ЦЕЛЛЮЛОЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЙ

the pulping, which differ in the lignin dissolution rates. The correlation between the amount of
dissolved lignin and its content of phenolic hydroxyl groups has been studied in kraft pulping of
spruce wood. Intensive delignification begins after the introduction of a definite amount of phenolic
hydroxyl groups into the lignin macromolecule. In the bulk delignification stage in the pulping the
rate of dissolution was directly proportional to the rate of the formation of free phenolic hydroxyl
groups, i.e. to the rate its functionalization.
УДК 676.2.052.
Екатерина Григорьевна Смирнова, кандидат технических наук, доцент,
[email protected]
Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет
Наталья Михайловна Журавлева, кандидат технических наук, доцент,
Анна Николаевна Боброва, студентка
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
ЦЕЛЛЮЛОЗА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОЙ БУМАГИ
Целлюлоза, кабельная бумага, воздухопроницаемость, механическая прочность,
кратковременная электрическая прочность, термическое старение, нагревостойкость.
Pulp, cable paper, air permeability, mechanical strength, short-term electric strength,
thermal aging, thermal resistance.
Бумага, являясь одним из старейших диэлектрических материалов, широко
востребована в современной высоковольтной технике [1].
Для улучшения электрофизических, механических и других свойств
электроизоляционной бумаги применяются различные виды модифицированной
целлюлозы, целлюлозы полученной с помощью новых и модифицированных
методов делигнификации.
Различные разработки в данной области дают возможность поиска новых,
более современных схем производства электроизоляционных видов бумаги с
высокими качественными показателями.
В данной работе была исследована целлюлоза, полученная низкотемпературной
варкой в системе пероксид водорода - уксусная кислота - вода, в качестве полуфабриката
для получения высоковольтной кабельной бумаги.
Методом варки целлюлозы в системе пероксид водорода - уксусная кислота
- вода, разработанном в СПбГЛТУ им.С.М.Кирова
была проведена
делигнификация древесины ели обыкновенной (рiceaabies) [2]. Основные
показатели целлюлозы представлены в табл. 1.
185
Таблица 1
Показатели опытной органосольвентной целлюлозы
Показатели
Выход, %
Белизна, %
Зольность, %
Степень помола, о ШР
Значения
60
80
0,028
17
Как видно из табл. 1, полученная целлюлоза имеет высокий выход и высокую степень белизны, а также практически не содержит минеральных компонентов. Последний фактор немаловажен для повышения механической прочности,
снижения значений электрической проводимости и тангенса угла диэлектрических
потерь электроизоляционной бумаги.
Таблица 2
Сравнительная характеристика показателей волокон различных видов целлюлозы,
полученных на приборе Файбер Тестер фирмы Lorentzen&Wettre
ОрганоСФА
СФА беленая
СФА
Показатели
сольвентная
беленая
лиственная
небеленая
целлюлоза
хвойная
целлюлоза
хвойная
из
целлюлоза
ЛС-0
целлюлоза
НС-2
древесины ели
ХБ-2
Степень помола,
17
15
13
10
о
ШР
Средневзвешенная
2,718
0,916
2,044
2,446
длина, мм
Мелочь, %
2,973
4,1
2,5
Как видно из табл. 2, волокна целлюлозы из древесины ели, полученные в
системе пероксид водорода - уксусная кислота - вода, превышают по длине волокна сульфатной небеленой хвойной целлюлозы и при этом не содержат мелочи
(волокна длиной не более 0,2 мм).
Как известно [3], к числу основных требований, предъявляемых к
целлюлозе для электроизоляционной кабельной бумаги, относятся: механическая
прочность, низкая зольность, электрическая прочность и термостойкость.
Для оценки возможности применения органосольвентной целлюлозы,
полученной в системе пероксид водорода - уксусная кислота - вода, в
производстве кабельной бумаги, были изготовлены лабораторные образцы.
Целлюлозу размалывали до 45 ± 2 оШР.
