Основные сведения о строении и свойствах полимеров

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги пропитанной фенолоформальдегидной смолой в стадии А или другими смолами этого же типа. Листы бакелизированной бумаги после их сушки собирают в пакеты и эти пакеты прессуют на тидравлических прессах при температуре 160С под давлением 10–МПа.Слоистые пластики это материалы состоящие из нескольких слоев ткани бумаги шпона лент или матов пропитанных синтетической смолой связующим. Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги пропитанной фенолоформальдегидной смолой в стадии А...

2014-07-08

2.81 MB

3 чел.


Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск


Лекция 13.

Основные сведения о строении и свойствах полимеров

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

Реакцию образования полимера из мономеров называют полимеризацией. В процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости или твёрдое. Реакция полимеризации не сопровождается  отщеплением каких-либо низкомолекулярных побочных продуктов; при этой реакции полимер и мономер характеризуются одинаковым элементным составом. Полимеризация соединений с двойными связями, как правило, протекает по цепному механизму. Для начала цепной реакции необходимо, чтобы в исходной инертной 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 С2Н5и т.д.). Образование первоначальных радикалов и ионов может происходить под действием теплоты, света, различных ионизирующих излучений, специально вводимых катализаторов.

Рассмотрим в качестве примера полимеризацию этилена (СН2=СН2), который в нормальных условиях находится в газообразном состоянии. Предположим, что инициатором полимеризации является некоторый свободный радикал R, который, имея свободную валентность, обладает большой реакционной способностью. Такой радикал присоединяется к молекуле этилена, раскрывая двойную связь, и тем самым превращает её в новый радикал со свободной валентной связью на конце:

(R–)+CH2=CH2R–CH2CH2

Образовавшийся комплекс очень активен и, в свою очередь, способен присоединить новую молекулу с образованием более длинного радикала. Реакция полимеризации продолжается до тех пор, пока не произойдет обрыв полимерной цепочки. В реакционной системе вблизи от растущей полимерной цепи может оказаться другой свободный радикал или другая растущая полимерная цепь. Тогда происходит их соединение друг с другом, и полимерная цепь прекращает дальнейший рост:

R–CH2CH2–…–CH2CH2R1

Структурную формулу полиэтилена можно записать в более компактном виде:

    

Где nстепень поляризации, т.е. число молекул мономера, объединяющихся в молекулу полимера. По мере увеличения n = 1250 и молекулярной массе 35000 он представляет собой твёрдый диэлектрик (молекулярная масса мономера С2Н4 составляет 28).

В реальных условиях полимерные материалыэто смеси веществ с различной степенью полимеризации, так что практически можно говорить лишь о средней степени полимеризации. Степень полимеризации во многом определяет возможности применения полимеров (лаки, пластмассы, пленки, волокна, стекла).

Помимо реакции полимеризации могут быть более сложные случаи образования высокомолекулярного соединения. Такова, например, поликонденсация –реакция, связанная с перегруппировкой атомов полимеров и выделением из сферы реакции воды или других низкомолекулярных веществ.

Полимеры, полученные путём поликонденсации, как правило, обладают пониженными электрическими свойствами по сравнению с материалами, полученными 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, что повышает их угол диэлектрических потерь и гигроскопичность.

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

Путем поликонденсации получают, например, феноло-формальдегидные и полиэфирные смолы. К числу веществ, получаемых по реакции полимеризации, кроме полиэтилена относятся полистирол, поливинилхлорид, полиизобутилен, полиметилметакрилат и др.

Линейные и пространственные полимеры. В зависимости от пространственной структуры макромолекул полимеры делят на два основных типалинейные и пространственные. В линейных полимерах макромолекулы представляют собой цепочечные последовательности повторяющихся звеньев. При этом отношение длины молекулы к ее поперечным размерам очень велико и может быть порядка 1000; так, молекула полистирола имеет длину около 1,5*10-6м при поперечнике 1,5*10-9 м; молекулы каучука и целлюлозы имеют длину (от 4 до 8)10-7 м при поперечнике ( от 3 до 7,5)10-10 м.

В пространственных полимерах макромолекулы связанны 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 называют полимерными телами.

Между свойствами линейных и пространственных полимеров имеются существенные различия.

Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны, большинство из них при умеренном повышении температуры легко размягчается и расплавляется. Пространственные полимеры обладают большой жёсткостью, расплавление их происходит при высоких температурах, а многие из них до достижения температуры плавления разрушаются химически (сгорают, обугливаются и т.п.).

В связи с этими свойствами линейные полимеры в практике называют термопластичными  материалами, а пространственныетермореактивными.

Благодаря слабому межмолекулярному 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. Типичным пространственными полимерами являются феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы, сильно вулканизированный каучук (эбонит, эскапон).

Гибкость и химическая связь. Высокая гибкость линейных полимеров определяется двумя одинаково важными факторамиразмером макромолекул и природой химической связи между атомами. Например, в полиэтилене, как и в других насыщенных углеводородах, каждый атом углерода образует четыре ковалентные связи, направленные к углам связи равен 109°28'? и поэтому выпрямленная цепь макромолекулы полиэтилена выглядит как змейка (рис. 1). 

рис. 1. Фрагмент макромолекулы полиэтилена.

Растянуть такую змейку, не разрушив её, нельзя, так как ковалентные связи имеют определённую длину и направленность. Чтобы изменить валентные углы (109°28') или длину связей (1,54Ǻ), нужна весьма высокая энергия. Однако ковалентные связи между атомами углерода обладают цилиндрической симметрией; при повороте одной части молекулы относительно другой вокруг оси С–С перекрытие электронных оболочек не изменяется и, следовательно, не изменяется прочность связей. Поэтому молекулярные «змейки» способны изгибаться за сёт свободного вращения в углеродных узлахсуставах») без изменения валентных углов или длины связей и без затраты энергии. Межмолекулярное взаимодействие ограничивает гибкость полимерных макромолекул.

Тепловые толчки не в состоянии вызвать движение всей макромолекулы в структуре полимера. Однако благодаря гибкости молекулярных цепей в тепловом движении могут участвовать отдельные участки макромолекулы, называемые сегментами. Чем меньше размер сегментов, способных к самостоятельному перемещению, тем больше гибкость макромолекулы. У линейных  полимеров сегменты обычно состоят из нескольких десятков звеньев. Сегментальная подвижность молекулярных цепей является одной из причин релаксационных диэлектрических потерь в полимерах.

Структурные формы и физические состояния полимеров. Макромолекулы могут быть регулярными и нерегулярными. Полимер построен регулярно, если соблюдается совершенный дальний порядок расположения звеньев по цепи. Гибкие нерегулярные макромолекулы имеют тенденцию сворачиваться в сфероподобные структуры, называемые глобулами. Поверхность глобулы намного меньше поверхности вытянутой макромолекулы, поэтому межмолекулярное взаимодействие при контакте глобул оказывается слабым. Глобулярной структурой объясняется непрочность некоторых органических полимеров.

