Синтетические жидкие диэлектрики

Кремнийорганические жидкости вещества, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния Si и кислорода О (структурную формулу см. выше) и имеют линейное строение. Кремний–кислородная связь называется силоксановой и имеет высокую термическую и химическую стойкость (энергия связи равна 374 кДж/моль), поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температурах (вплоть до 250°С) [2].

Кремнийорганические жидкости бесцветны, растворимы в органических растворителях (например, бензоле), нерастворимы в воде и спиртах. Нетоксичны, не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью (–70°С). Их можно отнести к неполярным диэлектрикам. Используют для пропитки конденсаторов, работающих при повышенных температурах.

Недостатки: сравнительно легко загораются (горят сильно коптящим пламенем), значительно (в несколько десятков и даже сотен раз) дороже нефтяных масел.

Фторорганические жидкости вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. В зависимости от величины молекул эти соединения могут быть газообразными (например, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈, C₄F₁₀), жидкими (например, C₅F₈, C₈F₁₆, C₁₄F₂₄) или твердыми (например, полимер ПТФЭ (—CF₂—CF₂—). Указанные соединения пожаробезопасны (полностью негорючи), трекингостойки, абсолютно негигроскопичны и имеют высокую нагревостойкость (до 300°С).

Фторорганические жидкости неполярный диэлектрик. Они обеспечивают более интенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Кроме того, их пары над жидкостью, в особенности при повышенном давлении, значительно увеличивают электрическую прочность газовой среды в аппарате и повышают U_ПР.

Недостатки: токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, взаимодействие с резинами, окисью железа (окалиной, ржавчиной), медью, что приводит к их загрязнению, а также высокая стоимость (более чем в 1000 раз дороже нефтяных масел) [2].

Термопласты

Термопласты, или термопластичные полимеры, представляют группу диэлектриков, обладающих хорошими электрическими свойствами (табл. 3.1), поэтому их широко используют в электро– и радиотехнике.

Таблица 3.1. Физико–химические свойства полиолефинов

Свойства	ПЭВД	ПЭСД	ПЭНД	ПП
Молекулярная масса М•104	1,9–4,8	4–7	7–35	8–20
Разветвленность, число —СH3 групп на 1000 атомов С	20–30	1,5–2,5	3–7	–
Плотность, кг/м3	918–935	960–970	945–955	890–910
Степень кристалличности, %	55–65	85–95	75–85	80–95
Разрушающее напряжение, МПа: при растяжении, σр МПа: при изгибе, σи	12–16 12–17	25–38 25–40	22–32 20–35	28–40 90–120
Относительное удлинение при разрыве, %	150–600	200–800	400–800	150–600
Температура размягчения по Вика, ºС	–	–	–	145–150
Температура плавления, ºС	105–115	130–135	125–130	160–170
Морозостойкость, ºС	–70	–70	–70	–10~–15
Удельная теплоемкость, кДж/(кг• К)	2,09–2,85	2,3–2,7	2,3–2,7	1,87–2,09
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м• К)	0,20–0,33	0,22–0,35	0,22–0,35	0,13–0,22
Диэлектрическая проницаемость ε при 106 Гц	2,2–2,3	2,2–2,3	2,2–2,4	2,1–2,3
Тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ при 106 Гц 2 ■ 10 •	2•10–4 –3•10–4	2•10–4 –3•10–4	2•10–4 –5•10–4	3•10–4 –5•10–4
Удельное электрическое сопротивление: ρS – Ом ρV – объемное.Ом•м	4•1014 1015	4•1014 1015	4•1014 1015	– 1014–1015

 

Макромолекулы их (например, полиэтилена (ПЭ)) имеют строение линейное или разветвленное. В большинстве случаев термопласты это аморфные или аморфно–кристаллические полимеры, нерастворимые в воде, зато, как правило, растворимые в близких по природе органических растворителях; они мало гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам (кислотам и щелочам). Ряд из них имеет достаточно низкую температуру стеклования, поэтому при комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом состоянии из них изготавливают изделия. Повторный нагрев снова приводит термопласты в пластическое состояние [2].

Все термопласты, за редким исключением (например, политетрафторэтилен (ПТФЭ) и полиимиды), горючи, а изделия из них пожароопасные. Для снижения горючести и повышения тем самым пожаробезопасности электро– и радиоаппаратуры в полимеры в ряде случаев вводят антипирирующие добавки.

Антипирен – это вещество, которое при температуре горения разлагается с выделением большого количества негорючих газообразных продуктов (Н₂О), снижающих концентрацию кислорода в зоне горения до величины гашения пламени.

