1. Электроизоляционные смолы

Смолы - обширная группа материалов, характеризующаяся как некоторым сходством химической природы (это сложные смеси органи­ческих веществ, глазным образом, высокомолекулярных), так и некото­рыми общими для них физическими свойствами.

Применяемые в электротехнике смолы большей частью нераство­римы в воде и малогигроскопичны, но растворимы в близких по хими­ческой природе органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твердое, прочно прилипают к соприкасающимся с ними твердыми телами.

Смолы широко применяются в виде важнейшей составной части лаков, компаундов, пластмасс, пленок, искусственных и синтетичес­ких волокнистых материалов.

По своему происхождению смолы делятся на природные, искусственные и синтетические.

Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (например, шеллак) или растений смолоносов (канифоль): их получают в готовом виде и подвергают операциям очистки, переплавки.

Синтетические смолы - наиболее широко распространены в электрической изоляции. Синтетические смолы могут быть полимеризационные и конденсационные.

Полимеризация – химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получается высокомолекулярное соединение без изменения химического состава вещества.

Поликонденсация – это химическая реакция между однородными низкомолекулярными соединениями.

Смолы (как и другие соединения) могут классифицироваться по их поведению при нагревании на термопластичные и термореактивные. Термопластичные смолы при нагревании плавятся, а при охлаждении снова затвердевают. При повторных нагреваниях они не теряют способность плавиться и растворяться в тех же растворителях, что и до нагревания. К ним относятся, как правило, полимеризационные смолы. Термореактивные смолы при нагревании плавятся, но при выдержке при высокой температуре затвердевают и уже не плавятся и не размягчаются при повторном нагревании. При этом теряется их способность растворяться в тех же растворителях, что и исходная смола. При нагревании в них происходит поперечная сшивка. Придающая всей молекуле жесткость.

Кроме полимеров с поперечностными сетчатными и пространственными молекулами, имеются полимеры с длинными молекулами без поперечных сшивок. Они называются линейными (например, полистирол при коэффициенте полимеризации равном 6000 длина молекулы в поперечном размере меньше).Эти полимеры более гибки и легко растворимы. Из них делают пленки и волокна.

Недостаток конденсационных смол - при их отверждении происходит выделение воды или других низкомолекулярных веществ, остатки которых могут ухудшить электроизоляционные свойства смолы.

Рассмотрим свойства основных синтетических смол.

1.1. Термопластичные смолы

К важнейшим термопластичным смолам относятся неполярные и слабополярные пластичные полимеры. Их характеризует высокие электрические свойства негигроскопичность, независимость электрических свойств от влаги, высокая химическая стойкость, широкий диапазон частот электрического поля. Самые распространенные: полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт – 4).

Полиэтилен используется в четырех модификациях – высокого давления, низкого давления, вспененный и сшитый.

Получают путем полимеризации этилена: при высоком давлении (до 300 МПа) и температуре 200°С-ПЭВД (высокого давления); при низком давлении (0,5 МПа) и температуре 80°С-ПЭНД (низкого давления); при среднем давлении (5 МПа), температуре 160-275 ⁰С.

Основные характеристики: плотность-0,97 Мг/м³; прочность-до 33 МПа; нагревостойкость - до 90⁰C; холодостойкость -до -65°С); диэлектрическая проницаемость-до 2,4; тангенс угла диэлектрических потерь - 5 10 ^-4; электрическая прочность - до 20МВ/м.

По электроизоляционным свойствам они примерно одинаковы, од­нако технология переработки ПЭД б изделия значительно легче техно­логии переработки полиэтилена других типов. Нагревостойкость полиэтиленов низкая, резко снижаются механическая прочность, происходит старение. Полиэтилены НД и СД отличаются от полиэтилена ВД большей плотностью, повышенной механической прочностью и большей жесткостью, но они менее устойчивы к тепловому старению.

Облученный в деформированном состоянии полиэтилен обладает весьма интересной способностью при умеренном нагреве восстанавли­вать размеры и форму изделия, которая существовала до облучения - термоусадка.

