Синтетические жидкие диэлектрики

Кремнийорганические жидкости вещества, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния Si и кислорода О (структурную формулу см. выше) и имеют линейное строение. Кремний–кислородная связь называется силоксановой и имеет высокую термическую и химическую стойкость (энергия связи равна 374 кДж/моль), поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температурах (вплоть до 250°С) [2].

Кремнийорганические жидкости бесцветны, растворимы в органических растворителях (например, бензоле), нерастворимы в воде и спиртах. Нетоксичны, не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью (–70°С). Их можно отнести к неполярным диэлектрикам. Используют для пропитки конденсаторов, работающих при повышенных температурах.

Недостатки: сравнительно легко загораются (горят сильно коптящим пламенем), значительно (в несколько десятков и даже сотен раз) дороже нефтяных масел.

Фторорганические жидкости вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. В зависимости от величины молекул эти соединения могут быть газообразными (например, CF4, C2F6, C3F8, C4F8, C4F10), жидкими (например, C5F8, C8F16, C14F24) или твердыми (например, полимер ПТФЭ (—CF2—CF2—). Указанные соединения пожаробезопасны (полностью негорючи), трекингостойки, абсолютно негигроскопичны и имеют высокую нагревостойкость (до 300°С).

Фторорганические жидкости неполярный диэлектрик. Они обеспечивают более интенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Кроме того, их пары над жидкостью, в особенности при повышенном давлении, значительно увеличивают электрическую прочность газовой среды в аппарате и повышают UПР.

Недостатки: токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, взаимодействие с резинами, окисью железа (окалиной, ржавчиной), медью, что приводит к их загрязнению, а также высокая стоимость (более чем в 1000 раз дороже нефтяных масел) [2].

Термопласты

Термопласты, или термопластичные полимеры, представляют группу диэлектриков, обладающих хорошими электрическими свойствами (табл. 3.1), поэтому их широко используют в электро– и радиотехнике.

Таблица 3.1. Физико–химические свойства полиолефинов

Свойства ПЭВД ПЭСД ПЭНД ПП
Молекулярная масса М•104 1,9–4,8 4–7 7–35 8–20
Разветвленность, число —СH3 групп на 1000 атомов С   20–30   1,5–2,5   3–7   –
Плотность, кг/м3 918–935 960–970 945–955 890–910
Степень кристалличности, % 55–65 85–95 75–85 80–95
Разрушающее напряжение, МПа: при растяжении, σр МПа: при изгибе, σи   12–16 12–17   25–38 25–40   22–32 20–35   28–40 90–120
Относительное удлинение при разрыве, %   150–600   200–800   400–800   150–600
Температура размягчения по Вика, ºС   145–150
Температура плавления, ºС 105–115 130–135 125–130 160–170
Морозостойкость, ºС –70 –70 –70 –10~–15
Удельная теплоемкость, кДж/(кг• К)   2,09–2,85   2,3–2,7   2,3–2,7   1,87–2,09
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м• К)   0,20–0,33   0,22–0,35   0,22–0,35   0,13–0,22
Диэлектрическая проницаемость ε при 106 Гц 2,2–2,3 2,2–2,3 2,2–2,4 2,1–2,3
Тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ при 106 Гц 2 ■ 10 • 2•10–4 –3•10–4 2•10–4 –3•10–4 2•10–4 –5•10–4 3•10–4 –5•10–4
Удельное электрическое сопротивление: ρS – Ом ρV – объемное.Ом•м   4•1014 1015   4•1014 1015   4•1014 1015   – 1014–1015



Макромолекулы их (например, полиэтилена (ПЭ)) имеют строение линейное или разветвленное. В большинстве случаев термопласты это аморфные или аморфно–кристаллические полимеры, нерастворимые в воде, зато, как правило, растворимые в близких по природе органических растворителях; они мало гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам (кислотам и щелочам). Ряд из них имеет достаточно низкую температуру стеклования, поэтому при комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом состоянии из них изготавливают изделия. Повторный нагрев снова приводит термопласты в пластическое состояние [2].

