Embed Size (px)
Citation preview
1
Dijana Vrsaljko [email protected] Veronika Haramija [email protected] Vedran Đurina
[email protected] KONČAR-Institut za elektrotehniku d.d.
PRIMJENA METODE KONTAKTNOG KUTA NA IZOLACIJSKOM KRAFT PAPIRU
SAŽETAK
U radu je istražena primjenjivost metode određivanja kontaktnog kuta s tri ispitne kapljevine na izolacijskom Kraft papiru kao dodatnog parametra za procjenu stanja papira na temelju površinskih karakteristika. Metoda određivanja kontaktnog kuta koristi se za kontrolu kvalitete tiskarskog odnosno kancelarijskog papira. U literaturi nije pronađen niti jedan rad o primjeni metode kontaktnog kuta za karakterizaciju izolacijskog papira koji se koristi u elektroindustriji odnosno u transformatorima.
Provedeni su laboratorijski testovi ubrzanog starenja izolacijskog Kraft papira u novom neinhibiranom transformatorskom ulju na temperaturi 120 °C. Praćena je promjena stupnja polimerizacije
papira (DP) i promjena kontaktnih kutova () mjerenih s tri kapljevine različitih polariteta: vodom,
formamidom i dijodometanom. Na temelju laboratorijskih istraživanja određene su korelacijske krivulje
između stupnja polimerizacije papira (DP) i kontaktnog kuta ().
Ključne riječi: Kraft papir, stupanj polimerizacije papira (DP), kontaktni kut (), izolacija
transformatora
APPLICATION OF THE CONTACT ANGLE METHOD ON INSULATING KRAFT PAPER
SUMMARY This paper investigates the applicability of the contact angle method with three test liquids on
insulating Kraft paper as an additional parameter for the assessment of paper condition on the basis of paper surface characteristics. The contact angle method is used for quality control of printing paper and paper used in offices. In literature review, there was no work found on the application of this method to characterize insulating paper used in the electrical industry and in transformers.
Laboratory accelerated aging tests on insulating Kraft paper in new uninhibited transformer oil at
a temperature of 120 °C were performed. Changes in the degree of polymerization (DP) and in contact
angles () measured with three liquids of different polarity: water, formamide and diiodomethane were
monitored. Based on laboratory results correlation curves between the degree of polymerization (DP)
and the contact angle () were determined.
Key words: Kraft paper, degree of polymerisation of paper (DP), contact angle (), transformer
insulation
11. savjetovanje HRO CIGRÉ Cavtat, 10. – 13. studenoga 2013.
HRVATSKI OGRANAK MEĐUNARODNOG VIJEĆA ZA VELIKE ELEKTROENERGETSKE SUSTAVE – CIGRÉ
D1-05
2
1. UVOD
Čvrsta izolacija energetskih transformatora je izgrađena od celuloze koja se koristi u raznim oblicima, kao što su papir, tvrdi papir i drvo. Celuloza je ugljikohidrat, polisaharid čiju strukturu čini niz glukoznih jedinica (C6H12O6) međusobno povezanih 1,4-glikozidnom vezom. Celuloza je prirodni polimer,
a srednja vrijednost broja glukoznih monomera vezanih u lanac naziva se stupanj polimerizacije (DP,
eng. Degree of Polymerisation). DP je mjera za dužinu lanca molekule celuloze i pokazatelj mehaničkih
svojstava papirne izolacije. DP je u direktnoj korelaciji s prekidnom čvrstoćom papira, mjere otpora papira
na vlačnu silu po jedinici širine. DP i prekidna čvrstoća se tijekom starenja smanjuju, a brzina ovisi o vrsti
papira i drugim čimbenicima (temperatura, sadržaj vode i dr.) [1], [2].
Novi izolacijski papir ima DP u rasponu od 1000 do 1600. Prema literaturi donja granica DP
vrijednosti ispod koje mehanička svojstva papira ne zadovoljavaju je 200. Stupanj polimerizacije papira određuje se viskozimetrijskom metodom prema normi IEC 60450 [3]. Mjerenje se provodi na novom papiru prije korištenja u transformatoru, a služi za kontrolu kvalitete papira i za određivanje početnog stanja, te na starom papiru iz transformatora u pogonu gdje služi za procjenu stanja ukupne papirne izolacije. Kao što je navedeno, tijekom starenja papira duljina lanaca celuloze se skraćuje i nastaju različitih razgradni produkti koje je moguće odrediti u ulju, a samim time dolazi i do promjena u strukturi papira i površinskih karakteristika.
