Сучасні органічні тверді діелектрики на основі полімерів

Полімери — високомолекулярні сполуки, молекули яких складаються з великого числа повторюваних ланок, з'єднаних хімічними зв'язками. Багато полімерів називають смолами, за аналогією з природними смолами за їх здатність проявляти клейкість при нагріванні.

Полімери отримують з простих речовин шляхом полімеризації або поліконденсації. Основа будови полімеру — макромолекула, в якій розрізняють головне коло і бічні групи. Макромолекула складається з однакових ланок, повторюваних n раз, де n — ступінь полімеризації. При полімеризації збільшується молекулярна вага полімеру, досягаючи значень від 6000 до 10⁷.

1.4.1 Будова і властивості полімерів

За хімічним складом розрізняють органічні і елементоорганічні полімери. У органічних полімерах головне коло складається з вуглецю або комбінації вуглецю з киснем, азотом, сіркою, фосфором, які утворюють з вуглецем органічні сполуки. У елементоорганічних полімерах головне коло утворено неорганічними сполуками з органічними бічними групами. Найбільш поширені полісилоксани, головне коло яких становить силоксанна група (-Si-O-)•n. Всі елементоорганічні полімери синтетичні [4, 6].

За будовою макромолекул розрізняють лінійні і просторові полімери. У лінійних полімерах відношення довжини макромолекули до поперечнику дуже велике (1000 і більше). Окремі ділянки макромолекул, звані сегментами, можуть здійснювати теплові рухи. Сегмент зазвичай складається з декількох ланок. Чим менше розмір сегментів, здатних до самостійного переміщення, тим більше гнучкість макромолекул. Сегментна рухливість є однією з причин релаксаційних діелектричних втрат в полімерах.

Залежно від ступеня впорядкованості розташування макромолекул в полімері розрізняють аморфну і кристалічну фази. Аморфна фаза характеризується відсутністю далекого порядку в розташуванні макромолекул, кристалічна фаза — упорядкованим розташуванням макромолекул.

Лінійні полімери — термопластичні матеріали, їх властивості із зміною температури оборотні. В залежності від температури вони можуть знаходитися в трьох фізичних станах:

1. У склоподібному стані — тепловий рух обмежено коливаннями атомів і бічних груп.

2. У високоеластичному стані — полімер легко змінює свою форму за рахунок руху ланок головного і бічного кіл. Йому властиві великі оборотні високоеластичні деформації.

3. У в'язкотекучому стані — полімер «тече» під навантаженням.

Лінійні молекули легко ковзають щодо одна одної. У цьому стані при невеликих навантаженнях полімер проявляє необоротну пластичну деформацію, що використовується для його технологічної обробки.

У просторових полімерах макромолекули пов'язані в загальну просторову сітку, при цьому молекулярна вага різко зростає. Просторові полімери мають підвищену міцність, твердість, високу температуру плавлення [4]. Просторові полімери є термореактивними матеріалами. Їх властивості мало залежать від температури. Однак при високих температурах (до Т_пл) відбуваються незворотні структурні зміни (розтріскування, обвуглювання тощо) з втратою електроізоляційних властивостей.

1.5 Високочастотні та низькочастотні лінійні полімери

До високочастотних діелектриків відносяться неполярні лінійні полімери з електронною поляризацією: поліетилен, полістирол, політетрафторетилен (фторопласт-4). Вони володіють низькими діелектричними втратами, високим питомим опором, слабкою залежністю властивостей від температури і частоти струму.

Поліетилен (CH₂=CH₂) — продукт полімеризації етилену. Він має високу стійкість до кислот і лугів, його застосовують у вигляді плівки, литих деталей, пресованих панелей для ізоляції високочастотних кабелів, деталей електро-і радіоапаратури.

Полістирол (-CH₂-CHC₆H₅-) більш міцний, ніж поліетилен, схильний до утворення найтонших тріщин. Його застосовують для виготовлення деталей високочастотної апаратури, плівок, лаків і т.д.

