Поликонденсационные органические диэлектрики.

Из этой группы высокополимерных материалов в электротех­нике получили наибольшее применение: резольные, новолачные полиэфирные,поливинилацеталевые и эпоксидные смолы.

Резольные смолы являются термореактивными веществами, которые в своей конечной стадии не размягчаются при нагреве. Переход в неплавкое и нерастворимое состояние у резольных смол совершается в три стадии. Только что полученная смола находится в первоначальной стадии А (резол). Она размягчает­ся при нагреве и растворяется в растворителях. При дальнейшем нагревании резольная смола переходит в стадию В, в которой она еще может размягчаться (при 95—100°С), но уже не раство­ряется в растворителях. При последующем нагревании,смола пе­реходит в конечную стадию С. В этой стадии резольная смола состоит из больших трехмерных молекул, и уже не способна пла­виться и растворяться. Это свойство резольных смол использует­ся в производстве термореактивных пластмасс (гетилакс, тексто­лит и др.).

Из резольных смол наибольшее применение в электротехни­ке имеет бакелитовая смола (бакелит). Она образуется в резуль­тате реакции поликонденсации, протекающей между кристаллическим фенолом (С₆Н₅ОН) и формалином (40-процентный раствор газа формальдегида СН₂0 в воде) в присутствии щелочного катализатора —гидрата окиси бария (Ва(ОН)₂) или гидрата окиси аммония (NH₄OH) в виде 25-процентного раствора вводе. Формальдегид берется в избытке. Для получения бакелитовой смолы определенное количество компонентов (фенол, формалин и катализатор) загружают в медный варочный котел, где они пе­ремешиваются вращающейся мешалкой. Затем варочный котел нагревают до 95° С.

При этой температуре начинается реакция поликонденсации, в результате которой в нижней части варочного котла образуется густая сиропообразная масса коричневого цвета. Это бакелитовая смола в первоначальной стадии А. В верхней же части котла над слоем смолы располагается слой воды (надсмольная во­да), являющейся побочным продуктом реакции. После окончания варки смолы воду откачивают, получившуюся смолу сушат под вакуумом при температуре 60—70°С, а затем разливают в металлические противни.

Охлажденная (до комнатной температуры) бакелитовая смола представляет собой твердое хрупкое вещество темно-коричневого цвета. Она имеет характерный запах фенола (карболовой кислоты). Бакелитовая смола применяется в качестве связующе­го вещества в пластмассах, а также для получения бакелитовых лаков. Чтобы получить спиртовый бакелитовый лак, этиловый спирт вводят в варочный котел, для растворения высушенной смолы в стадии А. Обычно получают лак с содержанием 50—65% бакелитовой смолы. С целью экономии этилового спирта широко применяют жидкие водно-эмульсионные бакелитовые смолы, содержащие 15—20% воды. Спиртовыми лаками и жидкими смолами пропитывают волокнистые основы (бумага, ткани), при­меняемые для производства слоистых электроизоляционных материалов — гетинакса, текстолита, стеклотекстолита.

Если вместо кристаллического фенола взять крезол (жидкое вещество) и провести поликонденсацию между крезолом и формальдегидом, то получится крезолоформальдегидная смола. Эта смола тоже относится к резольным смолам. Она обладает более высокими электроизоляционными свойствами.

Все резольные смолы являются полярными диэлектриками, поэтому их диэлектрическая проницаемость ε = 4.5 ÷6,0. В своей конечной стадии С резольные смолы обладают стойкостью к минеральным маслам и к воде, но они не стойки к электрическим искрам. Под действием искровых разрядов поверх­ность резольных смол легко обогащается углеродом, в результа­те чего создаются токопроводящие дорожки. Вследствие этого пластмассовые изделия, выполненные на основе резольных смол, не рекомендуется применять там, где возможно образование электрических искр.

Характеристики резольных смол (в конечной стадии С): удельный вес 1,22÷1,28 г\см³ ; ρ_ν = 10¹²÷10¹⁴ Ом * см; ε=4,5÷5,0; tg δ=0,01 ÷0,05; Е_пр= 15÷20 кВ/мм.

Новолачные смолы (новолаки), как и резольные, получают в результате реакции поликонденсации между фенолом и формаль­дегидом, но при недостатке формальдегида (на 100 кг фенола бе­рут 27 кг формальдегида). При этом применяют кислотный катализатор — смоляную кислоту.

Полученная новолочная смола представляет собой густую массу светло-коричневого цвета, которую в нагретом состоянии разливают в противни. В остуженном состоянии новолачная смола представляет собой твердое хрупкое вещество, растворяющееся в этиловом спирте и ацетоне. Электроизоляционные свойства новолачных смол ниже, чем у резольных смол из-за наличия в них кислотного катализатора. Новолачные смолы с улучшенны­ми электроизоляционными свойствами изготовляются на основе фенола, анилина и формальдегида.