Все термопласты, за редким исключением (например, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и полиимиды), горючи, а изделия из них пожароопасные. Для снижения горючести и повышения тем самым пожаробезопасности электро– и радиоаппаратуры в полимеры в ряде случаев вводят антипирирующие добавки.

Антипирен–это вещество, которое при температуре горения разлагается с выделением большого количества негорючих газообразных продуктов (Н2О), снижающих концентрацию кислорода в зоне горения до величины гашения пламени.

В большинстве случаев термопласты используют в производстве изделий без наполнителей, поэтому их часто называют смолами, которые могут быть природными и синтетическими. Все смолы, рассматриваемые в 3.2 синтетические. В электроизоляционной технике термопласты применяют как самостоятельно, например изоляция проводов и кабелей, каркасы катушек индуктивности, пленки для производства конденсаторов, волокнистые материалы, так и в виде составной части клеев, лаков, компаундов, пластмасс. Используют их и как конструкционные материалы. Все термопласты по своему поведению в электрическом поле подразделяются на две большие группы: термопласты неполярные и полярные. Для снижения температуры стеклования Тс, увеличения термо– или светостойкости или улучшения какого–либо другого свойства в термопласты вводят небольшие количества соответствующих добавок (стабилизаторов, пластификаторов и т.п.), в некоторых случаях – красители [2].

Неполярные термопласты

Неполярные термопласты имеют высокие значения удельного объемного сопротивления ρ и электрической прочности ЕПР и низкие диэлектрические потери tgδ. Значения относительной диэлектрической проницаемости ε и tgδ у них мало зависят от температуры и частоты в широком интервале. Особенность последнего позволяет использовать неполярные термопласты в области ВЧ и СВЧ.

Следовательно, неполярные термопласты относятся к классу высокочастотных диэлектриков. Для них характерны следующие значения электрических характеристик: ε = 2–2,6; ρ = 1014–1018 Ом•м; tg δ ≈ 10─4; Епр до 60 кВ/мм при h ~ 1 мм; у пленок толщиной 0,02–0,1мм Епримеет значения до 250 кВ/мм и выше. На значения электрических характеристик, особенно удельного объемного сопротивления ρ, сильно влияет присутствие ионогенной примеси. Чем выше степень чистоты и меньше влажность неполярного полимера, тем лучше его электрические свойства. Этим можно объяснить значительную разницу в значениях ρ и других параметров, имеющихся в литературе [2].

Полиэтилены (ПЭ) бесцветный прозрачный продукт полимеризации газообразного этилена; имеет общую химическую формулу (—СН2—СН2─)n. Фактически строение молекул ПЭболее сложно, чем это отображено формулой. В молекулярной цепи, хотя и в малом количестве, имеются боковые ответвления в виде —СН3, — С2Н5 и более сложных групп, двойные связи (не только в цепи, но и в ответвлениях), карбонильные группы >С=С─, которые в значительной мере и определяют электрические свойства ПЭ (см. табл. 3.1). Температура стеклования имеет примерно такие же значения, что и температура хрупкости. Пожароопасен, горит голубоватым пламенем с запахом горящей парафиновой свечи.

В зависимости от условий полимеризации при производстве различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД), низкого давления (ПЭНД) и среднего давления (ПЭСД). ПЭВД получают при давлении 1470–2500 атмосфер (147–250 МПа) и температуре 180–270°С. Для получения ПЭНД и ПЭСД используют катализаторы. Полимеризация протекает при давлении и температуре, равными соответственно для ПЭНД 3–5 атмосфер (0,3–0,5 МПа) и 70–80°С, для ПЭСД 34–39 атмосфер (3,4–3,9 МПа) и 130–150°С. ПЭВД является полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а ПЭНД и ПЭСД полиэтиленами высокой плотности (ПЭВП).

Выпускают различные марки полиэтилена, отличающиеся плотностью, индексом расплава, наличием или отсутствием стабилизаторов. Кроме того, отдельные партии ПЭ окрашивают в различные цвета. ПЭ при комнатной температуре не растворим в органических растворителях и лишь при температурах выше 70°С набухает и с трудом растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. К действию растворителей и масел ПЭНД более стоек, чем ПЭВД [2].

