3.2.2. Полярные термопласты

Для полярных термопластов характерны повышенные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, которые существенно зависят от температуры и частоты напряжения. Значения ρ и Е_пр у них ниже, чем у неполярных материалов.

Эти полимеры являются низкочастотными диэлектриками и применяются в электроустановках, работающих при постоянном напряжении или в области низких частот. Для них характерны следующие значения электрических характеристик: ε = 3–6, ρ= 10¹¹–10¹⁴ Oм•м, tgδ ≈ 10^─2; Е_пр и до 40 кВ/мм при h<< 1 мм; у пленок толщиной 0,02–0,1 мм Е_пр имеет значения 180 кВ/мм и выше. У слабополярных термопластов значение ρ выше, a tgδ ниже.

Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ) продукт полимеризации трифторхлорэтилена, белого цвета; общая химическая формула (—CF₂—CFCℓ—)_n. Плотность его составляет 2090–2160 кг/м³, степень кристалличности 40–70%, молекулярная масса (2–36)•10⁴ T_пл кристаллической фазы около 215°С, Т_с аморфной фазы 50°С. Практически не хладотекуч, не горюч; отечественное название фторопласт–3. В сравнении с фторопластом–4 имеет более низкую нагревостойкость, но более высокую эластичность и удельную ударную вязкость. Может эксплуатироваться без нагрузки в интервале температур от –195 до +190°С, под нагрузкой в пределах от –60 до +70°С. При температуре около 300°С разлагается и окрашивается от темно–коричневого до черного цвета.

ПТФХЭ слабополярный диэлектрик. Показатели его электрических характеристик несколько ниже, чем у фторопласта–4 [2], зато выше радиационная стойкость и более простая технология переработки. Электрические свойства выше 120°С существенно ухудшаются.

Применяют ПТФХЭ в кабельной технике и конденсаторостроении, а также для изготовления сложных по форме радиотехнических деталей, панелей ламп, гнезд и т.п.

Поливинилхлорид (ПВХ) полупрозрачный с желтоватым оттенком твердый продукт полимеризации винилхлорида; общая химическая формула (—СН₂—СНСℓ—)_n. Имеет широкое молекулярно–массовое распределение. Его плотность 1350–1360 кг/м³, молекулярная масса (5–10)•10⁴, степень кристалличности может достигать 10%, T_c = 78–105°С, Т_т= 180–220°С. При температуре 130–150°С начинается медленное, а при 170°С более быстрое разложение ПВХ, сопровождающееся выделением хлористого водорода НСℓ. Теплостойкость по Мартенсу 50–80°С, а холодостойкость менее –10°С. Практически не горюч (горит только в пламени с выделением НСℓ и Сℓ₂), стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Растворим при нагревании в тетрагидрофуране, циклогексаноне, ацетоне, метилэтилкетоне, 10%–м растворе перхлорвинила в метиленхлориде и др. [2]. Его электрические свойства зависят от температуры и частоты напряжения.

В связи с высоким значением Т_с при комнатной температуре ПВХ находится в стеклообразном состоянии. В таком виде он выпускается под названием винипласт. Это листовой или трубчатый материал, легко сваривается или склеивается, в том числе с металлами. Для снижения Т_с и придания ПВХ большей гибкости и эластичности его пластифицируют, для чего в него вводят до 50% соответствующего пластификатора (например, дибутилфталата или диоктилсебацината ). Пластфицированный ПВХ имеет Т_с около минус –40°С и используется для изготовления изоляции проводов, защитной оболочки кабелей и т.п. При содержании дибутилфталата в количестве 8–40 мас.% Е_пр ПВХ увеличивается на 15–18%. При меньшем и большем содержании пластификаторов E_пр ниже, чем у ПВХ не пластифицированного [2].

Для улучшения свойств ПВХ его в отдельных случаях подвергают дополнительному хлорированию. Такой материал называется перхлорвинилом (ХПВХ). Он содержит до 61,5–66% хлора (в ПВХ хлора 56,8%), растворим во многих растворителях: ацетоне, хлорбензоле, толуоле, ксилоле и др. Обладает повышенной адгезией к различным материалам, поэтому широко применяется для производства лаков, эмалей и клеев. Полимер эксплуатируется при температурах до 85°С. Имеет более низкую холодостойкость, чем ПВХ.

