
300
3
90/10
2,8
110
10
0,03
20
3,0
3,5
280
4
85/15
2,7
115
9
0,03
19
3,0
3,5
260
5
80/20
2,6
115
9
0,03
18
3,0
3,5
255
6
75/25
2,2
140
6
0,03
17
3,0
3,5
250
7
70/30
2,0
150
4
0,03
12
3,0
3,2
230
8
65/35
1,7
150
4
0,03
10
3,0
2,8
180
В табл.2 использованы следующие обозначения: σ - прочность при растяжении, ε - относительное удлинение при разрыве, ρ - удельное объемное электрическое сопротивление, tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь, Е - электрическая прочность, ε* - диэлектрическая проницаемость, Тр - трекинго-эрозионная стойкость, Д - дугостойкость.
Таблица 3
Зависимость вязкости композиций от времени обработки в роторном смесителе γ=177,93 с<sup>-1</sup>
Время предварительного деформирования, с
100
200
400
600
700
800
900
1000
1100
Вязкость композиции без регенерата, МПа·с
63,5
41,6
20,2
8,42
2,12
0,68
0,51
0,51
0,51
Вязкость композиции с введенным регенератом, МПа·с
50,9
33,3
16,7
6,72
1,68
0,51
0,51
0,51
0,51
Таблица 4
Зависимость вязкости композиций от времени обработки в валковом смесителе γ=17,9 с<sup>-1</sup>
Время предварительного деформирования, с
100
400
700
1100
1400
1700
2000
2300
2600
Вязкость композиции без регенерата, МПа·с
63,51
50,42
17,22
4,12
3,06
1,66
0,68
0,54
0,54
Вязкость композиции с введенным регенератом, МПа·с
50,92
40,33
13,82
3,32
2,41
1,32
0,54
0,54
0,54