Жидкие диэлектрические материалы

Основные классы жидких диэлектрических материалов представлены на рис. 1, а их основные диэлектричес­кие свойства — в табл. 2

Рис.1. Классификационная схема жидких диэлектрических материа­лов (ДМ)

Таблица 2

Параметры жидких диэлектрических материалов

 

Электрические свойства нефтяных масел зависят от сте­пени их очистки от смол, кислот, щелочей, воды и газов.

Трансформаторные масла используют для заполнения трансформаторов и высоковольтных масляных выключателей. Заполняя поры в изоляции и промежутки между деталями трансформатора, масло повышает электрическую прочность изоляции и в 28 раз улучшает отвод тепла в окружающую среду по сравнению с воздухом.

В высоковольтных выключателях при разрыве контак­та возникает дуговой разряд. Если это происходит в мас­ле, то под действием высокой температуры образуются газы под большим давлением, что приводит к гашению разряда, т.е. масло обладает дугогасящими свойствами.

Конденсаторное масло отличается от трансформатор­ного особо тщательной очисткой и применяется для про­питки бумажных конденсаторов.

Кабельное масло используют для пропитки бумажной изоляции кабелей и заполнения маслонаполненных кабе­лей на рабочие напряжения до 35 кВ.

Хлорированные углеводороды, в частности совол, при­меняют для пропитки и заливки бумажных силовых и ра­диоконденсаторов с повышенной удельной емкостью, рас­считанных на большие рабочие напряжения.

Фторорганические жидкости характеризуются высокой химической инертностью, негорючи и имеют высокую ста­бильность свойств при температурах до 500 °С. Применя­ются для пропитки и заливки конденсаторов и трансфор­маторов, для охлаждения выходных каналов клистронов и т.д.

Органические эфиры используют в высокочастотных конденсаторах, так как tg 8 уменьшается с ростом часто­ты внешнего поля и, кроме того, е и tg 8 слабо зависят от температуры среды.

Используются для смазки и пропитки волокнистых ма­териалов, стекла, керамики, пластмасс, а также применя­ются в качестве масел в вакуумных насосах. Обладают высокой термостойкостью и химической инертностью.

Жидкие диэлектрики растительного происхождения в радиоэлектронной аппаратуре практически не использу­ются.

Тема №9

Твердые органические диэлектрические материалы

 

Реакции образования полимеров. Подавляющее большинство органических материалов, используемых для изготовления элект­рической изоляции, относится к группе полимеров. Полимерами называются молекулярные соединения, молекулы которых состо­ят из большого числа структурно повторяющихся звеньев — мо­номеров. Молекулярная масса полимеров достигает 10⁶, а геомет­рические размеры молекул могут быть настолько велики, что ра­створы этих веществ по свойствам приближаются к коллоидным системам.

Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько ти­пов элементарных звеньев, называют сополимерами. По строению макромолекул сополимеры подразделяются на следующие основ­ные типы:

статистические----- --А—В—А—В —В—А—А—А—В—А—

чередующиеся----- --А—В—А—В—А—В—А—В—А—В —

блок-сополимеры —А—А—А—В—В—В—А—А—В—В—В—

привитые----- --А—А—А—А—А—А—А—А—А—А—А—

I I

В-В-В-В- В-В-В-В-В-

Содержание звеньев каждого из мономеров в макромолекуле определяется соотношением исходных веществ при синтезе сопо­лимера и их реакционной способностью. Свойства сополимеров существенно отличаются от свойств механической смеси отдель­ных полимеров. Синтез сополимеров с разным составом и строе­нием молекулярных цепей обеспечивает большое многообразие свойств получаемых диэлектриков.

Реакцию образования полимера из мономеров называют поли­меризацией.

Полимеризация — это реакция соединения моле­кул мономера в макромолекулы полимера по схеме пА —> А_п, где п — коэффициент полимеризации. Под действием температуры и высокого давления, например при образо­вании полиэтилена, непрочная двойная связь между ато­мами углерода разрывается, и молекулы соединяются друг с другом в цепочку, в которой п >1250, а масса макромо­лекулы М > 35000 а.е.м.

