CC BY
3УДК 621.315.337.4
Жирикова З. М., Алоев В. З.
Zhirikova Z. М., Aloev V. Z.
ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО СТАРЕНИЯ НА РЕЛАКСАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ЭМАЛЕВОЙ ИЗОЛЯЦИИ КО-89
IMPACT OF THERMAL AGEING ON RELAXATION PROPERTIES OF ENAMEL ISOLATION KO-89
Исследованы релаксационные свойства эмали КО-89 в зависимости от времени и температуры теплового старения. Релаксационные свойства эмалевой изоляции КО-89 исследовали с помощью диэлектрического метода, обусловленное применением их в качестве электроизоляционных материалов. Испытание на тепловое старение проводили в термошкафах при температурах 170, 200, 250, 275 С. Максимальная температура испытаний была меньше на 30-50 С температуры начала разложения, определяемого по результатам дифференциально-термического (ДТА) и термогравиметрическо-го(ТГА) анализа исходного полимера.
Релаксационные процессы в полимерах проявляются в виде максимумов на температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь ^д). На температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь ^д) исходной эмали КО-89 наблюдается максимум при температуре 120 "С, связанный с ди-польно-групповым процессов. Аналогичные максимумы наблюдаются и на других образцах эмали КО-89, подвергнутых теплостарению при температуре 170, 200, 250, 275 "С. По результатам проведенных исследований построены графики зависимости температуры дипольно-группового процесса (Тдг) от времени теплового старения при разных температурах.
Анализ полученных результатов показывает, что в процессе теплового старения на начальных стадиях преобладают физические процессы старения, сопровождающиеся процессами переноса вещества через эмалевую изоляцию, связанное с десорбцией материала практически важных примесей.
Увеличение продолжительности теплового старения приводит к завершению процессов физического старения и к началу длительного процесса химического старения, сопровождающегося деструктивными явлениями в эмалевой изоляции.
Relaxation properties of KO-89 enamel depending on time and temperature of thermal aging are investigated. Relaxation properties of enamel isolation KO-89 are investigated by means of a dielectric method, caused by their application as electrical insulation materials. Test for thermal aging was carried out in thermocases at temperatures of 170, 200, 250, 275 C. The maximum temperature of tests was 30-50 C temperatures less than the beginning of the decomposition determined by results of differential and thermal (DTA) and the thermo-gravimetric (TGA) analysis of initial polymer.
Relaxation processes in polymers are shown in the form of maxima on temperature dependence of a tangent of angle of dielectric losses (tgd). On temperature dependence of a tangent of angle of dielectric losses (tgd) of initial KO-89 enamel the maximum at a temperature of 120 C connected with dipolar and group processes is observed. Similar maxima are observed also on other samples of KO-89 enamel subjected to heatageing at a temperature of 170, 200, 250, 275 C. By results of the conducted researches schedules of dependence of temperature of dipolar and group process (Тдг) from time of thermal aging at different temperatures are constructed.
The analysis of the received results shows that in the course of thermal aging at initial stages the physical processes of aging which are followed by processes of transfer of substance through enamel isolation, connected with a desorption of material of almost important impurity prevail.
Increase in duration of thermal aging leads to completion of processes of physical aging and the beginning of long process of the chemical aging which is followed by the destructive phenomena in enamel isolation.
Ключевые слова: эмалевая изоляция, релаксационные свойства, диэлектрические потери, дипольно-групповой и дипольно-сегментальный процессы, химическое и тепловое старение, деструкция, свободный объем.
Key words: enamel isolation, relaxation properties, dielectric losses, dipolar and group and dipolar and segmental processes, chemical and thermal aging, destruction, free volume.
Жирикова Заира Муссовна -
старший преподаватель кафедры «Техническая механика и физика», ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ, г. Нальчик Тел.: 8 928 703 92 20 E-mail: zaira.dumaeva@mail.ru
Алоев Владимир Закиевич -
доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техническая механика и физика», ФГБОУ ВО Кабардино-Балкарский ГАУ, г. Нальчик Тел.: 8 928 08146 00 E-mail: aloev56@list.ru
Zhirikova Zaira Mussovna -
Senior Lecturer of the Department «Technical Mechanics and Physics», FSBEI HE Kabardino-Balkarian SAU, Nalchik Tel.: 8 928 703 92 20 E-mail: zaira.dumaeva@mail.ru
Aloev Vladimir Zakievich -
Doctor of Chemical Sciences, Professor, Head of the Department of Technical Mechanics and Physics, FSBEI HE Kabardino-Balkarian SAU, Nalchik
Tel.: 8 928 08146 00 E-mail: aloev56@list.ru
Введение. Одним из важных факторов, определяющих надежность эксплуатации электрических машин, является качество эмалевой изоляции [1, 2]. Большинство отказов электродвигателей происходят из-за повреждений изоляции обмоток. Разнообразны причины, приводящие к уменьшению надежности и долговечности изоляции. Основной из них является нагрев изоляции обмоток электродвигателей, возможный за счет разности между потребляемой и отдаваемой электрической машиной энергией.
