ПРОПИТОЧНО-СКЛЕИВАЮЩАЯ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ И ОБМОТОЧНЫЙ ПРОВОД С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

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.

Известен состав силиконового композиционного материала с повышенной адгезией, полученный на основе полидиметилсилоксана с концевыми винильными группами общей формулы (CH₂=CH)(CH₃)₂Si[OSi(CH₃)₂]_nOSi(CH₃)₂(CH=CH₂), содержащий 40 мас. ч. кремнийорганической смолы общей формулы {[(CH₃)₃SiO_1/2]_x[SiO₂]₁[(CH₃)₂SiO]_y[CH₃VinSiO]_z} (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.

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_4/2 и RSiO_3/2 (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

{[(CH₃)₃SiO_0,5]_x[SiO₂]}, где х = 0,9-1,2;

(B) кремнийорганическую смолу общей формулы

{[(CH₃)₃SiO_0,5]_x[SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_y}, где х = 0,8-1,0; у = 0,2-0,5;

(C) полидиметилсилоксан вязкостью от 2000 до 80000 мм²/с (при 25°С) общей формулы

CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]_nSi(CH₃)₂CH=CH₂, где n = 200-1100;

(D) полидиметилметилгидридсилоксан, содержащий не менее двух связанных с кремнием атомов водорода, общей формулы

(CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_x}_mSi(CH₃)₃, 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.

Кроме того, если вязкость пропиточно-склеивающей кремнийорганической композиции более 1500 мм²/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.

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 мм²/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

Кремнийорганическую композицию получают смешением 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂]} с молекулярной массой 2000, 22 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_0,5} с молекулярной массой 3000, 63 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]₂₀₀Si(CH₃)₂CH=CH₂ вязкостью 2000 мм²/с, 15 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_1,25}₂₅Si(CH₃)₃ (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%).

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 мм²/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

Кремнийорганическую композицию получают смешением 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5]_0,9[SiO₂]} с молекулярной массой 5000, 22 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_0,5} с молекулярной массой 3000, 63 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]₂₀₀Si(CH₃)₂CH=CH₂ вязкостью 2000 мм²/с, 15 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_1,25}₂₅Si(CH₃)₃ (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%).

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 мм²/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

Кремнийорганическую композицию получают смешением 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5]_1,2[SiO₂]} с молекулярной массой 1500, 22 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_0,5} с молекулярной массой 3000, 63 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]₂₀₀Si(CH₃)₂CH=CH₂ вязкостью 2000 мм²/с, 15 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_1,25}₂₅Si(CH₃)₃ (массовая доля водорода, связанного с атомом кремния, составляет 0,8%).

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 мм²/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

Кремнийорганическую композицию получают смешением 20 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂]} с молекулярной массой 2000, 8 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_0,5} с молекулярной массой 3000, 72 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]₁₁₀₀Si(CH₃)₂CH=CH₂ вязкостью 80000 мм²/с, 5,5 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_1,25}₂₅Si(CH₃)₃ (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

Кремнийорганическую композицию получают смешением 30 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂]} с молекулярной массой 2000, 15 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_0,5} с молекулярной массой 3000, 55 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]₁₁₀₀Si(CH₃)₂CH=CH₂ вязкостью 80000 мм²/с, 10 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_1,25}₂₅Si(CH₃)₃ (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

Кремнийорганическую композицию получают смешением 45 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂]} с молекулярной массой 2000, 10 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5]_0,8[SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_0,2} с молекулярной массой 5000, 45 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]₁₁₀₀Si(CH₃)₂CH=CH₂ вязкостью 80000 мм²/с, 10 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_0,25}₂₀Si(CH₃)₃ (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

Кремнийорганическую композицию получают смешением 30 мас. ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5][SiO₂]} с молекулярной массой 2000, 22 мас .ч. КО смолы формулы {[(CH₃)₃SiO_0,5]_0,8[SiO₂][(CH₃)(CH₂=CH)SiO]_0,2} с молекулярной массой 5000, 48 мас. ч. полидиметилсилоксана формулы CH₂=CH(CH₃)₂SiO[(CH₃)₂SiO]₁₁₀₀Si(CH₃)₂CH=CH₂ вязкостью 80000 мм²/с, 22 мас. ч. полидиметилметилгидридсилоксана формулы (CH₃)₃SiO{[(CH₃)₂SiO][CH₃(H)SiO]_0,25}₂₀Si(CH₃)₃ (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.

Состав 1 м² изоляции обмоточного провода, в мас. %:

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.

Так, содержание электроизоляционной стеклоткани в составе на 1 м² изоляции менее 10 мас. % приведет к снижению механической прочности изоляции, а более 15 мас. % приведет к снижению напряжения начала возникновения частичных разрядов.

Содержание слюдяной бумаги в составе на 1 м² изоляции менее 45 мас. % приведет к снижению теплопроводности, а более 55 мас. % приведет к снижению стойкости к частичным разрядам.

Содержание разработанной кремнийорганической композиции в составе на 1 м² изоляции менее 20 мас. % приведет к снижению стойкости к частичным разрядам, а применение более 25 мас. % экономически нецелесообразно.

Содержание полиимидно-фторопластовой пленки марки ПМФ-1 в составе на 1 м² изоляции 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.