Обычно в результате реакции полимеризации получают линейные полимеры. Они эластичны, могут образовывать гибкие и прочные волокна и пленки, легко размягчаются и расплавляются. Благодаря таким свойствам их называ­ют термопластичными.

Как правило, реакция полимеризации протекает по цепному ме­ханизму. Для начала цепной реакции необходимо, чтобы в исход­ной массе зародились активные частицы. В цепных реакциях одна активная частица вовлекает в реакцию тысячи неактивных моле­кул, образующих длинную цепь. Первичными активными центра­ми являются свободные радикалы и ионы.

Радикалы — это части молекулы, образующиеся при разрыве электронной пары и содержащие неспаренный электрон (напри­мер, метил СН₃ —, фенил С₆Н₅—, этиловая группа С₂Н₅— и т.д.). Образование первоначальных радикалов и ионов может происхо­дить под действием теплоты, света, различных ионизирующих излучений, специально вводимых катализаторов.

Помимо реакции полимеризации могут быть более сложные случаи образования высокомолекулярных соединений. Такова, например, поликонденсация — реакция образования полиме­ров, при которой происходят отщепление низкомолекуляр­ных продуктов и замещение или обмен между функцио­нальными группами исходных мономеров. В результате поликонденсации получают материалы, которые облада­ют большой жесткостью, нерастворимы, расплавляются при высоких температурах, а многие еще до температуры плавления разрушаются химически, обугливаются или сго­рают. Они не способны к образованию волокон и пленок. Благодаря изменению химического состава исходного мо­номера такие материалы называются термореактивными. Нагревостойкость органических полимеров менее 100 С. Для ее повышения синтезированы фтор- и кремнийорганические соединения. Если в этилене С₂Н₄ заменить водо­род на фтор, то, поскольку энергия связи C-F значительно больше, чем С-Н, нагревостойкость повышается.

Кремнийорганические соединения содержат силоксановую группу — -Si-0-Si-, в которой свободные связи Si могут быть насыщены органическими радикальными груп­пами СН₃ — метила, С₂Н₅ — этила, С₆Н₅ — фенила и т.д. Поскольку энергия связи Si-О достаточно прочная, нагре­востойкость кремнийорганических соединений достигает 25О...ЗОО°С.

Наиболее широко в прак­тике поликонденсационного синтеза применяют мономеры с фун­кциональными группами —ОН, —NH₂, —СООН. Встречаются реакционные системы, в которых взаимодействие функциональ­ных групп не приводит к образованию побочных низкомолеку­лярных продуктов. К таким системам относится, в частности, эпок­сидная смола.

Поликонденсация может протекать как в присутствии, так и в отсутствие катализатора. Полимеры, полученные путем поликон­денсации, как правило, обладают пониженными электрическими свойствами по сравнению с материалами, получаемыми по реак­ции полимеризации. Основной причиной этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках остатков побочных низко­молекулярных веществ (воды, кислот, спирта), которые распада­ясь на ионы, увеличивают проводимость материала. Кроме того, молекулы конденсационных полимеров содержат полярные груп­пы, которые увеличивают диэлектрические потери и гигроско­пичность материала.

Для некоторых сравнительно давно полученных высокомоле­кулярных соединений при всем разнообразии их происхождения и свойств в обиходе и технической документации сохранилось еще прежнее название искусственных смол.

Путем поликонденсации получают фенолоформальдегидные и полиэфирные смолы, а также полиамиды, полиуретаны, поли­карбонаты и др. К числу веществ, получаемых по реакции поли­меризации, кроме полиэтилена, относятся полистирол, полипро­пилен, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полиметакри-латы и др.

В зависимости от про­странственной структуры макромолекул полимеры подразделяются на два основных типа — линейные и пространственные.

В линейных полимерах макромолекулы представляют собой цепочечные по­следовательности повторяющихся звеньев. Молекулы линейных полимеров химически инертны по отношению друг к другу и связаны между собой лишь силами Ван-дер-Ваальса.

