Полимеризационные органические диэлектрики.

 

К полимеризационным диэлектрикам, широко применяемым в электротехнике, относится полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид и др.

Полистирол- твердый прозрачный материал. Он обладает высокими электроизоляционными свойствами и стоек к воде, кислотам и щелочам. Как было показано, полистирол получают в результате полимеризации жидкого вещества - стирола. Различают блочный полистирол, выпускаемый в виде листов, пластин и гранул, а также эмульсионный полистирол, получаемый сразу в виде порошка. Для получения порошкообразного (эмульсионного) полистирола реакцию стирола производят в водном растворе щелочных веществ.

Из блочного полистирола изоляционные изделия получают методом механической обработки, требующим большой затраты труда. Из гранулированного полистирола изделия изготавливают методом литья под давлением. Для этого гранулы полистирола загружают в расплавитель - сосуд из нержавеющей стали с электрическим обогревом (до 120°С). Полистирол, переведенный в жидкое состояние, поступает в разъемные металлические формы. Так получают литые изделия из полистирола.

Из эмульсионного порошкообразного полистирола изделия изготавливают методом горячего прессования в стальных пресс-формах. Методы горячего прессования и литья под давлением дают меньшее количество отходов и они менее трудоемки.

Изделия из эмульсионного полистирола обладают несколько пониженными электрическими характеристиками, так как эмульсионный полистирол содержит остатки щелочных веществ, применяемых при его изготовлении.

Характеристики полистирола: удельный вес - 1,00 ÷ 1,07 г/см3; σр = 500 - 800 кГ/см2; аn = 6 ÷ 15 кг∙см/см2; теплостойкость (по Мартенсу) 65 ÷ 85°С; водопоглощаемость до 0,05%; морозостойкость - 60°С; ρν = 1015 ÷ 1017 Ом∙см; ε = 2,4 ÷ 2,6; tg δ = 0,0003 ÷ 0,0006; Епр = 25 ÷ 40 кВ/мм.

Полистирол - термопластичный диэлектрик, размягчающийся при 110 - 120°С. При 300°С полистирол деполимеризуется, т.е. снова переходит в исходное вещество - стирол.

Полистирол растворяется в неполярных растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле, четыреххлористом углероде, частично растворяется в ацетоне, этиловом эфире и в некоторых других растворителях.

Из полистирола изготавливают каркасы катушек, изоляционные панели, основания и изоляторы для электроизмерительных приборов. На основе полистирола изготавливают также электроизоляционные лаки. Способом вытягивания размягченного полистирола через узкую щель - фильеру получают гибкие полистирольные пленки (стиропленки) и нити.

Полистирол состоит из молекул линейной структуры, но они расположены в материале хаотически. Вытягивание размягченного полистирола через щель фильеры позволяет ориентировать молекулы в направлении вытягивания материала. Этот метод применяют для изготовления гибких полистирольных пленок толщиной от 20 до 100 мк (микрон) и шириной от 10 до 300 мм.

Полистирольные пленки обладают такими же высокими электроизоляционными свойствами, как и полистирол в толстом слое, а электрическая прочность у полистирольных пленок значительно выше: Епр = 80 ÷ 100 кВ/мм, предел прочности при растяжении пленок σр = 700 ÷ 800 кг/см2. Полистирольные пленки применяют для изоляции жил высокочастотных кабелей, а также в производстве конденсаторов.

Полиэтилен- твердый непрозрачный материал светло-серого цвета, несколько жирный на ощупь. Электроизоляционные свойства и стойкость к воде у полиэтилена находятся на таком же высоком уровне, как и у полистирола. В отличие от полистирола полиэтилен обладает гибкостью, что позволяет применять его в качестве основной изоляции высокочастотных кабелей, а также в качестве защитных шлангов.

Различают полиэтилен высокого (ВД) и низкого (НД) давления. Полиэтилен получают из газа этилена (Н2С=СН2) посредством его полимеризации под давлением в присутствии катализатора - кислорода (0,05%).

 

Рис.101 . Высокочастотный кабель с полиэтиленовой изоляцией:

1 - медный провод. 2 - сплошная изоляция из полиэтилена. 3 - внешний гибкий провод (экран). 4 защитная оболочка из полихлорвинилового пластиката.

