Полімерні матеріали.

Полімери, як правило, є гарними діелектриками. Вони мають низькі діелектричні втрати, високий питомий опір, високу електричну міцність, високу технологічність і, як правило, невисокою ціною. Крім того, на основі полімерів з дисперсними добавками різної електропровідності, теплопровідності, магнітній проникності, діелектричній проникності, твердості й т.п. можна одержувати різноманітні композиційні матеріали із широким спектром властивостей.

По технологічних ознаках полімерні матеріали діляться на 2 класу - термопласти й реактопласти.

Термопластичні матеріали при підвищенні температури розм'якшуються, легко деформуються. Характерною рисою термопластичних матеріалів є те, що їх нагрівання не викликає необоротних змін їх властивостей. Термореактивні (термозатверджуючі) матеріали (реактопласти) при нагріванні здобувають необоротні зміни, вони спікаються, здобувають значну механічну міцність і твердість.

Термопласти – це в основному лінійні полімери, а реактопласти – це полімери із сильно розвитому просторовою структурою.

Термопласти (термопластичні матеріали) - розм'якшуються при нагріванні, що дозволяє використовувати просту технологію термопресування. При цьому гранули вихідного полімеру поміщають у камеру термопласт - автомата, нагрівають до температури розм'якшення, пресують і прохолоджують. Так роблять дрібні діелектричні деталі. Для великогабаритних виробів, типу кабелів, напівтвердий розплав видавлюють через фільєру разом із внутрішнім електродом кабелю.

Найпоширенішим діелектриком цього класу є поліетилен H-(CH2)_nh. Поліетилен роблять шляхом полімеризації газу етилену при підвищених тисках і температурах.

Хімічна формула етилену З₂H₄. Будова молекули H₂C = CH₂. Етилен є побічним продуктом нафтопереробки.

В основному використовуються дві технології. Історично першої була технологія одержання поліетилену при високому тиску до 250 МПа й температурі до 300 °С за допомогою ініціюючих агентів-окиснювачів. При цьому виходить т.зв. поліетилен високого тиску ПЕВД, для якого використовується й інша назва - поліетилен низкою щільності (ПЕНП).

У цей час більш поширена технологія одержання поліетилену за допомогою каталізаторів при невисокому тиску до 1 МПа, невисокій температурі до 80°С. При цьому виходить т.зв. поліетилен низького тиску ПЕНД, для якого використовується й інша назва - поліетилен високого щільності (ПЕВП). Головна відмінність отриманих продуктів з фізико-хімічної точки зору - підвищена водостійкість ПЕНД у порівнянні з ПЕВД. Інші характеристики практично однакові: питомий опір 10¹⁴-10¹⁵ Ом·м, питомий поверхневий опір10¹⁵ Ом, діелектрична проникливість 2.2-2.4, тангенс кута діелектричених втрат 10^-4, електрична міцність 45-55 кВ/мм, теплопровідність 0.3-0.4 Вт/(м·К), теплоємність 2 кДж/(кг·К), щільність 920-960 кг/м3. Клас нагрівостійкості Y.

Поліетилен широко використовують у якості силової електричної ізоляції в кабелях, особливо т.зв. "зшитий" поліетилен. ( У закордонній літературі - cross-linked polyethylene). Його одержують або опроміненням високоенергетичними частками (електронами, фотонами, важкими частками), або вулканізацією. При цьому утворюється просторова сітка, подібно тому, як це реалізується в гумі. Модифікований матеріал може експлуатуватися при температурі до 200 °С, крім того, він стає більш стійким стосовно агресивних середовищ і розчинникам, механічно більш міцним, його питомий опір підвищується приблизно на два порядки.

З інших термопластичних полімерів, використовуваних в енергетику у вигляді електроізоляційних плівок відзначимо поліпропілен, полівінілхлорид, лавсан.

Інші широко застосовувані на практиці полімерні ізоляційні матеріали – полістирол, полівінілхлорид, поліметилметакрилат.

Рядом унікальних властивостей має фторопласт (політетрафторетилен) – один із представників фторорганічних полімерів.

Цей матеріал у нас називається фторлон-4 (фторопласт-4). Він хімічно інертний, не розчиняється в розчинниках, аж до температури 260 °С, абсолютно не змочується водою, не гігроскопічний.

