Материал: Учебное пособие ЭТМ

электроизоляционные масла заменяются синтетическими электроизоляционными жидкостями, имеющими лучшие и более стабильные электрофизические характеристики.

Синтетические электроизоляционные жидкости подразделя-

ются на следующие основные типы: синтетические углеводородные, галогенуглеводородные, кремнийорганические и фосфорорганические.

Одной из распространенных в промышленности синтетических жидкостей является фенилксилилэтан (ФКЭ) (рис. 4.24).

СН3 СН3

Н

Рис. 4.24. Химическая формула фенилксилилэтана

ФКЭ представляет собой неполярную жидкость с относительной диэлектрической проницаемостью 2,4 – 2,5 и tgδ равным 5 ×10−3 . Используется как универсальный пропиточный состав для изоляции кабелей, конденсаторов и трансформаторов.

Достоинствами ФКЭ являются высокая газостойкость и стойкость к перенапряжениям, а также эта жидкость экологически чистая.

Кнедостаткам ФКЭ можно отнести низкую термостабильность

итермостойкость.

Широкое применение в промышленности получили также жид-

кие диэлектрики на кремнийорганической основе или полиорганоси-

локсаны. Примерами этих диэлектриков являются полиметилсилоксан (ПМС), полиэтилсилоксан (ПЭС) и полиметилфенилсилоксан (ПМФС). Все полиорганосилоксаны содержат силоксановую группу

.

83

Относительная диэлектрическая проницаемость этих жидкостей равна 2,5-2,7 (значение близкое к неполярным жидкостям).

Достоинства полиорганосилоксанов: ε мало меняется с изменением вязкости, низкие потери, а главное высокая термостойкость (возможность работы до 200 ° С, благодаря присутствию кремния) и противоокислительная стабильность.

4.5. ТВЕРДЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Органические диэлектрики представляют собой различные химические соединения углерода, среди которых: углеводороды (С + Н), окисленные производные углеводородов (С + Н + О), азотистые соединения (С + Н + N), хлорированные соединения (С + Н + Cl) и др. Источниками получения этих веществ являются продукты растительного и животного происхождения, а также — синтетические продукты, полученные путем переработки нефти, каменного угля и природного газа. Наибольшее распространение в настоящее время получили твердые органические высокомолекулярные соединения.

Высокомолекулярные соединения или полимерные вещества отличаются строением, сформированным длинными цепными молекулами (макромолекулами), состоящими из n раз повторяющихся элементарных звеньев (мономеров). Мономеры вдоль цепи соединены ковалентными связями.

Количество звеньев в цепи (n) определяет величину степени полимеризации полимера (СП).

Часто макромолекулу условно представляют как систему бусин (сегментов жесткости), нанизанных на нить, при этом каждая бусина имеет форму эллипса, чтобы условно отразить возможную несимметричность звеньев.

Для того чтобы химический элемент мог вступить во взаимодействие с образованием полимера, необходимо чтобы он занимал определенное положение в таблице Д. И. Менделеева. Валентность атома должна быть не менее двух, а исходное вещество для производства полимера должно иметь кратные связи. Например, двойные

84

(СН2 = СН2 — этилен) (табл. 4.2) и тройные (СН ≡ СН — ацетилен) или неустойчивые циклические соединения с гетероатомом, такие как окись этилена.

Любая молекула, включая макромолекулу, имеет химическое строение, которому соответствует определенное расположение атомов в пространстве, называемое конфигурацией. Полимерная молекула может иметь различную форму, например, линейную, разветвленную (рис. 4.25) или пространственную (сшитую).

Рис. 4.25. Линейная и разветвленная структура полимеров

Таблица 4.2

Пример исходных веществ и простейших полимеров

Постепенный рост полимерной цепи по мере присоединения мономеров приводит к возникновению нового качества, свойственного высокомолекулярным соединениям — гибкости полимерной цепи. Изменение пространственной формы полимерной молекулы,

85

обусловленное ее гибкостью, называется конформационными превращениями. При этом конфигурация цепи остается неизменной.

Важнейшей особенностью полимеров является способность их молекул вступать в нехимические межмолекулярные взаимодействия с образованием надмолекулярных структур, формирующих аморфные и кристаллические области. Различают кристаллическое фазовое состояние (КФ) и аморфное фазовое состояние (АФ) полимеров.

Аморфное состояние имеет не хаотическое строение типа войлока, а включает в себя первичные структурные образования элементарных единиц. Структурным элементом аморфной фазы является либо глобула, состоящая из единиц или сотен макромолекул, либо пачка. Глобула образуется, если силы внутримолекулярного взаимодействия больше сил межмолекулярного взаимодействия, в противном случае образуются пачка. Первичные элементы АФ могут укрупняться, образуя фибриллы (волокна), дендриты (разветвленные системы, напоминающие древовидные образования) или полосатые структуры. В любом случае аморфная фаза характеризуется ближним порядком своей структуры.

Если полимер стереорегулярен (как, например, линейный полиэтилен [ – СН2 – СН2 – ] n или изотактический полипропилен [ – СНСН3 – СН2 – ] n), то при определенных условиях аморфная пачка может закристаллизоваться. Кристаллическая пачка характеризуется строгим порядком в расположении цепей: соблюдается параллельность макромолекул, определенное расстояние между ними и отдельными звеньями во всех направлениях и четкая ориентация каждого звенья в пространстве. Подобная степень упорядоченности свойственна кристаллической пачке во всех направлениях на расстояниях, в сотни и тысячи раз превышающих размеры элементарного звена (дальний порядок).

Укрупнение элементарных кристаллических областей идет двумя путями, с образованием либо кристаллических фибрилл (волокон), либо сферолитов.

86

Единичный сферолит — плоское округленное образование диаметром 50 – 500 мкм. Диаметр сферолита может существенно превышать его толщину. Сферолитам свойственны две основные формы: радиальная (возникает при быстрой кристаллизации) и кольцевидная (возникает при медленной кристаллизации) (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Разновидности единичных сферолитов

Строение полимеров характеризуется микронеоднородностью. Следовательно, один фрагмент материала будет отличаться по своим свойствам от другого. Поэтому на сегодняшний день полимерные материалы рассматриваются как совокупность микрообъемов различных структур, что предопределяет определенный разброс их электрофизических и механических характеристик.

Кристаллическая и аморфная фаза полимеров существенно отличаются по свойствам. КФ более плотная, она имеет более высокую электрическую прочность, более низкие электропроводность и tgδ, чем АФ. Поэтому соотношение кристаллических и аморфных областей в полимере, которое количественно оценивается показателем степени кристалличности (χс), влияет на свойства полимерного материала.

Используя технологические методы, можно создавать полимеры требуемой структуры и корректировать степень кристалличности в процессе производства диэлектрического материала. Например, при производстве полимерных пленок их вытягивают, при ориентационной вытяжке молекулы располагаются параллельно друг другу и все прочные ковалентные связи внутри молекул оказываются ориентированными в одном направлении. Разрушить такой полимер, приложив нагрузку параллельно направлению ориентации макромолекул, очень

87