ПЭВД имеет сравнительно низкую плотность (910–930 кг/м3), содержит в молекулярной цепи до 36 боковых ответвлений на каждую тысячу атомов углерода, которые затрудняют процесс кристаллизации. Поэтому ПЭВД содержит всего 50–65% кристаллической фазы. Его молекулярная масса равна (8–50)•104, Тпл= 105–108°С, Тхр= –80÷–120°С; σр= 10–17 МПа, σи = 11,8–16,7 МПа, относительное удлинение при разрыве δ = 500–800%, твердость по Бринеллю 13,7–24,5 МПа.

ПЭНД имеет плотность, равную 950–960 кг/м3, содержит до 6 боковых ответвлений на каждую тысячу углеродных атомов, степень кристалличности составляет 75–85%. Его молекулярная масса равна (83–50)•104, Тпл = 120–125°С, ТХР = –100÷–150°С, σР = 22–30 МПа, σи = 19,6–34,3 МПа, δ = 300–800%, твердость по Бринеллю 44–60 МПа.

ПЭСД имеет плотность 960–970 кг/м3, содержит до 2,5 боковых ответвлений на каждую тысячу углеродных атомов. Меньшее число дефектов (числа боковых ответвлений) в молекулярной цепи, чем у ПЭВД, облегчает кристаллизацию, поэтому он имеет более высокую плотность (960–970 кг/м3) и степень кристалличности (80–90%), чем ПЭВД. Молекулярная масса равна (30–40)•104, Тпл = 127–130°С, ТХР=–70°С, σР = 27–33 МПа, σи = 24,5–39,2 МПа, δ = 200–800%, твердость по Бринеллю 60–64 МПа [2].

С повышением плотности ПЭ увеличиваются его температура плавления, разрушающие напряжения при растяжении σР и изгибе σи, модуль упругости и твердость; эластичность при этом снижается. Изделия из ПЭ при длительной статической нагрузке деформируются: из ПЭНД при нагрузке, равной 2,45 МПа (25 кгс/см2), а из ПЭВД при нагрузке 4,9 МПа (50 кгс/см2). Изделия из ПЭ, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, могут растрескиваться. Чем выше молекулярная масса ПЭ, ниже степень кристалличности и меньше размер сферолитных образований, тем выше его стойкость к образованию трещин и лучше электрические свойства выше Епр, ρ и ниже tgδ. На стойкость к растрескиванию влияют продолжительность действия нагрузки, температура и природа окружающей среды.

ПЭ обладает высокой водостойкостью. Водопоглощение за 30 суток при 20° составляет у ПЭВД 0,02%, ПЭНД 0,005% (при 70°С 0,04%), ПЭСД менее 0,01%. Пленки из ПЭВД имеют низкую проницаемость по отношению к водяным парам, но высокую к газам. У ПЭВД диэлектрические потери несколько ниже, а стойкость к старению несколько выше, чем у ПЭНД и ПЭСД. Остатки катализатора полимеризации у ПЭНД и ПЭСД могут незначительно увеличивать диэлектрические потери. Однако ПЭНД обладает несколько лучшими физико–механическими свойствами, чем ПЭВД. Стоимость ПЭВД ниже, чем ПЭНД и ПЭСД [2].

Нагревостойкость ПЭ при кратковременном воздействии тепла ограничивается ухудшением механических характеристик, а при длительном воздействии в условиях доступа воздуха окислением. Нагревостойкость ПЭ составляет 80–90°С. Для повышения нагревостойкости увеличения стойкости к тепловому старению в ПЭ вводят различные стабилизаторы. В некоторых случаях уже готовые изделия (например, кабели, электроизоляционные трубки, муфты, пленки и т.п.) подвергают ионизирующему облучению. При облучении происходит частичная сшивка молекулярных цепей ПЭ благодаря наличию в них небольшого количества двойных связей (дефекты строения) и образованию пространственной структуры. Облученный ПЭ более тверд и имеет нагревостойкость, ограниченную тепловым старением, до 105°С, а кратковременную нагревостойкость до 200°С. Облученные в деформированном состоянии изделия из ПЭ обладают интересной способностью при умеренном нагреве восстанавливают форму и размеры, существовавшие до облучения. Сшивка ПЭ возможна и чисто химическим способом с помощью силанов.