Такие изделия - электроизоляционные трубки и муфты, герметич­ные покрытия обмоток после монтажа. и последующего нагрева дают за­метную усадку и изоляция плотно обжимает проводники, находящиеся внутри её. Намотка из нескольких слоев, облученной полиэтиленовой пленки после термоусадки становится практически монолитной, т.к. отдельные слои соединяются друг с другом.

Помимо облучения возможен химический способ получения полиэти­лена пространственного строения. Следует заметить, что все полиэти­леновые изделия нестойки к солнечному свету. Для повышения свето­стойкости вводят сажу, но она снижает эл. изоляционные свойства.

Полиэтилен - термопластичный материал. Он поступает на заводы в виде гранул. Изделия из них получают методом литья под давлением, горячим прессованием и методом экструзии при нанесении полиэтиленовой изоляции на провод, а также при изготовлении изоляционных шлангов и трубок. Из полиэтилена ВД получают электроизоляционные полупрозрачные пленки толщиной от 30 до 200 мкм и шириной от I до 1,5 м. Из более твердых сортов полиэтилена (СД и НД) изготавливают негибкие электроизоляционные изделия: каркасы катушек, платы и др. При ком­натной температуре полиэтилены не растворяются ни в одном из раство­рителей. Только при температуре 70°С и выше они растворяются в ксилоле, четыреххлоридном углероде и минеральных маслах.

Поведение в пламени: при поджигании полиэтилен горит синева­тым пламенем без копоти, распространяя запах горящего парафина; при горении от полиэтилена. легко отделяются прозрачные капли распла­ва. Стоит по объему производства на втором месте после поливинилхлорида. Пригоден для изоляции жил кабелей, эксплуатируемых в воде и как защитный материал. Относительно дешев.

Полистирол получают путем полимеризации стирола. Основные ха­рактеристики: плотность - 1,05 Мг/м³; прочность - до 60 МПа; нагревостойкость - до 80°С; холодостойкость - до (-60°С); диэлектрическая проницаемость - 2,4; тангенс угла диэлектрических потерь - до 4 10^-4; электрическая прочность - до 30 МВ/м.

Полистирол - термопластичный диэлектрик, размягчающийся при 110 - 120°С. Растворяется в неполярных растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле, четыреххлористом углероде и др. Имеет отличные электрические свойства, высокую стойкость к влажности и низкую цену.

Из полистирола изготовляют каркасы катушек, изоляционные пане­ли, основания и изоляторы для измерительных приборов. Экструзией можно получить гибкие полистирольные пленки толщиной от 20 до 100 мкм и шириной до 300 мм. Для изоляции жил высокочастотных кабелей в производстве изоляторов. Недостаток - хрупкость, т.е. низкая ударная вязкость и склонность к растрескиванию.

Ударопрочный полистирол - смесь полистирола с синтетическими каучуками. Ударная вязкость увеличивается в два раза, а диэлектрическая проницаемость - в 1,5 раза.

Поведение в пламени: при нагреве до 150°С становится каучуко - подобным, при 300°С разлагается с образованием стирола. Загорает­ся легко, горит сильно коптящим пламенем.

Политетрафторэтилен (фторопласт-4, фторлон-4, тефлон и др.) Значительным достижением в области разработки нагревостойких диэлектриков явилось получение твердого высокополимерного материала. Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Получается в ре­зультате полимеризации тетрафторэтилена.

Основные характеристики: плотность-2,1 Мг/м³; прочность до 30 МПа; нагревостойкость-25О°С; холодостойкость-(-2б9°С); диэлектри­ческая проницаемость-2,0; тангенс угла диэлектрических потерь-2,4 10^-4; электрическая прочность-до 30 МВ/м, а у пленок до 180 МВ/м, при 415°С - термическое разложение.

