Свойства и применение полимеров
Раздел 10. Изоляционные материалы.
Лекция №29
Свойства и применение полимеров.
Полистирол – твердый прозрачный материал, неполярный диэлектрик с высокими электроизоляционными свойствами.
Полистирол обладает свойствами: температура размягчения Тразм = 110 - 120°С; низкой гигроскопичностью, водостоек, имеет малое значение тангенса угла диэлектрических потерь tgd , устойчив к воздействию нейтронов и g-лучей, не растворяется в спиртах, парафиновых углеводородах, стоек к действию щелочей и ряда кислот.
К недостаткам полистирола относят: хрупкость при пониженных температурах, склонность к старению с образованием трещин, растворимость в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле), хлороформе, концентрированной серной кислоте, невысокую нагревостойакость.
Теплостойкость повышают сополимеризацией с другими мономерами и совмещением с каучуком.
Полистирол- один из лучших высокочастотных диэлектрикову. Он применяется для изготовления каркасов индуктивных катушек, корпусов радиоприемников и телевизоров, плат переключателей, для изоляции кабелей и конденсаторов.
Детали получают литьем под давлением, прессованием и механической обработкой.
Полиэтилен – твердый белый или светло-серый материал без запаха, неполярный диэлектрик, полученный в результате реакции полимеризации газа этилена:
Электроизоляционные свойства так же высоки, как и у полистиролов, но отличаются высокой стабильностью. В отличие от полистирола полиэтилены содержат значительное количество кристаллической фазы.
Свойства полиэтилена: высокая морозостойкость (сохраняет гибкость при температуре - 70°С); высокая влагостойкость, не гигроскопичен; устойчив в действию крепких кислот (кроме азотной), щелочей и многих растворителей; при комнатной температуре не растворителе; стоек к плесени; газонепроницаем; стоек к истиранию и вибрациям; в пламени горит и оплавляется; предельная рабочая температура 100°С (прочность начинает уменьшаться только при нагревании выше 60°С).
Недостатками полиэтилена являются: тепловое старение приводит к образованию трещин на поверхности изделий; при нагревании растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах; под действием конц. серной кислоты чернеет, а в концентрированной азотной набухает; под воздействием тепла, ультрафиолетового излучения, кислорода воздуха стареет; в сильных электрических полях происходят структурные изменения, снижающие количество изоляции.
Для получения электроизоляционного материала с необходимыми свойствами смешивают полиэтилен трех разновидностей друг с другом или с другими полимерами, а также подвергают ионизирующему облучению.
Благодаря высоким электроизоляционным свойствам полиэтилен широко применяется как конструкционный материал для изготовления каркасов катушек, деталей, работающих в цепях высокой частоты.
Полиэтилен получают по трем методам: при высоком , стеднем и низком давлении.
Основным методом изготовления изделий из полиэтилена является литье под давлением при температуре 150 - 180°С. Пластины, блоки, листы и стержни из полиэтилена легко поддаются механической обработке резанием, сверлением, фрезерованием на станках, применяемых для обработки металлов.
Полипропилен – линейный неполярный полимер, полученный полимеризацией газа пропилена аналогично полимеризации этилена низкого давления:
Он обладает такими же электроизоляционными свойствами, как полиэтилен.
Полипропилен имеет температуру размягчения 160 - 170°С (выше, чем у полиэтилена); повышенную температуру плавления Тпл до 200°С ; водостойкость, хорошие механические свойства, более хорошую холодостойкость гибкость, чем полиэтилен; эластичность (удлинение при разрыве 500 – 700 %0.
Полипропилен применяют как комбинированный бумажно-пленочный диэлектрик в силовых конденсаторах, как пленочный диэлектрик в обмоточных проводах. Полипропилен перерабатывается в изделия теми же способами, что и полиэтилен; его выпускают в виде порошка, гранул, из него могут быть получены пленки, волокна, ткани и фасонные изделия.
Поливинилхлорид (ПВХ) – белый мелкодисперсный порошок. Линейный полярный полимер, полученный в результате полимеризации газообразного мономера винилхлорида в присутствии эмульгаторов (желатина, поливинилового спирта) и инициаторов (перекиси водорода, перекиси ацетилена):
Вследствие полярного строения поливинилхлорид имеет пониженные электрические свойства по сравнению с неполярными, но удельное электрическое сопротивление почти не изменяется при повышении температуры до 90°С.
ПВХ не растворяется в воде, бензине, спирте; растворяется в дихлорэтане и метиленхлориде; набухает в ацетоне и бензоле. При нагревании выше 140°С под действием света ПВХ разлагается с выделением хлористого водорода, что приводит к изменению физико-механических свойств: снижается прочность, относительное удлинение при разрыве, повышается хрупкость, меняется цвет.
В зависимости от способа полимеризации изготавливают суспензионный и латексный ПВХ.
ПВХ используют для кабельной светотермостойкой изоляции, для кабельного пластиката и для изготовления винипласта.
Винипласт – твердый, не содержащий пластификатора полимер, который получают горячим прессованием порошкообразного или пленочного поливинилхлорида.
