Стеклотекстолиты обзор

Стеклотекстолиты

Стеклотекстолит представляет собой материал, состоящий из нескольких слоев стеклоткани, пропитанных и склеенных между собой различными связующими на основе высокомолекулярных соединений.

Стеклотекстолиты обладают высокими электрофизическими и механическими характеристиками, позволяющими использовать их в различных отраслях промышленности: машиностроительной, электротехнической, авиастроении, космической и др. Очень широко этот материал используется при изготовлении электрического оборудования.

Невозможно представить турбо- и гидрогенераторы, КЭМ, электродвигатели, силовые трансформаторы, электровозы, оборудование высокого и низкого напряжения без деталей, изготовленных из стеклотекстолитов различных марок. Стеклотекстолиты в зависимости от их назначения делятся на электроизоляционныеи конструкционные.

Электроизоляционные стеклотекстолиты

Электроизоляционные стеклотекстолиты обладают хорошими диэлектрическими свойствами. Высокое удельное объемное сопротивление и электрическая прочность, низкий тангенс угла диэлектрических потерь, незначительное водопоглощение позволяют использовать их в качестве электрической изоляции при изготовлении электрических машин и оборудования. К этой группе материалов относятся стеклотекстолиты СТЭФ, СТЭФ-У, СТ-ЭТФ, Элизлам-225 и другие.

Конструкционные стеклотекстолиты

Конструкционные стеклотекстолиты, наоборот, отличаются существенно более высокими механическими характеристиками, к которым относятся ударная прочность, разрушающее напряжение при разрыве, модуль упругости, а также теплоизоляционными свойствами и используются в различных областях промышленности (машиностроение, приборостроение, металлургия, авиастроение) для изготовления деталей конструкционного назначения. На рынке эти материалы представлены такими марками, как КАСТ, КАСТ-В, ВФТ-С.

В таблице приведены некоторые сравнительные нормативные характеристики стеклотекстолитов СТЭФ и КАСТ-В.

Другие марки стеклотекстолитов

Несколько слов о других марках стеклотекстолитов. Модификация связующих, используемых при изготовлении стеклотекстолитов, позволяет получить материалы со специальными свойствами. Обычные стеклотекстолиты, конечно же, являются горючими материалами. Однако за счет введения соответствующих добавок (антипиренов), стеклотекстолиты приобретают трудногорючие свойства, например стеклотекстолит СТЭБ.

Стеклотекстолиты, относящиеся к типу FR-4, характеризуются классом горючести V0. При изготовлении гидрогенераторов и статоров высоковольтных электрических машин используется полупроводящий стеклотекстолит марок СТЭФ-П и СТЭФ-ПВ. Эти пластики обладают низким удельным сопротивлением (в пределах 10³-10⁶ Ом.м), которое достигается за счет введения графитовых препаратов в состав связующее. Материалы применяются в системах уплотнения обмоток для снижения вибрации стержней и предотвращения контактной эрозии от пазовых разрядов.

Стеклотекстолит СТЭФ-ПВ

Стеклотекстолит СТЭФ-ПВ выпускается в виде волнистых листов. Структура стеклотекстолитов и технологические параметры их изготовления определенным образом отражаются и на их свойствах. Использование в качестве наполнителя неравнопрочных в продольном и поперечном направлении стеклотканей приводит к тому, что  стеклотекстолит имеет неодинаковые свойства в продольном и поперечном направлении, является анизотропным материалом. Слоистое строение материала также проявляется  в различии физико-механических свойств в направлении вдоль слоев и перпендикулярно им. Наконец, механические свойства стеклотекстолитов зависят от толщины листов, несколько уменьшаясь с увеличением толщины. Все это необходимо учитывать при выборе материалов для конкретного изделия.  

Технологический процесс изготовления материала состоит из нескольких стадий:

• -изготовление связующего
• -пропитка стеклоткани
• -прессование стеклотекстолита.

