Электроизоляционные резины

Резины широко применяют в производстве электрических про­водов и кабелей, где они выполняют роль электроизоляционных материалов (электроизоляционные резины) или роль защитных покровов (защитные резины). В последнем случае высокие эле­ктроизоляционные свойства резин не обязательны. Назначение защитных (шланговых) резин — защищать изоляцию кабеля от возможных механических и химических воздействий, а также от проникновения в нее влаги.

Основным сырьем для изготовления всех резин являются на­туральные и синтетические каучуки. Натуральный каучук добы­вается из сока тропических каучуконосных растений.

Каучук состоит из молекул изопрена С₅Н₈. Эти молекулы объединяются и образуют длинные молекулярные цепочки:

СН₃ СН₃

CH₂=C-CH-CH...[-CH₂-C=CH-CH₂-]_n...

СНз

... СН₂-С = СН-СН₂

Каучук обладает высокой эластичностью (растяжимостью) и принадлежит к группе материалов, называемых эластомерами. Удлинение каучука при разрыве составляет 400—500%- С повы­шением температуры каучук становится пластичным, т. е. течет. Пластичность каучука является свойством, необходимым для производства резин, так как способствует лучшей смешиваемо­сти каучука с вулканизаторами, наполнителями, пластификато­рами.

На каучук действуют органические растворители, например бензин, бензол, минеральные масла, в которых он сначала набу­хает, затем постепенно растворяется. Каучук поглощает воду, так как в нем содержатся вещества, растворимые в воде. Это за­метно ухудшает электроизоляционные свойства каучука.

Для изготовления электроизоляционных резин, применяемых в кабельной промышленности, используют так-же синтетические каучуки. Одним из широко применяемых каучуков является натрийбутадиеновый (СКБ). Основой его является бутадиен (или дивинил), имеющий формулу:

СН₂ = СН-СН = СН₂.

Объединение этих молекул в длинную цепочку происходит в при­сутствии металлического натрия.

Разновидностью этого каучука является бутадиенстирольный каучук, представляющий собой продукт полимеризации бутадие­на и стирола (СН₂ = СН—С₆Н₅). Строение молекул у этого каучу­ка сложное, так как они соединяются не только в длинную це­почку, но связываются между собой в поперечном направлении.

В кабельной промышленности употребляется еще бутил-ка­учук, который получается в результате совместной полимеризации изопрена (С₅Н₈) и изобутилена (СН₃)₂С = СН₂. Характерны­ми свойствами бутил-каучука являются высокая влагостойкость, стойкость против действия озона (озоностойкость) и повышен­ная морозостойкость. Наибольшей морозостойкостью и нагревостойкостью (200°С) отличается кремнийорганический каучук на основе кремнийорганических соединений.

Натуральный и синтетический каучуки в чистом виде не используются, так как они обладают малой прочностью при рас­тяжении, недостаточной эластичностью при низких температурах и заметным водопоглощением, в результате чего диэлектрические свойства их сильно падают. Для технического использования ка­учуки подвергают механической и тепловой обработке с введе­нием в них различных веществ, называемых вулканизаторами. Такими веществами являются молотая сера, селен, теллур и др.

Процесс тепловой обработки каучука при 120—150°С в при­сутствии серы получил название вулканизации, а изготовленный таким образом материал называется резиной. Сера вводится в количестве от 1 до 3%- В процессе тепловой обработки каучука сера плавится и вступает в химическую реакцию с молекулами каучука, связывая, их друг с другом поперечными мостиками. Это придает резинам большую механическую прочность по срав­нению с каучуком. Не прореагировавшая с молекулами каучука сера, оставаясь свободной, с течением времени выделяется на поверхности резины и может вступать в реакции с металлами, находящимися в соприкосновении с резиной. В случае исполь­зования резины для изоляции медных проводов в результате та­кой реакции образуется сернистая медь CuS, вредно действую­щая на резину. Поэтому резину накладывают на луженую мед­ную проволоку.

Наряду с серой в резину вводят ряд других веществ, назначе­ние которых весьма разнообразно. Одни из них ускоряют процесс вулканизации (ускорители), другие улучшают пластичность (мягчители или пластификаторы), третьи способствуют длитель­ному сохранению свойств резины (стабилизаторы). Так, с по­мощью ускорителя тиурама удается время вулканизации при 100°С довести до нескольких минут.