Фторопласт Ф-4 (-CF₂-CF₂-) має високу енергію зв'язку CF, у зв'язку з чим має виняткову стійкість до дії хімічних реагентів — концентрованих розчинів усіх відомих кислот і лугів. У цьому відношенні він перевершує всі відомі пластмаси і благородні метали. Фторопласт не горючий, не змочується водою. Діапазон робочих температур для виробів з фторопласту становить від-270 °С до 300 °С. Фторопластове волокно (поліфен, фторлон) застосовують для виготовлення хімічних і нагрівостійких фільтрувальних тканин.

До низькочастотних лінійних полімерів (полярних термопластів) відносяться полівінілхлорид, поліетилентерефталат, поліметилметакрилат, поліамідні смоли [6]. Для них характерна дипольно-релаксаційна поляризація, тому вони мають знижені електроізоляційні властивості та застосовуються на низьких частотах.

Полівінілхлорид (ПВХ) (C₂H₃C l) —продукт полімеризації газоподібного вінілхлориду. Він володіє високою хімічною стійкістю у воді, кислотах і лугах, бензині, гасі, спирті, озоні, але розчинний в діхлоретані, хлорбензолі, частково в ацетоні, бензолі. Для нього характерна невисока морозостійкість і нагрівостійкість від -25 °С до 70 °С. Непластифікований поліхлорвініл володіє високою жорсткістю і йде на виготовлення шляхом лиття під тиском акумуляторних баків, ізоляційних втулок, труб і інших деталей. З нього виготовляють вироби, що здатні працювати в хімічно агресивних середовищах.

Полівінілхлорид часто застосовують з різними пластифікаторами, що дозволяє отримувати пластифікований хлорвініл (вініпласт) різного ступеня еластичності (від жорстких до гумоподібних). Вініпласт застосовують для ізоляції проводів та кабелів низької напруги, захисних шлангів, трубок для додаткової ізоляції, липких ізоляційних стрічок, листового і плівкового пластикату. Пластифікований полівінілхлорид отримав широке застосування у виробництві монтажних проводів.

Хлорований поліхлорвініл (перхлорвініл) відрізняється більш легкою розчинністю і застосовується для ізоляційних хімічно стійких лаків та антикорозійних покриттів.

Поліетилентерефталат (лавсан) — це термопластичний полімер, що отриманий з етиленгліколю і гліфталевої кислоти. Він володіє значною механічною міцністю.

При підвищених температурах лавсан швидко окислюється на повітрі, так що обробку розм'якшеного матеріалу проводять в атмосфері азоту. Лавсан застосовують у вигляді волокон, плівок. Плівки з лавсану використовують в якості несучої основи для магнітної стрічки. Тонкі плівки використовуються для міжшарової ізоляції в обмотках трансформаторів, дроселів та подібних виробів, які розраховані на робочу температуру від
-60 °С до 150 °С. Застосовують плівки також в конденсаторах.

Поліамідні смоли (капрон, нейлон та ін.) відрізняються високою міцністю і еластичністю. Їх застосовують у вигляді волокон, плівок і в якості сполучного при виробництві пластмас. Капрон, завдяки хорошим термопластичним властивостям і високій механічній міцності, використовують у радіоапаратурі (корпуси приладів, ручки і кнопки управління, каркаси котушок індуктивності та ін.). На основі поліамідів виготовляють емаль і лаки, що створюють на металевих дротах міцні та еластичні діелектричні покриття [6].

Поліметилметакрилат (органічне скло) використовується, в основному, як декоративний матеріал в електро-та радіоапаратурі.

1.6 Пластмаси

Пластмаси — це композиційні матеріали на основі полімерів, вироби з яких отримують пластичним деформуванням або литтям під тиском. Основні компоненти пластмас: наповнювач і сполучні наповнювачі:

• порошкові: каолін, слюда, кварцовий пісок, азбестове борошно, деревне борошно, тальк та ін.;

• волокнисті: бавовняне волокно, скловолокно, вуглецеве волокно, азбоволокно;

• шаруваті: папір, бавовняна тканина, склотканина, азботкань.