Характеристики новолачных смол: удельный вес 1,28÷1,32 г/см³; ρ_ν =10¹⁰÷10¹² Ом* см; ε = 5÷6; tg δ = 0,05÷0,1; Е_пр=8÷12 кВ/мм.

Новолачные смолы являются термопластичными веществами. Они сохраняют плавкость и растворимость при длительном хранении и даже при нагревании до 200°С. Новолачные смолы могут быть переведены в неплавкое и нерастворимое состояние при взаимодействии их (в нагретом состоянии) с уротропином [(СН₂)₆N]. Этим пользуются для получения быстро прессующихся пластмасс на основе новолачных смол.

В порошкообразную новолачную смолу вводят 12—15% уротропина (порошок белого цвета). Эти два порошкообразных вещества тщательно смешивают друг с другом, а также с краси­телями и наполнителями (древесная мука и др.). Из полученной смеси прессуют в стальных нагретых до 140—160°С пресс-формах пластмассовые детали для электрических аппаратов низкого напряжения (основания и крышки выключателей, патронов), а также конструкционные детали (кнопки, рукоятки и др.).

Более широкому применению пластмасс на основе новолач­ных смол препятствуют пониженные электроизоляционные свойства, особенно во влажной атмосфере.

Глифталевые смолы относятся к группе полиэфирных смол, получаемых поликонденсацией многоатомных спиртов (гликоль, глицерин и др.) и органических кислот (фталевая, малеиновая и др.).

Глифталевые смолы (глифтали) получают в результате реакции поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида при избытке последнего.

Для обеспечения достаточной гибкости глифталевые смолы модифицируют, т. е. в процессе поликонденсации в них вводят жирные кислоты и растительные масла, например касторовое масло. Отличительной особенностью глифталевых смол является их высокая клеящая способность при хороших электрических характеристиках и стойкости к поверхностным разрядам.

Глифталевые смолы в электротехнике используются как осно­вы для клеящих, пропиточных и покровных лаков, пленки которых (после запекания) оказываются стойкими к нагретому мине­ральному маслу. Клеящие глифталевые лаки нашли большое применение в производстве твердой и гибкой слюдяной изоляции (миканиты).Характеристики глифталевых смол: удельный вес 1,10÷146 г/см³; ρ_ν = 10¹³÷10¹⁴ Ом* см; ε= 4÷7; tg δ = 0,003 ÷0,03; Е_пр =20÷25 кВ/мм.

Поливинилацеталевые смолы представляют собой высокопо­лимерные вещества, получаемые в результате реакции поликонденсации поливинилового спирта с альдегидами (формальдегид, уксусный альдегид и др.) в присутствии кислотного катализатора серной или соляной кислоты.

Основные характеристики пленок поливинилацеталевых смол: ρ_ν =10¹⁴÷10¹⁵ Ом *см; ε = 3,4÷3,8; tg δ = 0,005 ÷ 0,01; E_пр = 80 ÷ 100 кВ/мм; нагревостойкость: 110÷120°С.

Поливинилацеталевые смолы являются термопластичными полярными диэлектриками.

Эпоксидные смолы, применяемые в электротехнике, пред­ставляют собой сиропообразные жидкости темно-желтой или коричневой окраски. Жидкие эпоксидные смолы являются низ­комолекулярными веществами, но при большем молекулярном весе (свыше 1000) эпоксидные смолы представляют собой твер­дые вещества.

Эпоксидные смолы получаются в результате реакции поли­конденсации хлорированного глицерина с резорцином или дианом (дифенилолпропан). Процесс образования смолы происхо­дит в щелочной среде. Для этого в реактор (закрытый сосуд) вводят 25—50-процентный раствор едкого натра. Молекулы эпо­ксидных смол содержат так называемые эпоксидные группы (—СН₂= СОН), что послужило основанием назвать эти смолы эпоксидными.

Эпоксидные смолы нашли широкое применение в электротех­нике как основы электроизоляционных заливочных компаундов, а также клеящих и покровных лаков. Достоинством эпоксидных компаундов (заливочные составы для герметизации обмоток и других частей электрических аппаратов) является очень малая объемная усадка (0,5—1,0%) при их отвердевании. Кроме того, затвердевшие эпоксидные смолы обладают большой механиче­ской прочностью и стойкостью к воде.

В качестве отвердителей применяются: ангидриды малеиновой и фталевой кислот и другие вещества.

Промышленность выпускает эпоксидные смолы марок ЭД-5; ЭД-6; Э-37 и др.

Характеристики эпоксидных смол в твердом состоянии: удель­ный вес 1,2 — 1,3 г/см³; σ_р= 600÷800 кГ/см²; а_п = 10÷22см²/кг*см; теплостойкость (по Мартенсу) 100÷110°С; ρ_ν = 10¹³÷10¹⁵ Ом*см; 8=3,5÷3,9; tg δ = 0,005÷0,025; E_пр = 18÷30 кВ/мм.