Жёстким полимерным цепям трудно сворачиваться в глобулы. За счёт сил межмолекулярного взаимодействия несколько соседних макромолекул могут организоваться в пачки (пучки параллельных молекул). Полимеры с гибкими макромолекулами регулярного строения обладают способностью образовывать кристаллическую фазу, которая характеризуется упорядоченным расположением молекул. В кристаллической фазе обычно наблюдается складывание молекулярных цепей, т.е. их изгиб через определённые интервалы под углом 180° и встраивание в плоскости в виде гармошки. При кристаллизации сильно разбавленных растворов можно получить небольшие пластичные кристаллы некоторых полимеров (например, полиэтилена). В кристаллическом полимере макромолекулы плотно упакованы и им трудно проявлять свою гибкость. Такие полимеры обычно являются жесткими материалами с высоким модулем упругости и малой деформируемостью.

Аморфные полимеры характеризуются отсутствием трёхмерного дальнего порядка в расположении макромолекул, хотя и в этом случае полимеры не являются полностью неупорядоченными (например, возможно образование пачек или других надмолекуярных структур). В зависимости от температуры аморфные полимеры могут находится в трёх физических состояниях (рис. 2).

Рис. 2. зависимость деформации от температуры у линейных полимеров:

ССстеклообразное состояние;

ЭСвысокоэластическое состояние;

ТСвязкотекучее состояние

   Стеклообразное состояние. Материал в этом состоянии обладает хрупкостью и при весьма больших механических напряжениях он лишь незначительно деформируется перед разрушением. Температуру, при которой полимер в процессе нагревания перестаёт быть стеклообразным и приобретает высокую эластичность или, наоборот, при которой в процессе охлаждения он переходит в стеклообразное состояние, называют температурой стеклования (Т0).

  Высокоэластичное состояние. В этом состоянии материалы при сравнительно небольших механических напряжениях обладают весьма большой упругой деформацией. Так, каучуки могут растягиваться почти в 10 раз. При дальнейшем нагревании и достижении температуры ТТ полимер переходит в состояние текучести.

  Вязкотекучее состояние. Материал в этом состоянии под влиянием небольших усилий проявляет необратимую пластическую деформацию, что может быть использовано для его технологической обработки.

При понижении температуры линейные полимеры вновь проходят через все перечисленные стадии. Нахождение в той или иной стадии обусловлено изменением структуры вещества и силами сцеплениями между макромолекулами линейных полимеров.

Пространственные полимеры на высокой стадии полимеризации полностью инертны к изменениям температуры окружающей среды.

Состав полимерных цепей. По химическому составу полимеры можно разделить на органические и элементоорганические. К органическим полимерам относят такие высокомолекулярные соединения, у которых главная цепь состоит из углерода или комбинации углерода с кислородом, азотом, серой и фосфором.

Элементоорганическими называют такие полимер, главная цепь которых не содержит атомов углерода, но обрамляется органическими группами. Наиболее распространёнными представителями этих материалов являются кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны).

Электрические свойства. Строение макромолекул во многом определяет электрические свойства полимеров. Все химические связи углерода с другими элементами в той или иной степени полярны из-за различия электроотрицательностей атомов, участвующих в связи. Суммарный дипольный момент молекулы определяется векторной суммой дипольных моментов отдельных связей. Если молекула имеет симметричное строение, то дипольные моменты отдельных связей могут уравновешивать друг друга, благодаря чему суммарный дипольный момент равен нулю.

Вещества с несимметрично построенными звеньями полимерных молекул являются дипольными и обычно обладают известной гигроскопичностью, невысокими или средними электрическими характеристиками. Высокомолекулярные углеводороды с симметрично построенными молекулами практически неполярны или слабо полярны, гигроскопичность их ничтожно мала и поэтому они имеют малое значение тангенса угла диэлектрических потерь и низкую удельную проводимость.

Нагревостойкость. Большинство органических полимеров может длительно работать лишь при температурах ниже 100°С. Выше этой температуры, как правило, происходит быстрое тепловое старение материала. Поэтому основной проблемой химии высокомолекулярных соединений всегда было создание более нагревостойких материалов при сохранении у них гибкости, эластичности и других характерных для органических веществ свойств. В настоящее время промышленностью производятся и весьма нагревостойкие высокомолекулярные материалы, например, фторсодержащие полимеры, кремнийорганические соединения, полиимиды.

п.2.  Линейные полимеры

Материалы с малыми диэлектрическими потерями (неполярные).                      

К неполярным относятся такие полимеры, у которых мономерные звенья макромолекул не обладают дипольным моментом. Из материалов этой группы наиболее важное техническое значение имеют полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен. Их основные свойства приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные свойства неполярных полимеров

Полиэтилен, рассмотренный в п.1, является продуктом полимеризации этилена в присутствии катализаторов. При полимеризации получают полиэтилен высокого, среднего и низкого давления, отличающихся друг от друга степенью кристалличности и механической прочностью. Так, если предел прочности при растяжении первого равен в среднем 14МПа, то второго и третьего приблизительно 30 МПа, относительные удлинения при разрыве соответственно 600 и 400 %. Последнее показывает, что полиэтилен обладает сравнительно большой эластичностью. Его отличает высокая стойкость к действию кислот и щелочей.

П о л и с т и р о л получают из мономера стирола

который представляет собой лёгкую бесцветную синтетическую жидкость с характерным запахом. Стирол легко полимеризуется даже при хранении на холоде. В темноте и при отсутствии катализаторов он постепенно превращается в твердую, прозрачную, как стекло, массу. Полистирол имеет строение

Для полистирола среднее значение n может доходить до6000. с целью предотвращения нежелательной самопроизвольной полимеризации стирола во время хранения к нему добавляют специальные  вещества, замедляющие реакцию полимеризации. Такие вещества получали название ингибиторов. Неравномерная полимеризация вызывает появление внутренних механических напряжений в материале. Поэтому в ряде случаев у изделий из полистирола намечается тенденция к постепенному образованию тончайших трещин. Чтобы предотвратить это явление и уменьшить хрупкость полистирола, к нему иногда добавлют некоторые виды синтетических каучуков.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ), выпускаемый в СССР, называют фторопластом-4 (фторлоном-4). Его получают путём полимеризации тетрафторэтилена F2C=CF2 (этилен, в молекуле котороговсе четыре атома водорода замещены атомами фтора). Макромолекула ПТФЭ имеет регулярное симметричное строение

Среди всех органических полимеров ПТФЭ выделяется высокой нагревостойкостью (около 300°С) и очень высокой стойкостью к действию химических реагентов. Так, на него совершенно не действуют серная, соляная, азотная и плавиковая кислоты, щелочи и т.п. Некоторые действие на него оказывают лишь расплавленные щелочные материалы и атомарный фтор при повышенных температурах. По стойкости к химически активным веществам ПТФЭ превосходит золото и платину. Он негорюч, не растворяется ни в одном из известных растворителей, практически негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями.