Химическая стойкость - не растворяется ни в одном из растворителей, как при комнатной температуре, так и при нагреве. Нa него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощаемость равна нулю и он не смачивается водой. Электрические характеристики стабильны в широком диапазоне частот.

Недостатки: текучесть при комнатной температуре, т.е. он начинает деформироваться при напряжениях в материале от 130 10⁵ Н/м² и выше; малая радиационная стойкость; низкая короностойкость.

По электроизоляционным свойствам принадлежит к лучшим, диэлектрикам. Ограничен высокой стоимостью и сложностью технологии изготовления. По хим. стойкости превосходит золото и платину.

Из него получают листы, гибкие пленки, изоляцию кабельных изделий: и др. Его применяют в особо ответственных случаях - при одновременном воздействии на изоляцию высоких или низких температур, химичес­ки активных сред, влаги и т.п.

Поведение в пламени: не горит и не плавится. При температуре плавления теряет кристалличность, становится прозрачным, а при 415⁰ начинает разлагаться.

Политрифторхлорэтилен (фторопласт-3) является дешевым заменителем фторопласта 4. Он полярен, имеет худшие электрические свойства и более низкую нагревостойкость.

Перспективным заменителем фторопласта-4 является полифенилепоксид. У него лучшие механические свойства, легко обрабатывается. Из него можно сделать тонкостенные детали сложной формы, используется для пропитки и поверхностной защиты.

Поливинилкарбазол по свойствам аналогичен полиэтилену, но превосходит его по нагревостойкости.

Полизобутилен используется для изоляции высокочастотных кабелей и как компонент электроизоляционной смеси и каучуков.

Поливинилхлорид (ПВХ) является самым старым синтетическим высокомолекулярным материалом, его изготавливают с 1930 года. ПВХ получается в результате полимеризации винилхлорида. На основе поливинилхлорида выпускается два вида материалов: поливинилхлоридный пластикат (мягкий эластичный) и винипласт (жесткий).Поливинилхлоридный пластикат. Гибкий, эластичный материал в виде лент толщиной от 0,8 до 2, 5 мм и шириной до 400 мм в рулонах. Листовой пластикат - изготовляют 15 мм толщиной, размеры листов 600 х10О мм. Основные характеристики: плотность - до 1,7 Мг/м³ прочность - до 50 МПа; нагревостойкость - до 70°С; температура разложения 220⁰С; диэлектрическая проницаемость - до 6; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,1; электрическая прочность - 20 МВ/м.

Винипласт - твердый, жесткий материал, получаемый горячим прессованием. Основные характеристики: плотность-1,4 Мг/м²; прочность - до 50 МПа; нагревостойкость - до 70°C; холодостойкость до (-25°С); диэлектрическая проницаемость - до 4; тангенс диэлектрических потерь - до 0,02; Электрическая прочность - до 22 МВ/м.

Изготавливают листы, трубы, пластины, стержни, баки для аккумуляторов и различные изоляционные детали (платы и др., стойкие к ударным нагрузкам). Хорошо обрабатывается резанием, сваривается и склеивается. Недостатки: малая тепло- и холодостойкость, разлагается при температуре 180°С.

Поведение в пламени: горит в пламени, при выносе из пламени прекращает горение.

Полиметилметакрилат – (плексигласс, орг.стекло, полиакрилат) высокополимерный термопластичный материал. Смесь исходных компонентов перемешивают в формы при температуре до 120°С. После охлаждения в форме получают листы толщиной от 0,8 до 24 мм и пластины от 400х500 мм² до 1400х1600 мм². Орг. стекло - материал аморфного cтроения. Оно обладает высокой оптической прозрачностью (пропускает до 92% лучей видимой области спектра).

Основные характеристики: плотность - 1,2 Мг/м ; прочность - до 70 Мпа; нагревостойкость - до 90°С; холодостойкость - до (-60°С); диэлектрическая проницаемость - 3,6; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,06; электрическая прочность – 18 МВ/м.

Орг.стекло устойчиво к разбавленным кислотам и щелочам, бензину и минеральным маслам. Растворяется в бензоле, толуоле, ксилоле, хлорбензоле, ацетоне.