По литературным данным [4] процесс сшивания с применением силанов протекает в две стадии. Если к макромолекуле полиэтилена (ПЭ) привиты силан-группы, то при увлажнении сначала происходит реакция гидролиза. В качестве частного случая рассмотрим применение винилтриметоксисилана.

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

Затем происходит реакция сшивания по группам (─ОН)

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru ,

и путем введния в материал, из которого изготавливают изделие, небольшого количества органических перекисей, например перекиси дикумила. Этот метод сшивки дешевле и технологически проще.

Полиэтилен и особенно сшитый полиэтелен широко используют в производстве разнообразных проводов и кабелей, в том числе высокочастотных и силовых. В настоящее время ПЭ является одним из крупнотоннажных материалов в кабельной промышленности. Перерабатывается ПЭ в изделия методом экструзии при 150–230°С.

Полипропилен (ПП) бесцветный материал высокой прозрачности для видимого света получают путем полимеризации газообразного пропилена в присутствии катализатора. Общая химическая формула ПП:

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

Как и ПЭ, полипропилен огнеопасен. Молекулярные цепи имеют высокую стериорегулярность, что облегчает их кристаллизацию. Поэтому ПП обладает высокой степенью кристалличности 90–95%, плотность его равна 900–910 кг/м3, молекулярная масса (8–20)•104 Тпл= 160–170°С, Тхр= –5÷–15°С; примерно такое же значение имеет и Тс, твердость по Бринеллю 59–64 МПа, удельная ударная вязкость σуд = 78,5 кДж/м2.

Существенный недостаток ПП невысокая морозостойкость.

ПП в сравнении с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость и прочность при растяжении, большую твердость и жесткость. Его «длительная» нагревостойкость не более 105°С. При комнатной температуре ПП нерастворим в органических растворителях, при температуре 80°С и выше растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. Устойчив к действию кислот и щелочей, а также минеральных и растительных масел даже при повышенных температурах. Меньше, чем ПЭ, подвержен растрескиванию под воздействием агрессивной среды. Пленки из ПП наряду с высокой нагревостойкостью, прозрачностью и механической прочностью имеют низкую газо– и паропроницаемость.

При повышенных температурах в присутствии кислорода ПП окисляется; физико–механические и электрические свойства при этом ухудшаются. ПП также окисляется под действием прямого солнечного света. В помещении или на открытом воздухе в отсутствие прямых солнечных лучей свойства ПП не изменяются в течение длительного времени. Для увеличения стойкости к тепловому и световому старению в ПП вводят стабилизаторы.

Электрические свойства ПП того же порядка, что и у ПЭ (см. табл. 3.1). Наиболее перспективной областью его применения является конденсаторостроение [2].

Полиизобутилен (ПИБ) бесцветный продукт полимеризации изобутилена в присутствии катализаторов; общая химическая формула –

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

ПИБ, как и ПЭ, огнеопасен. Производят его в виде низко, средне и высокомолекулярных продуктов. Высокомолекулярный ПИБ имеет молекулярную массу (20–25)•104; устойчив к действию кислот, в том числе концентрированной HNО3 и щелочей. Его плотность равна 910–930 кг/м3, TС≈–74°С, морозостойкость составляет –50°С. ПИБ растворим в алифатических, ароматических и хлорированных углеводородах, в сероуглероде, нерастворим в полярных жидкостях: спиртах, кетонах, сложных эфирах. Под действием солнечных лучей и кислорода свойства его ухудшаются. Для повышения стойкости ПИБ к ультрафиолетовым лучам в него вводят активные наполнители сажу, графит (до 150%).

Электрические свойства ПИБ имеют тот же порядок, что и ПЭ. Однако его электрическая прочность заметно ниже, диэлектрические потери несколько выше, чем у ПЭ [2].