Образцы бумаги изготавливались трехслойными, толщиной 120±7 мкм и
плотностью 0,77±0,05 г/см3. У образцов определяли механические и электрофизические свойства. Данные полученные в результате испытаний представлены в
табл. 3.
186
Таблица 3
Механические и электрофизические показатели лабораторных образцов
кабельной электроизоляционной бумаги
Кабельная бумага
Кабельная бумага из
из сульфатной целлюлозы
Показатели
органосольвентной
марки ЭКБ
целлюлозы
(образец № 2)
(образец № 1)
Разрушающее усилие, Н
144
140
Удлинение до разрыва, %
1,6
2,3
Жесткость, мН/м
1,12
0,970
Воздухопроницаемость, см3/мин
28
78
Кратковременная электрическая
6,8 ± 0,1
6,4 ± 0,2
прочность (Епр), кВ/мм
Из табл. 3 видно, что по разрушающему усилию бумага из органосольвентной целлюлозы не уступает бумаге из сульфатной небеленой хвойной
целлюлозы марки ЭКБ. Необходимо, также, отметить, что оба вида лабораторных
образцов бумаги (№1 и №2) имеют пониженное удлинение до разрыва (по
сравнению со значением 5,1 % согласно ГОСТу на электроизоляционную
кабельную бумагу КВМ-120).
В кабельном производстве электроизоляционная бумага обычно
применяется в виде ленты, спиральная намотка которой осуществляется на
специальных машинах при сравнительно большой скорости и со значительным
натяжением. Поэтому бумага
должна отличаться высокими показателями
сопротивления разрыву и удлинения до разрыва в машинном направлении.
В промышленных условиях кабельную бумагу выпускают с
преимущественной ориентацией волокон в машинном направлении, в то время как
лабораторные образцы имеют хаотичное распределение волокон целлюлозы. Повидимому, этим, в основном, и объясняется повышенное удлинение до разрыва в
машинном направлении у промышленного образца по сравнению с лабораторными.
Образец №1 обладает в три раза более низкой воздухопроницаемостью
(28см3/мин), чем образец №2, что практически соответствует ГОСТу на
промышленную кабельную бумагу марки КВМ-120 (25см3/мин). Однако в
промышленных условиях электроизоляционная бумага вырабатывается
каландрированной, в результате чего повышается ее плотность и снижается
воздухопроницаемость. Лабораторные образцы каландрированию не подвергались. Поэтому низкая воздухопроницаемость бумаги из органосольвентной целлюлозы (образец №1, табл.3) позволяет прогнозировать пониженную пористость
материала.
Известно, что снижение содержания воздушных включений позволяет
снизить вероятность развития частичных разрядов и должно способствовать
повышению электрической прочности диэлектрика.
В то же время электроизоляционную бумагу используют в пропитанном
состоянии, т.к. полностью исключить поры внутри волокон и сквозные воздушные
187
каналы между ними пока не представляется возможным. Показатель
воздухопроницаемости
бумаги
прямо
пропорционален
впитывающей
способности, от которой зависит качество пропитки изоляционной бумаги.
Поэтому влияние указанного показателя на электрофизические свойства бумажнопропитанной изоляции в целом – неоднозначно, а его значение, несомненно,
требует оптимизации.
Сравнительная оценка кратковременной электрической прочности
исследуемых образцов (№1 и №2) кабельной бумаги проводилась при помощи
лабораторной
высоковольтной
пробивной
установки
на
переменном
электрическом токе (частотой 50 Гц) в электродной системе «шар (диаметром 6
мм) – плоскость (диаметром 25 мм)». Испытания выявили преимущество
лабораторных образцов бумаги из органосольвентной целлюлозы по сравнению
собразцами из сульфатной небеленой целлюлозы марки ЭКБ в среднем на 5%
(табл.3). Для предварительной оценки нагревостойкости образцов бумаги из
органосольвентной целлюлозы было проведено термическое старение в течение
100 часов при температуре 140о С.