Высокие нагревостойкость и химическую стойкость политетрафторэтилена по сравнению с углеводородами можно объяснить тем, что атомы фтора более крупные, чем атомы водорода, поэтому они создают сильное поле, экранирующее углеродный скелет молекулы от внешнего воздействия (рис. 3). Сама оболочка из атомов фтора также проявляет инертность по отношению к внешним воздействиям из-за большой энергии связи CF.

Рис.3. Схематическое изображение

молекул углеводорода (а) и

фторуглерода (б) при n=2.

При нагревании до температуры 415°С ПТФЭ разлагается с выделением ядовитого газафтора. Но даже при этой температуре полимер не переходит в вязкотекучее состояние. Поэтому обычные методы формовки термопластичных масс для ПТФЭ непригодны. Он перерабатывается в изделия методом спекания. Предварительно из порошка формуют изделие определённой формы путём прессования, а затем проводят спекание при температуре 360°С.

Как видно из табл.1, 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 ε не зависит от частоты и слабо уменьшается с повышением температуры (рис. 4), что находится в соответствии с уменьшением плотности полимера при нагревании. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости неполярных полимеров примерно равен удвоенному коэффициенту линейного расширения.

Благодаря высокому удельному сопротивлению потери на электропроводность в рассматриваемых материалах при нормальных условиях играют далеко не главную роль. Расчёт потерь на электропроводность по формуле с использованием значений  ε и ρ из табл. 1 даёт для частоты 106Гц tgδ10-10 до 10-12, что ничтожно мало по сравнению с экспериментальными значениями этого параметра. Отсюда можно сделать вывод, что даже в неполярных полимерах главными являются релаксационные потери, хот они и малы.

Во всех линейных полимерах различают два типа релаксационных потерь: дипольно-сегментальные и дипольно-групповые. Первый тип отражает существование специфической формы тепловых колебаний, присущих высокомолекулярным веществам. Как отмечалось в предыдущем пункте, из-за цепного строения макромолекул, в условиях их ослабленного взаимодействия становится возможным взаимообусловленное движение крупномасштабных сегментов, которое можно представить как изгибные колебания основной молекулярной цепи. Второй тип релаксационных потерь обусловлен вращением малых полярных групп, содержащихся в боковых ветвях макромолекулы.

Рис.4. Зависимость диэлектрической проницаемости неполярных полимеров от температуры: 1для полистирола; 2для политетрафторэтилена.

Диэлектрические потери в неполярных полимерах очень чувствительны к полярным примесям, таким, как гидроксильные или кабонильные (СО) группы, которые всегда присутствуют в технических материалах вследствие частичного окисления, захвата катализатора полимеризации и других причин. Тщательной очисткой материала удаётся снизить релаксационные потери и достигнуть значений tgδ10-4.

Благодаря малым потерям неполярные полимеры широко применяют в технике высоких и сверхвысоких частот. Полиэтилен используют в качестве изоляции телевизионных и радиочастотных кабелей.

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

Материалы с повышенными диэлектрическими потерями (полярные). У полярных линейных полимеров из-за ассиметрии строения молекул сильно выражена дипольно-релаксационная поляризацпия. Поэтому они обладают пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с неполярными полимерами, особенно на высоких частотах. Наиболее распространёнными материалами этой группы являются поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиметилметакрилат (органическое стекло) и полиамидные смолы. Их свойства можно охарактеризовать следующими усредненными параметрами:

Поливинилхлорид (ПИХ) –твёрдый продукт полимеризации газообразного винилхлорида H2C=CHCl, представляющего собой этилен, в молекуле которого один атом Н замещён атомом Cl. Название винилхлорид происходит от слова «винил» для группы атомов H2C=CH–(стирол может быть назван винилбензолом).

Поливинилхлорид имеет состав (C2H3Cl)n и следующие строение:

Благодаря сильным полярным межмолекулярным связям, прочно сцепляющим молекулярные цепи, поливинилхлорид является материалом жёстким и негибким. Для придания эластичности к ПВХ добавляют пластификаторы, в качестве которых используют органические полчрные жидкости с высокой точкой 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 ухудшает электрические свойства полимера.

Полиэтилентерефталат (лавсан) –это термопластичный полимер, полученный из этиленгликоля и терефталевой кислоты С6Н4(СООН)2, имеющей строение

При молекулярной массе порядка 30000. он обладает значительной механической прочностью и достаточно высокой температурой размягчения. Этодипольный диэлектрик. Свойства лавсана характеризует рис. 5.

Рис. 5. Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости полиэтилентерефталата от температуры и частоты.

Лавсан применяют для изготовления волокон, пленок и для других целей. При повышенных температурах он быстро окисляется на воздухе, так что обработку размягчённого нагревом 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). Применяют их для изготовления искусственных волокон и пластических масс. Из этих смол в СССР особенно распространён капрон, строение которого

∙∙∙–(СН2)5СО–NH–(CH2)5CO–NH–(CH2)5–∙∙∙

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-сегментальной и дипольно-групповой релаксации, следствием чего является наличие максимумов в температурной зависимости tgδ (рис. 5). 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 объёмным сопротивлением. Поэтому они используются в основном как изоляционные и конструкционные материалы в диапазоне 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 изготавливают изделия, способные работать в химически агрессивных средах плёнки из полиэтилентерефталата (лавсана) используют в качестве несущей основы при изготовлении ленты магнитной записи. Из этого материала можно получать тонкие плёнки для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, дросселей и подобных изделий, рассчитанных на рабочую температуру отдо +150°С. Плёнки из лавсана с наиболее высокой механической прочностью имеют толщину около 6,5 мкм. Конденсаторы из таких плёнок обладают большей рабочей температурой ( до 105°С) по сравнению с бумажным и меньше последних по размеру.

Органическое тело в основном применяется как декоративный материал в электро- и радиоаппаратуре. Капрон, благодаря хорошим термопластичным свойствам и высокой механической прочности, используют в производстве различных конструкционных деталей радиоаппаратуры (корпусы приборов, ручки и кнопки управления, клавиши переключения диапазонов, каркасы индуктивных катушек и т.п.). на основе полиамидов изготавливают эмальлаки, образующие прочные эластичные диэлектрические покрытия на металлических проводах.

П. 3. Композиционные порошковые пластмассы и слоистые пластинки.

Композиционные порошковые пластмассы, предназначенные для изготовления изделий методом горячего прессования или литья под давлением, состоят из связующего вещества (искусственные смолыпространственные или линейные полимеры) и наполнителей (древесная мука, очёсы хлопчатника, каолин, кварцевый песок, асбестовое или стеклянное волокно и т.д.). кроме того, в массу добавляют красители и для получения наилучших технологических свойствпластификаторы.

Наполнитель удешевляет пластмассу и в тоже время улучшает механические характеристики изделия. В ряде случаев при введении наполнителя (например, кварцевой муки, талька идр.) наблюдается улучшение электрических свойств диэлектриков. При массовом производстве изделий одинаковой формы и размеров применение пластических масс обеспечивает высокую производительность труда.