U radu je istražena primjenjivost metode određivanja kontaktnog kuta s tri ispitne kapljevine na izolacijskom Kraft papiru kao dodatnog parametra za procjenu stanja papira na temelju površinskih karakteristika. Metoda određivanja kontaktnog kuta napredna je tehnika, a koristi se za kontrolu kvalitete tiskarskog odnosno kancelarijskog papira. U literaturi nije pronađen niti jedan rad o primjeni metode kontaktnog kuta za karakterizaciju izolacijskog papira koji se koristi u elektroindustriji odnosno u transformatorima.
Provedeni su laboratorijski testovi ubrzanog starenja izolacijskog Kraft papira u novom neinhibiranom transformatorskom ulju na temperaturi 120 °C. Praćena je promjena stupnja polimerizacije papira i promjena kontaktnih kutova mjerenih s tri kapljevine različitih polariteta: vodom, formamidom i dijodometanom. Na temelju laboratorijskih istraživanja određene su korelacijske krivulje između stupnja
polimerizacije papira (DP) i kontaktnog kuta ().
2. METODA ODREĐIVANJA STUPNJA POLIMERIZACIJE PAPIRA
Stupanj polimerizacije papira, DP, određuje se viskozimetrijskom metodom prema normi IEC
60450 [3]. Mjerenje se provodi na novom papiru prije korištenja u transformatoru i na starom papiru iz
transformatora u pogonu. Karakterizacija novog papira pomoću DP vrijednosti služi za kontrolu kvalitete
papira i za određivanje njegovog početnog stanja. DP vrijednost papira iz transformatora u pogonu daje
nam informaciju o stanju njegove ukupne papirne izolacije te služi za procjenu preostalog vijeka trajanja iste.
2.1. Princip metode
Uzorke papira koji su impregnirani transformatorskim uljem, a to su redovito uzorci uzeti iz transformatora u pogonu, potrebno je odmastiti prije ispitivanja. Odmašćivanje se provodi u Soxhletovoj aparaturi s n-heksanom. Papir se nakon odmašćivanja i isparavanja otapala mehanički usitnjava i otapa u smjesi otapala bakrov(II)etilendiamin (CED) : destilirana voda u omjeru 1:1. Paralelno se priprema i slijepa proba smjese otapala CED : voda u omjeru 1:1. Otopini papira i slijepoj probi mjeri se specifična viskoznost na 20 °C pomoću kalibriranog staklenog kapilarnog viskozimetra specificiranog normom ISO 3105 [4]. Iz dobivenih vrijednosti specifične viskoznosti izračunava se intrinzična viskoznost odnosno
granična vrijednost reducirane viskoznosti, a iz nje stupanj polimerizacije DP.
3. METODA ODREĐIVANJA KONTAKTNOG KUTA
Metoda određivanja kontaktnog kuta poznata je i normirana metoda kontrole kvalitete tiskarskog papira [5], [6]. Metodom se određuje svojstvo površinskog kvašenja papira i sposobnost papira da apsorbira propisanu kapljevinu, najčešće tintu propisanog sastava. Metoda kontaktnog kuta koristi se za
3
karakterizaciju različitih vrsta materijala (plastike, metala, gume, nanokompozita). Određivanjem kontaktnog kuta dobivaju se važne informacije o površinskim svojstvima materijala, o njihovoj hidrofobnosti i hidrofilnosti te o promjenama tih svojstava tijekom starenja.
3.1. Princip metode
Kap kapljevine smještena na supstrat: plastiku, metal, gumu, a u našem slučaju izolacijski Kraft papir. Ovisno o afinitetu prema supstratu, kapljevina će pokazati tendenciju da ostane kao kap s ograničenim područjem kontakta (kvašenja) ili će se razliti i pokriti krutu površinu kako je prikazano na slici 1.
Slika 1. Izgled kapi na supstratu ovisno o afinitetu kapi prema površini.
Svakoj međupovršini krutina-kapljevina, krutina-zrak ili kapljevina-zrak može se pripisati slobodna
energija međupovršine γ ili napetost međupovršine (solid-liquid γsl, solid-vapour γsv, odnosno liquid-
vapour γlv). Ako iz točke gdje se sastaju sve tri faze povučemo tangentu s rubom kapi tada će tangenta s
površinom krutine (supstrata) zatvarati kut koji nazivamo kontaktni kut ili kut kvašenja kako je prikazano
na slici 2. Kap kapljevine koju nanesemo na krutu površinu širit će se po njoj dok ne poprimi ravnotežni
oblik uz definirani kut . Pri tome će u stanju ravnoteže suma energija na graničnim površinama krutina-
kapljevina (γsl), kapljevina-zrak (γlv) i krutina-zrak (γsv) biti jednaka 0.
Slika 2. Kut kvašenja i sile površinskih napetosti između tri faze.