 

Процесс получения полиэтилена высокого давления (ВД) протекает при давлениях 1200 - 1500 атм. и при температурах 180°С - 200°С. Полиэтилен низкого давления (НД) получают при давлениях 1 - 5 атм. и при температуре 60°С, но с применением специальных катализаторов, например четыреххлористого титана. При этом образуется молекула линейной структуры

-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2- → (Н2С=СН2)n.

Степень полимеризации полиэтилена n = 3000, а молекулярный вес его составляет 20 000 ÷ 55 000.

Полиэтилен НД отличается от полиэтилена ВД несколько большим удельным весом, повышенной механической прочностью и большей жесткостью, но менее устойчив к тепловому старению по сравнению с полиэтиленом ВД.

Полиэтилены содержат от 60 (ВД) до 90% (НД) кристаллического вещества, поэтому у них наблюдается отчетливо выраженная температура плавления, которая находится в пределах от 108 (ВД) до 140°С (НД).

Полиэтилен - термопластичный материал. Он поступает в промышленность в виде гранул. Из полиэтилена изделия получают методом литья под давлением, горячим прессованием и методом экструзии (горячее непрерывное выдавливание). Метод экструзии применяют при нанесении полиэтиленовой изоляции на провода, а также при изготовлении изоляционных шлангов и трубок. Изделия из полиэтилена могут быть сварены между собой.

Из полиэтилена ВД получают изоляционные полупрозрачные пленки толщиной от 60 до 200 мк и шириной от 1 до 1,5 м.

Из более твердых сортов полиэтилена НД (с большим молекулярным весом) изготовляют негибкие электроизоляционные изделия: каркасы катушек, панели и др. При комнатной температуре полиэтилен не растворяется ни в одном из растворителей. Только при нагреве до 60°С полиэтилен растворяется в ксилоле, четыреххлористом углероде, в хлорированных углеводородах и в минеральных маслах.

Характеристики полиэтилена: удельный вес 0,92÷0,96 г/см3. Морозостойкость полиэтилена 60°С. Теплостойкость (по Мартенсу) 55 ÷ 65°С. Остальные характеристики полиэтилена не отличаются от характеристик полистирола. Все полиэтиленовые изделия не стойки к солнечному свету. Для повышения светостойкости в полиэтилены вводят сажу.

Поливинилхлорид(полихлорвинил) представляет собой порошок белого цвета, из которого получают, горячим прессованием или горячим выдавливанием механически прочные изделия (листы, трубы и др.), стойкие к минеральным маслам, многим растворителям, щелочам и кислотам.

Порошкообразный поливинилхлорид получают в результате реакции полимеризации газообразного вещества - винилхлорида (Н2С=CHCl) в присутствии перекисного катализатора (перекись водорода и др.). Реакция проводится сжиженным винилхлоридом в водном растворе щелочных веществ (водно-эмульсионный метод).

В отличие от полистирола и полиэтилена поливинилхлорид (полихлорвинил) является материалом негорючим.

Горячим прессованием порошкообразного поливинилхлорида получают твердый материал - винипласт в виде листов, пластин, труб и стержней. Все винипластовые изделия имеют светло-коричневый цвет. Они отличаются химической стойкостью к минеральным маслам, щелочам, многим кислотам и растворителям. Винипластовые изделия обладают высокой механической прочностью, особенно к ударным нагрузкам, и имеют хорошие электроизоляционные свойства.

Характеристики винипласта: удельный вес 1,35 ÷ 1,40 г/см3; σр = 400 - 600 кГ/см2; аn = 150 ÷ 160 кг∙см/см2; теплостойкость (по Мартенсу) 65°С; морозостойкость - 25°С; ρν = 1014 ÷ 1015 Ом∙см; ε = 4,0 - 4,2; tg δ = 0,008 ÷ 0,01; Епр = 15 ÷ 18 кВ/мм.

Винипласт легко формируется в металлических формах при 140 - 150°С. Изделия из винипласта поддаются всем видам механической обработки (обточка, фрезерование др.), а также легко свариваются. Из поливинилхлорида изготавливают баки для аккумуляторов и различные электроизоляционные детали (панели и проч.), стойкие к ударным нагрузкам.

Недостатками винипласта являются его малая морозостойкость (-25°С) и недостаточно высокая теплостойкость (65°С). Разложение винипласта наступает при температуре 180 - 190°С.

