Синтетические и искусственные волокна. Их свойства и области применения в электропромышленности

3. Синтетические и искусственные волокна. Их свойства и области применения в электропромышленности

СИНТЕТИЧЕСКИЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ВОЛОКНА.

В электротехнике весьма широко применяются волокнистые материалы, т.е. материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы – волокон. Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность (из-за наличия промежутков между волокнами, заполненными воздухом); гигроскопичность – более высокая, чем у массивного материала того же химического состава (так как развитая поверхность волокон легко поглощает влагу, проникающую в промежутки между ними). Свойства волокнистых материалов могут быть существенно улучшены путем пропитки, почему эти материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.

3.1.Синтетические волокна.

Из синтетических волокнистых материалов следует отметить полиэтилентнререфталатные (лавсан, терилен, терен, дакрон, и др.), полиамидные (капрон, дедерон, найлон, анид и пр.), полиэтиленовые, полистирольные, поливинилхлоридные (хлорин и др.) и политетрафторэтиленовые. Материалы из синтетического волокна - это линейные полимеры с высокой молекулярной массой. Многие синтетические волокна, например полиамидные, после изготовления подвергаются вытяжке для дополнительной ориентации линейных молекул вдоль волокон и улучшения механических свойств волокна; при этом, очевидно, увеличивается и длина волокна, и оно становится тоньше. Из синтетических волокон в электроизоляционной технике большое применение имеет капрон. Использование капрона вместо натурального шелка и хлопчатобумажной пряжи высоких номеров в производстве обмоточных проводов дает большой экономический эффект, ибо капрон не только много дешевле, чем шелк и тонкая хлопчатобумажная пряжа, и легко доступен, но и дает большую длину нити того же сечения из единицы массы, так как плотность капрона сравнительно невелика.

Полиамидное волокно энант превосходит капрон и найлон по нагревостойкости и механической прочности. Нитрон (орлон) – это полимер акрилнитрила, молекула его имеет строение -

Он характеризуется большой механической прочностью и нагревостойкостью (температура размягчения его выше 235⁰С). Электрическая прочность непропитанных текстильных материалов определяется электрической прочностью воздуха в сквозных отверстиях между нитями, а потому весьма мала. Путем пропитки лаком можно закрыть эти отверстия лаковой пленкой и этим резко повысить электрическую прочность ткани и ее влагостойкость.

Искусственные волокна.

Основные типы этих волокон – вискозный и ацетатный шелк, получаемые из эфиров целлюлозы. В отличие от исходной целлюлозы ее эфиры обладают растворимостью в подходящих по составу растворителях и позволяют изготовлять из них тонкие нити при вытекании растворов сквозь отверстия (фильеры) малого диаметра.

Вискозный шелк изготовляют переработкой целлюлозы с последующим переводом вытянутых из прядильного раствора волокон в вещество, близкое по своей химической природе к исходной целлюлозе. Ацетатный шелк по составу представляет собой уксуснокислый эфир целлюлозы (ацетат целлюлозы). По внешнему виду оба эти типа искусственного шелка напоминают натуральный шелк, но пряжа из них такой же толщины, что и хлопчатобумажная. По электроизоляционным свойствам вискозный шелк не имеет преимуществ перед хлопчатобумажным волокном (он даже несколько более гигроскопичен, чем хлопчатобумажное волокно), но ацетатный шелк превосходит как хлопчатобумажную пряжу, так и натуральный шелк. Возможно и поверхностное ацетилирование хлопчатобумажной пряжи, подвергнутая такой обработке пряжа обладает меньшей гигроскопичностью, чем у исходной хлопчатобумажной пряжи.

4. Описать следующие материалы: вольфрам, золото, серебро, платину, никель, кобальт, свинец

Главнейшие усредненные физические свойства металлов при 20⁰ (кроме столбцов 2 и 3)

Металл	Температура плавления, 0С	Температура кипения, 0С	Плотность, Мг/м3
Вольфрам W	3380	5500	19,3
Золото Au	1063	2600	19,3
Серебро Ag	961	1950	10,5
Платина Pt	1770	4240	21,4
Никель Ni	1455	2900	8,90
Кобальт Co	1492	2900	8,71
Свинец Pb	327	1620	11,4

Металл	Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)	Теплопроводность, Вт/(м·К)	ТК линейного расширения × 104, К-1
Вольфрам W	218	168	4,4
Золото Au	126	293	14
Серебро Ag	234	415	19
Платина Pt	134	71	0,0
Никель Ni	444	95	13
Кобальт Co	435	79	12
Свинец Pb	130	35	29

Металл	Удельное сопротивление, мк Ом·м	ТК удельного сопротивления, К-1	Работа выходов электронов, эВ
Вольфрам W	0,055	0,0046	4,5
Золото Au	0,024	0,0038	4,8
Серебро Ag	0,016	0,0040	4,4
Платина Pt	0,105	-	-
Никель Ni	0,073	0,0065	5,0
Кобальт Co	0,062	0,0060	-
Свинец Pb	0,21	0,0037	-