В пространственных полимерах макромолекулы связаны в об­щую сетку, что приводит к неограниченному возрастанию моле­кулярной массы, которая характеризует уже не отдельную макро­молекулу, а некоторую область полимера. В таких пространствен­но-структурированных материалах отдельные макромолекулы те­ряют индивидуальность. Поэтому иногда пространственные поли­меры называются полимерными телами.

Между свойствами линейных и пространственных полимеров имеются существенные отличия. Как правило, линейные полиме­ры сравнительно гибки и эластичны, большинство из них при умеренном повышении температуры легко размягчается и расплав­ляется. Пространственные полимеры обладают большой жестко­стью, расплавление их происходит при высоких температурах, а многие из них до достижения температуры плавления разрушают­ся химически (сгорают, обугливаются, разлагаются и т.п.).

В связи с такими свойствами линейные полимеры в практике называются термопластичными материалами, а пространственные — термореактивными. Название последних происходит от высокой реакционной способности макромолекул, которая резко возра­стает при нагревании. В таких веществах молекулы активно взаи­модействуют не только друг с другом, но и с поверхностями ино­родных тел. Поэтому термореактивные полимеры в отличие от тер­мопластичных обладают высокой адгезионной способностью, что позволяет использовать их в качестве защитных покрытий, клеев и связующих веществ в композиционных пластмассах. В частно­сти, полимерные материалы широко применяют для герметиза­ции изделий электронной техники, а также при создании элект­роизоляционных и влагозащитных покрытий поверхностей полу­проводниковых приборов и интегральных схем.

Благодаря слабому молекулярному взаимодействию линейные полимеры в большинстве случаев обладают способностью набу­хать и растворяться в подходящих по составу растворителях с об­разованием вязких растворов, из которых затем получают про­чные пленки и волокна. Пространственные полимеры с трудом поддаются растворению, а значительная часть из них нераствори­ма. Типичными пространственными полимерами являются фено­лоформальдегидные и эпоксидные смолы, сильно вулканизиро­ванный каучук (эбонит, эскапон).

Промежуточными свойствами по отношению к линейным и пространственным структурам обладают разветвленные полиме­ры. Примерами веществ с разветвленными макромолекулами могут служить привитые сополимеры, полиэтилен, полученный при высоком давлении и др.

Деформационные свойства таких материалов определяются аморфными сочленяющими участками, состоящими из сшивающих («проходных») макромолекул. Их доля редко превышает 30%, а из этих 30 % примерно лишь десятая часть непосредственно реа­гирует на нагрузку. Именно по этой причине реальная механичес­кая прочность аморфно-кристаллических полимеров намного мень­ше прочности монокристаллов.

Аморфные полимеры характеризуются отсутствием трехмерного дальнего порядка в расположении макромолекул, хотя и в этом случае полимеры не являются полностью неупорядоченными (на­пример, возможно образование пачек, глобул и других надмоле­кулярных структур). Элементы упорядоченности в аморфных средах носят флуктуационный характер, т.е. они постоянно разруша­ются в одних местах и образуются в других. Время их существова­ния зависит от температуры. Если не учитывать флуктуирующую надмолекулярную структуру, то для аморфных полимеров подхо­дящей оказывается модель хаотически переплетенных молекуляр­ных цепей.

В зависимости от температуры аморфные полимеры могут на­ходиться в трех физических состояниях, существенно различа­ющихся по термомеханическим свойствам. С каждым из трех состояний свя­зан определенный комплекс физических свойств, и каждому со­стоянию соответствует своя область технического и технологиче­ского применения.

1. Стеклообразное состояние. Материал в этом состо­янии имеет внутреннюю структуру жидкости и механические свой­ства твердого тела. Подобно твердому телу полимер в стеклообраз­ном состоянии обладает устойчивостью формы, жесткостью и хруп­костью. Даже при весьма больших механических напряжениях он лишь незначительно деформируется перед разрушением. Темпе­ратуру, при которой полимер в процессе нагревания перестает быть стеклообразным или, наоборот, при которой он переходит в стеклообразное состояние, называют температурой стеклования Т_с. Ниже температуры стеклования процессы структурной релак­сации тормозятся огромной вязкостью среды и малой подвижно­стью молекул.