Структура эмалевой изоляции является термодинамически неравновесной, поэтому даже в отсутствие химических превращении в них протекают релаксационные процессы, представляющие собой чисто физическое старение [3].
В связи с этим, целью настоящей работы является исследование влияния теплового старения на релаксационные свойства эмалевой изоляции.
Методы и объекты исследования. В качестве объекта исследования использована полимерная эмаль КО-89, представляющая собой суспензию пигментов и наполнителей в кремнийорганическом лаке.
Испытание на тепловое старение проводили в термошкафах при температурах 170, 200, 250, 275°С. Максимальная температура испытаний была меньше на 30-50°С температуры
начала разложения, определяемого по результатам дифференциально-термического (ДТА) и термогравиметрического(ТГА) анализа исходного полимера. Минимальная температура испытаний определялась по формуле [3]:
Tmin Tmax kiа•
где:
Ттах - максимальная температура испытаний;
^ - число дискретных температур;
а - температурный интервал (20-30 К).
Образцы в количестве, необходимом для каждого съема, помещали в герметические ампулы (контейнеры). Отношение объема образцов к свободному объему ампулы после заполнения его образцами соответствовало значению не менее 2,0.
Исследование релаксационных свойств эмалевой изоляции КО-89 проводили с помощью диэлектрического метода [4]. Использование диэлектрического метода обусловлено применением их в качестве электроизоляционных материалов.
Измерение диэлектрической проницаемости (в) и диэлектрических потерь 0®5) проводили с помощью измерителя добротности ВМ-560 фирмы «Тесла» на частоте 800 кГц в соответствии с ГОСТ 22372-77. Погрешность измерений составляла 5 и 10% для в и соответственно.
Результаты исследования. Известно, что релаксационные процессы в полимерах проявляются на температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь (tg5) в виде соответствующих максимумов. Максимумы диэлектрических потерь на графиках tg5 = f(t) соответствуют дипольно-сегментальному (а-процесс) и дипольно-групповым процессам (ß-, у-, 5- процессы) [5, 6 ]. Дипольно-сегмен-тальный процесс обусловлен движением сегментов полимерной цепи. Дипольно-груп-повые процессы обычно связаны с движением боковых групп или небольших элементов основной цепи.
Одним из важных характеристик релаксационных процессов является температурное положение и высота максимума диэлектрических потерь. Температурное положение максимума диэлектрических потерь характеризует начало проявления дипольно-групповой или дипольно-сегментальной подвижности.
На рис. 1-5 представлены зависимости тангенса угла диэлектрических потерь (tg5) от температуры для эмали КО-89, подвергнутой теплостарению при температурах 170, 200, 250, 275°С в течение длительного времени. Как видно из рис. 1, зависимости тангенса угла диэлектрических потерь (tg5) исходной эмали КО-89 (кривая 1) от температуры наблюдается максимум при температуре 120°С, связанный с дипольно-групповым процессом (ß-процесс). Аналогичные максимумы наблюдаются и для других образцов эмали КО-89, подвергнутых теплостарению при температурах 170, 200, 250, 275°С. Можно видеть, что на зависимости тангенса угла диэлектрических потерь (tg5) от температуры для эмали КО-89, подвергнутой теплостарению при температуре 170°С (кривая 2), увеличение времени теплостарения приводит к уменьшению температурного положения этого максимума и увеличению его высоты. По результатам проведенных исследований построены графики зависимости температуры дипольно-группового процесса (Тдг) от времени теплового старения при температурах 170, 200, 250, 275°С (рис. 6). Как видно из рис. 6, кривые изменения Тдг от времени теплового старения при температурах 170, 200, 250°С сим-батны друг другу, их можно разделить на две области. Первая область (до 1000ч.) характеризуется быстрым уменьшением, а вторая -медленным увеличением температуры ди-
польно-группового процесса. При температуре теплового старения 275°С зависимость Тдг от времени антибатна зависимостям при других температурах, т.е в начале старения происходит небольшое увеличение температуры Тдг (до 1000 ч.), а затем её уменьшение.
Рисунок 1 - Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь д эмали КО-89, подвергнутой теплостарению при температуре 170°С в течение различного
времени, ч: 1 - исходный; 2 - 1000; 3 - 2000; 4 - 3000; 5 - 4000;6 - 5000;7 - 6000
Рисунок 2 - Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь 1ёд эмали КО-89, подвергнутой теплостарению при температуре 200°С в течение различного времени, ч:
1 - исходная; 2 - 1000; 3 - 2000; 4 - 3000; 5 - 4000
Рисунок 3 - Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь эмали КО-89, подвергнутой теплостарению при температуре 250°С в течение различного времени, ч: 1 - исходная; 2 - 1000; 3 - 2000; 4 - 3000; 5 - 4000
Рисунок 4 - Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь эмали КО-89, подвергнутой теплостарению при температуре
275°С в течение различного времени, ч: 1 - исходная; 2 - 500; 3 - 1000; 4 - 2000; 5 - 2500
Рисунок 5 - Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь эмали КО-89, подвергнутой теплостарению при температуре 275°С в течение различного
времени, ч: 1 - исходная; 2 - 3000; 3 - 3500; 4 - 4000;
5 - 4500;6 - 5000
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что процесс теплового старения делится на две области [7], т.е. до времени старения 1000ч действует один механизм старения, а свыше 1000 ч. другой.