Металл	Абсолютная удельная термо-Э.Д.С. мкВ К-1	Температура перехода в сверхпроводящее состояние, К	Магнитные свойства
Вольфрам W	+2,0	0,01	Парамагнитный
Золото Au	+1,5	-	Диамагнитный
Серебро Ag	+1,5	-	Диамагнитный
Платина Pt	-5,1	-	Парамагнитный
Никель Ni	-19,3	-	Ферромагнитный 358
Кобальт Co	-20,1	-	Ферромагнитный1131
Свинец Pb	-1,2	7,2	Диамагнитный

5. Трубка из поливинилхлорида имеет размеры: внутренний диаметр d₁=1,45 мм и внешний диаметр d₂=4,5 мм. Построить графики зависимости диэлектрических потерь в температурном диапазоне от Т₁=-20⁰ С до Т₂=60⁰С: а) при постоянном напряжении U=1,5 кВ; б) при переменном напряжении U=1,5 кВ (действующее значение) частотой 50 Гц

Решение задачи:

Так как трубка из поливинилхлорида как правило используется для изоляции токоведущих проводников, примем что внутри трубки расположен круглый провод диаметром d_вн, а снаружи трубка также окружена проводящей средой. В этом случае трубку можно рассматривать как диэлектрик конденсатора и применить для решения известные формулы.

Размеры трубки: d_вн.=1,5 мм; d_нар.=4,5 мм; h=10 мм

Температурный режим – от Т=-20⁰С до +60⁰С

Напряжение U=1,5 кВ; Частота ƒ=50 Гц.

Материал – поливинилхлорид.

Основные электрические параметры поливинилхлорида в зависимости от температуры.

T0C	εr	tgδ	ρv
-20	3,0	7·10-3	2·1012
0	3,1	9·10-3	2,25·1012
20	3,4	2·10-2	2,5·1012
40	3,9	4·10-2	2,75·1012
60	4,9	5·10-2	3·1012

R_из= ρ_v· h/S;

S=R² S=S₂-S₁; S₁=3,14·0,75²=1,77; S₂=3,14·2,25²=15,9; S=14,13 мм²

h/S=10/14,13=0,71

Определим величину полного сопротивления изоляции как параллельное соединение объемного и поверхностного сопротивления.

R_{из 1}=2·10¹² ·0,71=1,42·10¹² Ом

R_{из 2}=2,25·10¹² ·0,71=1,6·10¹² Ом

R_{из 3}=2,5·10¹² ·0,71=1,76·10¹² Ом

R_{из 4}=2,75·10¹² ·0,71=1,95·10¹² Ом

R_{из 5}=3·10¹² ·0,71=2,13·10¹² Ом

При постоянном напряжении Р_а=U²/ R_из :

Р_а1=1500²/1,42·10¹²=2,25·10⁶/1,42·10¹²=1,58·10^-6

Р_а2=1500²/1,6·10¹²=1,41·10^-6

Р_а3=1500²/1,76·10¹²=1,28·10^-6

Р_а4=1500²/1,95·10¹²=1,15·10^-6

Р_а5=1500²/2,13·10¹²=1,06·10^-6

При переменном напряжении Р_а=U² · ω · С · tgδ

ω =2π·ƒ=2 · 3,14 · 50=314

Для круглых конденсаторов С=2π · ε₀ ·ε_r·h/L_n(r₂/r₁),

h=10мм – длина трубки; r₂/r₁=2,25/0,75=3

r₂=2,25мм – наружный радиус трубки

r₁=0,75мм - внутренний радиус трубки

ε₀=8,85·10^-12 – электрическая постоянная.

С₁=2 · 3,14 · 8,85·10^-12 · 3,0 · 10/1,1=1,5·10^-9

С₁=2 · 3,14 · 8,85·10^-12 · 3,1 · 10/1,1=1,57·10^-9

С₁=2 · 3,14 · 8,85·10^-12 · 3,4 · 10/1,1=1,72·10^-9

С₁=2 · 3,14 · 8,85·10^-12 · 3,9 · 10/1,1=1,97·10^-9

С₁=2 · 3,14 · 8,85·10^-12 · 4,9 · 10/1,1=2,48·10^-9

Р_а=U² · ω · С · tgδ

Р_а1=1500² ·314 · 1,5 ·10^-9 ·7,0 ·10^-3=7,4 ·10^-3

Р_а2=1500² ·314 · 1,57 ·10^-9 ·9,0·10^-3=9,8 ·10^-2

Р_а1=1500² ·314 · 1,72 ·10^-9 ·2 ·10^-2=2,4 ·10^-2

Р_а1=1500² ·314 · 1,97 ·10^-9 ·4 ·10^-2=5,5 ·10^-2

Р_а1=1500² ·314 · 2,48 ·10^-9 ·5 ·10^-3=8,7 ·10^-2