Для изготовления стеклотекстолитов применяются различные связующие:

• фенолоформальдегидные
• эпоксиднофенольные
• эпоксидные
• полиэфирные
• кремнийорганические.

Как правило, все они являются термореактивными,  под действием температуры или специальных добавок отверждаются, теряют растворимость и способность к текучести и пластической деформации при повышенных температурах. В качестве наполнителя используются различные виды стеклотканей.

В качестве исходного сырья при производстве стеклотканей используются стекла различного состава. При производстве стеклотекстолитов электротехнического назначения применяются электроизоляционные стеклоткани на основе бесщелочного алюмоборосиликатного стекла марки Е. Присутствие щелочи отрицательно сказывается на надежности и долговечности электроизоляционных материалов, поскольку в процессе их эксплуатации влага, попадая внутрь материала, приводит к омылению щелочей, распаду структуры стекла и как следствие, разрушению изоляции.

В производстве стеклянного волокна в качестве текстильного замасливателя используются различные эмульсии на основе парафина, которые в дальнейшем ухудшают адгезию связующего к стекловолокну. Связующее при пропитке стеклотканей практически не проникает внутрь стеклянных нитей, а только обволакивает их, поэтому для улучшения адгезии связующего к поверхности стеклянного волокна со стеклоткани удаляют замасливатель путем отжига, после чего  обрабатывают ткань специальными химическими составами – аппретами. Аппреты, вступая во взаимодействие как со стекловолокном, так и со связующим, улучшают пропитываемость стеклотканей, и несмотря на то, что разрывная нагрузка аппретированных стелотканей, как правило, существенно ниже, чем у их аналогов на текстильном (парафиновом) замасливателе,  применение первых  позволяет получить более монолитный пластик с высокими характеристиками и низким влагопоглощением.

Обозначение Электроизоляционных стеклотканей

Электроизоляционные стеклоткани обозначаются буквой Э и вырабатываются полотняным переплетением. Для конструкционных стеклотекстолитов, характеризующихся высоким модулем упругости, хорошими механическими свойствами, используются так называемые конструкционные ткани, обозначаемые буквой Т. Зачастую они также вырабатываются из стекла марки Е. Однако,  для конструкционных тканей, используемых при изготовлении стеклопластиков с повышенным модулем упругости и высокой прочностью, могут быть использованы стекловолокна из стекол специальных составов, имеющих повышенные значения механических характеристик. Так, если алюмоборосиликатное стекло имеет модуль упругости 78 ГПа и прочность при разрыве 2800 МПа, то магнезиально-алюмосиликатное стекло – соответственно 96 ГПа и около 4000 МПа.

Кроме того, для повышения механической прочности ткани конструкционного назначения чаще всего вырабатываются сатиновым переплетением 8/3 или 5/3. В таблице приведены сравнительные характеристики электроизоляционных и конструкционных стеклотканей.    

Факторы, влиящие на физико-механические свойства стеклотекстолитов

Еще одним фактором, оказывающим влияние на физико-механические свойства стеклотекстолитов, является содержание наполнителя в материале. Оно может варьироваться в диапазоне 60-75%, при этом оптимальное значение содержания наполнителя для разных марок может быть различным и зависит от применяемости пластика, способа его изготовления, типа связующего.  

Резка текстолитов

Пропитанные стеклоткани нарезаются на листы требуемого размера и прессуются в многоэтажных  прессах при повышенных температурах и удельном давлении порядка 3-6МПа. Отпрессованный материал обрезается с четырех сторон для получения листов требуемого формата. Возможна поставка стеклотекстолитовых листов в необрезном виде.

Листовые стеклотекстолиты в дальнейшем используются в качестве деталей. При изготовлении деталей из стеклопластиков, как электроизоляционных, так и конструкционных, широко применяются различные методы механической обработки, такие, как резка, токарная обработка, фрезерование, сверление. Ввиду того, что материалы обладают низкой теплопроводностью, в процессе механической обработки необходимо использовать воду или специальные охлаждающие жидкости с целью предотвращения горения пластика.