Iz slike 2 je vidljivo da su sile površinske napetosti u ravnoteži kada je:
(1)
a iz navedenog izraza (1) može se izračunati cos pomoću izraza (2):
(2)
Navedena jednadžba ravnoteže (1) naziva se Youngova jednadžba, gdje su:
γsv - slobodna energija međupovršine krutina-plin,
γsl - slobodna energija međupovršine krutina-kapljevina,
4
γv - slobodna energija međupovršine kapljevina-plin.
Slika 3. Oblik kapi vode na hidrofobnoj odnosno hidrofilnoj površini supstrata.
Ako je kut kvašenja veći od 90° smatra se da kapljevina loše kvasi ili ne kvasi supstrat i u
slučaju da se kao kapljevina koristi voda, supstrat koji ispitujemo definiramo kao hidrofoban (slika 3). Ako
je kut kvašenja manji od 90° smatra se da kapljevina dobro kvasi supstrat i u slučaju da se kao
kapljevina koristi voda, supstrat koji ispitujemo definiramo kao hidrofilan (slika 3) [7], [8]. 3.2. Određivanje kontaktnog kuta na Kraft papiru
U radu je istražena mogućnost primjene metode mjerenja kontaktnog kuta na izolacijskom Kraft papiru s ciljem praćenja mogućih promjena površinskih karakteristika papira izazvanih njegovim starenjem odnosno degradacijom. Kako bi se izazvalo starenje, a samim time promjene u strukturi i površinskih karakteristika Kraft papira, uzorci papira su ubrzano stareni u novom neinhibiranom ulju na temperaturi 120 °C. Tijekom starenja, na trakama Kraft papira mjeren je kontaktni kut s tri ispitne kapljevine različitih polarnosti (voda, formamid i dijodometan). Mjerenja su provedena na dostavnom stanju papira prije izlaganja temperaturi i periodički, nakon određenog vremena ubrzanog starenja. Prije mjerenja svi su uzorci papira dobro odmašćeni otapalom. Ispitan je i mogući utjecaj n-heksana na svojstva papira mjerenjem kontaktnih kutova na novom Kraft papiru prije i nakon tretiranja n-heksanom. Razlika u vrijednostima kontaktnih kutova prije i nakon tretiranja papira n-heksanom nije bilo. 4. REZULTATI ISPITIVANJA
Tijekom laboratorijskog starenja Kraft papira u ulju, uzorcima papira mjerene su DP vrijednosti i
kontaktni kutovi s tri ispitne kapljevine kako je opisano u poglavlju 2.1. i 3.2. Srednje vrijednosti dva
mjerenja DP i srednje vrijednosti pet mjerenja kontaktnih kutova dane su u tablici 1.
Tablica 1. Vrijednosti DP i kontaktnih kutova izmjerene na uzorcima Kraft papira tijekom ubrzanog
laboratorijskog starenja u ulju, na temperaturi 120 °C.
Vrijeme starenja (h)
DP voda formamid dijodometan
0 1242 51,3 39,2 45,4
72 801 68,7 49,0 33,9
120 653 70,3 57,6 36,9
144 699 77,1 65,2 35,1
168 - 66,8 66,6 37,9
240 - 78,8 63,5 36,9
264 - 95,2 74,8 39,6
288 500 88,4 71,5 37,2
312 464 98,9 81,7 43,6
336 389 94,8 72,9 34,7
408 403 103,6 77,8 40,8
5
Promjena vrijednosti kontaktnih kutova s vremenom starenja papira na temperaturi 120 °C
prikazana je na slici 4. Točke su srednje vrijednosti pet mjerenja kontaktnog kuta na Kraft papiru za tri
kapljevine, a linije su crte trenda ovisnosti dviju varijabli, kontaktnog kuta i vremena starenja.
Slika 4. Promjena kontaktnog kuta s vremenom starenja papira, na temperaturi 120 °C.
Rezultati prikazani na slici 4 ukazuju na značajan porast vrijednosti kontaktnog kuta s polarnim
kapljevinama (vodom i formamidom), dok se vrijednosti kontaktnih kutova s dijodometanom kao nepolarnom kapljevinom gotovo ne mijenjaju u ovisnosti o vremenu starenja papira.
Ovisnost kontaktnih kutova i stupnja polimerizacije papira prikazana je na slici 5. Vidljivo je da su vrijednosti kontaktnih kutova za vodu i formamid obrnuto proporcionalne stupnju polimerizacije papira. I u ovom slučaju, kao i kod ovisnosti kontaktnog kuta i vremena starenja, promjene kontaktnih kutova u
ovisnosti o DP vrijednosti papira su najmanje za dijodometan i moglo bi se reći da su konstantne.