2. Высокоэластичное состояние. В этом состоянии у полимеров наблюдается большая обратимая деформация при срав­нительно небольших механических напряжениях. Высокоэластич­ная деформация связана с ориентацией и перемещением звеньев гибких цепей при незначительных изменениях межатомных рас­стояний в молекулах и слабой деформации валентных углов.

Полимеры, которые находятся в высокоэластичном состоянии в условиях их эксплуатации, называются эластомерами. Типичны­ми примерами эластомеров являются каучуки и резины. Такие материалы способны восстанавливать свою форму после снятия нагрузки, как это свойственно упругим твердым телам. Как пра­вило, эластомеры обладают небольшим модулем упругости и хо­рошими амортизирующими свойствами. Каучуки могут удлинять­ся при растяжении почти в 10 раз.

Состояние высокой эластичности является промежуточным между жидкостью и твердым телом. Перемещение участков цепей под влиянием теплового движения приближает это состояние к жидкому, а связи между молекулами, препятствующие переме­щению целых цепочек, роднят его с твердым телом. При нагрева­нии вещества, находящегося в высокоэластичном состоянии, до определенной температуры силы сцепления между макромолеку­лами исчезают, они получают возможность перемещения друг относительно друга. В результате полимер переходит в состояние текучести. Температура, при которой совершается такой переход, называется температурой текучести Т_т.

3. Вязкотекучее состояние. Это одно из структурно-жидких состояний полимеров, при котором воздействие механи­ческих сил приводит преимущественно к развитию необратимых (пластических) деформаций. Текучесть системы зависит от вязко­сти вещества, которая, в свою очередь, характеризует внутреннее трение и сопротивление деформированию среды. При переходе от стеклообразного состояния в текучее или наоборот вязкость раз­личных систем может изменяться на несколько порядков. Необра­тимость деформаций вязкой среды в состоянии текучести и фик­сация формы при последующем охлаждении материала использу­ется в технике при формовке изделий из термопластичных поли­меров.

Аморфно-кристаллические полимеры по термомеханическим свойствам во многом подобны аморфным материалам. В частно­сти, они также обладают способностью к большим обратимым деформациям в определенном интервале температур (интервале размягчения). Высокоэластичная деформация таких материалов обусловлена «распрямлением» спутанных молекулярных цепей в аморфных межкристаллитных прослойках. Вследствие разной длины цепочек наиболее нагруженными при растяжении оказываются самые короткие из них. Именно эта не­равномерность распределения нагрузки между молекулярными цепями и является причиной низкой механической прочности линейных полимеров.

С увеличением степени кристалличности полимеров или числа сшивок (поперечных мостиков) между макромолекулами происходит ужесточение цепей и постепенно утрачивается способность к большим необратимым деформациям. Соответственно сглажи­ваются границы между тремя различными физическими состо­яниями. Пространственные полимеры на высокой стадии полимеризации полностью инертны к измене­ниям температуры окружающей среды.

Твердые линейные полимеры обладают еще одной важной осо­бенностью. В отличие от обычных твердых тел они при больших механических напряжениях подвергаются так называемому холод­ному течению или вынужденной эластической деформации, кото­рая приводит к формированию ориентированного состояния по­лимеров. При деформировании полимеров происходит изменение взаимного расположения молекул, форм надмолекулярной орга­низации. Ориентация элементов структуры в направлении дей­ствия силы приводит к появлению анизотропии свойств.

Одним из основных способов улучшения механических свойств линейных полимеров является их вытяжка, которая может быть одноосной, двухосной, плоскосимметричной и др. Одноосное ори­ентирование используют для получения высокопрочных полимер­ных волокон, а плоскосимметричную вытяжку применяют для увеличения механической прочности пленок и мембран.

Рассмотрим некоторые примеры линейных полимеров.

Полиэтилен практически безвреден и при эксплуатации не выделяет в окружающую среду веществ, вредных для здоровья человека. Вредное действие могут оказывать лишь продукты его разложения. Для всех видов полиэтилена характерно слабое изме­нение свойств в широком диапазоне температур и частот. Свой­ства полиэтилена можно модифицировать смешиванием его с дру­гими полимерами или сополимерами. Одним из наиболее про­грессивных методов обработки полиэтилена является радиацион­ное сшивание его цепей, происходящее под действием пучков ускоренных электронов. Облучение полиэтилена приводит к за­метному повышению его механической прочности, модуля упру­гости, термостойкости, а также химической стойкости к раство­рителям.

