Полимеры, получаемые поликонденсацией. В зависимости от особенностей проведения реакции поликонденсации могут быть получены полимеры как с линейной, так и с пространственной или сетчатой структурой молекул. В связи с тем, что при поликонденсации происходит выделение низкомолекулярных побочных продуктов, которые не всегда могут быть полностью удалены из полимера, диэлектрические параметры поликонденсационнных полимеров несколько ниже, чем у получаемых с помощью полимеризации. Однако поликонденсационные полимеры могут быть получены с рядом ценных свойств, обусловливающих их широкое применение для материалов, применяемых в электротехнических целях. Так, линейные поликонденсационные полимеры имеют высокую прочность и большое удлинение при разрыве. Многие из них способны вытягиваться в тонкие нити, из которых можно получать электроизоляционные ткани, пряжу. Некоторые полимеры применяются для изготовления пленочных матриалов. Поликонденсационные полимеры с линейной структурой макромолекул, которым присущи свойства термопластичных материалов в исходной стадии, являются в своей конечной стадии термореактивными и широко применяются как связующее в пластмассах в качестве лаковой основы и в производстве слоистых пластиков.
Фенолформальдегидные смолы –продукт поликонденсации фенола H5C6-OH с формальдегидом H2CO в закрытом котле водного раствора в присутствии катализатора. Фенолформальдегидные смолы могут быть изготовлены как термореактивными, так и термопластичными.
При избытке фенола в присутствии кислотного катализатора (соляной кислоты) получают термопластичные смолы или новолак. Применяется для изготовления пресс-порошков пластических масс.
При избытке формальдегида получают термореактивную смолу бакелит. При получении бакелита он проходит сначала стадию А (резол). При нагревании до 85°C бакелит переходит в промежуточную стадию В и называет ся резитол. При дальнейшем нагревании до 140-160 °C, бакелит полимеризуется и переходит в стадию С (резит). Бакелит имеет высокие электроизоляционные и механические свойства, но склонен к трекингу, то есть образованию на поверхности электропроводящих каналов под воздействием электрических разрядов. Применяется для пропитки дерева, для изготовления пластмасс, композиционных материалов, слоистых пластиков - гетинакса, текстолита. Удельное сопротивление бакелита rv=1011-1012 Ом·м, rs=1013 Ом. Плотность бакелита равна 1,25 Мг/м3.
При замене фенола анилином или крезолом получают анилиноформальдегидные смолы и крезолоформальдегидные смолы, которые имеют более высокие влажностные и тепловые свойства по сравнению с бакелитами. Они используются в качестве связующего для производства композиционных материалов, а также для производства лаков.
Полиэфирные смолы.Полиэфирные смолы получают поликонденсацией многоосновных кислот с многоатомными спиртами. Линейные полиэфирные смолы являются термопластичными полимерами, применяются в виде плёнок и волокон. Термореактивные используются в качестве основных лаков. Термореактивные полимеры на основе глифталевой кислоты называются глифталевыми смолами. Получают посредством поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида. Обладают высокой эластичностью, высокой клейкостью, стойкостью к старению и трекингу.
Ненасыщенные полиэфирные смолы.Продукт поликонденсации гликолей с ненасыщенными кислотами, применяются в качестве изоляции электрических машин и аппаратов, для изготовления компаундов, а также в качестве связующего для изготовления слоистых пластиков. Обладают высокими электроизоляционными и тепловыми свойствами.
Эпоксидные смолы.Термопластичны, растворяются в ацетоне, отвердевают под воздействием теплоты с минимальной усадкой, при этом становятся термореактивными.
При синтезе этих смол в зависимости от химического состава соединений, получают диановые и циклоалифитические смолы, которые отличаются повышенной короностойкостью и трекингоустойчивостью. Их недостаток – токсичность. Применяются в качестве электроизоляции, изготовления клеев, лаков, заливочных компаундов.
Кремнийорганические смолы.Кремнийорганические смолы (полиорганосилоксаны, силиконы) Они обладают высокими тепловыми, влажностными свойствами, хорошие диэлектрики, применяются в качестве связующего для изготовления пластмасс, слюдяных материалов и слоистых пластиков. Однако, кремнийрганические смолы имеют низкую механическую прочность Кремнийорганические полимеры представляют собой неорганические цепи из атомов кремния и кислорода, обрамлённых органическими радикалами. Органические радикалы у атомов кремния снижают термическую стойкость полиорганосилоксанов, но придают им водостойкость и эластичность
.
ЛЕКЦИЯ №8
Диэлектрические материалы. Строение и свойства
Волокнистые материалы. Дерево, бумага, картон. Текстильные материалы. Натуральные, синтетические и искусственные волокна.
Пластмассы. Слоистые пластики. Гетинакс, текстолит, асбогетинакс, стеклотекстолит
В электротехнике весьма широко применяются волокнистые материалы, то есть материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы — волокон.
Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность. Гигроскопичность их более высокая, чем у массивного материала того же химического состава (так как развитая поверхность волокон легко поглощает влагу, проникающую в промежутки между ними). Свойства волокнистых материалов могут быть существенно улучшены путем пропитки, вот почему эти материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.
Большая часть волокнистых материалов — органические вещества. К ним принадлежат материалы растительного происхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и прочие материалы, состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химической переработки природного волокнистого (в основной целлюлозного) сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синтетических полимеров.