Полиизобутилен в отличие от многих других полимеров имеет чрезвычайно низкую влаго– и газопроницаемость. Существенные его недостатки низкая механическая прочность и высокая хладотекучесть. Поэтому в чистом виде его применяют редко. Для увеличения твердости в ПИБ добавляют наполнители. Высокомолекулярный ПИБ применяют в композиции с полистиролом для изготовления изоляционных лент; вводят в состав кабельного ПЭ, для повышения гибкости, стойкости к растрескиванию и снижению влагопроницаемости. Низкомолекулярный ПИБ используют для пропитки бумажных конденсаторов; вводят в состав некоторых клеев [2].

Полистирол (ПС)представляет собой твердый аморфный продукт полимеризации стирола (винилбензола); общая химическая формула

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

где С6Н5 бензольный заместитель.

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

В зависимости от способа полимеризации ПС выпускают блочный, суспензионный и эмульсионный. Кроме того, используя катализаторы, был получен изотактический ПС кристаллического строения, обладающий более высокой температурой плавления (230–240°С) и более высокими механическими показателями, чем аморфный ПС. Однако изотактический ПС трудно перерабатывается в изделия, поэтому его производство ограничено.

Блочный ПС обладает высокой влагостойкостью его водопоглощение за 24 ч равно 0%, в то время как у суспензионного ПС оносоставляет 0,01–0,02%, а у эмульсионного 0,07%. Блочный ПС это бесцветный, прозрачный материал, пропускающий до 90% видимого света; в ультрафиолетовой и инфракрасной областях его прозрачность ниже. Показатель преломления света у него достаточно высок (n= 1,5–1,6), благодаря чему его применяют для изготовления оптических стекол. Электрические характеристики эмульсионного ПС ниже, чем блочного и суспензионного.

Полистирол имеет плотность 1050–1070 кг/м3 и молекулярную массу, равную (5–30)•104, Тс= 80–90°С, Тхp= –40°С, теплостойкость по Мартенсу 75–80°С, а по Вика 100–105°С, твердость по Бринеллю 137–196 МПа. С увеличением молекулярной массы электрические свойства ПС улучшаются ρ и Е возрастают, tgδ уменьшается. Пожароопасен, горит с образованием сильнокоптяшего пламени.

Полистирол один из первых синтетических материалов, используемых в электро– и радиотехнике. Это хороший диэлектрик [2]. Его электрические свойства практически не зависят от влажности окружающей среды, температуры в пределах от –80 до 90°С и частоты в интервале от 102 до 109 Гц. Обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, солей и спиртов, растворяется в четыреххлористом углероде, бензоле, не стоек к действию алифатических, ароматических и хлорированных углеводородов.

Недостатки ПС относительно невысокая нагревостойкость, а главное низкая удельная ударная вязкость (σуд = 16–22 кДж/м2), относительно хрупок, и при старении хрупкость увеличивается. Для повышения нагревостойкости в ПС вводят до 30% кварцевой или слюдяной муки, белой сажи или талька и т.п., армируют стеклянным волокном. Для снижения хрупкости в ПС вводят до 8% каучука ( получают привитой сополимер ). Полученный материал называют ударопрочным полистиролом (марки УПС, УПМ, УПП). Он имеет высокую удельную ударную вязкость (σуд = 30–60 кДж/м2) и высокие показатели других физико–механических свойств.

Перспективным материалом на основе стирола является его сополимер с акрилонитрилом и бутадиеном, получивший название пластик АБС (от начальных букв, образующих его трех компонентов) АБС–пластик отличается от ПС более высокими нагревостойкостью (выше на ≈10%) и удельной ударной вязкостью (до 70 кДж/м2), хорошей способностью металлизироваться; практически водонепроницаем, имеет хорошую термостабильность, повышенную химическую стойкость, неплохие электрические свойства (ε = 2,9; ρ = 1013–1014 Ом•м; tgδ = 8•10–3 ). АБС–пластик легко перерабатывается в изделия всеми характерными для термопластов способами. В электро– и радиотехнике применяется для изготовления корпусов приборов и отдельных деталей [2].

