Из дерева путем его химической обработки поучают целлюлозу, или клетчатку, которая является сырьем для изготовления различных электроизоляционных бумаг и картонов. В составе дерева, помимо клетчатки, имеются смолистые вещества, которые, оставаясь в целлюлозе, придают бумаге хрупкость. Чем меньше этих примесей в бумагах, тем они прочнее, эластичнее, тем они медленнее стареют. Поэтому при химической переработке древесины на целлюлозу, предназначенную для изготовления электроизоляционных бумаг, главной задачей является полное удаление смол и других загрязняющих веществ.
Перед химической обработкой из древесины удаляют сучки и поврежденные гнилью места. Процесс обработки проводят с помощью варки древесной щепы в закрытых котлах (автоклавах), для чего очищенную древесину предварительно расщепляют.Варка щепы проводится при температуре 150- 175°С и давлениях 7- 9 ати в кислотной или в щелочной среде. В случае щелочной варки в котел вносится смесь из едкого натра NaOH и сернистого натра Na2 S , а при кислотной варке- раствор бисульфата кальция Ca(HSO3)2 в сернистой кислоте H2SO3. В результате варки из древесины получается сульфитная целлюлоза (при кислотной) и сульфатная (при щелочной варке). Для изготовления электроизоляционных бумаг и картона используют сульфатную целлюлозу, которая обеспечивает лучшие электрические и тепловые свойства бумаги.
Полученная целлюлоза промывается водой, сушится, а затем подвергается мокрому размолу в специальных ваннах, снабженных вращающимися барабаном с ножами. Дно ванны имеет выступ в виде горки. Попадая между ножами барабана и острым выступом, целлюлоза разрубается на мелкие части и расщепляется вдоль на более тонкие волокна. В зависимости от величины зазора между ножами и выступом осуществляется жирный или тощий помол. Для жирного помола устанавливают тупые ножи на большом расстоянии от выступа на дне ванны. В результате происходит лишь расщепление или расчет на тонкие волокна. Таким образом, при жирном помоле волокна механически не разрушаются, а их капиллярные каналы остаются закрытыми. Для получения целлюлозы тощего помола применяют острые ножи. Расстояние между ними и горкой меньше, чем в первом случае. При этом волокна целлюлоза рубятся поперек, в результате чего обнажаются внутри канала.
При жирном помоле волокна получаются длинными и тонкими. Бумага, изготовленная из целлюлозы жирного помола, обладает большей гибкостью и механической прочностью. Тощий же помол дает короткие толстые волокна, которые обусловливают рыхлость бумаги и малую механическую прочность а также большую способность впитывать воду и другие жидкости.
Размолотая целлюлоза называется бумажной массой. Для изготовления из нее бумаги масса подается на латунную сетку бумажной машины, к поверхности она прижимается валками. Вода при этом отжимается и уходит через сетку, а масса формируется в полотно бумаги, которое затем переходит на суконную ленту. Здесь полотно бумаги сначала обминается холодными вальцами, а потом оно проходит через нагретые стальные вальцы и сматывается в рулоны.
Электроизоляционные бумаги делятся на кабельный, телефонные (для кабелей связи), конденсаторные, пропиточные, намоточные, микалентные и бумаги для оклейки электротехнической стали.
Кабельная бумага составляют основную изоляцию высоковольтных и низковольтных кабелей. Она после намотки на кабель пропитывается электроизоляционным маслом или маслоканифольным составом. При намотке на кабельную жилу бумага подвергается механическому напряжению. Поэтому она должна обладать достаточно высокой механической прочностью на разрыв. Кроме того, в готовом кабеле в процессе его укладки намотанная бумага может подвергнуться изгибам и должна отличаться прочностью на двойные перегибы.
Кабельные бумаги вырабатывают из сульфатной целлюлозы преимущественно жирного помола в целях обеспечения механических свойств.
Жирный помол, кроме того, придает бумаге большую плотность и малую пористость. Пропитывающее жидкое вещество (масло или маслоканифольная смесь ) разбивается бумагой при пропитке на тонкие пленки, что повышает ее электрическую прочность.
Кабельные бумаги выпускают следующих марок: К-08, К-12 и К-17 (К- кабельная, а цифры означают толщину бумаги в сотых долях миллиметра ).
Телефонная бумага изготовляется из сульфатной целлюлозы и применяется для изоляции жил телефонных кабелей. Она обозначается маркой КТ (кабельная телефонная) и выпускает в рулонах шириной 500мм и толщиной 0,04(КТ-04) и 0,05мм (КТ-0,5). Механические свойства телефонных бумаг ниже, чем у кабельных.
Кабельная бумага применяется для бумажно-масляных высоковольтных и низковольтных конденсаторов. Для изготовления этой бумаги используется наиболее чистая сульфатная бумага или бумага, изготовленная из волокон хлопка (из отходов тканей). Конденсаторные бумаги- самые тонкие бумаги. Их толщина колеблется в пределах от 0,005 до 0,003 мм. По удельному весу они разделяются на две группы: с удельным весом 1,0 г/см3 и с удельным весом от 1,16 до 1,25 г/см3. Воздухопроницаемость их невелика, что указывает на их сравнительно высокую электрическую прочность, которая колеблется для первых бумаг от 16 до 39,5 кВ/мм, а для вторых от 18,7 до 50 кВ/мм соответственно их толщина1. После пропитки минеральным конденсаторным маслом электрическая прочность конденсаторных бумаг повышается и находится в пределах от 259 до 300 кВ/мм. Предел прочности при растяжении конденсаторных бумаг достигает σр = 1000 кГ/см2. Конденсаторная бумага выпускается в бобинах шириной от 12 до 750 мм.
