Материал: Учебное пособие ЭТМ

сложно, но если внешняя нагрузка приложена поперек направлению ориентации, то в этом случае полимер ослаблен, так как разрушению подлежат менее прочные межмолекулярные связи.

По отношению к воздействующей температуре полимеры разделяются на термопластические и термореактивные.

При воздействии температуры термопластические полимеры постепенно размягчаются (рис. 4.27), переходят в состояние вязкого течения и, если не нагревать до температуры разрушения, то при охлаждении они вновь твердеют и восстанавливают свои первоначальные свойства. Повторение таких циклов не приводит к химическим изменениям в материале, они не теряют способности растворяться и расплавляться.

К этой группе, в частности, относятся полимеры с линейной структурой (полиэтилен и полипропилен).

η

Рис. 4.27. Зависимость вязкости от температуры для термопластичных полимеров (Тр — температура разрушения)

При нагревании термореактивных полимеров они размягчаются, становятся пластичным, но при достижении вязкости некоторого минимального значения соответствующего температуре сшивки, полимер начинает необратимо твердеть из-за процесса сшивки молекул (рис. 4.28). При охлаждении первичные свойства не восстанавливаются, материал теряет плавкость и растворимость, остается твердым. Повторный более сильный нагрев приводит к растрескиванию образца.

88

Твердое

состояние

ηmin

Т

Тсш

Рис. 4.28. Зависимость вязкости от температуры для термореактивных полимеров (Тсш — температура сшивки)

Термореактивные полимеры имеют пространственную структуру молекул. Представляют собой твердые стекловидные нерастворимые и неплавкие вещества. Эту группу полимеров представляют: фенолформальдегидные, эпоксидные и полиэфирные смолы, а также кремнийорганические полимеры.

Полимерные диэлектрики подразделяются на синтетические и натуральные. Синтетические полимеры получают двумя основными реакциями полимеризацией и поликонденсацией. Полимеризационные полимеры могут быть полярные и неполярные.

Наиболее распространенные линейные неполярные полимеры: полиэтилен, полипропилен, полистирол, политетрафторэтилен (фто- ропласт-4). Их основные свойства приведены в табл. 4.3.

Полиэтилен (ПЭ) получают путем полимеризации газа этилена при повышенном давлении и температуре. При комнатной

89

температуре ПЭ не растворяется ни в одном из растворителей, только при 70 ° С растворяется в минеральных маслах. ПЭ нестоек к свету, склонен к растрескиванию при повышенных механических нагрузках.

ПЭ находит применение в качестве изоляции радиочастотных кабелей. Для изоляции высоковольтных кабелей используется сшитый полиэтилен (СПЭ), макромолекулы которого имеют пространственную форму. В отличие от линейного ПЭ, СПЭ имеет более высокие электрические характеристики. ПЭ и СПЭ перерабатываются в изделия методом экструзии.

Полипропилен (ПП) получают в процессе ионной полимеризации с использованием комплексных катализаторов, образующихся при взаимодействии соединений переходных металлов IV - VIII групп в состоянии низшей валентности. Образующийся полимер может быть разделен на две фракции, различающиеся по растворимости в горячих углеводородных растворителях (например, в гептане). Структуры макромолекул нерастворимой кристаллической фракции и растворимой аморфной фракции отличаются. Молекулы кристаллической части ПП, имеют регулярное пространственное расположение боковых метильных групп по отношению к главной цепи. Метильные группы в макроцепях аморфной фракции, напротив, расположены хаотически. Полимер с упорядоченным пространственным расположением звеньев называют стереорегулярным, в отличие от полимера с беспорядочным пространственным расположением звеньев, называемого атактическим. Два типа стереорегулярного ПП различают как изотактический и синдиотактический. Метильные группы изотактического ПП располагаются по одну сторону от плоскости зигзагообразной парафиновой цепи. Боковые группы синдиотактического ПП строго поочередно располагаются по одну и другую сторону этой плоскости.

Полипропиленовые пленки из изотактического ПП получили наибольшее распространение для электрических конденсаторов, включая конденсаторы промышленной частоты с фольговыми

90

обкладками, металлопленочные и импульсные конденсаторы. Выпуск полипропиленовых конденсаторов достигает 70 % от всего объема выпуска конденсаторов с твердым органическим диэлектриком.

Физические и электрические свойства полипропиленовых пленок зависят от степени кристалличности полипропилена. Поэтому, изменяя технологию изготовления, можно создать полипропиленовые материалы с различными свойствами, от высококристаллических жестких полимеров прочных и стойких к действию тепла до аморфных эластичных с невысокой теплостойкостью.

Полистирол (ПС) получают из мономера стирола, который представляет собой легкую бесцветную синтетическую жидкость. ПС стоек к щелочам, многим минеральным и органическим кислотам, трансформаторному маслу, глицерину

ПС легко перерабатывается в изделия обычными методами, применяемыми для термопластов, но наиболее широко — литьем под давлением. ПС химически инертен и водостоек.

Из ПС изготавливаются радиотехнические детали, панели и т. п. Из-за невысокой нагревостойкости ПС не применяется в изоляции сильноточных изделий. Блочный ПС применяется для получения пленок и нитей. Гибкие ПС пленки толщиной 20-100 мкм обладают высокими электроизоляционными свойствами.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ, фторопласт-4, фторлон). Получают в результате полимеризации сжиженного газа тетрафторэтилена. Образуется рыхлый порошок, из которого прессованием получают различные изделия. Негорючий, жирный на ощупь, белого или серого цвета, непрозрачный. Рабочая температура от минус 260 ° С до плюс 260 ° С, кристаллическая структура нарушается при температуре 327 ° С. ПТФЭ обладает исключительной химической стойкостью (по химической стойкости превосходит золото и платину), не горит и не растворяется в диапазоне рабочих температур ни в одном растворителе, на него не действуют кислоты, щелочи, другие агрессивные вещества. Практически негигроскопичен и не смачивается водой и

91

другими жидкостями. Проявляет стойкость к воздействию тропического климата и грибковой плесени. При температуре больше 400 ° С начинает разлагаться с выделением ядовитого газообразного фтора. Недостаток — малая радиационная стойкость, текучесть при комнатной температуре, т. е. начинает деформироваться при механических напряжениях от 15 МПа и больше.

ПТФЭ не склеивается с другими материалами обычным способом, имеет плохую адгезию. Обычные методы формовки термопластичных масс для ПТФЭ непригодны. Он перерабатывается в изделия методом спекания. Предварительно из порошка формуют изделие определенной формы путем прессования, а затем проводят спекание при температуре 360-380 ° С. ПТФЭ применяется в радиоэлектронике, электротехнике для изготовления изоляции проводов, кабелей, конденсаторов, трансформаторов, работающих при высоких и низких температурах и агрессивных средах.

Благодаря малым потерям неполярные полимеры применяются

втехнике высоких и сверхвысоких частот.

Уполярных 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 (ПВХ), полиэтилентерефталат (лавсан), полиметилметакрилат (органическое стекло) и полиамиды. Усредненные свойства таких диэлектриков следующие:

- относительная диэлектрическая проницаемость (3-6);

- удельное объемное сопротивление 1011 -1014 Ом м; - тангенс угла диэлектрических потерь на частоте

106 Гц – (0,01-0,06); - электрическая прочность 15-20 МВ/м.

Поливинилхлорид (ПВХ) получают путем полимеризации газа винилхлорида, представляющего собой этилен, в молекуле которого

92