Полипропилен относится к числу линейных термопла­стичных полимеров изотактического типа, которые отличаются регулярностью строения молекулярных цепей. В изотактическом полипропилене все органические радикалы СН₃ расположены по одну сторону от плоскости основной углеродной цепи:

В молекуле метана СН₄ вследствие симметричности ее стро­ения электрический момент метильной группы СН₃ уравновеши­вается электрическим моментом углеводородной связи СН. Имен­но поэтому в молекуле пропилена СН₂=СНСН₃ происходит ком­пенсация дипольных моментов отдельных связей несмотря на от­сутствие строгой симметрии в расположении атомов.

По своим физическим и химическим свойствам полипропилен очень близок к полиэтилену, но в сравнении с ним обладает мень­шей теплопроводностью, несколько большей нагревостойкостью, хуже переносит низкие температуры, более стоек, чем полиэти­лен, к истиранию и многократным изгибам. Наряду с этим он отличается от полиэтилена большей стойкостью к органическим растворителям (особенно к углеводородным) и более высокой чувствительностью к действию кислорода, особенно при повы­шенных температурах. Поэтому в процессе переработки полипро­пилена в него надо обязательно добавлять стабилизаторы.

Полистирол получают из мономера стирола СН₂=СНС₆Н₅, который представляет собой легкую бесцветную синтетическую жидкость с характерным запахом. Полистирол легко перерабаты­вается в изделия обычными методами, характерными для термо­пластов, но наиболее широко — литьем под давлением. Строение макромолекул полистирола отражает следующая химическая фор­мула:

Стирол может самопроизвольно полимеризоваться при ком­натной температуре во время хранения. Чтобы исключить этот нежелательный процесс, в жидкую массу добавляют специальные вещества, замедляющие реакцию полимеризации. Такие вещества получили название ингибиторов. Неравномерная полимеризация вызывает появление внутренних напряжений в материале. Поэто­му у изделий из полистирола может наблюдаться образование тон­чайших трещин. Чтобы предотвратить это явление и уменьшить хрупкость полистирола, к нему иногда добавляют некоторые виды синтетических каучуков. Еще одним недостатком полистирола яв­ляется низкая устойчивость к действию органических растворите­лей. Толуол, бензол, четыреххлористый углерод легко растворяют этот полимер. Этот недостаток удается существенно ослабить пу­тем синтеза сополимера стирола с мономерами виниловой груп­пы.

Несмотря на то что молекула стирола имеет несимметричное строение, она тем не менее почти неполярна, поскольку дипольный момент углеводородной связи уравновешивается дипольным моментом фенильной группы С₆Н₅. Подобная ситуация является следствием симметрии молекулы бензола С₆Н₆.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) в отечественной прак­тике часто называют фторопластом. Широкое распространение получило также американское название тефлон. Этот полимер по­лучают эмульсионной полимеризацией тетрафторэтилена F₂C=CF₂ в присутствии инициаторов. Макромолекула ПТФЭ имеет регу­лярное симметричное строение

Такие регулярность и симметрия в расположении звеньев мо­лекулярной цепи обеспечивают неполярные электрические свой­ства и высокую степень кристалличности получаемого полимера (до 90 %). Для технических целей используют ПТФЭ с молеку­лярной массой от нескольких сотен тысяч до 10 млн. Среди всех органических полимеров ПТФЭ выделяется высокой нагревостойкостью (около 300 °С) и очень высокой стойкостью к дей­ствию химических реактивов. Так, на него не действуют концен­трированные серная, соляная, азотная и плавиковые кислоты, щелочи, сильные окислители и другие агрессивные среды. Он устойчив к длительному воздействию морского тумана, солнеч­ной радиации, плесневых грибков, тропического климата. Неко­торое действие на него оказывают лишь расплавленные щелоч­ные металлы и атомарный фтор при повышенных температурах. По стойкости к химически активным веществам ПТФЭ превос­ходит золото и платину.