Slika 5. Ovisnost kontaktnog kuta ( ) i stupnja polimerizacije Kraft papira (DP).
Linearnom regresijskom analizom ovisnosti kontaktnog kuta i stupnja polimerizacije papira (slika 5) dobivene su jednadžbe pravca za mjerenja provedena s vodom (3) i formamidom (4):
= -0,0592 DP + 119,76; R² = 0,8806 (3)
= -0,0481 DP + 95,361; R² = 0,8561 (4)
Iz dobivenih rezultata za vrijednosti kontaktnih kutova za vodu i formamid (slike 4 i 5) može se
zaključiti da površina papira starenjem postaje hidrofobnija, odnosno da postaje nepolarnija. Može se pretpostaviti da tijekom starenja papira dolazi do reakcija na hidroksilnim skupinama (-OH) unutar celuloznog lanca što ima za posljedicu smanjenje broja slobodnih -OH skupina koje su najzaslužnije za hidrofilnost površine materijala. Uslijed reakcija raste broj nepolarnih skupina koje su po svojoj prirodi
0
20
40
60
80
100
120
0 100 200 300 400 500
Ko
nta
ktn
i ku
t, ϴ
(°)
Vrijeme starenja (h)
Voda Formamid Dijodometan
0
20
40
60
80
100
120
200400600800100012001400
Ko
nta
ktn
i ku
t, ϴ
( )
DP
Voda Formamid Dijodometan
6
hidrofobnije, kao što su karbonilne skupine aldehida i ketona, čime se povećava hidrofobnost papira [9], [10]. 5. ZAKLJUČAK
Rezultati određivanja kontaktnog kuta na izolacijskom Kraft papiru pokazuju značajan porast vrijednosti kontaktnog kuta s polarnim kapljevinama, vodom i formamidom, dok se vrijednosti kontaktnih kutova s dijodometanom, kao nepolarnom kapljevinom, gotovo ne mijenjaju u ovisnosti o vremenu starenja papira. Iz dobivenih rezultata kontaktnih kutova mjerenih vodom i formamidom može se zaključiti da površina papira starenjem postaje hidrofobnija, odnosno nepolarnija.
Ovisnost stupnja polimerizacije papira i vrijednosti kontaktnog kuta za vodu i formamid je obrnuto
proporcionalna. Mjerenjem kontaktnog kuta pomoću vode i formamida može se procijeniti DP vrijednost
papira. Izmjerene vrijednosti daju informacije o stanju papirne izolacije i o očekivanoj vrijednosti DP
papira prilikom određivanja iste viskozimetrijskom metodom. Iz svega navedenog može se zaključiti da je metoda mjerenja kontaktnog kuta primjenjiva na
elektroizolacijskom Kraft papiru ubrzano starenom u laboratorijskim uvjetima. Primjenjivost metode na različitim vrstama izolacijskog papira, kao i na novom izolacijskom papiru prije i nakon tvorničkog sušenja aktivnog dijela transformatora biti će ispitana u budućim istraživanjima. 6. LITERATURA [1] T.A. Prevost, T.V. Oommen: Cellulose insulation in oil-filled power transformers: Part I – history
and development, IEEE Electr. Insul. M. 22, str. 28–35, 2006 [2] CIGRE Brochure 323, Working group D1.01.10, Ageing of cellulose in mineral-oil insulated
transformers, 2007 [3] IEC 60450:2004 Measurement of the average viscometric degree of polymerization of new and
aged cellulosic electrically insulating materials [4] ISO 3105 Glass capillary kinematic viscometers – Specifications and operating instructions [5] ASTM D 724-99 Standard Test Method for Surface Wettability of Paper (Angle-of-Contact Method) [6] ASTM D 5725 Test Method for Surface Wettability and Absorbancy of Sheeted Materials Using an
Automated Contact Angle Tester [7] D. Vrsaljko, Studij fenomena međupovršina u kompozitima i polimernim mješavinama, Doktorska
disertacija, Sveučilište u Zagrebu, Fakultet kemijskog inženjerstva i tehnologije, 2008 [8] R.J. Good: Contact angle, wetting, and adhesion: a critical review, in K. L. Mittal (Ed.): Contact
Angle, Wettability and Adhesion, VSP, Utrecht, str. 3-36, 1993 [9] J.M. Chalmers, P.R. Griffiths (Eds.): Handbook of vibrational spectroscopy, Vol. 3, John Wiley &
Sons Inc, str. 2956, 2002 [10] D.N. Hon, N. Shiraishi (Eds.): Wood and cellulosic chemistry, Marcel Dekker, New York, str. 493,
2000