Полихлорвиниловый пластикат- гибкий рулонный материал, получаемый из порошка поливинилхлорида, смешанного с пластификаторами - густыми маслообразными жидкостями (дибутилфталат и др.). Пластификаторов вводится от 30 до 40 %. Кроме пластификаторов, в полихлорвиниловый пластикат вводят красители, наполнители и термостабилизаторы. Все эти вещества перемешивают с порошкообразной полихлорвиниловой смолой и полученную смесь пропускают несколько раз между нагретыми стальными вальцами. В результате такой переработки получают гибкий, эластичный материал полихлорвиниловый пластикат в виде лент толщиной от 0,8 до 1,5 мм и шириной 40 мм и более, а также в виде крошки.

Характеристики пластиката: удельный вес 1,3 ÷ 1,6 г/см3; σр = 140 ÷ 190 кГ/см2; температура разложения 170 ÷ 200°С; морозостойкость от -25 до -50°С;ρν = 1010 ÷ 1013 Ом ∙ см; ε = 4 ÷ 5; tg δ = 0,03 ÷ 0,08; Епр = 12 ÷ 15 кВ/мм.

Полихлорвиниловый пластикат широко применяется в качестве основной изоляции монтажных и установочных проводов, а также для изготовления защитных оболочек - шлангов для кабелей. Полихлорвиниловый пластикат обычно окрашен в черный, синий, желтый и другие цвета. Красители вводятся в пластикат с целью защиты материала от светового старения, а также для распознавания проводов при монтаже. Полихлорвиниловый пластикат без красителей - прозрачный материал с желтоватым оттенком. Из полихлорвинилового пластиката изготавливают также гибкие изоляционные трубки и липкую изоляционную ленту. Пластикат листовой для различных уплотняющих прокладок изготавливается в листах толщиной от 1 до 5 мм и площадью 600 Х 1000 мм2.

Органическое стекло(полиметилметакрилат) представляет собой высокополимерный, термопластичный материал. Это прозрачная синтетическая смола, легко окрашиваемая во многие цвета. Органическое стекло выпускается в виде листов толщиной от 0,8 до 24 мм и площадью от 400 Х 500 мм2 до 1400 Х 1600 мм2, а также в виде порошка.

Исходным материалом для получения органического стекла служит жидкое вещество - метилметакрилат. В него вводят небольшое количество (0,1 %) катализатора - перекиси бензоила и пластифицирующие вещества (маслообразные жидкости). Последние уменьшают хрупкость органического стекла. Смесь исходных компонентов тщательно перемешивают в никелевом сосуде и после подогрева ее разливают в разнообразные формы, изготовленные из обычного силикатного стекла. После охлаждения стеклянные формы разбирают и у полученных листов и пластин органического стекла обрезают края.

Для получения органического стекла в виде порошка процесс полимеризации метилметакрилата производят в водном растворе щелочных веществ.

Из порошка изготавливают горячим прессованием или литьем под давлением различные электроизоляционные и конструкционные изделия.

Характеристики органического стекла: удельный вес 1,18 ÷ 1,20 г/см3; σр = 650 ÷ 780 кГ/см2; σи = 800 ÷ 1200 кГ/см2; аn = 12 ÷ 16 кг∙см/см2; теплостойкость (по Мартенсу) 70 ÷ 85°С; ρν = 1012 ÷ 1014 Ом∙см; ε = 3,5 ÷ 3,8; tg δ = 0,02 ÷ 0,06; Епр = 25 ÷ 35 кВ/мм; водопоглощаемость 0,1 - 0,3%.

Полиметилметакрилат устойчив к разбавленным кислотам и щелочам, а также к бензину и минеральным маслам. Он растворяется в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле, ксилоле, в хлорированных углеводородах (хлоробензоле, трихлорбензоле и др.)), в ацетоне и некоторых других растворителях. В нагретом состоянии (125 - 135°С) органическое стекло легко формируется в стальных или деревянных пресс-формах. Наилучшие результаты достигаются формовкой разогретых заготовок под вакуумом.

Переработку полиметилметакрилата методом литья производят при температуре 200 - 220°С, обеспечивающих хорошую растекаемость материала в формах. При температуре 300°С происходит деполимеризация органического стекла, т.е. превращение его в жидкий мономер (метилметакрилат).