Реактопласти (термореактивні матеріали) - при нагріванні не розм'якшуються, після досягнення деякої температури починаються руйнуватися. Виробу з них звичайно роблять різними способами. Одна з розповсюджених дешевих технологій полягає в наступному. Спочатку готовлять прес-порошки полімеру. Потім прес порошок засинають у прес-форму й пресують при певному тиску й температурі. При цьому виникає зчеплення між деформованими частками, і після охолодження матеріал готовий до використання.

Можливе проведення полімеризації з вихідних компонентів у заздалегідь підготовлених формах. Так роблять виробу з епоксидних полімерів, кремнійорганичної гуми.

Досить дешеві й технологічні реактопласти на основі фенолформальдегідних полімерів (бакеліт) і аміноформальдегідних полімерів.

Першимиреактопластами, отриманими близько 100 років тому, були фенолформальдегідні смоли (ФФС). Компонентами цих смол є фенол і формальдегід, реакція поліконденсації яких відбувається при нагріванні до 450 .. - 470 ДО. Вихідною сировиною для ФФС є кам'яне вугілля, що й пояснює дешевину й постояле зростання виробництва, особливо у вигляді теплоізоляційних пінопластів для будівельної промисловості. В електроніці ФФС широко застосовуються для виготовлення шаруватих пластиків, покриттів і фарб (лак на основі ФФС називається бакелітовим), деталей електроізоляційної апаратури, сепараторів акумуляторів і т.д.

Питомий опір отверділої ФФС — 10¹² ... ...10^{13 Ом-}См, tg = 0,015 при f=10⁶ Гц, електрична міцність 10...18 кВ/мм, =10 ... —11 (50 Гц) і =6 (106 Гц). Діапазон робочих температур 210 ... 470°К. Композиції на основі ФФС і рубаного вуглецевого волокна (вуглепресволокніт) мають підвищену нагрівостійкість — короткочасно до 800°С. Широко застосовуються в радіоелектроніці гетинакс і текстоліт-шаруваті пластики на основі ФФС із паперовим і тканинними наповнювачами. Недоліки ФФС - крихкість, висока в'язкість олігомерів і висока температура затвердіння.

Епоксидні смоли — продукт поліконденсації багатоатомних з'єднань, що включають епоксігруппу кільця

Властивості епоксидних смол змінюють у широких межах, використовуючи різні добавки, які діляться на наступні групи:

· пластифікатори- органічні сполуки — олігомери, що діють як внутрішнє змащення й поліпшуючі еластичність, що й запобігають кристалізацію, відокремлюючи ланцюгу полімеру друг від друга;

· наповнювачі-у невеликих кількостях уводяться для поліпшення міцності й діелектричних властивостей, підвищення стабільності розмірів, теплостійкості;

· каталізатори - для прискорення отвердіння;

· пігменти - для фарбування.

Недоліки реактопластів: порівняно високе значення tg , незастосовність як діелектрики нвч - техніки; неповна відтворюваність технологічних властивостей олігомерів тому що число епоксігруп мінливо, а це позначається на температурі й тривалості затвердіння.

З інших полімерів-реактопластів відзначимо діелектричний матеріал з високою механічною міцністю - капролон, з більшим діапазоном робочих температур (-100° С до +250° С) - поліімиди й композити на їхній основі.

Поліімід— новий клас термостійких полімерів, ароматична природа молекул яких визначає їхню високу міцність аж до температури розкладання, хімічну стійкість, тугоплавкість. Поліімідна плівка працездатна при 473°К (200°С) протягом декількох років, при 573 °К—1000 год, при 673°К - до 6 годин. Короткочасно вона не руйнується навіть у струмені плазмового пальника.

Поліімід є слабополярним середньочастотним матеріалом, оскільки його tg =0,003. Поліімід має підвищене вологовбирання.

Поліімід випускається в різних видах:

1. Плівка товщиною 8 ... 100 мкм, у тому числі фольгована, призначена для гнучких друкованих плат, шлейфів і підкладок тонкоплівочних ГІС.

2. Лак ПАК, стійкий після висихання при 470 ... 520°К, обмежено при 573°К, короткочасно при 670°К.

3. Прес-матеріал для одержання виробів гарячим пресуванням при 590°К и тиску 100 Мпа.

4. Пінопласт (пінополіімід) із щільністю 0,8...2,5 г/см⁵, що застосовується в якості тепло- і електроізоляційного матеріалу для температур 90 ... 520°К

5. Склопластик на основі полііміду, стійкий до 670°К, і вуглепластик, що не втрачає механічної міцності при 550°К.

6. Ізоляційна стрічка, стійка при температурі до 500°К.