В качестве характеристики при сравнительноманализе нагревостойкости
материала можно использовать сведения о характере изменения какого-либо
структурно зависимого параметра – P[7]. Сопоставляя значения параметра – (Р)
различных материалов при одной и той же температуре старения – (T), можно
проводить сравнительную диагностику их термической стабильности. При
изучении нагревостойкости целлюлозных материалов за (Р) часто принимают
механическую прочность на разрыв или среднюю степень полимеризации
макромолекул целлюлозы (СП).
Результаты испытаний до и после термического старения представлены в
табл. 4.
Таблица 4
Электрофизические показатели кабельной бумаги до и после термического старения
Кабельная бумага из
Показатели
Кабельная бумага из
целлюлозы марки ЭКБ
органосольвентной
(образец № 2)
целлюлозы (образец №1)
До
После
До
После
старения
старения
старения
старения
Кратковременная электрическая
прочность, кВ/мм
Прочность на разрыв, мПа
6,8 ± 0,1
8,7 ± 0,2
6,4 ± 0,2
6,5 ± 0,2
99
75
89
78
Анализ значений кратковременной электрической прочности опытных
образцов №1 и №2 до и после термического старения в воздушной среде (табл. 4)
показал, что у бумаги из органосольвентной целлюлозы, кратковременная
электрическая прочность после термического старения диэлектриков.
Образец кабельной бумаги из органосольвентной целлюлозы в исходном
состоянии имеет более высокую механическую прочность на разрыв, нежели
188
образец бумаги из сульфатной целлюлозы марки ЭКБ. Однако в процессе
термического старения образец №1 в большей степени теряет прочность, чем
образец №2 (25% против 15%, соответственно).
Можно предположить, что у образца бумаги из органосольвентной
целлюлозы в результате термического воздействия деструктивные процессы
привели к уплотнению структуры и частичному разрушению водородных связей,
следствием чего и являются как аномальный рост электрической прочности, так и
заметное снижение механической прочности в процессе термического старения.
Степень полимеризации (СП) макромолекул органосольвентной целлюлозы,
определенная вискозиметрическим методом в процессе термического старения
понизилась в 1,4 раза.
Предварительные опыты по применению органосольвентной целлюлозы
для получения кабельной бумаги показали, что полученные из нее образцы имеют
ряд преимуществ по сравнению с образцами кабельной бумаги из традиционно
используемой сульфатной небеленой хвойной целлюлозы марки ЭКБ.
Чтобы сделать окончательный вывод о возможности применения
целлюлозы, полученной в системе пероксид водорода - уксусная кислота - вода в
производстве высоковольтной кабельной бумаги необходимо проведение
дополнительных испытаний, включая пропитку диэлектрическими жидкостями и
термическое старение бумажно-пропитанной композиции.
Библиографический список
1. Основы кабельной техники / Под ред. Пешкова И.Б. – М.: ACADEMIA, 2006. –
432с.
2. Пазухина, Г.А. К вопросу о механизме делигнификации древесины в системе
пероксид водорода-уксусная кислота-вода [Текст] / Г.А. Пазухина, Ю.В. Шабанов // Лесной
журнал, №4. – Арх.: АрхГТУ, 2010. – С. 188-194.
3. Милов, Б. Г. Электроизоляционная бумага [Текст] / Б.Г. Милов, С.Х. Китаева, А.И.
Бобров. – М: Лесная промышленность, 1986. – 248 с.
__________
Показана возможность применения целлюлозы из древесины ели обыкновенной,
полученной в системе пероксид водорода - уксусная кислота – вода для получения
электроизоляционной бумаги. Исследованы электро-физические свойства изоляционной
бумаги.
***
The possibility of using of thepulp from spruce wood obtained in thesystem of hydrogen
peroxide - acetic acid - water for electrical insulation paper. Investigated by electro-physical
properties of the insulating paper.
189