В качестве связующего вещества используют феноло-формальдегидные, крезоло- формальдегидные, анилино-формальдегидные, карбамидо-формальдегидные, иеламино-формальдегидные, фурфурольные, кремнийорганические и другие смолы. На основе этих смол с разными наполнителями отечественная промышленность выпускает более 60 марок порошков, обладающих различными свойствами, для производства деталей радиоэлектронной аппаратуры.

Феноло-формальдегидные смолы получают посредством нагревания в закрытом котле водяного раствора фенолаи формальдегида  в присутствии катализатора. В результате реакции поликонденсации выделяется и осаждается на дне котла коричневая масса, которая и является синтетической смолой.

Феноло-формальдегидные смолы могут быть изготовлены как термореактивными, так и термопластичными. Если в реакции участвует не менее одного моля формальдегида на моль фенола, получается термореактивная смола ––бакелит. При изготовлении бакелита используют щелочной катализатор, обычно аммиак. В результате в смоловарочном котле из фенола и формальдегида получается бакелит в стадии А (резол); он обладает плавкостью (температура размягчения 55°С) и легко растворяется в спирте.

При нагреве резол подвергается дополнительной полимеризации и через обладающую промежуточными свойствами стадию В (резитол) переходит в окончательную стадию С (резит). Для перехода из стадии А в стадию С необходима температура не ниже 110°С. В отличие от бакелита в стадии А бакелит в стадии С неплавок (при нагревании до высокой температуры он может лишь обуглиться и сгореть) и не растворяется ни в спирте, ни в других растворителях. Следовательно,  бакелит является типичным термоактивным веществом.

Бакелит (имеется в виду бакелит в стадии С, в которой он находится в готовой продукции) обладает повышенной механической прочностью. Однако он мало эластичен и не отличается высокой стойкостью к воздействию воды. Отрицательным свойством его является склонность к обугливаниюобразованию на поверхности проводящих электрический ток следов при воздействии поверхностных электрических разрядов. Бакелит широко используют при изготовлении композиционных пластмасс.

Феноло-формальдегидные смолы, благодаря наличию в их молекулах гидроксильных группОН, полярны. Электрические свойства бакелита в стадии А невысоки (ρ порядка 106 Ом∙м). при запекании смолы они улучшаютсядля бакелита в стадии С значение ρ составляет около 1011 Ом∙м; ε = 4,5; tgδ = 0.01/

Крезоло-формальдегидные смолы (СН3С6Н4ОН) имеют менее выраженные полярные свойства по сравнению с фенольными.

При замене фенола (в реакции с формальдегидом) анилином С6Н5NH2 получают анилино-формальдегидные смолы. Их полярные свойства выражены ещё слабее, так как группа NH2 менее полярна, чем группаОН; это способствует уменьшению гигроскопичности.

Кроме перечисленных смол для изготовления композиционных пластмасс применяют много других, в том числе и кремнийорганических смол. Использование последних позволяет получить пластмассы с нагревостойкостью 300°С и более.

Исходное сырьё тщательно измельчается и перемешивается. Изготовленный таким образом пресс-порошок идёт на формовку изделий.

Прессование изделий из пластмасс обычно производят на гидравлических прессах, обеспечивающих создание достаточно большого давления. Если требуется одновременно нагрев и давление, то пластины пресса или сама пресс-форма снабжаются электронагревательным устройством.

Формовка путём прессования используются обычно при изготовлении изделий из термоактивных пластмасс.

Литьё под давлением применяют для получения изделий из термопластичных пластмасс. Материал подогревают и размягчают вне пресс-формы и затем вдавливают в неё. Этот способ допустим и для термоактивных материалов при малых количествах засыпаемого в бункер пресс-порошка.

Наилучшими электрическими свойствами среди композиционных пластмасс обладают материалы на основе анилино-формальдегидной смолы. Аминопласты ценны тем, что позволяют придавать им любую яркую окраску, тогда как феноло-формальдегидные пластмассы из-за тёмно-коричневого цвета самой смолы окрашивают только в коричневый или чёрный цвет. Коричневый краситель вводят, как правило, в пресс-порошки с повышенными электрическими характеристиками.

Применение компонизиционных пластмасс в радиоэлектронике в качестве электроизоляционных и чисто конструкционных материалов очень широко: из них изготавливают корпусы радиоприёмников, телевизоров, измерительных приборов, наушники, штепсельные разъёмы и др. изготовление таких изделий обычной механической обработкой было бы весьма трудоёмко, прессование же из пластмассы позволяет получить их за одну технологическую операцию.

Разновидностью композиционных пластмасс является слоистые пластики, в которых в качестве наполнителя используют листовые волокнистые материалы. К слоистым пластинкам относятся гетинакс и текстолит.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А 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 тидравлических прессах при температуре 160°С под давлением 10МПа. Во время прессования смола сначала размягчается, заполняя поры между листами и волокнами, а затем затвердевает, переходя в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал.

Слоистое строение гетинакса приводит в анизотропии свойств. Так, удельное объёмное сопротивление гетинакса вдоль слоёв в 50раз ниже, чем поперёк; электрическая прочность вдоль слоёв в 5раз ниже, чем поперёк.

Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество обладают полярными свойствами. Его электрическая прочность (перпендикулярно слоям) состовляет около 30 МВ/м, ε = от 6 до 7, а tgδ = от 0.04 до 0.08 (на частоте 106 Гц).

Для изготовления печатных схем низкочастотных цепей радиоаппаратуры используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной стороны или с двух сторон электрической красно-медной фольгой толщиной 0,035,05 мм. Требуемый рисунок печатной схемы получают путём избирательного травления.

Текстолитпластик, аналогичный гетинаксу, но его изготавливают из пропитанной хлопчатобумажной ткани.

Лекция 14.

Введение

В электронной технике, радиотехнике и приборостроении применяют множество различных диэлектриков. Их можно подразделить на электроизоляционные и конденсаторные (пассивные диэлектрики) и управляемые материалы (активные диэлектрики).

Применение диэлектриков в конденсаторах позволяет получать требуемые значения емкости, а в некоторых случаях обеспечивает определенный характер зависимости этой емкости от внешних факторов. Диэлектрик конденсатора может запасать, а потом отдавать в цепь электрическую энергию (емкостный накопитель). Иногда конденсатор используют для разделения цепей постоянного и переменного токов, для изменения угла фазового сдвига и т.д.

Некоторые диэлектрики применяют как для создания электрической изоляции, так и в качестве конденсаторных материалов. 

Подавляющее большинство органических материалов, используемых для изготовления электрической изоляции, относится к группе полимеров. Полимерами называют высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньевмономеров.

В этой работе будут рассмотрены такие диэлектрики, как слоистые пластики, волокнистые пропиточные материалы и компаунды.