Полиамиды (ПА) продукты поликонденсации, для которых характерным является наличие в химических звеньях макромолекул амидной группы

Это полярная группа, которая в основном и определяет весь комплекс электрических свойств. В зависимости от степени чистоты исходных продуктов ПА имеет окраску от бесцветной до желто–коричневой. Полимер горит с запахом прелых овощей. Наиболее распространенными отечественными видами полиамидов являются капрон (полиамид–6) полимер ε–капролактама (общая химическая формула [—HN(CH₂)₅CO—]_n), и найлон (анид, полиамид–6,6) — получают путем поликонденсации гексаметилендиамина с адипиновой кислотой; при этом образуется полимер с общей химической формулой [─NH(CH₂)₆NH─OC(CH₂)₄CO─]_n и вода [2]. Структурную формулу капрона можно представить в упрощенной форме:

ПА имеют плотность 1120–1140 кг/м³, молекулярную массу (8–25)•10³, T_пл = 210–215°С, Т_хр≈ –30°С, у некоторых видов до 70°С. Они плавятся без разложения, отличаются высокой прочностью при ударных нагрузках (σ_уд = 98–157 кДж/м²) и эластичностью. Растворяются только в концентрированных серной, соляной, азотной и муравьиной кислотах, фенолах и амидах. Растворы щелочей разрушают их. ПА устойчивы к действию жиров, масел, продуктов перегонки нефти, спиртов. При нагревании на воздухе происходит окислительная деструкция, которая резко возрастает под действием солнечного света и УФ–лучей; физико–механические и электрические свойства при этом резко ухудшаются. ПА хорошо поддаются обработке резанием и горячим прессованием.

Электрические свойства ПА в значительной степени зависят от температуры, частоты напряжения и содержания влаги. Используют их для изготовления искусственных волокон, пластмасс, различных установочных и несущих элементов радиоаппаратуры. Входят ПА в состав некоторых компаундов, лаков и эмалей. В приборостроении применяют также и наполненные ПА. Для улучшения ряда физико–механических показателей, уменьшения водопоглощения и ТКЛР в ПА вводят такие наполнители, как тальк, аэросил, стеклянные волокна, графит и т.п. Из наполненных ПА изготавливают детали с жесткими размерами допусков, работающие в интервале температуры от 60 до +120°С.

Полиимиды (ПИ) группа полимеров, имеющих в химических звеньях молекулярных цепей имидную группу которая и определяет электрические свойства.

Это слабополярный диэлектрик с хорошими электрическими характеристиками, в качестве примера на рисунке показано одно звено полимерной цепи одного из полиимидов [6].

По химическому строению ПИ делятся на алифатические и ароматические, линейные и трехмерные. Плотность их равна 1430 кг/м³. Высокой степенью кристалличности (60% и более) обладают некоторые алифатические ПИ. Большинство ароматических ПИ аморфные вещества с различной степенью упорядочности. Молекулярная масса их достигает до 200 •10³, σ_уд = 50–80 кДж/м², T_С≈500°С. Материал негорюч, может иметь окраску от светло–золотистой (почти бесцветной) до темно–красной. Нагревостойкость длительная до 200–250°С и кратковременная до 500°С. Стоек к действию озона и облучению электронами высокой энергии. Не стоек к действию щелочей и некоторых органических веществ [2].

ПИ используют в производстве некоторых видов пластмасс, лаков, эмалированных проводов и т.п. Пленки из ПИ применяют в качестве пазовой и обмоточной изоляции электрических машин, в производстве кабелей, обмоточных проводов, печатных схем, конденсаторов и т.п.; они сохраняют гибкость при температурах вплоть до криогенных (195°С). Кроме пленок из одного полиимида, выпускают также пленки на основе ПИ, покрытые с одной или обеих сторон ПТФЭ. Монолитные изделия из ПИ получают по технологии, имеющей много общего с порошковой металлургией.

