Полимерные материалы.

Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Кроме того, на основе полимеров с дисперсными добавками различной электропроводности, теплопроводности, магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости, твердости и т.п. можно получать разнообразные композиционные материалы с широким спектром свойств.

По технологическим признакам полимерные материалы делятся на 2 класса - термопласты и реактопласты.

Термопластичные материалы при повышении температуры размягчаются, легко деформируются. Характерной особенностью термопластичных материалов является то, что их нагревание не вызывает необратимых изменений их свойств. Термореактивные (термоотверждающиеся) материалы (реактопласты) при нагреве приобретают необратимые изменения, они запекаются, приобретают значительную механическую прочность и твердость.

Термопласты – это в основном линейные полимеры, а реактопласты – это полимеры с сильно развитой пространственной структурой.

Термопласты (термопластичные материалы) - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт - автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля.

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH2)_nH. Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах.

Химическая формула этилена С₂H₄. Строение молекулы H₂C = CH₂. Этилен является побочным продуктом нефтепереработки.

В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 °С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления ПЭВД, для которого используется и другое название - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП).

В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80°С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название - полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения - повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. Другие характеристики практически одинаковы: удельное сопротивление 10¹⁴-10¹⁵ Ом·м, удельное поверхностное сопротивление 10¹⁵ Ом, диэлектрическая проницаемость 2.2-2.4, тангенс угла диэлектрических потерь 10^-4, электрическая прочность 45-55 кВ/мм, теплопроводность 0.3-0.4 Вт/(м·К), теплоемкость 2 кДж/(кг·К), плотность 920-960 кг/м3. Класс нагревостойкости Y.

Полиэтилен широко используют в качестве силовой электрической изоляции в кабелях, в особенности т.н. "сшитый" полиэтилен. (В зарубежной литературе - cross-linked polyethylene). Его получают либо облучением высокоэнергетичными частицами (электронами, фотонами, тяжелыми частицами), либо вулканизацией. При этом образуется пространственная сетка, подобно тому, как это реализуется в резине. Модифицированный материал может эксплуатироваться при температуре до 200 °С, кроме того, он становится более стойким по отношению к агрессивным средам и растворителям, механически более прочным, его удельное сопротивление повышается примерно на два порядка.

Из других термопластичных полимеров, используемых в энергетике в виде электроизоляционных пленок отметим полипропилен, поливинилхлорид, лавсан.

Другие широко применяемые на практике полимерные изоляционные материалы – полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат.

Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен) – один из представителей фторорганических полимеров.

Этот материал у нас называется фторлон-4 (фторопласт-4). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 °С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен.

Реактопласты (термореактивные материалы) - при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию.

Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах. Так делают изделия из эпоксидных полимеров, кремнийорганической резины.

Достаточно дешевы и технологичны реактопласты на основе фенолформальдегидных полимеров (бакелит) и аминоформальдегидных полимеров.

Первымиреактопластами, полученными около 100 лет назад, были фенолформальдегидные смолы (ФФС). Компонентами этих смол являются фенол и формальдегид, реакция поликонденсации которых происходит при нагреве до 450 .. - 470 К. Исходным сырьем для ФФС является каменный уголь, что и объясняет дешевизну и постоялый рост производства, особенно в виде теплоизоляционных пенопластов для строительной промышленности. В электронике ФФС широко применяются для изготовления слоистых пластиков, покрытий и красок (лак на основе ФФС называется бакелитовым), деталей электроизоляционной аппаратуры, сепараторов аккумуляторов и т. д.

Удельное сопротивление отвержденной ФФС — 10¹² ... ... Ю¹³ Ом-см, tg = 0,015 при f=10⁶ Гц, электрическая прочность 10 ... 18 кВ/мм, =10 ... —11 (50 Гц) и =6 (10⁶ Гц). Диапазон рабочих температур 210 ... 470 К. Композиции на основе ФФС и рубленного углеродного волокна (углепрессволокнит) обладают повышенной нагревостойкостью — кратковременно до 800 К. Широко применяются в радиоэлектронике гетинакс и тек­столит—слоистые пластики на основе ФФС с бумажным и тканевым наполнителями. Недостатки ФФС—хрупкость, высокая вязкость олигомеров и высокая температура отверждения.

Эпоксидные смолы — продукт поликонденсации многоатомных соединений, включающих эпоксигруппу кольца

Свойства эпоксидных смол изменяют в широких пределах, используя различные добавки, которые делятся на следующие группы:

· пластификаторы—органические соединения — олигомеры, действующие как внутренняя смазка и улучшающие эластичность и предотвращающие кристаллизацию, отделяя цепи полимера друг от друга;

· наполнители—в небольших количествах вводятся для улучшения прочности и диэлектрических свойств, повышения стабильно­сти размеров, теплостойкости;

· катализаторы—для ускорения отверждения;

· пигменты—для окрашивания.

Недостатки реактопластов: сравнительно высокое значение tg , неприменимость в качестве диэлектриков СВЧ-техники; неполная воспроизводимость технологических свойств олигомеров так как число эпоксигрупп непостоянно, а это сказывается на тем­пературе и длительности отверждения.

Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью - капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100° С до +250° С) - полиимиды и композиты на их основе.

Полиимид— новый класс термостойких полимеров, ароматическая природа молекул которых определяет их высокую прочность вплоть до температуры разложения, химическую стойкость, тугоплавкость. Полиимидная пленка работоспособна при 473 К (200°С) в течение нескольких лет, при 573 К—1000 ч, при 673 К—до 6 ч. Кратковременно она не разрушается даже в струе плазменной горелки.

Полиимид является слабополярным среднечастотным материалом, поскольку его tg =0,003. Полиимид обладает повышенным влагопоглощением

Полиимид выпускается в различных видах:

1. Пленка толщиной 8 ... 100 мкм, в том числе фольгированная, предназначенная для гибких печатных плат, шлейфов и подложек тонкопленочных ГИС.

2. Лак ПАК, стойкий после высыхания при 470 ... 520 К, огра­ниченно при 573 К, кратковременно при 670 К.

3. Пресс-материал для получения изделий горячим прессованием при 590 К и давлении 100 МПа.

4. Пенопласт (пенополиимид) с плотностью 0,8 ... 2,5 г/см⁵, применяющийся в качестве тепло- и электроизоляционного мате­риала для температур 90 ... 520 К-

5. Стеклопластик на основе полиимида, стойкий до 670 К, и углепластик, не теряющий механической прочности при 550 К.

6. Изоляционная лента, стойкая при температуре до 500 К.