Высокие нагревостойкость и химическую стойкость фторопла­ста по сравнению с углеводородами можно объяснить тем, что атомы фтора более крупные, чем атомы водорода. Поэтому они создают сильное поле, экранирующее углеродный скелет от внеш­него воздействия. Сама оболочка из атомов фтора также проявля­ет инертность по отношению к внешним воздействиям из-за боль­шой энергии связи С — F.

Фторопласт обладает также высокой радиационной стойкостью и применяется для изготовления проводов, используемых на атом­ных электростанциях. Такие провода не боятся попадания масел, керосина и гидравлических жидкостей даже при повышенных тем­пературах. Поэтому их широко применяют для изоляции бортовых кабелей.

При нагревании до температуры 415 С ПТФЭ разлагается с выделением ядовитого газа — фтора. Но даже при этой температу­ре полимер не переходит в вязкотекучее состояние. Поэтому обы­чные методы формовки термопластичных масс для ПТФЭ непри­годны.

Все неполярные полимеры характеризуются небольшой ди­электрической проницаемостью, малыми диэлектрическими по­терями в диапазоне радиочастот, высокой электрической проч­ностью и весьма высоким удельным сопротивлением. Диэлектричес­кая проницаемость неполярных полимеров в основном определя­ется электронной поляризацией. Поэтому значение е не зависит от частоты и слабо уменьшается с повышением температуры, что находится в соответствии с уменьшением плотности полиме­ра при нагревании. Температурный коэффициент диэлектричес­кой проницаемости неполярных полимеров отрицателен по знаку и близок по численному значению удвоенному коэффициенту линейного расширения.

Благодаря малым потерям неполярные полимеры широко при­меняются в технике высоких и сверхвысоких частот. Примерно 20 % производства полиэтилена потребляет кабельная промыш­ленность. Его используют для изоляции силовых кабелей с напря­жением от 220 до 3 000 В, а также для изоляции радиочастотных, телевизионных, подводных кабелей, кабелей телефонной связи. Полиэтилен хорошо зарекомендовал себя в качестве материала для влагозащитных кабельных оболочек. В кабельной промышлен­ности применяется главным образом полиэтилен высокого давле­ния благодаря своей более высокой эластичности.

Тонкие пленки из полистирола и политетрафторэтилена приме­няются для изготовления термостабильных высокочастотных кон­денсаторов с достаточно большой емкостью и весьма высоким со­противлением изоляции. Ценным свойством таких пленок является высокая электрическая прочность, достигающая 200...250 МВ/м.

Полиэтилен благодаря химической инертности используется как вспомогательный материал в технологии полупроводников. В частности, из него изготавливают соединительные шланги в ус­тановках для очистки различных газов, трубопроводы для подачи и разлива особо чистой воды. Широко распространена полиэтиле­новая посуда для хранения чистых химических реактивов.

У полярных линейных полимеров из-за асимметрии стро­ения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поля­ризация. Поэтому они обладают пониженными электроизоляци­онными свойствами по сравнению с неполярными полимерами, особенно на высоких частотах. Наиболее распространенными ма­териалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилен-терефталат и полиамидные смолы.

Поливинилхлорид (ПВХ) — твердый продукт полиме­ризации газообразного винилхлорида Н₂С=СН —С1, представля­ющего собой этилен, в молекуле которого один атом Н замещен атомом С1. Название винилхлорид от слова «винил» для группы ато­мов Н₂С=СН— (по этой логике стирол может быть назван винил-бензолом).

Поливинилхлорид имеет состав (С₂Н₃С1)_Я и следующее строе­ние:

Из-за сильных полярных межмолекулярных связей, прочно сцепляющих молекулярные цепи, поливинилхлорид является ма­териалом жестким и негибким. Температура текучести ПВХ тем выше, чем ниже температура полимеризации. Для придания пластичности к ПВХ добавляют пластификаторы, в качестве ко­торых используют органические полярные жидкости с высокой температурой кипения. Пластификатор раздвигает молекулярные цепи, ослабляет взаимодействие между ними, благодаря чему макромолекулы приобретают возможность перемещаться друг от­носительно друга; иными словами, пластификатор играет роль своеобразной «молекулярной смазки». Введение полярного плас­тификатора приводит к значительному снижению удельного со­противления и возрастанию диэлектрических потерь. В зависимос­ти от количества введенного пластификатора и характера перера­ботки ПВХ из него получают винипласты, пластикаты, пенопласты или электроизоляционные лаки.