Назначение электроизоляционных и защитных (шланговых) резин требует, чтобы они обладали определенными механиче­скими, физико-химическими и диэлектрическими свойствами. Основными механическими характеристиками резин являются предел прочности при разрыве а_р и относительное удлинение при разрыве l_р. Относительное удлинение при разрыве характеризу­ет эластичность резины, т. е. показывает, до какой длины, может быть, растянут образец.

Из физико-химических характеристик наиболее важными яв­ляются сопротивление старению, стойкость к действию различ­ных жидкостей, теплостойкость, морозостойкость и водопоглощение. При старении резины ухудшаются ее механические и диэлек­трические свойства. В процессе старения резина подвергается воздействию температуры, окислению и другим факторам. Сте­пень старения, определяемая изменением предела прочности на разрыв и относительного удлинения при разрыве, выражается коэффициентами:

К_р= и К_у=,

где величины с буквой «с» обозначают характеристики после ста­рения, а с «0» — до старения. Эти коэффициенты определяются при искусственном тепловом старении, заключающемся в вы­держке образцов в течение четырех суток в термостате при тем­пературе 120°С для теплостойких резин и при 70°С для обычных резин.

Теплостойкость и морозостойкость резин определяют темпе­ратурами, при которых еще сохраняются их механические свой­ства — гибкость и эластичность.

Морозостойкость определяется самой низкой температурой, при которой появляется хрупкость резины (растрескивание). Для резин на натуральном каучуке эта температура лежит в области 55—60°С ниже нуля. У некоторых резин на синтетических каучуках морозостойкость хуже, т. е. хрупкость появляется при более высоких температурах. В целях повышения морозостойкости та­ких резин в них вводят пластификаторы — дибутилфталат, трикрезилфосфат и др. Наибольшей морозостойкостью (—70°С) об­ладают резины на кремнийорганическом каучуке.

Следует отметить, что на резины заметно влияют кислород и озон. Кислород присоединяется к молекуле каучука с образова­нием соединения типа перекиси, в результате чего резко падает прочность резин на разрыв. Озон более активный окислитель. Он вызывает образование глубоких трещин, что понижает механи­ческую и электрическую прочность резин.

Электроизоляционные резины (марки РТИО — РТИЗ, резина теплостойкая изоляционная) имеют следующие характеристики: предел прочности при разрыве σ_p = 20-50 кГ/см²; относительное удлинение при разрыве l_р = 200-350%; коэффициенты старения К_р = К_у=0,50; ρ_υ=10¹³-10¹⁴ Ом*см; ε = 4,5-5,0; tg δ=0,02-0,06; Е_пр = 10-20 кВ/мм.

Шланговые резины характеризуются механическими харак­теристиками и морозостойкостью, которые для резин разных марок выражаются следующими величинами: σ_р = 50-60 кГ/см²; относительное удлинение при разрыве l_р = 250-300%; К_р= 0,85 и К_у = 0,60; морозостойкость от —35 до —50°С.

Эбонит (твердая резина) получается, если в смесь на основе синтетического или натурального каучука ввести большое коли­чество (30—50% по отношению к каучуку) вулканизирующего вещества — серы. После вулканизации получается неэластичный твердый материал — эбонит. Он имеет черную окраску и обла­дает высокими механическими и диэлектрическими свойствами, а также хорошо поддается механической обработке.

Эбонит получают в виде пластин, прутков и трубок, из кото­рых изготовляют различные конструкционные и электроизоляци­онные детали для электроизмерительных приборов и аппаратов. Недостатками эбонита, ограничивающими его применение в эле­ктротехнике, являются малая теплостойкость и снижение поверх­ностного электрического сопротивления под действием света вследствие окисления свободной серы и образования ее электро­проводящих соединений. Такие соединения необходимо удалять промыванием поверхности эбонитовых деталей нашатырным спиртом. Основные характеристики эбонита: удельный вес 1,2 — 1,4 г/см³; σ_р = 400-500 кГ/см²; σ_и = 1200-500 кГ/см²; ρ_υ= 10¹⁵-10¹⁶ Ом*см; ε = 2,7-3,0 (при ƒ=10⁶ Гц); tg δ = 0.01-0,015 (при ƒ =10⁶ Гц); теплостойкость (по Мартенсу) 55—65°С.