Изготовление изоляционных материалов

Когда говорят про изготовление изоляционных материалов, многие сразу представляют рулоны картона или прессованные плиты. Но это лишь верхушка айсберга. На деле, за каждым листом электротехнического картона стоит целая история — о выборе сырья, о тонкостях каландрирования, о том, как влажность в цехе в день отгрузки может испортить партию, которая вроде бы прошла все лабораторные испытания. Я много лет работаю в этой сфере и видел, как даже опытные технологи иногда недооценивают влияние, казалось бы, второстепенных параметров — например, степени помола целлюлозы на диэлектрическую прочность готового продукта. Вот об этих нюансах, которые не пишут в учебниках, а узнают только на практике, и хочется порассуждать.

Сырье: где кроется первая ошибка

Начнем с основы — волокна. Не всякая целлюлоза годится для электроизоляции. Можно взять хорошую, беленую сульфатную целлюлозу, но если в ней не выдержан показатель зольности, материал потом будет 'пылить' при механической обработке, и эти микрочастицы станут мостиками для пробоя. Мы в свое время на этом обожглись, пытаясь оптимизировать себестоимость. Перешли на один, более дешевый сорт — и получили рост брака на формовых изделиях почти на 5%. Клиент вернул партию, ссылаясь на нестабильность толщины. А корень был именно в сырье: волокно было менее эластичным, что сказывалось на прессовке.

Кстати, про электротехнический изоляционный картон. Многие думают, что главное — это плотность. На деле, важнее однородность массы. Видел картон от разных производителей, в том числе и от ООО Шаоян Хунчэн Изоляционный Картон — у них этот момент, судя по образцам, хорошо проработан. Однородность означает предсказуемое поведение в трансформаторе или аппарате, где материал работает на сжатие, вибрацию, нагрев. Неоднородный картон дает усадку локально, что ведет к образованию воздушных зазоров — главных врагов изоляции.

Еще один момент — добавки. Антипирены, гидрофобизаторы. Их внесение — это целое искусство. Недостаточно просто смешать с массой. Нужна такая стадия в процессе, чтобы добавка не нарушила структуру волокнистого полотна и распределилась максимально равномерно. Иначе получаются 'озера' с одной пропиткой и 'пустыни' без нее. Такая изоляция будет вести себя абсолютно непредсказуемо.

Процесс: от массы до готового листа

Здесь ключевых этапа два: отлив полотна и сушка. На отливе многие гонятся за скоростью, а потом удивляются, почему картон имеет разную прочность на разрыв вдоль и поперек машины. Это классическая ошибка. Ориентация волокон должна контролироваться, и иногда стоит снизить скорость, чтобы добиться более равномерной, хоть и анизотропной, структуры. Для некоторых применений, например, для деталей сложной формы, это критически важно.

Сушка — это отдельная песня. Можно испортить идеально отлитое полотно в сушильном барабане. Температурные зоны, скорость циркуляции воздуха — все имеет значение. Пересушишь — материал станет хрупким, появятся микротрещины. Недосушишь — при намотке или резке будет выходить влага, геометрия 'поплывет'. У нас был случай с партией изоляционных формовых изделий (тех самых прокладок и шайб). После прессовки и термообработки они вроде бы соответствовали ТУ, но через месяц хранения на складе у заказчика часть деталей деформировалась. Оказалось, остаточная влажность была в норме, но распределена неравномерно по сечению изделия. Со временем произошла перераспределение, вызвавшее внутренние напряжения.

Именно на этапе сушки и каландрирования формируются конечные электроизоляционные свойства. Каландр — не просто для гладкости. Он уплотняет поверхностный слой, закрывая поры. Но если пережать, можно 'закупорить' материал, сделав его плохо пропитываемым для дальнейшей обработки лаками. Нужно найти баланс между гладкой поверхностью (для минимизации воздушных включений) и открытой пористостью для адгезии.