Пленки из винипласта применяют для изоляции водопогруженных электродвигателей, разделения катодных и анодных пластин, в аккумуляторных батареях и другой электрической аппаратуре, работающей в условиях повышенной влажности и воздействия кислот.
Латексный ПВХ используют для изготовления прочных пластиков, мягкой пленки, технической пасты и изоляционных изделий.
ПВХ пластикат применяют для изготовления пленок, изоляционных лент, монтажных и телефонных проводов, трубок, в качестве специальных светотермостойких изоляционных и шланговых материалов. При воздействии электрической дуги ПВХ выделяет большое количество газообразных продуктов, что способствует гашению дуги.
Полиметилметакрилат (оргстекло, плексиглаз) – прозрачный бесцветный материал, полярный диэлектрик, который получают в результате полимеризации эфиров метакриловой кислоты.
Полиметилметакрилат имеет малую гигроскопичность, высокую химическую стойкость; легко сваривается в специальных устройствах при температуре 140 - 150°С с применением давления на свариваемые поверхности 0,5-1,0 МПа, склеивается полярными растворителями.
Применяют оргстекло для изготовления корпусов приборов, шкал, линз, а также в качестве дугогасящего материала, так как оно обладает свойством выделять при воздействии электрической дуги большое количество газов ( СО, Н2, СО2 пары воды).
Фторорганические полимеры.
Одним из существенных недостатков органических синтетических полимеров является пониженная теплостойкость. Для большинства органических полимеров допустимые рабочие температуры от -60 до + 120°С. Углерод, составляющий основу органических полимеров, на воздухе, а тем более при нагревании, может окисляться, что приводит к разрушению полимера. Для повышения теплостойкости в качестве основы для органических полимеров импользуют кроме углерода фтор, кремний, титан и др. Наибольшее распространение получили фторорганические (фторопласты) и кремнийорганические полимеры (полисилоксаны).
Фторопласты – кристаллические полимеры фторпроизводных этилена, где атомы водорода замещены фтором. Введение в молекулу полимера фтора повышает теплостойкость и химическую стойкость получаемого материала. Их получают в автоклавах полимеризацией газообразных низкокипящих мономеров при повышенном давлении.
Фторопласт – 4 (фторлон – 4, тефлон) – белый или сероватый материал с более высокой плотностью, чем у других органических полимеров.
Фторопласт – 4 обладает следующими свойствами: рабочий диапазон температур от – 250 до +250°С; высокими диэлектрическими свойствами, мало зависящими от температуры; хорошими вакуумными свойствами; наиболее химически стойкий материал из всех известных полимеров (его устойчивость к химическому воздействию выше, чем у золота, платины, стекла, фарфора, эмали, т.е. тех материалов, которые применяют для защиты от коррозии в самых сильнодействующих агрессивных средах; не смачивается водой и не набухает в ней; не растворяется ни в одном растворителе; не горит, по электроизоляционным свойствам принадлежит к лучшим их известных диэлектриков; абсолютно стоек в тропических условиях и не подвержен действию грибков.
Недостатки фторопласта – 4 : выделение ядовитого газообразного фтора в результате разложения при температуре выше 400°С, низкую радиационную стойкость, сложную технологию переработки, высокую стоимость, сравнительную мягкость и склонность к хладотекучести.
Из фторопласта – 4 изготовляют тонкие конденсаторные и электроизоляционные пленки толщиной 5...200 мкм. В радиоэлектронике – для химической посуды для реакций с агрессивными средами; в оснастке для температурных испытаний, так как он хорошо переносит резкую смену температур в широком диапазоне; вакуумных вентилях.
Фторопласт – 3 (фторлон – 3 – политрифторхлорэтилен) – полярный диэлектрик:
Фторопласт – 3 обладает следующими свойствами: нижний предел рабочей температуры 195°С; более высокие механические свойства, чем у фторопласта – 4; влагостойкость выше, чем у фторопласта – 4; нагревостойкость ниже, чем у фторопласта – 4, составляет 125°С; уступает фторопласту – 4 по электрическим свойствам; высокая химическая стойкость, но ниже чем у фторопласта – 4; влагостоек; высокая дугостойкость; технология получения проще, чем фторопласта – 4; дешевле фторопласта – 4.
Выпускают в виде порошка белого цвета или полупрозрачного роговидного поделочного материала.
Применяется в виде суспензий для антикоррозионных покрытий. С пиртовые суспензии фторопласта – 3 используют для получения покрытий на металлах (в том числе и на меди) и керамике (сохраняются выше 100°С). Изоляция проводов и кабелей из фторопласта – 3 позволяет эксплуатировать их при температуре 150 °С во влажных и агрессивных средах.
Кремнийорганические полимеры (полисилоксаны) - материалы, которые являются промежуточным звеном между органическими и неорганическими материалами.
Кремнийорганические полимеры могут быть термопластичными с линейным строением и термореактивными с образованием пространственных структур.Они более нагревостойки, чем органические полимеры.
Кремнийорганические полимеры обладают свойствами: высокими электроизоляционными свойствами; дугостойкостью, теплостойкостью, водостойкостью (гидрофобностью), не смачиваются водой, устойчивостью к действию грибковой плесени; морозостойкостью; плохой адгезией к большинству материалов, низкой маслостойкостью, высокой стоимостью.