Органическое стекло поддается всем видам механической обработки: распиливается, сверлится, фрезеруется и обтачивается. Для предохранения органического стекла от царапин при его механической обработке материал предварительно оклеивают бумагой. Детали из органического стекла легко склеиваются дихлорэтановым клеем. Этот клей получается растворением стружки органического стекла в дихлорэтане (5 г стружки на 100 г дихлорэтана). Склеиваемые поверхности должны быть хорошо подогнаны и промыты бензином. Места склейки подвергаются сдавливанию в течение 2 - 4 часов.

Органическое стекло и изделия из него можно сваривать в специальных устройствах при температуре 140 - 150°С с применением давления на свариваемые поверхности 5 - 10 кГ/см2.

Под действием электрической дуги органическое стекло выделяет большое количество газов (СО, Н2 и др.), которые способны гасить электрическую дугу. Поэтому из органического стекла изготавливают защитные высоковольтные разрядники. Они представляют собой цилиндры с толстой стенкой (20 - 30 мм), внутри которых помещаются на некотором расстоянии друг от друга металлические стержни. Один из этих стержней присоединяется к проводу линии электропередачи, а другой - к земле. При ударе молнии в линию между стержнями, находящимися внутри цилиндра из органического стекла, возникает электрическая дуга. Она вызывает разложение органического стекла на газы. Они накапливаются в узком внутреннем пространстве цилиндрического корпуса разрядника и создают повышенное давление газов. Вследствие этого горение электрической дуги прекращается. Из органического стекла изготавливают также шкалы приборов.

Капрон(поликапролактам) представляет собой твердый материал белого или светло-желтого цвета. Это синтетическая смола, получаемая в результате полимеризации капролактама, порошкообразного вещества с температурой плавления 70°С.

Полученную смолу-капрон выдавливают через отверстие в дне автоклава в виде узкой ленты. Последняя попадает в ванну с проточной водой, где отмывается от низкомолекулярных веществ, ухудшающих свойства капрона. Отмытая и остуженная в воде капроновая лента поступает на рубильную машину, в которой рубится на кусочки (крошка) длиной 10 и толщиной 2 - 3 мм. Полученная крошка подвергается дополнительной промывке теплой водой, а затем сушится. Высушенная капроновая крошка доставляется и хранится в резиновых мешках, так как она способна поглощать влагу из воздуха.

Как и полиэтилен, капрон содержит кристаллическую и аморфную фазы, которые сочетаются друг с другом, поэтому у капрона хорошо выраженная температура плавления (215°С). Капрон не имеет запаха и физиологически безвреден. Он очень устойчив против плесневых грибков, но не устойчив к атмосферным воздействиям. Смена сухой и влажной атмосферы, а также действие солнечных лучей вызывает изменение цвета капрона и снижение его механических характеристик. Для повышения стойкости капрона к атмосферным воздействиям в него вводят стабилизаторы (0,3 ÷ 0,5%).

Основные характеристики капрона: удельный вес 1,1 ÷ 1,2 г/см3; σр = 600 кг/см2; σс = 700 кг/см2; аn = 150 ÷ 170 кг∙см/см2. Теплостойкость (по Мартенсу) 55°С; морозостойкость - 50°С; водопоглощение 1,7 ÷ 2,5%; ρν = 1013 - 1014 Ом∙см; ε = 3,6; tg δ = 0,03 ÷ 0,04; Епр = 20 ÷ 22 кВ/мм; температура разложения 310°С.

У капрона наблюдается медленная деформация (холодная текучесть) под действием постоянной нагрузки, но деформация в пределах до 3% после снятия нагрузки полностью исчезает.

В электрической изоляции находит применение капроновое волокно, получаемое вытяжкой через фильеры (малые круглые отверстия диаметром 0,1 мм и менее) размягченной капроновой смолы. Капроновое волокно обладает большой механической прочностью (σр = 55 ÷ 60 кг/мм2) и повышенным сопротивлением к истиранию. Капроновое волокно применяется в качестве изоляции обмоточных и некоторых типов монтажных проводов, а также в качестве основы электроизоляционных лакированных тканей. Значительное применение капрон получил в производстве конструкционных деталей, отличающихся малым весом и высокой механической прочностью. Из капрона изготавливают вкладыши подшипников, шестерни, ролики транспортеров, крыльчатки вентиляторов, маховики вентилей и др. Большая часть этих изделий из капрона изготавливается методом литья под давлением. Усадка литых изделий из капрона составляет 1,5 - 2,5 %. Они поддаются всем видам механической обработки.