Полистирол широко используют в технике высоких и сверхвысоких частот как диэлектрик с очень низкими потерями. Из него изготавливают каркасы катушек индуктивности, панели электронных ламп, изоляцию высокочастотных кабелей, лаки, компаунды. Очень широко применяют ПС в производстве электрических конденсаторов. Для этих целей используют пленку (стирофлекс) толщиной от 6 до 200 мкм (обычно не толще 40–50 мкм), ориентированную в двух перпендикулярных направлениях. Такая пленка менее дефектна и обладает высокими электрическими свойствами (см. табл. 3.1).

Политетрафторэтилен (ПТФЭ)продукт полимеризации тетрафторэтилена; имеет общую химическую формулу (—CF2—CF2—)n. Его плотность равна 2150–2240 кг/м3, молекулярная масса (14–50)•104 степень кристалличности 80–85%. При нагревании ПТФЭ практически не плавится, а при 415°С начинает разлагаться с выделением ядовитых газов. Твердость по Бринеллю составляет 30–40 МПа, σуд до 100 кДж/м2. Полимер молочно–белого цвета, отечественное название фторопласт–4, за рубежом (США) тефлон. ПТФЭ негорюч, не растворяется ни в каких растворителях, практически негигроскопичен и не смачивается водой, имеет высокую стойкость к действию кислот и щелочей, на него не действуют никакие кислоты, в том числе смесь HNO3 и HCℓ («царская водка»). Обладает высокой трекинго– и нагревостойкостью до 260°С и выдерживает кратковременный нагрев до 300°С. Тс= –120°С, а длительная рабочая температура имеет интервал от –269 до +260°С.

Недостатки ПТФЭ невысокая стойкость к радиационному излучению (он деструктирует) и хладотекучесть под действием небольших статических нагрузок начинает деформироваться при комнатной температуре и ниже.

ПТФЭ хороший диэлектрик [2], его электрические свойства остаются практически неизменными в пределах от –60 до 200°С и в широком интервале частот вплоть до СВЧ включительно. Из него изготавливают пленки различной толщины, использующиеся в качестве ВЧ–изоляции, а также в производстве термо– и влагостойких электрических конденсаторов и кабелей. Применяют для изготовления сплошной, в том числе тонкой (эмалевой), изоляции проводов, пластин, дисков, прокладок и других уплотнительных деталей. Монолитные заготовки и изделия изготавливают методом, имеющим много общего с порошковой металлургией.

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 Епр 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; Епр и до 40 кВ/мм при h<< 1 мм; у пленок толщиной 0,02–0,1 мм Епримеет 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 Tпл кристаллической фазы около 215°С, Тсаморфной 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%, Tc = 78–105°С, Тт= 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 Тспри 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 Тси придания ПВХ большей гибкости и эластичности его пластифицируют, для чего в него вводят до 50% соответствующего пластификатора (например, дибутилфталата или диоктилсебацината ). Пластфицированный ПВХ имеет Тсоколо минус –40°С и используется для изготовления изоляции проводов, защитной оболочки кабелей и т.п. При содержании дибутилфталата в количестве 8–40 мас.% Епр ПВХ увеличивается на 15–18%. При меньшем и большем содержании пластификаторов Eпр 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

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

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:

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

ПА имеют плотность 1120–1140 кг/м3, молекулярную массу (8–25)•103, Tпл = 210–215°С, Тхр≈ –30°С, у некоторых видов до 70°С. Они плавятся без разложения, отличаются высокой прочностью при ударных нагрузках (σуд = 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.

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

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

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

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, σуд = 50–80 кДж/м2, TС≈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

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

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, Тпл= 235–265°С, Тс= 80–90°С, Тхр = –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:

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

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, Тс≈ 150°С, Тт ≈ 220–230°С и температурой плавления кристаллической фазы Tпл≈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 (σуд = 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

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

Весь полимер может имет вид:

Синтетические жидкие диэлектрики - student2.ru

Наши рекомендации