В якості сполучного використовуються лінійні або просторові полімери-смоли. Крім того, в пластмаси додають допоміжні речовини: отверджувачі, пластифікатори, стабілізатори, барвники та ін.

Пластмаси з порошковим наповнювачем називають преспорошками, з волокнистим — волокнітами, а із шаруватим — шаруватими пластиками.

Термопластичні пластмаси виготовляють на основі лінійних смол (поліамідних, поліуретанових, поліефірних та ін.). Вони пластичні, володіють високою технологічністю. Вироби отримують литтям під тиском.

Термореактивні пластмаси відрізняються підвищеною твердістю і міцністю. Найчастіше вироби виготовляють шляхом гарячого пресування на гідравлічних пресах. Вихідну сировину ретельно подрібнюють і перемішують.

Властивості пластмас залежать від властивостей сполучного наповнювача. Сполучний наповнювач має забезпечити хорошу міцність, вологостійкість, теплостійкість і високі електричні властивості. Теплостійкість сполучного визначає допустиму робочу температуру пластмас:

• на епоксидній смолі — до 200 °С;

• на фенолформальдегідній смолі — до 250 °С;

• на кремнійорганічній смолі — до 370 °С.

Високою термостійкістю і міцністю володіють пластмаси на основі суміші кремнійорганічної і фенолформальдегидної або епоксидної смол. Кращі електричні характеристики (менший tgδ, підвищені ρ і електрична міцність) у пластмас на основі анілінформальдегідної смоли (амінопласти).

Для електротехнічних виробів широке застосування знайшли шаруваті пластики:

• гетинакс — смола + папір;

• текстоліт — смола + х/б тканина;

• склотекстоліт — смола + склотканина.

Найчастіше використовують фенолформальдегідну та епоксидну смоли. Для виробництва гетинаксу використовується міцний і нагрівостійкий папір. Його просочують водною суспензією фенолформальдегідної смоли, сушать, збирають у пакети і пресують на гідравлічних пресах при температурі 160 °С під тиском 10÷ 12 МПа [2, 4, 6]. Під час пресування смола спочатку розм'якшується, заповнює пори між листами і волокнами, а потім твердне, переходячи в неплавку стадію. У результаті виходить міцний монолітний матеріал. Текстоліт і склотекстоліт виробляють аналогічним чином з просочених смолою бавовняної тканини або склотканини.

Текстоліт і склотекстоліт використовують для виготовлення щитків і панелей. Нагрівостійкість гетинаксу і текстоліту становить 105 °С, склотекстоліту - 200 °С.

Прес-порошки широко застосовують в радіоелектроніці. З них виготовляють корпуси радіоприймачів, телевізорів, вимірювальних приладів, навушники, лампові панелі, штепсельні роз'єми, рукоятки, кнопки та ін.

1.7 Електроізоляційні компаунди. Лаки

Компаунди — це суміші полімерів: смол, бітумів, ефірів целюлози, іноді з додаванням мінеральних наповнювачів (кварцового або слюдяного борошна, скловолокна) для підвищення міцності і нагрівостійкості. Крім смоли і затверджувача до складу компаундів входять пластифікатори, наповнювачі та ін. Компаундами в рідкому або напіврідкому стані просочують, обмазують, заливають елементи електротехнічної або радіоелектронної апаратури, після чого вони тверднуть. Компаунди захищають елементи апаратури від атмосферної вологи, підвищують електричну і механічну міцність, тобто забезпечують високу надійність. Компаунди можуть бути термопластичні і термореактивні.

Термопластичні компаунди — суміші на основі лінійних (аморфних) смол: поліамідних, поліуретанових, поліефірних та ін., а також бітумні компаунди.

Бітуми — це нафтові аморфні, термопластичні суміші вуглеводнів. Термопластичні компаунди при нагріванні розм'якшуються до в'язкотекучого стану (для просочення чи заливки), а при охолодженні-тверднуть. Їх застосовують для заливки котушок трансформаторів високої напруги, напівпровідникових випрямлячів та інших деталей радіоелектронної апаратури.