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) это сложный полиэфир этиленгликоля (двухатомного спирта) и терефталевой кислоты с общей химической формулой

Его получают путем поликонденсации, отечественное название лавсан, в Англии — терилен, в США — дакрон [2] . Способен кристаллизоваться, в аморфном состоянии совершенно прозрачен, в закристаллизованном утрачивает прозрачность. Его плотность равна 1380 кг/м³, молекулярная масса (5–8)•10⁴, Т_пл= 235–265°С, Т_с = 80–90°С, Т_хр = –80°С.

Малогидрофилен (водопоглощаемость 0,5%). Нерастворим в обычных, широко применяемых органических растворителях: ацетоне, ксилоле, диоксане, этилацетоне и т.п. Растворяется в дихлорэтане, фенолах, хлорированных фенолах, муравьиной кислоте. При длительном воздействии концентрированной щелочи и концентрированной серной кислоты разрушается; при повышенных температурах легко окисляется. Плохо горит, образуя коптящее пламя.

Обычно ПЭТФ используют в виде пленок и волокон. Механические свойства его подобны механическим свойствам ПА и мало изменяются в широком интервале температур. При содержании кристаллической фазы до 70% обладает повышенной механической прочностью и нагревостойкостью (265°С). Наибольшую механическую прочность имеют пленки толщиной около 6,5 мкм.

ПЭТФ слабополярный диэлектрик; пленки из него обладают хорошими электрическими свойствами [2] электрическая прочность при микронных толщинах достигает 10³ кВ/мм. В электроизоляционной технике ПЭТФ пленки используют для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, дросселей и подобных изделиях, работающих в интервале температуры от –60 до + 150°С. Применяют пленки также в производстве конденсаторов, которые в сравнении с бумажными обладают более высокой рабочей температурой (до 150°С ) и меньшими габаритами.

Поликарбонаты (ПК) сложные полиэфиры угольной кислоты НО─СООН и диоксисоединений (обычно дифенолов). Структурная формула поликарбоната эфира бисфенола А имеет следующий вид:

Наибольшее практическое применение получил поликарбонат на основе дифенилол–пропана (диана или бисфенола А) и фосгена; отечественное название дифлон. Это трудно кристаллизующийся полимер с плотностью 1170–1220 кг/м³, молекулярной массой (20–50)•10⁴, Т_с≈ 150°С, Т_т ≈ 220–230°С и температурой плавления кристаллической фазы T_пл≈270°С. Переходит в вязкотекучее состояние без химического разложения. Имеет высокую прозрачность (до 85% при толщине 2 мм) видимому свету. Выпускается в виде белого порошка или прозрачных и непрозрачных гранул от светло–желтого до темно–коричневого цвета [6].

ПК хорошо растворяются в хлорированных углеводородах, фенолах, тетрагидрофуране. Устойчивы к действию алифатических углеводородов, высших спиртов, масел, воды, кислот, в том числе HNO₃, HF, слабых щелочей. ПК обладают хорошими механическими свойствами. Их удельная ударная вязкость (σ_уд = 100–350 кДж/м²) выше, чем у ПА, и остается высокой в широком интервале температур. Электрические свойства мало изменяются в широком интервале температур вплоть до 140°С. Изделия из ПК отличаются стабильностью размеров, не деформируются при длительном нагревании вплоть до температуры плавления и остаются гибкими при охлаждении до минус 100ºС.

Применяют ПК в тех случаях, когда материал должен иметь высокие показатели механической прочности, теплостойкости и стабильности размеров, а также хорошие электрические свойства. Из них делают литые изделия (каркасы катушек и индуктивности) и пленки, используют в качестве связующего в производстве стеклотекстолитов.

Полиуретаны (ПУР) — высокомолекулярные соединения, содержащие в химических звеньях молекулярной цепи уретановую группу

Весь полимер может имет вид:

,

где R₁ и R₂ радикальные группы различного состава.