В нагретом состоянии при температуре 140°С, легко формуется, хорошо

обрабатывается резанием, склеивается дихлорэтановым клеем (15г. стружки на 100 г. дихлорэтана). Сваривается под давлением при температуре 140-150°С. Дугогасящий материал -при воздействии электрической дуги выделяет большое количество газов (СО,Н₂, СО₂, пары Н₂О). Применение: как конструкционный материал из- за полярности и разрядники высокого напряжения. Поведение в пламени: горит желтым, с синеватой каймой у краев, пламенем с характерным потрескиванием, без копоти, распространяя ароматный запах продук­тов разложения.

Полиамидные смолы отличаются наибольшей из всех органических материалов нагревостойкостью и негорючестью, могут работать при температуре до 315°С. Имеют выдающиеся механические свойства (стойкость фенилона российского производства имеет стойкость к истиранию в 25 раз выше стойкости бронзы и в три раза выше стойкости подшипникового металла). Используется для изготовления лаков и пленок. Их недостатком является большая гигроскопичность. Они улучшают механические свойства лаков за счет ухудшения электрических.

Перспективными материалами являются ароматические полиамиды, поликрилаты, ароматические полисульфоны и полибензидазолы.

Полиамиды широко применяются для изготовления синтетических волокон, гибких пленок и пластических масс. Полиамидные смолы обла­дают относительно высокой гигроскопичностью малой радиационной стойкостью, низкой светостойкостью и, легко деформируются при повы­шенных температурах. В нашей стране широко применяются поликапроамид-капрон. Капрон - синтетический материал, получаемой в результате полимеризация капролактама, устойчив против плесневых грибков, но неустойчив к атмосферным воздействиям, для повышения которой вводят стабилизаторы; у него наблюдается деформация (холодная текучесть под действием постоянной нагрузки).

Капроновое волокно обладает высокой механической прочностью и стойкостью к истиранию. Основные характеристики: температура плавления 215⁰ С; плотность – 1,1 Мг/м; прочность - до 90 МПа; нагревостойкость - до 120°С; диэлектрическая проницаемость - 4,0; тангенс угла диэлектрических потерь - 0,04; электрическая прочность - до 20МВ/м.

Применение: капроновое волокно - в электрической изоляции обмо­точных и некоторых типов монтажных проводов, а также в качестве ос­новы электроизоляционных лакированных тканей; электромонтажные и конструкционные детали.

Поведение в пламени: при нагревании слабо размягчается, затем плавится при температуре 215°С. Горит без копоти с образованием темнеющей зоны расплава, при горении распространяется неприятный "мышиный" запах.

Полиэтилентерефтолат (лавсан) – линейный полиэфир имеет хорошие механические, электрические и химические свойства, нагревостойкость до 150°С, но не выносят присутствия влаги и высокой температуры. Лавсан - прозрачный высокополимерный диэлектрик.

Основные характеристики: плотность 1,45 Мг/м; нагревостойкость до 100°С; холодостойкость до (-60°С); прочность до 70 МПа; тангенс угла электрических потерь 0,06; диэлектрическая проницаемость 3,5; электрическая прочность до150 МВ/м.

Лавсановые пленки стойки к растворителям, к плесневым грибам и влаге. Они нестойки к электрической короне. При длительном нахождении в трансформаторном масле при 110-120°С пленки охрупчиваются. Применяется в виде текстурованных волокон и пленок до двух мкм, а также изготовление лаков, изоляции проводов и пазовой изоляции электродвигателей серии 4А и АИ.

Линейные полиуретаны имеют лучшие электрические свойства, чем полиамиды, при равноценных механических свойствах. Используются для изготовления изоляции кабелей, в смеси с другими материалами, в электроизоляционных лаках и клеях.

Триацетатцеллюлозы, ацетобутиратцеллюлозы и этиленцеллюлоза используются для изоляции электродвигателей