Термореактивні компаунди — матеріали на основі епоксидних, фенолформальдегідних та кремнійорганічних смол.

Термореактивні компаунди після заливки необоротно тверднуть, при повторному нагріванні вже не розм'якшуються, можливість ремонту деталі або приладу виключається.

Найбільш широке поширення в електротехніці, електронній техніці отримали епоксидні компаунди, що відрізняються низькою усадкою, волого-і водостійкістю, високою міцністю, нагрівостійкістю до 200 °С і хорошими електроізоляційними властивостями.

Високою нагрівостійкістю (до 370 °С) відрізняються компаунди на основі кремнійорганічних смол. Їх застосовують для просочення рухомих частин електричних машин, що працюють в умовах підвищеної температури і вологості [1].

Лаки — це розчини полімерів в летючих розчинниках. При сушінні розчинник випаровується, а лакова основа переходить у твердий стан, утворюючи плівку. Лаки можуть бути просочувальними, покривними та такими, що клеять.

Залежно від матеріалу плівкоутворювача розрізняють лаки: масляні, смоляні, нітроцелюлозні (нітролаки).

В основі масляних лаків містяться масла, що висихають (льняне, тунгове та ін), в якості розчинників використовуються скипидар і лаковий гас (уайт-спірит). Ці лаки застосовують для просочення обмоток електричних машин, покриття листів магнітопроводів.

Смоляні лаки — це розчини синтетичних смол (бакелітової, гліфталевої, перхлорвінілової, полістирольної, кремнійорганічної та ін.) в розчинниках — толуолі, ксилолі, діхлоретані. Гліфтальові лаки мають високу клейкість.

Кремнійорганічні лаки утворюють нагріво- і вологостійкі плівки. Перхлорвінілові лаки стійки до дії бензину, масла та інших хімічно активних речовин. Вони застосовуються як покривні лаки для захисту ізоляції. Полістирольний лак утворює плівку з високими електроізоляційними властивостями, використовується у високочастотній апаратурі.

У нітроцелюлозних лаках основою служать розчини нітроцелюлози, розчинники — ацетон, етилацетат, бутилацетат. Це лаки холодної сушки. Нітролаки застосовують для просочення бавовняної ізоляції, захисту гуми від впливу озону, масла, бензину [8].

1.8 Гума

Гума — це вулканізований каучук. Каучуки і матеріали на їх основі за здатність до великих високоеластичних деформацій називають еластомерами.

Каучук — лінійний полімер вуглеводнів C₅H₈. Він володіє низькою міцністю, але високою еластичністю, розчиняється в органічних рідинах, не придатний як конструкційний матеріал. Каучук отримують синтетичним шляхом — полімеризацією бутадієну і його похідних: ізопрену, хлорпрену або суміші бутадієну із стиролом, ізобутіленом та іншими сполуками.

Вулканізація каучуку проводиться при температурі 120÷ 150 °C і тиску 5, 0 МПа. Час витримки — від декількох хвилин до декількох годин (в залежності від розмірів виробу).

Процес вулканізації полягає в приєднанні до каучуку атомів сірки в місцях подвійних зв'язків молекули каучуку. За кількістю введеної сірки розрізняють:

• м'яку гуму;

• тверду гуму.

При гарній міцності, водо- і газонепроникності, гума зберігає високу еластичність каучуку. Гума на основі хлорпрена, тіокона, бутадієн — нітрита і фторкаучука відрізняється підвищеною керосино-, бензо-, маслостійкістю. Теплостійкі гуми виготовляються на основі кремнійорганічного, фторорганічного і бутилкаучуку. Морозостійкі гуми виготовляють на основі бутадієнстирольного кремнійорганічного і бутилкаучуку.

Для додання гумі заданих властивостей і зниження вартості, до неї додають наповнювачі — сажу, каолін, кварцовий пісок, тальк, крейду та допоміжні речовини — стабілізатори, пластифікатори, барвники [6, 7].