При резке и распиловке материала используется алмазный инструмент (пилы, круги и т.д.). В последнее время для резки стеклотекстолита стали все чаще применять станки гидроабразивной резки, где в качестве режущего инструмента используется струя воды или смеси воды и абразивного материала, испускаемая с высокой скоростью и под высоким давлением.  

Оценка качества и долговечности текстолитов, используюемых в системах изоляции

Поскольку, электроизоляционные стеклотекстолиты используются в системах изоляции, для оценки их качества и долговечности используется такое понятие, как класс нагревостойкости или длительно допустимая рабочая температура. При повышении температуры в процессе эксплуатации происходит так называемое тепловое старение материала, пластик становится хрупким, теряет изоляционные свойства, разрушается.

Класс нагревостойкости изоляции – это та максимальная температура, работая при которой в течение 20000 часов, материал теряет не более половины своих исходных характеристик. В качестве таких характеристик обычно используются прочность при изгибе, потеря массы, электрическая прочность.

Обозначения класса нагревостойкости приведены в таблице.  

Нагревостойскость стеклотекстолитов

Класс нагревостойкости стеклотекстолита определяет природа связующего, используемая при его изготовлении. В последнее время все более востребованными становятся электроизоляционные материалы, соответствующие классам нагревостойкости Н и выше, что объясняется разработкой новых электрических машин большей мощности, более надежных в эксплуатации и с меньшими габаритными размерами.

Для стеклотекстолитов – это такие марки, как Элизлам-225, СТ-ЭТФ и др, изготовленные на основе модифицированных эпоксидных и кремнийорганических связующих. Помимо класса нагревостойкости, для характеристики тепловых свойств пластиков используется такое понятие, как стойкость к кратковременному нагреву. Как правило, кратковременно (непрерывно в течение нескольких суток или периодически – более продолжительное время) стеклотекстолит может выдерживать температуру на 30-50^оС выше, чем заявленный класс.

Электроизоляционные стеклотекстолиты

Электроизоляционные стеклотекстолиты относятся к нетоксичным горючим материалам. Для конструкционных стеклотекстолитов понятие класса нагревостойкости не применяется, ввиду того, что данные материалы используются в иных целях. Изготавливаются они, как правило на основе фенолоформальдегидных смол, с различными целевыми добавками. Отвержденная фенолоформальдегидная смола остается устойчивой при повышении температуры примерно до 170-180^оС, далее происходит деструкция материала, снижается молекулярная масса полимера и соответственно, механическая прочность пластика. При температуре 300^оС  отвержденная смола обугливается и начинает разлагаться. Введение специальных добавок в состав связующего несколько повышает эти значения.

В приложении к  ГОСТ 10292 указан целый ряд теплофизических характеристик стеклотекстолита КАСТ-В, исследованных в диапазоне температур от 15 до 155 ^оС. Эти данные косвенно подтверждают класс нагревостойкости конструкционного стеклотекстолита в интервале 155-180^оС. При этом в литературе встречается информация о положительных результатах кратковременного использования КАСТ-В при температуре порядка 250^оС, а ВФТ-С – при 300^оС.

Стеклотекстолит КАСТ-В

Стеклотекстолит КАСТ-В позиционируется как конструкционный теплоизоляционный материал. Стеклотекстолит ВФТ-С обладает, кроме того, повышенной теплостойкостью и влагостойкостью. Для сравнения, водопоглощение ВФТ-С при толщине листа 4мм составляет не более 1,3%, а для КАСТ-В – не более 1,6%. Прочность при разрыве вдоль основы для КАСТ-В вышеуказанной толщины составляет не менее 284МПа, ударная вязкость – не менее 113 кДж/м², а для ВФТ-С –эти показатели выше, не менее 392 МПа и не менее 123кДж/м², соответственно. Конструкционные стеклотекстолиты являются нетоксичными трудносгораемыми материалами

В таблице приведены некоторые сравнительные физические характеристики стеклотекстолитов КАСТ-В и ВФТ-С