Волокнистые целлюлозные материалы имеют сравнительно большую гигроскопичность, что связано как с химической природой целлюлозы, содержащей большое число полярных гидроксильных групп, так и особенностями строения растительных волокон, а также невысокую нагревостойкость (в непропитанном состоянии — класс Y, а в пропитанном — А. Некоторые искусственные, и в особенности синтетические, волокнистые материалы имеют значительно меньшую гигроскопичность и повышенную нагревостойкость по сравнению с целлюлозными материалами.
В тех случаях, когда требуется особо высокая рабочая температура изоляции, которую волокнистые органические материалы обеспечить не могут, применяют волокнистые неорганические материалы — на основе стеклянного волокна и асбеста.
Дерево. Благодаря своей распространенности, дешевизне и легкости механической обработки дерево явилось одним из первых электроизоляционных и конструкционных материалов, получивших применение в электротехнике. Дерево обладает неплохими механическими свойствами, в особенности, если учесть его легкость: прочность дерева, отнесенная не к геометрическим размерам, а к массе, не ниже, чем у стали. Прочность дерева в различных направлениях различна: прочность поперек волокон меньше, чем вдоль.
Недостатки дерева: высокая гигроскопичность, обусловливающая резкое снижение электроизоляционных свойств дерева при его увлажнении, а также коробление и растрескивание деталей, изготовленных из влажного дерева, при его высушивании (вследствие того, что влажное дерево при сушке дает уменьшение размеров, неодинаковое в различных направлениях); нестандартность свойств дерева даже одной и той же породы, неоднородность свойств образцов дерева в зависимости от направления их выпиливания, наличие сучков и других дефектов; низкая нагревостойкость, а также горючесть.Свойства дерева улучшаются при его пропитке льняным маслом, различными смолами и т. д.
Бумага и картон.Бумага и картон — это листовой или рулонный материал коротковолокнистого строения, состоящий в основном из целлюлозы. Для производства бумаги обычно применяют древесную целлюлозу. В состав древесины помимо целлюлозы и воды входят различные вещества, которые рассматриваются как примеси: лигнин (придающий древесине хрупкость), смолы (особенно в древесине хвойных пород), соли и другие. Обычная писчая и печатная бумага, в том числе и бумага, на которой напечатано это пособие, изготавливаются из сульфитной целлюлозы, напученной в результате варки древесины в растворе, содержащем сернистую кислоту H2SO3; такая целлюлоза в процессе ее изготовления легко приобретает белый цвет.
При изготовлении же бумаги, применяемой в качестве электрической изоляции применяется сульфатная и натронная целлюлоза, получаемая путем варки древесины в растворах, содержащих едкий натрий NaOH. Щелочная целлюлоза обычно не отбеливается и сохраняет желтоватый цвет, обусловленный не удаленными красящими веществами древесины. Щелочная целлюлоза дороже сульфитной. Однако, поскольку в процессе щелочной варки исходная целлюлоза древесины в меньшей мере подвергаемся деструкции (разрушению макромолекул) и сохраняет более высокую молекулярную массу и длину волокон, чем в процессе кислотной варки, щелочные бумаги имеют более высокую механическую прочность и более стойки к тепловому старению. Кабельная бумага выпускается различных марок, обозначаемых буквами. К, КМ, KB, КВУ, КВМ и КВМУ (эти буквы обозначают: К — кабельная, М — многослойная, В — высоковольтная, У — уплотненная) и цифрами от 15 до 240 (обозначающими номинальную толщину бумаги — от 15 до 240 мкм).
Телефонная бумага марок КТ и КТУ согласно имеет толщину 50 мкм.
Конденсаторная бумага — весьма важный и ответственный материал: в пропитанном виде она используется как диэлектрик бумажных конденсаторов. Выпускается двух видов: КОН — обычная конденсаторная бумага и силкон — бумага для силовых конденсаторов.
Микалентная бумага, применяемая в качестве подложки микаленты, — одна из немногих разновидностей электроизоляционных бумаг, производимых не из древесной целлюлозы щелочной варки, а из длинноволокнистого хлопка. Она имеет толщину 20 ± 2 мкм и массу 1 м2, равную 17 г; выпускается в рулонах шириной 450 или 900 мм.
Картон в основном отличается от бумаги большей толщиной. Электроизоляционные картоны изготовляются двух типов: воздушные более твердые и упругие, предназначенные для работы на воздухе (прокладки для пазов электрических машин, каркасы катушек, шайбы), и масляные — более рыхлой структуры и более мягкие, предназначаемые в основном для работы в трансформаторном масле. Масляные картоны хорошо пропитываются маслом и в пропитанном виде имеют высокую электрическую прочность. Электроизоляционные картоны изготовляются из древесной или хлопковой целлюлозы.
Особая бумага и картон. Так, бумаги из смеси целлюлозы с полиэтиленовым волокном имеют er, tg d и гигроскопичность меньшие, а механическую прочность большую, чем чисто целлюлозные бумаги. Такие бумаги, в частности, находят применение в изоляции кабелей весьма высокого напряжения.
Фибра.Фибра изготавливается из тонкой бумаги, которая пропускается через теплый раствор хлористого цинка, а затем наматывается на стальной барабан, причем слои прилипают друг к другу, образуя нужную толщину. После чего бумага тщательно промывается водой и прессуется Фибра имеет невысокие электроизоляционные свойства и значительную гигроскопичность, однако она отличается высокой механической прочностью, хорошо обрабатывается. При воздействии на фибру электрической дуги она разлагается, выделяя газ, способствующий гашению дуги, поэтому фибру используют для изготовления стреляющих разрядников. В настоящее время фибра заменяется некоторыми синтетическими смолами.