.Слоистые пластики - это материалы, состоящие из нескольких слоев ткани, бумаги, шпона, лент или матов, пропитанных синтетической смолой (связующим). В качестве связующего используют феноло-формальдегидные, полиэфирные, эпоксидные смолы, полиимиды и др. В зависимости от вида наполнителя различают текстолиты, наполнителями для которых служат ткани различной природы, например асботекстолит (наполнительасбестовая ткань; стеклотекстолит (стеклоткань), текстолит (главным образом хлопчатобумажная или органическая синтетическая ткань), стеклопластики (наполнительстеклянные шпон, ленты, маты), древеснослоистые пластики (древесный шпон). Все Слоистые пластики, содержащие в качестве наполнителя различного типа бумагу, называются гетинаксами, например асбогетинакс. Слоистые пластикиважные конструкционные материалы, широко используемые в авиа-, автомобиле-, судостроении и других отраслях промышленности. 

. Компаунды - это литая изоляция, композиции на основе термореактивных олигомеров или мономеров; предназначены для пропитки (с целью изоляции) обмоток трансформаторов, дросселей электрических машин, изделий радиотехнической и электронной аппаратуры, а также для заполнения промежутков (заливки) между деталями радиотехнических и электронных устройств, в электрических машинах и аппаратах. Основное преимущество литой изоляции - возможность получения электротехнических изделий в виде малогабаритных блоков любой конфигурации, не требующих дополнительной обработки. К числу компаундов относят также имеющие ограниченное применение композиции на основе термопластических материалов (битумов, масел, канифоли, церезина и др.); эти компаунды представляют собой твёрдые или воскообразные массы, которые перед употреблением переводят в жидкое состояние нагреванием.

Волокнистые материалы состоят из частиц удлинённой формыволокон.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность; гигроскопичность.

К ним принадлежат материалы растительного происхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна и синтетические волокна.


Слоистые пластики

Общее развитие народного хозяйства нашей страны и технический прогресс в ряде отраслей промышленности (особенно электротехнической, радиотехнической, строительстве, судостроении, машиностроении, авиации и т. п.) предопределили быстрое увеличение производства различных синтетических материалов, в том числе пластических масс и, в частности, различных слоистых пластиков.

Научные исследования в области химии высокомолекулярных соединений заложили прочный фундамент современной технологии слоистых пластиков и создали условия для дальнейшего расширения их производства и применения.

Слоистые пластики представляют собой материалы, состоящие из слоев волокнистого листового наполнителя (бумага, ткань, стеклоткань и др.), пропитанных и склеенных между собой различными связующими на основе высокомолекулярных соединений. Слоистые пластики отличаются тем, что применяемый в них наполнитель расположен параллельными слоями. Такая структура обусловливает высокие механические характеристики материала, а использование в производстве слоистых пластиков различных полимерных связующих позволяет получить материалы с высокими эксплуатационными показателями.

Производство слоистых пластиков складывается из следующих операций: пропитки наполнителя в ваннах или автоматических пропиточных машинах, сушки, сборки пакета и прессования или формования изделий сложной конфигурации с последующей термообработкой горячим воздухом или инфракрасными лучами. Поскольку слоистый пластик обычно приклеивают к жёсткому основанию, их тыльная сторона должна быть шероховатой. Для этого пластики обрабатывают на шероховочных станках с помощью бесконечной абразивной ленты. 

Область применения. Поверхность пластиков обладает износоустойчивостью, влагостойкостью, устойчивостью к воздействию химических веществ. Наличие обширной гаммы декоров, позволяет гармонично вписывать пластики в любые элементы интерьера. Благодаря этим свойствам, пластики используются в производстве мебели различного назначения, торгового оборудования, в судостроении, вагоностроении, отделке жилых, служебных и общественных помещений, в лифтостроении и других областях.

Физико-механические свойства пластика определяет основной слой, который изготовляют из различных пластиков:

-гетинакса(наполнитель-бумага),
-текстолита(хлопчато-бумажныеткани),
-стеклотекстолита(стеклянные ткани)
- древесных пластиков (древесное волокно). 

Связующим для основного слоя служат феноло-формальдегидные смолы резольного типа и ненасыщенные полиэфиры. Можно применять и другие полимеры.

Гетинакс получают горячей прессовкой бумаги, пропитанной феноло-формальдегидной смолой в стадии А 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, переходи в неплавкую стадию резита. В результате волокнистая основа связывается в прочный монолитный материал.

Слоистое строение гетинакса приводит к анизотропии свойств. Так, удельное объёмное сопротивление гетинакса вдоль слоёв в 50-100 раз ниже, чем поперёк; электрическая прочность вдоль слоёв в 5-8 раз ниже, чем поперёк. 

Гетинакс относится к числу сильнополярных диэлектриков, так как волокнистая основа и пропитывающее вещество  обладают полярными свойствами.

Для изготовления печатных систем низкочастотных цепей радиоаппаратуры используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной или двух сторон электрической красно-медной фольгой толщиной 0,035-0,05 мм. Требуемый рисунок печатной схемы получают путём избирательного травления.

Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготавливается он не из пропитанной бумаги, а из пропитанной ткани. Свойства текстолита на основе хлопчатобумажной ткани в общем близки к свойствам гетинакса; текстолит имеет повышенную удельную ударную вязкость, стойкость к истиранию и сопротивление раскалыванию. Текстолит в 5-6 раз дороже генитакса, так как стоимость ткани значительно выше стоимости бумаги, и применяется лишь в отдельных случаях для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателя и т.п.).

Другие виды  слоистых пластиков. Это текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружнымис обеих сторонслоями хлопчатобумажной ткани); древеснослоистые пластики (ДСП) –типа фанеры на бакелитовой смоле, более дешевые, чем гетинакс, но с худшими электроизоляционными свойствами и более гигроскопичные; более нагревостойкие слоистые пластикина неорганических основах: асбогетинакс  на основе асбестовой бумаги и асботекстолит на основе асбестовой ткани; наиболее нагревостойкие, влагостойкие и механически прочные слоистые пластикистеклотекстолиты на основе неорганическойстеклянной ткани с нагревостойкими связующими. Наряду со стеклотекстолитами выпускаются и более дешевые слоистые пластики на основе  не стеклоткани, а стекломата, получаемого без тканья, т.е. без переплетенья нитей друг с другом.

Фольгированные материалыслоистые пластики, облицованные с одной или с обеих сторон металлической фольгой. Они применяются для изготовления печатных плат в различных электротехнических и радиоэлектронных устройствах, также для изготовления микромашин с печатными схемами вместо обычных обмоток.