Пропиточная бумага предназначается для изготовления слоистой электроизоляционной пластмассы- гетенакс. Пропиточная бумага вырабатывается из сульфатной целлюлозы и имеет толщину 0,09; 0,11 и 0,13 мм, а удельный вес 0,6 – 0,8 г/см3.Поэтому у пропиточных бумаг воздухопроницаемость и впитываемость выше, чем у других бумаг, а механическая прочность ниже.
Намоточная бумага применяется для изготовления электроизоляционных цилиндров ( высоковольтных трансформаторов) и изоляционных трубок. Вырабатывается она из сульфатной небеленой целлюлозы жирного помола. Удельный вес этих бумаг 0,75 г/см3, а толщина 0,05- 0,07мм; электрическая прочность не менее 8 кВ/мм. Для получения изоляционных цилиндров бумага пропитывается лаком с одной стороны.
Микалентная бумага применяется для изготовления гибкой слюдяной ленты, для чего на полотно микалентной бумаги наклеивается листочки слюды. Микалентная бумага должна обеспечивать гибкость изделия, повышать его механическую прочность на разрывах и быть одновременно тонкой, чтобы не снижать электрическую прочность микаленты. Кроме того, микалентная бумага должна обладать достаточной механической прочностью в пропитанном состоянии, так как в этих условиях она подвергается усилию на растяжение. Чтобы была возможна хорошая и быстрая пропитка лаками, бумага должна обладать большой пористости. Для изготовления микалентной бумаги используется длинноволокнистый хлопок с волокнами, ориентированными в направлении длины полотна бумаги. Это обеспечивает ее большую механическую прочность, равную вдоль полотна бумаги 650- 800 кГ/см2, а поперек полотна 90- 100 кГ/см2. Микалентная бумага выпускается в рулонах шириной 450 и 900 мм. Толщина бумаги 15- 30 мк.
Оклеечная бумага изготавливается из небеленой сульфатной целлюлозы и предназначается для оклейки стальных листов, на которых собирают магнитопроводы электрических машин. Толщина такой бумаги 20- 35 мк, удельный вес 0,67- 0,70 г/см3, механическая прочность на разрыв σр=30кГ/см3.
Электроизоляционный картон изготавливают тем же способом, что и бумаги, но они имеют большую толщину (от 0,1 до 3,0 мм ). Для получения картона влажная бумага наматывается на металлический барабан до определенной толщины. Затем такой бумажной цилиндр разрезается по образующей и полученные листы формируются прокатной между стальными вальцами.
Картон, предназначенные для работы на воздухе, изготавливают из смеси целлюлозного и тряпичного волокна и проходят дополнительную обработку стальными вальцами для уплотнения и полировки. Картоны, применяются в маслонаполненных машинах и аппаратах (трансформаторах и т. п.), изготавливают из сульфатной целлюлозы без дополнительной обработки на вальцах. Они имеют рыхлую структуру, поэтому хорошо пропитываются маслом. Картоны для работы на воздухе выпускаются марок ЭВТ, ЭВП и ЭВС в рулонах шириной до 10, 50 мм и толщиной от 0,1до 3 мм. Удельный вес этих картонов составляет 0,95- 1,25 г/см3 , электрическая прочность изменяется от 8 до 13 кВ/мм в зависимости от толщины. Масляные картоны марок ЭМЦ, ЭМС и ЭМТ имеют удельный вес 0,9- 1,1 г/см3 и вырабатываются разных толщин от 0,5 до 3,0 мм. Их электрическая прочность в пропитанном виде находится в пределах от 19 до 47 кВ/мм.
Фибру изготавливают из непроклеенной бумаги, имеющий в своем составе хлопковое волокно и древесную целлюлозу (по 50%). Бумагу пропускают через ванну с нагретым (до 50°С) раствором хлористого цинка (ZnCl2 ), а затем наматывают на стальной барабан до определенной толщины. При обработке бумаги раствором хлористого цинка на ее поверхности образуется клейкое вещество. При намотке на барабан листы бумаги склеиваются друг с другом, образуя плотный материал- фибру который разрезается на листы и прессуется. Непрореагировавший хлористый цинк отмывается водой в специальных чанах, в которые помещают фибровые изделия (листы и др.). Остаток не удельного из фибры хлористого цинка способствует снижению ее механических и электрических свойств.
Из фибры изготавливают листы толщиной от 0,6 до 20 мм и более, стержни и трубки. Удельный вес фибры равен 1,1-1,2 г/см3 , она обладает высоким пределом прочности при растяжении: σр =500÷700 кГ/см2 в продольном направлении и σр = 300÷450 кГ/см2 в поперечном направлении. Фибра легко поддается механической обработке, пилится, строгается и нарезается. Листовая фибра штампуется, а при размачивании водой из нее можно формовать изделии сложного профиля. Недостатками фибры являются гигроскопичность и набухание во влажной среде. После сушки фибра обнаруживает усадку, что затрудняет изготовление из нее точных деталей. Удельное электрическое сопротивление ее невелико ρυ =108 ÷109 Ом ∙ см; Епр =3,5÷7,0 кВ/мм.
В электротехнике фибра используется в качестве электроизоляционного материала при низких напряжениях. Особенно широко применяется фибра для разрядников высокого напряжения, в которых стенки фибрового цилиндра под воздействием дуги интенсивно выделяют газы. В результате возрастающего давления газов внутри разрядника дуга прекращает свое горение.