Істотний недолік гуми, як і багатьох пластмас — схильність до старіння. У процесі старіння відбувається деструкція макромолекул і окислення гуми. Властивості падають аж до повної втрати міцності, еластичності і електроізоляційних властивостей. Процес старіння посилюється за рахунок дії тепла і світла, особливо ультрафіолетових променів. Деформація також сприяє старінню. Для збереження структури і властивостей до складу гуми вводять стабілізатори — органічні речовини, що уповільнюють старіння. Гума — низькочастотний діелектрик. Найбільш високі характеристики властиві ебонітам.

М'яка гума застосовується для ізоляції проводів, кабелів, шлангової ізоляції, електроізоляційних гумових килимків, рукавичок, ебоніт — для виготовлення панелей, акумуляторних баків і різних деталей електроапаратури.

Тверда гума використовується для ізоляції панелей, акумуляторних баків та різноманітних деталей електронної апаратури.

1.9 Сучасні дугостійкі матеріали

Найбільш характерними представниками дугостійких матеріалів є такі композиційні пластики як: «Форферм», «Рефравер», «Дюрастон».

Композиційні пластики «Форферм», «Рефравер» — це унікальні негорючі матеріали, що володіють чудовими електро- і термоізоляційними властивостями.

«Форферм» марки 1500 складається з спресованого наповнювача — у вигляді мінеральних волокон і цементу, що просочені сполучними речовинами на основі неорганічних смол. Робоча температура цього матеріалу 500 °C, короткочасна — до 800 °C. Цей матеріал є чудовою заміною азбестоцементним плитам і спеціально призначений для застосування в дугогасильних камерах з великими і малими струмами.

У дугогасильних камерах вимикачів нової конструкції застосовують композиційний матеріал «Форферм» марки М, звичайно завтовшки 5-6мм. Причому застосовують його тільки для зон, що безпосередньо піддаються впливу дуги, а «Форферм»-1500 або -1100 використовують як конструкцію корпусу і ізоляційний матеріал камери.

«Форферм» марки М — високожароміцний матеріал, що складається зі слюди в розплаві скла. Може застосовуватися у довготривалому температурному навантаженні до 700 °C. Виготовляється у вигляді листів або стрижнів.

Основне застосування матеріалів марки «Форферм» — у вимикачах електровозів, вимикачах для двигунів високої напруги, трансформаторів і в лінійних вимикачах з граничним значенням струму 30 кA і напругою 25 кВ для змінного струму і 750 В для постійного струму.

«Рефравер» — це матеріал, виготовлений з високоглиноземистого цементу, скловолокна, армований склотканиною і просочений кремнійорганічними сполучними речовинами.

Володіє, насамперед, видатною ерозійної стійкістю і стійкий до температури до 500 °C. «Рефравер» застосовується у дугових електропечах, теплових екранах в печах індукційного нагріву, склодувному виробництві, виробництві скла, як ізоляція електродів і катодів в плавильних установках для алюмінію, нагрівальні елементи зварювальних апаратів для пластику.

Якщо ж режими експлуатації енергоустаткування, припускають менш жорсткі умови експлуатації — за величиною струмів або числу перемикань, наприклад, вакуумні, повітряні, елегазові вимикачі для чарунок розподільної і комутаційної апаратури, то в даних пристроях можна застосовувати і більш дешеві композиційні ізоляційні матеріали.

«Дюрастон» — це ізоляційний пластик листовий або у вигляді профілів, труб, який виготовлений на основі ненасиченої поліефірної смоли і наповнювача з скломата. Має однорідну структуру, поєднує високі конструкційні та діелектричні якості, хімічну стійкість, при невисокій вартості. Тому композиційні пластики «Дюрастон» знаходять широке застосування в розподільчий апаратурі, комутаційній високовольтній та низьковольтній апаратурі, сухих силових трансформаторах, у вигляді ізоляційних склопластикових кілець для генераторів, в якості пазових клинів [4, 6].