Фасонные и намотанные изделия. Помимо описанных выше листовых слоистых пластиков, находят применение и фасонные листовые изделия. Таковы намотанные изделия, известные на практике под наименованием гетинаксовых (бакелитовых) трубокпри внутреннем диаметре от 10 до 30 мм и целиндровпри внутреннем диаметре от 30 до 600 мм. Бакелитовые трубки и цилиндры выпускаются различной длины при толщине стенки от 1,5 до 3 мм. Они изготовляются из лакированной с одной стороны (на специальных лакировочных машинах) намоточной бумаги, более тонкой и плотной, чем пропиточная бумага, которая идет на производство листового гетинакса. Лакированная бумага туго наматывается на металлическую оправку и вместе с ней подвергается запеканию в термостате, после чего готовое изделие снимается с оправки. Свойства намотанных изделий уступают свойствам листового гетинакса. Изготовляются также текстолитовые цилиндры, стержни и различные фасонные детали сложной формы, в частности гасительные камеры для масляных выключателей. Текстолит применяется и как конструкционный материал, например для изготовления подшипников и бесшумных зубчатых передач. Зубчатые колеса для таких передач прессуются из набранных из топки заготовок, отштампованных из пропитанных тканей.


Волокнистые пропиточные материалы

В электротехнике весьма широко применяются волокнистые материалы, т.е. материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлинённой формыволокон. В некоторых из этих материалах, а именно в текстильных, волокнистое строение совершенно очевидно. В других волокнистых материалах, таких, как дерево, бумага, картон, волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, довольно большая механическая прочность и гибкость, удобство обработки. Недостатками их являются невысокие электрическая прочность и теплопроводность; гигроскопичностьболее высокая, чем у массивного материала того же химического состава. Свойства волокнистых материалов могут быть существенно улучшены путём пропитки, почему эти материалы в электрической изоляции обычно применяют в пропитанном состоянии.

Большая часть волокнистых материаловорганические вещества.  К ним принадлежат материалы растительного происхождения (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и пр., состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путём химической переработки природного волокнистого (в основном целлюлозного) сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготавливаемые из синтетических полимеров.

Целлюлозные волокнистые материалы имеют сравнительно большую гигроскопичность, что связано как с химической природой целлюлозы, содержащей большое число полярных гидроксильных группОН, так и с особенностями строения растительных волокон, а так же невысокую нагревостойкость. Некоторые искусственные, и в особенности синтетические, волокнистые материалы имеют значительно меньшую гигроскопичность и повышенную нагревостойкость по сравнению с целлюлозными материалами.

В тех случаях, когда требуется особо высокая рабочая температура изоляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить не в состоянии, применяют неорганические волокнистые материалына основе стеклянного волокна и асбеста.

Дерево 

Благодаря своей распространённости, дешевизне и лёгкости механической обработки дерево явилось одним из первых электроизоляционных и конструкционных материалов, получивших применение в электротехнике. Дерево обладает неплохими механическими свойствами. Более тяжёлые породы деревьев прочнее, чем более лёгкие.

Недостатки дерева: 1) высокая гигроскопичность; 2) нестандартность свойств дерева даже одной и той же породы; неоднородность свойств образцов дерева в зависимости от направления их выпиливания, наличия сучков и других дефектов; 3) низкая нагревостойкость, а так же горючесть.

Свойства дерева улучшаются при его пропитке парафином, льняным маслом, различными смолами и т.д.  Для плотных пород дерева увеличение массы при пропитке составляет 60%. Пропитку дерева следует производить только после окончания всей механической обработки. Наиболее интенсивно дерево всасывает влагу вдоль волокон, и поэтому торцы досок должны быть защищены особенно тщательно, их следует после пропитки дополнительно лакировать.

Дерево в электронике применяется для изготовления штанг приводов разъединителей и масляных выключателей, рукояток рубильников, опорных и крепёжных деталей трансформаторов высокого и низкого напряжения и т.п.

Бумаги и картоны

Бумаги и картоныэто листовые или рулонные (ролевые) материалы коротковолокнистого строения, состоящие в основном из целлюлозы. Для производства бумаг обычно применяют древесную целлюлозу. В состав древесины помимо целлюлозы и воды входят различные вещества, которые рассматриваются как примеси: лигнин, смолы, соли и др. Для удаления примесей размельчённая в щепу древесина подвергается варке в котлах, содержащих водные растворы щелочей или кислот, которые переводят примеси в растворимые в воде соединения; затем целлюлоза тщательно отмывается водой от примесей. 

Для изготовления бумаги механически обработанная (размолотая) целлюлоза с большим количеством воды отливается сплошным слоем на движущуюся бесконечную сетку бумагоделательной машины. При удалении воды сквозь ячейки сетки, уплотнении и сушке при пропускании между стальными валками, некоторые из которых имеют обогрев, получается бумага в виде рулона. Прочность бумаги при растяжении больше в направлении вдоль рулона. Прочность так же сильно зависит от влажности бумаги (рис.1)

Н

F

140

120

100

80

60

40

20

φ

0

%

Рис.1. Разрывающее усилие кабельной бумаги марки К-080 толщиной 80 мкм для  полоски шириной 15 мкм в направлении вдоль рулона (1) и поперёк рулона (2) в зависимости от относительной влажности воздуха φ.

Кабельная бумага согласно ГОСТ 645-67 выпускается различных марок, обозначаемых буквами К, КМ, КВ, КВУ, КВМ и КВМУ и цифрами от 015 до 240. Бумаги марок К и КМ применяются для силовых кабелей напряжением до 35 кВ, КВ и КВУ- 35 кВ и выше, КВМ и КВМУкВ и более. Объёмная масса неуплотнённых кабельных бумаг двух различных марок составляет 0,76 или 0,87, а уплотнённых бумаг 1,09,10 Мг/м³. уплотнённые бумаги, пропитанные нефтяным маслом, имеют более высокую диэлектрическую проницаемость (примерно 4,3), чем неуплотнённые (примерно 3,5). В связи с этим в конструкциях кабелей на напряжение выше 35 кВ используется следующая комбинация уплотнённых и неуплотнённых бумаг: ближайшие к жиле слои её выполняются из уплотнённой бумаги, а последующие слои -  из неуплотнённой, поэтому при удалении от жилы ε изоляции уменьшается, что обеспечивает более равномерное распределение напряжённости электрического поля в изоляции. 

В бумажной изоляции силового кабеля слабыми местамиочагами развития пробояявляются зазоры между отдельными лентами бумаги в каждом повиве. В кабелях с вязкой пропиткой в эксплуатации после многократных последовательных нагревов и охлаждений кабеля часть зазоров, ближайших к жиле, оказывается не заполненной пропиточным компаундом. В этих зазорах возникает ионизация, разрушающая как компаунд, так и бумагу и способствующая постепенному прорастанию ветвистого разряда от жилы к свинцовой оболочке кабеля. Старение кабельной изоляции заставляет принимать для кабелей с вязкой пропиткой невысокую рабочую напряженность электрического поля, равную 3МВ/м. Кабели такого типа используют лишь при сравнительно небольших рабочих напряжениях, не превышающих 35 кВ. При более высоких напряжениях применяют масло- и газонаполненные кабели, в которых рабочая напряженность поля доходит 10-12 МВ/м. 

