Izolacyjne materiały celulozowe

Izolacyjne materiały celulozowe stosowane w elektrotechnice dzieli się na bibułki, papiery i preszpany. Stosowane są one jako samodzielne elementy układów izolacyjnych, pracujących w oleju mineralnym lub syntetycznym oraz wykorzystywane są do wytwarzania materiałów złożonych, np. syconych żywicami materiałów warstwowych. Używane są jako podłoże, na którym naklejona jest folia elektroizolacyjna, płatki miki itp.

Ze względu na sposób wytwarzania wyróżnia się następujące materiały celulozowe:

• bibułkę kondensatorową,

• bibułkę do wyrobów mikowych,

• papiery nawojowe,

• papier do kabli elektroenergetycznych (kablowy),

• preszpan elektrotechniczny (twardy, normalny, żłobkowy, nasiąkliwy),

• preszpan formowalny, umożliwiający formowanie na mokro różnych elementów izolacyjnych (wyrób zagraniczny),

• preszpan modyfikowany (stabilizowany) chemicznie o zmniejszonej chłonności wilgoci i zwiększonej odporności cieplnej (wyrób zagraniczny).

Przeciętna celuloza techniczna zawiera 88%-96% tzw. alpha celulozy, której stopień polimeryzacji waha się w granicach od 800 do 1400. Pozostałą część stanowi tzw. hemiceluloza, o mniejszych cząsteczkach. Jej stopień polimeryzacji wynosi ok. 100.
Stosuje się dwa zasadnicze procesy otrzymywania celulozy: kwaśny (sufitowy) i ważniejszy zasadowy (siarczanowy sulfatowy).
W procesie kwaśnym otrzymywania materiałów celulozowych masę drzewną gotuje się w roztworze kwasu siarkowego H2SO3 (ściślej w roztworze siarczynu wapniowego z nadmiarem H2SO3).
Natomiast w procesie zasadowym używa się wodorotlenku sodu NaOH, którego ubytek uzupełnia się przez dodawanie innych czynników, np. Na2S. Proces ten w mniejszym stopniu uszkadza chemicznie cząstki celulozy, dzięki czemu otrzymana celuloza siarczynowa ma lepsze własności mechaniczne i jest mniej wrażliwa na starzenie. W związku z tym jest ona powszechnie stosowana w wyrobie papierów izolacyjnych.
Bardzo ważnym procesem podczas wyrobu papieru jest przemiał masy celulozowej, który ma na celu rozdrobnienie włókien. Następuje wówczas zmniejszenie długości włókien oraz ich rozdrobnienie. Przypadku bardzo rozdrobnionych włókien mówi się o przemiale tłustym, natomiast w przypadku włókien mniej rozdrobnionych, o przemiale chudym.
Rodzaj mielenia ma bardzo duże znaczenie z punktu widzenia własności mechanicznych i elektrycznych, dlatego jest bardzo ważnym czynnikiem podczas doboru odpowiedniego surowca. Wraz ze wzrostem tłustości miazgi przepuszczalność powietrza maleje, wzrasta ciężar właściwy, zmniejsza się zdolność nasycenia olejami i wzrasta stratność dielektryczna papieru.
Papier izolacyjny powinien być wykonany z celulozy świerkowej lub sosnowej, przerobionej przy pomocy procesu zasadowego i długotrwałego mielenia na chudo. Taka celuloza daje pewność dużej wytrzymałości mechanicznej papieru, dobrą nasiąkliwość i własności izolacyjne.

Wytrzymałość dielektryczna wyrobów celulozowych jest tym większa, im większy jest ich ciężar objętościowy, lepsza równomierność rozłożenia włókien (mniejsza przepuszczalność powietrza) oraz większa czystość (mniejsza przewodność wyciągu wodnego). Szczególnej czystości wymaga się od materiałów celulozowych przewidzianych do współpracy z olejami syntetycznymi (chlorowanymi dwufenylami).

Wytrzymałość dielektryczna (przy 50 Hz i udarowa) materiałów przesyconych olejem mineralnym, o zawartości wilgoci resztkowej pozostałej z procesu w granicach od 0,3 do ok. 3% może ulec zmniejszeniu do 10%. Większe zmniejszenie wytrzymałości obserwuje się przy zawartości wilgoci powyżej 3%.

W celu zapewnienia odpowiednio małej zawartości wody oraz uniknięcia wtrącin gazowych, izolację papierową suszy się i zalewa olejem pod próżnią (przynajmniej w ostatniej fazie przed nasyceniem). Parametry procesu suszenia dobiera się w zależności od rodzaju układu izolacyjnego i jego naprężeń roboczych.

Papiery izolacyjne mają naturalny żółtawy kolor, jednak nie bieli się ich z uwagi na chlor obecny we wszystkich czynnikach bielących, którego pozostałości zmniejszyłyby wytrzymałość mechaniczną i własności dielektryczne wyrobu.