Наряду с процессом деструкции увеличение температуры старения способствует образованию дополнительных поперечных связей [3], что уменьшает скорость понижения температуры максимума tg¿ с увеличением времени старения при температурах 200, 250 и 275°С. При этом уменьшается также скорость образования дипольных групп. Об этом свидетельствует снижение высоты максимума.
Рисунок 6 - Зависимость температуры дипольно-группового процесса (Тдг) от времени теплового
старения при температурах 170, 200, 250, 275°С
Выводы. Анализ полученных результатов показывает, что в процессе теплового старения эмалевой изоляции КО-89 происходят физические и химические процессы. На начальных стадиях (до 1000ч) теплового старения продолжительность, которой тем больше, чем ниже температура старения преобладают физические процессы (физическое старение). Физическое старение сопровождается процессом переноса вещества через эмалевую изоляцию, связанное с десорбцией из материала практически важных примесей (красителей, стабилизаторов, пластификаторов). Это приводит на первом этапе физического старения к увеличению концентрации свободного объема. Увеличение свободного объема способствует увеличению молекулярной подвижности, а значит и к понижению температуры проявления дипольно-группового процесса (Р - процесса). На последующих этапах
теплового старения происходит уменьшение скорости образования свободного объема и увеличение скорости структурирования, что приводит к незначительному увеличению температуры проявления дипольно-груп-пового процесса. Дальнейшее увеличение продолжительности теплового старения приводит к завершению процессов физического старения и началу длительного процесса химического старения, сопровождающегося деструктивными явлениями в эмалевой изоляции. Чем выше температура теплового старения, тем больше скорость физического старения и тем раньше начинаются деструктивные процессы. Полученные результаты находят подтверждение в работах других авторов [8] по изучению механизма теплового старения пленок ПТМСП методом аннигиляции позитронов.
Литература
1. Гладков А.З. Электроизоляционные лаки и кампаунды. М.: Энергия, 1973. 248 с.
2. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. М.: Энергия, 1976. 320 с.
3. Эмануэль Н.М., Бучаченко А.Л. Химическая физика старения и стабилизации полимеров. М.: Наука, 1982. 359 с.
4. Сажин Б.И. Электрические свойства полимеров. Л.: Химия, 1991. 192 с.
5. Бартенев Г.М., Френкель С.Я. Физика полимеров. Л.: Химия, 1990. 430 с.
6. Алоев В.З., Жирикова З.М. Применение метода релаксационной спектрометрии для исследования молекулярной подвижности в полимерных материалах // Актуальные проблемы и инновационные технологии в отраслях АПК: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 35-летию Кабардино-Балкарского ГАУ. Нальчик, 2016. С. 37-61.
7. Алоев В.З., Жирикова З.М. Влияние длительного термостарения на диэлектрические свойства электроизоляционных материалов // Символ науки. 2016. №3. С. 41-43.
8. Nagai K., Higuchi A., Nakagawa T.J. Polym. Sci. // Polym. Phys. 1995. V. 33. №2. P. 289.
References
1. Gladkov A.Z. Elektroizoljatsionnye laki i kampaundy. M.: Energiya, 1973. 248 s.
2. Koritskij Ju.V. Elektrotekhnicheskie ma-terialy. M.: Energiya, 1976. 320 s.
3. Emanuel N.M., Buchachenko A.L. Khimi-cheskaya fizika stareniya i stabilizatsii polime-rov. M.: Nauka, 1982. 359 s.
4. Sazhin B.I. Elektricheskie svojstva poli-merov. L.: Khimiya, 1991. 192 s.
5. Bartenev G.M., Frenkel S.Ya. Fizika po-limerov. L.: Khimiya, 1990. 430 s.
6. Aloev V.Z., Zhirikova Z.M. Primenenie metoda relaksatsionnoj spektrometrii dlya issle-dovaniya molekulyarnoj podvizhnosti v poli-mernykh materialakh // Aktualnye problemy i innovatsionnye tekhnologii v otraslyakh APK: materialy mezhdunarodnoj nauchno-prakti-cheskoj konferentsii, po-svyaschennoj 35-letiyu Kabardino-Balkarskogo GAU. Nalchik, 2016. S. 37-61.
7. Aloev V.Z., Zhirikova Z.M. Vliyanie dli-telnogo termostareniya na dielektricheskie svojstva elektroizolyatsionnykh materialov // Simvol nauki. 2016. №3. S. 41-43.
8. Nagai K., Higuchi A., Nakagawa T.J. Polym. Sci. // Polym. Phys. 1995. V. 33. №2. P. 289.