Полиэтилентерефталат (лавсан) — это термопласти­чный полимер, получаемый из этиленгликоля и терефталевой кис­лоты и имеющий строение

 

...-СН₂-СН₂-О-СО-С₆Н₄-СО-О-СН₂-СН₂-...

 

Он обладает значитель­ной механической прочностью и относительно высокой темпера­турой размягчения. По электрическим свойствам лавсан относит­ся к группе дипольных диэлектриков. Он применяется для изго­товления волокон, пленок и для других целей. При повышенных температурах лавсан быстро окисляется на воздухе, так что обра­ботку размягченного разогревом материала производят в атмос­фере нейтрального газа (азота).

Полиамидные смолы также имеют линейное строение молекул и являются термопластичными веществами. Они отлича­ются высокой механической прочностью и эластичностью, ра­створимы лишь в незначительном числе растворителей (в частно­сти, в крезоле и расплавленном феноле). Эти смолы применяются для изготовления искусственных волокон и пластических масс. Из этих смол особенно распространен капрон, строение которого вы­ражается формулой

 

...-(CH₂)₅-CO-NH-(CH₂)₅-CO-NH-(CH₂)_S-...

 

Полиамиды стареют под действием света, влаги, температур­ных изменений. Это проявляется в ухудшении пластичности, сни­жении механической прочности. Полиамидам присуща относитель­но высокая гигроскопичность, легкая деформируемость при по­вышенных температурах.

У всех полярных полимеров диэлектрическая проницаемость уменьшается с ростом частоты и сложным образом зависит от температуры. Диэлектрические потери определяются процесса­ми дипольно-сегменталъной и диполъно-групповой релаксации, след­ствием чего является наличие максимумов в температурной за­висимости. При повышенных температурах, ког­да полимер находится в пластичном состоянии, существенную роль начинают играть потери, обусловленные электропроводно­стью.

Полярные полимеры, по сравнению с неполярными, харак­теризуются примерно на два порядка большим значением tgδ и заметно меньшим удельным объемным сопротивлением. Поэто­му они используются в основном как изоляционные и конструк­ционные материалы в диапазоне относительно низких частот. Следствием полярности является сильная зависимость удельно­го поверхностного сопротивления от влажности окружающей среды.

Поливинилхлоридный пластикат получил широкое примене­ние в производстве монтажных проводов благодаря гибкости, достаточной прочности и высокой производительности наложе­ния изоляции. Из непластифицированного ПВХ изготовляют из­делия, способные работать в химически агрессивных средах. Плен­ки из полиэтилентерефталата (лавсана) используются в качестве несущей основы при изготовлении ленты магнитной записи. Из этого материала можно получать тонкие пленки для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, дросселей и других по­добных изделий, рассчитанных на рабочую температуру от -60 до +150 °С. Конденсаторы на основе лавсановых пленок обладают более высокими предельными температурами (до 150 °С) по срав­нению с бумажными конденсаторами и меньше последних по размерам.

Следующая категория полимеров - Композиционные порошковые пластмассы.Они предназначены для изготовления изделий методом горячего прессования или ли­тья под давлением, состоят из связующего вещества (искусствен­ные смолы — пространственные или линейные полимеры) и на­полнителей (древесная мука, кварцевый песок, бумага, слюдяная крошка, каолин, асбестовое или стеклянное волокно и т.д.). Кро­ме того, в пластмассу добавляют красители, стабилизаторы и пла­стификаторы.

Наполнитель удешевляет пластмассу, улучшает ее механические (а иногда и электрические) свойства. Стабилизаторы повышают ее стойкость к термоокислительным процессам, воздействию излуче­ний и микроорганизмов, а пластификаторы уменьшают хрупкость изделий, способствуют улучшению технологических параметров формуемой композиции. При массовом производстве изделий оди­наковой формы и размеров применение пластических масс позво­ляет обеспечить высокую производительность труда.