Контроль качества: не доверяй только сертификату

Лабораторные испытания по ГОСТ — это обязательно. Но они, как правило, выборочные и проводятся в идеальных условиях. Самый ценный контроль — это испытания в условиях, приближенных к реальным. Мы, например, всегда тестируем картон не только на диэлектрическую прочность в масле при 20°C, но и при 90°C. И смотрю не только на среднее значение пробивного напряжения, а на разброс показателей по листу. Большой разброс — верный признак неоднородности, которая аукнется позже.

Очень показателен тест на стойкость к старению. Можно ускорить его, подвергая материал циклическим изменениям температуры и влажности. Бывало, образцы, идеальные по первоначальным тестам, после такого 'состаривания' резко теряли механическую прочность. Значит, в процессе изготовления изоляционных материалов что-то пошло не так — возможно, были остатки реактивов от отбелки или нарушен режим тепловой фиксации.

Часто забывают про контроль на производственной линии. Простой пример: контроль электрической прочности игольчатым электродом. Дешевый и быстрый метод, который позволяет отсеять явный брак сразу после каландра, не дожидаясь лаборатории. Экономит время и ресурсы. Но его нужно правильно откалибровать и понимать его ограничения — он не заменит полномасштабных испытаний.

Формовые изделия: где теория расходится с практикой

Изоляционные формовые изделия — это особая статья. Здесь недостаточно просто спрессовать картонную массу в форму. Речь идет о точной геометрии, сложных профилях, строгих допусках. Самый большой вызов — это усадка после прессования и сушки. Рассчитать ее теоретически почти невозможно, потому что на нее влияет и фракционный состав волокна, и степень его помола, и давление пресса, и температура формы.

Приходится идти эмпирическим путем: делать десятки пробных оттисков, замерять, корректировать оснастку. Мы для одного заказа по производству изоляционных бумажных материалов делали сложную конусную втулку. Первые партии либо не выходили из формы, либо имели трещины у основания. Пришлось пересматривать не только угол конуса формы, но и последовательность приложения давления — перешли на многоступенчатый пресс-цикл. Это добавило времени на цикл, но полностью устранило брак.

Еще одна головная боль — облой (заусенец). При резке или прессовке он неизбежно образуется. Его нужно удалять, но так, чтобы не повредить кромку изделия и не оставить ворсистости, которая может стать источником частичного разряда. Иногда проще спроектировать форму с учетом последующей механической обработки, чем пытаться получить идеальную деталь сразу из пресса.

Мысли о рынке и будущем

Смотрю на рынок: многие ищут дешевый материал. Но в изоляции дешевое — это часто дорогое. Отказ оборудования из-за пробоя изоляции обходится на порядки дороже. Поэтому ценю подход компаний, которые не гонятся за удешевлением любой ценой, а фокусируются на стабильности параметров. Вот, например, если взять сайт https://www.syshongcheng.ru, видно, что ООО Шаоян Хунчэн Изоляционный Картон позиционирует себя именно как специалист по электротехническому картону и формовым изделиям. Это разумная специализация. Пытаться делать все — и толстые картоны, и тонкие бумаги, и композиты — часто ведет к потере качества в чем-то одном.

Что будет дальше? Давление на экологичность. Требования к биоразлагаемости или перерабатываемости изоляции. Это новый вызов для процесса изготовления изоляционных материалов. Придется пересматривать и состав связующих, и сами волокна. Возможно, вернется интерес к хлопковому линтеру или другим натуральным волокнам с длинными и прочными фибриллами, но уже на новом технологическом уровне.

И конечно, запрос на материалы для новых областей — мощная силовая электроника, электромобили, ВИЭ. Там другие температурные режимы, другие частоты, другие среды (например, охлаждающие жидкости вместо масла). Под это нужно адаптировать и бумажную изоляцию, искать новые пропитки, новые способы армирования. Это не быстрый процесс. Он требует не только денег, но и терпения, и готовности к тому, что большинство экспериментов закончатся ничем. Но без этого — никак. Стоять на месте в этом деле — значит отстать навсегда.