В зависимости от природы исходных компонентов и строения образующихся макромолекул ПУР могут быть термопластичными и термореактивными, пластичными и хрупкими, мягкими и эластичными [6].

Из ПУР изготавливают эластичные, устойчивые к старению волокна и пленки, лаки, клеи (например, ПУ2), компаунды высоко и низкочастотные, обладающие высокой тепло, водо– и атмосферостойкостью. Лаки используют для эмалирования проводов; клеи пригодны для склеивания металлов, пластиков, силикатных и органических стекол, керамики, резины и многих других материалов; компаунды применяют для пропитки и заливки (герметизации) высоковольтных трансформаторов, полупроводниковых выпрямителей, конденсаторов и других изделий. Компаунды стойки к циклическим температурным ударам. Колебания температуры от –60 до +60°С не нарушают герметичности за счет образования трещин. Провода эмалированные ПУР более технологичны при монтаже, так как ПУР проявляют свойства флюса и поэтому не требуется предварительная зачистка эмалевой изоляции; пайку можно производить путем погружения незачищенного конца провода в расплавленный припой либо непосредственно обработкой паяльником.

Широкое применение нашли полиуретановые эластомеры. Они масло и бензостойкие, обладают высокой стойкостью к истиранию и высокой эластичностью, сочетающейся с относительно большой прочностью [2].

Изделия из ПУР могут работать в условиях высокой влажности в температурном интервале от –30÷–40°С до 110÷120°С без существенного ухудшения механических свойств.

Полиакрилаты (ПАК) — полимеры сложных эфиров акриловой кислоты и ее гомологов со структурной формулой повторяющегося химического звена

где R — углеводородный радикал, например метильная группа —СН₃. ПАК представляют собой термопластичный, аморфный, прозрачный и бесцветный материал; имеют хорошую холодо–, масло– и щелочестойкость. Наиболее распространенным из этой группы материалов является полиметилметакрилат (ПММА), известный под названием органическое стекло (плексиглас) [6].

ПММА — полимер метилового эфира метакриловой кислоты, имеет химическую формулу

Его плотность 1180–1190 кг/м³, коэффициент преломления света 1,49, пропускает видимый свет 90–99%, УФ–лучей 75% (силикатное стекло 63%), теплостойкость по Вика 105–115°С, по Мартенсу 60–80°С, холодостойкость 80°С. Блочный ПММА поддается формованию и вытяжке при 120°С и выше. Удельная ударная вязкость не менее 11,8 кДж/м². Горит, при горении потрескивает.

ПММА из–за высокой полярности и невысокой нагревостойкости используют в приборостроении обычно в качестве вспомогательного конструкционного материала либо электроизоляционного, но при низких частотах и в слабых полях [2]. Он растворяется в дихлорэтане, ацетоне и др. При высокой температуре и под воздействием электрической дуги разлагается с выделением большого количества газов (СО, Н₂, СO₂, Н₂O). Выделяющиеся газы создают высокое давление, что способствует гашению дуги. Поэтому ПММА используют в переключателях и разрядниках высокого напряжения. Применяют ПММА для изготовления шкал приборов и линз, пленок, клеев и лаков; выпускают в виде листов различной толщины, стержней, листовых блоков, порошков.

Поливинилацетали (ПВАЦЛ) — группа полимеров со структурной формулой химического звена

где R — водород или углеводородная группа.

ПВАЦЛ получают путем поликонденсации поливинилового спирта (ПВС) с соответствующим альдегидом. При взаимодействии ПВС с формальдегидом образуется поливинипформаль, который лежит в основе производства эмальлаков для изоляции обмоточных проводов, имеющих высокую механическую прочность и известных под названием винифлекс и метальвин [2].

Поливинилформаль представляет собой белый порошок плотностью 1240 кг/м³. Его теплостойкость по Вика 115–120°С, по Мартенсу 90–95°С. В сравнении с масляными лаками и другими поливинилацеталями имеет более высокие значения температуры размягчения, прочности, жесткости и твердости. Растворяется в ограниченном числе растворителей: фенолах, диоксане, хлорированных углеводородах.