В качестве связующих веществ используются фенолоформальдегидные, анилиноформальдегидные, крезолоформальдегидные, карбамидоформальдегидные, меламиноформальдегидные, кремнийорганические и другие смолы. Изделия на основе фенолоформалдегидных смол часто называются фенопластами. В зависимо­сти от соотношения между компонентами и условий синтеза мо­гут быть получены пластмассы как с термопластичными, так и с термореактивными свойствами (термопласты и реактопласты).

Фенолоформальдегидные смолы синтезируют путем реакции поликонденсации, происходящей при взаимодействии водного раствора фенола С₆Н₅ОН с формалином (т. е. водным ра­створом формальдегида СН₂О) в присутствии катализатора. Если в ходе реакции обеспечивается избыток формальдегида, то полу­чается термореактивная смола, называемая бакелитом. Последний имеет несколько стадий полимеризации, причем в начальной ста­дии, называемой резолом, бакелит еще обладает плавкостью и легко растворяется в спирте.

При дальнейшем нагревании резол подвергается дополнитель­ной полимеризации и переходит в неплавкую стадию — резит. В этой стадии полимеризации бакелит обладает пространственной струк­турой, повышенной механической прочностью, улучшенными электроизоляционными свойствами, практически нерастворим ни в воде, ни в спирту, ни в каких-либо органических раствори­телях. В электронике фенолоформальдегидные смолы широко при­меняются для изготовления слоистых пластиков и электроизоля­ционных покрытий. Все разновидности бакелита относятся к сильнополярным диэлектрикам из-за наличия в макромолекулах гидроксильных групп —ОН.

При замене фенола (в реакции с формальдегидом) анилином C₆H₅NH₂ получают анилиноформальдегидные смолы (аминопласты). Их полярные свойства выражены менее сильно в сравнении с фенопластами, так как аминная группа —NH₂ об­ладает меньшим дипольным моментом, нежели гидроксильные комплексы --ОН. Благодаря меньшей полярности аминопласты выделяются улучшенными электрическими свойствами среди прочих композиционных пластмасс. Они также ценны еще и тем, что позволяют придавать изделиям любую яркую окраску, тог­да как фенопласты из-за темно-коричневого цвета самой фено-лоформальдегидной смолы могут принимать только темные цве­та.

Использование кремнийорганических смол позволяет получать пластмассы с нагревостойкостью до 300 °С и более. Эти вещества отличаются повышен­ной химической стойкостью, малой гигроскопичностью, они прак­тически не смачиваются водой. Однако кремнийорганические ма­териалы сравнительно дороги, кроме того, они, как правило, име­ют невысокую механическую прочность.

Тип связующего вещества определяет особенности технологии изготовления изделий из пластических масс. Исходное сырье тща­тельно измельчается и перемешивается. Изготовленный таким об­разом пресс-порошок идет на формовку изделий. Формование тер­мореактивных пластмасс обычно проводят путем прессования в стальных пресс-формах с помощью гидравлических прессов. Если требуется одновременно нагрев и давление, то пластины пресса или сама пресс-форма снабжаются электронагревательным уст­ройством.

Композиционные пластмассы широко применяются в качестве электроизоляционных и конструкционных материалов. В частно­сти, из них изготовляют корпусы радиоприемников, телевизо­ров, музыкальных центров, компьютерных мониторов, телефо­нов, а также клавиатуры, штепсельные разъемы, разного рода выключатели и ручки управления и др. Изготовление таких изде­лий обычной механической обработкой было бы весьма трудоемко, а формование из пластмассы позволяет получать их за одну технологическую операцию.

Разновидностью композиционных пласт­масс являются слоистые пластики, в которых в качестве наполни­теля используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластикам относят гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитан­ной феноло-формальдегидной смолой в стадии резола или други­ми смолами этого же типа. Для производства используется проч­ная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитку производят с помощью водной суспензии формальдегидной смолы. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на гидравлических прессах при температуре 160 С под давлением 10... 12 МПа. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а за­тем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результа­те волокнистая основа с