Телефонная бумага марок  КТ и КТУ согласно ГОСТ 3553-73 имеет толщину 50 мкм. Объемная масса телефонных бумаг должна быть малой, чтобы уменьшить емкость изоляции телефонных кабелей. Телефонная бумага выпускается как натурального (желтоватого, свойственного сульфатной целлюлозе) цвета, так и окрашенной в красный, синий или зеленый цвет; различная расцветка служит для различения жил телефонных кабелей. Телефонная бумага используется, кроме того, для изоляции обмоточных проводов марок ПБ и ПББО, а также как подложка при изготовлении микафолия.

Пропиточная бумага марок ЭИП-50, ЭИП-63 и ЭИП-75 по ГОСТ 3441-63 употребляется для листового гетинакса.

Намоточная бумага марок ЭН-50 и ЭН-70 по ГОСТ 1931-64, - более тонкая и плотная по сравнению с пропиточной.

Конденсаторная бумага (ГОСТ 1908-66) –весьма важный и ответственный материал: в пропитанном виде она образует диэлектрик бумажных конденсаторов. Выпускается двух видов: КОНобычная конденсаторная бумага и «силкон» - бумага для силовых конденсаторов. По объемной массе различаются марки: 0,8 (только силкон), 1 и 2. Номинальные толщины различных марок этих бумагот 4 до 30 мкм. Конденсаторная бумага выпускается в рулонах (бобинах) шириной от 12 до 750 мм. Помимо механических свойств, химического состава и пр. ГОСТ нормирует электроизоляционные свойства, в том числе наибольшее количество токопроводящих включений и наименьшее пробивное напряжение.

Малая толщина конденсаторной бумаги позволяет получить высокую удельную емкость конденсатора, поскольку в первом приближении, при невысоких рабочих напряжениях удельная емкость обратно пропорциональна толщины диэлектрика.

Бумага работает в конденсаторе в пропитанном состоянии. Поэтому весьма важно иметь расчетные формулы, позволяющие определить электроизоляционные свойства пропитанной бумаги, исходя из заданных  свойств бумаги и пропиточного состава. Такие формулы получил В.Т.Ренне, исходя из эквивалентной схемы диэлектрика, предусматривающей последовательное соединение слоев целлюлозы, пропиточной массы и воздуха, оставшегося при пропитке в порах бумаги. Приведем лишь одну из формул Ренне, определяющую диэлектрическую проницаемость пропитанной бумаги: 

                                   (1)

ε 1-диэлектрическая проницаемость пропиточной массы,

ε2=6,6-диэлектрическая проницаемость целлюлозы,

x=1-ρ12 - объемное содержание пор в непропитанной бумаге,

ρ1-объемная масса сухой непропитанной бумаги, 

ρ2=1,55 Мг/м3-плотность целлюлозы,

y - объемная усадка пропиточной массы при ее застывании или отверждении.

Для случая пропитки жидким диэлектриком, полностью вытесняющим воздух из пор бумаги, формула (1) упрощается, так как в ней можно принять у=0. Еще более упрощается формула (1) для расчета ε сухой непропитанной бумаги, так как в этом случае не только у=0, но и ε1=1.

На рис. 2 представлено влияние диэлектрической проницаемости ε1 пропиточной массы на диэлектрическую проницаемость пропитанной конденсаторной бумаги. Учитывая старение пропитанной бумаги при длительном воздействии электрического поля, рабочую напряженность для бумажных конденсаторов с жидкой пропиткой обычно принимают 25-35 МВ/м при постоянном напряжении и 12-15 МВ/м при переменном напряжении частоты 50 Гц.

В последнее время в качестве диэлектрика силовых электрических конденсаторов наряду с конденсаторной бумагой все шире применяют синтетические пленки; весьма перспективна для этой цели неполярная полипропиленовая плёнка, имеющая весьма малый tg при довольно высокоё нагревостойкости. Выпускаются и бумажно-плёночные конденсаторы, диэлектрик которых состоит из двух слоёвбумаги и плёнки; при этом бумага играет роль фитиля, по которому в процессе пропитки проникает в глубь конденсатора пропиточная масса (пропитка чисто плёночных конденсаторов затруднена).

Микалентная бумага (ГОСТ 6500-64), применяемая в качестве подложки микалентыодна из немногих разновидностей электроизоляционных бумаг, производимых не из древесной целлюлозы щелочной варки, а из длинноволокнистого хлопка. Она имеет толщину 20±2 мкм и массу 2 равную 17г; выпускается в рулонах шириной 450 или 900 мм. 

Картоны в основном отличаются от бумаг большей толщиной. Электроизоляционные картоны изготовляются двух типов: воздушные (ГОСТ 2824-60) –более твёрдые и упругие, предназначенные для работы н воздухе, и масляные (ГОСТ 4194-68) –более рыхлой структуры и более мягкие, предназначаемые в основном для работы в трансформаторном масле. Масляные картоны хорошо пропитываются маслом и в пропитанном виде имеют высокую электрическую прочность. В рулонах выпускаются только наиболее тонкие электроизоляционные картоны. Обычно же картоны выпускаются в листах. Электроизоляционные картоны изготовляются из древесной или хлопковой целлюлозы.

                                           б)

9

ε

8

1

7

6

2

5

4

3

ε1

0

9

ε

0,8 Мг/м3

8

6,6

6

5

4

3

ε1

0

,6 8

Рис. 2. Зависимости диэлектрической проницаемости ε пропитанной конденсаторной бумаги от диэлектрической проницаемости ε1 пропиточной массы: а- влияние типа массы (1жидкая, 2твёрдая, я усадкой 10%), б –влияние плотности бумаги при пропитке жидкой массы (цифры у кривыхплотность бумаги, Мг/м3 

Особые бумаги и картоны

Помимо описанных выше материалов типа бумаг и картонов, изготавливаемых из целлюлозы, для электрической изоляции с успехом применяются бумаги из целлюлозы с добавками других волокнистых материалов и даже бумаги, совсем не содержащие целлюлозы. Так бумаги и смеси целлюлозы с полиэтиленовым волокном имеют ε, tg δ и гигроскопичность меньшие, а механическую прочность большую, чем чисто целлюлозные бумаги. Такие бумаги находят применение в изоляции кабелей весьма высокого напряжения.

0.08

tgδ

0.06

1

0.04

0.02

φ

    40

%

Рис.3. Зависимости tg δ обычной (1) и ацетилированной (2) бумаги от относительной влажности воздуха φ при нормальной температуре

Эфиры целлюлозы имеют меньшие ε, tg δ и гигроскопичность по сравнению с целлюлозой. Помимо полного превращения целлюлозы в её эфиры и изготовления из них волокна, возможна её химическая обработка, превращающая поверхностный слой волокна в эфир, но не изменяющая остальной части волокна. 

Так ацетилированная бумага из целлюлозы, частично превращённой в ацетилцеллюлозу, имеет лучшие электроизоляционные свойства и гигроскопичность (рис.3), а так же несколько более высокую нагревостойкость по сравнению с целлюлозной бумагой. Ещё выше (на 10-25˚С) нагревостойкость бумаги, обработанной раствором цианамида CN2H2.

Фибра 

Она изготовляется из тонкой бумаги, которая пропускается через тёплый раствор хлористого цинка ZnCl2  затем наматывается на стальной барабан до получения слоя нужной толщины, причем отдельные слои бумаги прилипают друг к другу; затем фибра срезается с барабана, тщательно промывается водой и прессуется. Промывка фибры необходима для того, чтобы удалить остатки хлористого цинка, легко диссоциирующего на ионы и ухудшающего электроизоляционные свойства фибры. Листовая  электротехническая фибра (марка ФЭ) по ГОСТ 14613-69 выпускается толщиной от 6,6 до 3мм. Цвет фибры (может быть чёрным, красным и др.) определяется окраской бумаги, взятой для её изготовления. Фибра имеет невысокие электроизоляционные свойства и значительную гигроскопичность; однако её механическая прочность ( предел прочности при растяжении вдоль листа не менее 70-75 МПа, удельная ударная вязкость 20-30 кДж/м2). Она хорошо обрабатывается: режется, пилится, строгается, принимает винтовую резьбу; размоченная в горячей воде тонкая фибра может формоваться. Плотность фибры 1-1,5 Мг/м3; более плотная фибра лучше как по механическим, так и по электроизоляционным характеристикам. При воздействии электрической дуги фибра разлагается, выделяя большое количество газов, способствующих гашению дуги. В связи с этим фибровые трубки применяют для изготовления стреляющих разрядников.

Чрезвычайно перспективные бумаги типа фенилон, изготовляемые из синтетического волокна (ароматический полиамид); отдельные волокна с примесью фибридов, т.е. мелких волокон из материала, аналогичного по составу основному волокну, но имеющего пониженную температуру размягчения. При пропускании финиловой бумаги между горячими валками фибриды прочно связывают основные волокна. Финиловые бумаги, имеющие нагревостойкость 200-220˚С, могут применяться как в чистом виде, так и в композициях с плёнками, слюдяными материалами и т.п., а так же в виде основы для слоистых пластиков. На рис.4 представлены температурно-частотные зависимости ε и tgδ бумаги номекс. 

ε

tg

106   104   103   102        10 2c3

 

t

˚C

      4.0

103

104

106

0.02

0.01

3.5

3.0

t



 

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.
7974. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 39.54 KB
  Определение понятий метрология стандартизация сертификация Метрология наука об измерениях о способах достижения требуемой точности и достоверности корректной записи результатов об обеспечении единства измерений. Технические измерения при помощи рабочих средств измерений. Метрологические измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений. Они не могут быть применены в области на которую распространяется требование единства измерений.
13506. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА 1.31 MB
  Планк предположил для объяснения кривой излучения черного тела что свет может излучаться или поглощаться лишь в виде некоторых порций энергии получивших название квантов или фотонов. разумеется такие же соотношения справедливы и для измерений по остальным координатам и их можно выписать для произведений и . В другой формулировке этот принцип устанавливает связь между ошибками измерений энергии частицы Е и временным промежутком требуемым для измерения:...
1012. Биополимеры. Свойства биоразлагаемых полимеров 41.2 KB
  Так амилаза вызывает распад молекулы крахмала. Это материалы на базе крахмала картофельного или кукурузного как правило подвергнутого ферментативной обработке. Биополимеры на основе крахмала и ПЛА могут частично потеснить а полигидроксиалканоаты –полностью заменить ПЭ и ПП. Таким образом использование крахмала в составе товарных адгезивных компаундов и пластмассовых материалов позволит свести к минимуму ущерб наносимый окружающей среде.
7002. Общие понятия о горении пожаровзрывоопасных свойствах веществ и материалов, пожарной опасности зданий 39.25 KB
  Физико-химические основы горения заключаются в термическом разложении вещества или материала до углеводородных паров и газов, которые под воздействием высоких температур вступают в химическое воздействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в процессе сгорания в углекислый газ (двуокись углерода)
12466. Общие сведения о гидропередачах 48.9 KB
  Поэтому в дальнейшем для краткости изложения слово “статические†как правило будет опускаться. При этом усилие F1 необходимое для перемещения поршней бесконечно мало. Для удовлетворения понятию “статическая гидропередача†должно быть выполнено условие геометрического отделения полости нагнетания от полости всасывания.
8415. Общие сведения о ссылках 20.99 KB
  Язык C предлагает альтернативу для более безопасного доступа к переменным через указатели.Объявив ссылочную переменную, можно создать объект, который, как указатель, ссылается на другое значение, но, в отличие от указателя, постоянно привязан к этому значению. Таким образом, ссылка на значение всегда ссылается на это значение.
17665. Общие сведения из метрологии 31.74 KB
  Современное состояние измерений в телекоммуникациях Процесс совершенствования измерительных технологий подчиняется общей тенденции усложнения высоких технологий в процессе их развития. Основными тенденциями в развитии современной измерительной техники являются: расширение пределов измеряемых величин и повышение точности измерений; разработка новых методов измерений и приборов с использованием новейших принципов действия; внедрение автоматизированных информационно-измерительных систем характеризуемых высокой точностью быстродействием...
14527. Общие сведения о методах прогнозирования 21.48 KB
  Общие сведения о методах прогнозирования ОФП в помещении Общие понятия и сведения об опасных факторах пожара. Методы прогнозирования ОПФ Общие понятия и сведения об опасных факторах пожара Разработка экономически оптимальных и эффективных противопожарных мероприятий основана на научнообоснованном прогнозе динамики ОФП. Современные методы прогнозирования пожара позволяют воспроизвести восстановить картину развития реального пожара. Это необходимо при криминалистической или пожарнотехнической экспертизе пожара.
2231. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЯХ 1.28 MB
  В данном пособии рассматривается лишь один тип газотурбинные двигатели ГТД т. ГТД широко применяются в авиационной наземной и морской технике.1 показаны основные объекты применения современных ГТД. Классификация ГТД по назначению и объектам применения В настоящее время в общем объеме мирового производства ГТД в стоимостном выражении авиационные двигатели составляют около 70 наземные и морские около 30 .
7103. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПОНЯТИЯ О КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ 36.21 KB
  В результате этого в паровых котлах вода превращается в пар а в водогрейных котлах нагревается до требуемой температуры. Тягодутьевое устройство состоит из дутьевых вентиляторов системы газовоздуховодов дымососов и дымовой трубы с помощью которых обеспечиваются подача необходимого количества воздуха в топку и движение продуктов сгорания по газоходам котла а также удаление их в атмосферу. представлена схема котельной установки с паровыми котлами. Установка состоит из парового котла который имеет два барабана верхний и нижний.
© "REFLEADER" http://refleader.ru/
Все права на сайт и размещенные работы
защищены законом об авторском праве.