В большинстве случаев термопласты используют в производстве изделий без наполнителей, поэтому их часто называют смолами, которые могут быть природными и синтетическими. Все смолы, рассматриваемые в 3.2 синтетические. В электроизоляционной технике термопласты применяют как самостоятельно, например изоляция проводов и кабелей, каркасы катушек индуктивности, пленки для производства конденсаторов, волокнистые материалы, так и в виде составной части клеев, лаков, компаундов, пластмасс. Используют их и как конструкционные материалы. Все термопласты по своему поведению в электрическом поле подразделяются на две большие группы: термопласты неполярные и полярные. Для снижения температуры стеклования Т_с, увеличения термо– или светостойкости или улучшения какого–либо другого свойства в термопласты вводят небольшие количества соответствующих добавок (стабилизаторов, пластификаторов и т.п.), в некоторых случаях – красители [2].

Неполярные термопласты

Неполярные термопласты имеют высокие значения удельного объемного сопротивления ρ и электрической прочности Е_ПР и низкие диэлектрические потери tgδ. Значения относительной диэлектрической проницаемости ε и tgδ у них мало зависят от температуры и частоты в широком интервале. Особенность последнего позволяет использовать неполярные термопласты в области ВЧ и СВЧ.

Следовательно, неполярные термопласты относятся к классу высокочастотных диэлектриков. Для них характерны следующие значения электрических характеристик: ε = 2–2,6; ρ = 10¹⁴–10¹⁸ Ом•м; tg δ ≈ 10^─4; Е _пр до 60 кВ/мм при h ~ 1 мм; у пленок толщиной 0,02–0,1мм Е _примеет значения до 250 кВ/мм и выше. На значения электрических характеристик, особенно удельного объемного сопротивления ρ, сильно влияет присутствие ионогенной примеси. Чем выше степень чистоты и меньше влажность неполярного полимера, тем лучше его электрические свойства. Этим можно объяснить значительную разницу в значениях ρ и других параметров, имеющихся в литературе [2].

Полиэтилены (ПЭ) бесцветный прозрачный продукт полимеризации газообразного этилена; имеет общую химическую формулу (—СН₂—СН₂─)_n. Фактически строение молекул ПЭболее сложно, чем это отображено формулой. В молекулярной цепи, хотя и в малом количестве, имеются боковые ответвления в виде —СН₃, — С₂Н₅ и более сложных групп, двойные связи (не только в цепи, но и в ответвлениях), карбонильные группы >С=С─, которые в значительной мере и определяют электрические свойства ПЭ (см. табл. 3.1). Температура стеклования имеет примерно такие же значения, что и температура хрупкости. Пожароопасен, горит голубоватым пламенем с запахом горящей парафиновой свечи.

В зависимости от условий полимеризации при производстве различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД), низкого давления (ПЭНД) и среднего давления (ПЭСД). ПЭВД получают при давлении 1470–2500 атмосфер (147–250 МПа) и температуре 180–270°С. Для получения ПЭНД и ПЭСД используют катализаторы. Полимеризация протекает при давлении и температуре, равными соответственно для ПЭНД 3–5 атмосфер (0,3–0,5 МПа) и 70–80°С, для ПЭСД 34–39 атмосфер (3,4–3,9 МПа) и 130–150°С. ПЭВД является полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а ПЭНД и ПЭСД полиэтиленами высокой плотности (ПЭВП).

Выпускают различные марки полиэтилена, отличающиеся плотностью, индексом расплава, наличием или отсутствием стабилизаторов. Кроме того, отдельные партии ПЭ окрашивают в различные цвета. ПЭ при комнатной температуре не растворим в органических растворителях и лишь при температурах выше 70°С набухает и с трудом растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. К действию растворителей и масел ПЭНД более стоек, чем ПЭВД [2].

ПЭВД имеет сравнительно низкую плотность (910–930 кг/м³), содержит в молекулярной цепи до 36 боковых ответвлений на каждую тысячу атомов углерода, которые затрудняют процесс кристаллизации. Поэтому ПЭВД содержит всего 50–65% кристаллической фазы. Его молекулярная масса равна (8–50)•10⁴, Т _пл= 105–108°С, Т _хр= – 80÷–120°С; σ_р= 10–17 МПа, σ_и = 11,8–16,7 МПа, относительное удлинение при разрыве δ = 500–800%, твердость по Бринеллю 13,7–24,5 МПа.

ПЭНД имеет плотность, равную 950–960 кг/м³, содержит до 6 боковых ответвлений на каждую тысячу углеродных атомов, степень кристалличности составляет 75–85%. Его молекулярная масса равна (83–50)•10⁴, Т_пл = 120–125°С, Т_ХР = –100÷–150°С, σ_Р = 22–30 МПа, σ_и = 19,6–34,3 МПа, δ = 300–800%, твердость по Бринеллю 44–60 МПа.

ПЭСД имеет плотность 960–970 кг/м³, содержит до 2,5 боковых ответвлений на каждую тысячу углеродных атомов. Меньшее число дефектов (числа боковых ответвлений) в молекулярной цепи, чем у ПЭВД, облегчает кристаллизацию, поэтому он имеет более высокую плотность (960–970 кг/м³) и степень кристалличности (80–90%), чем ПЭВД. Молекулярная масса равна (30–40)•10⁴, Т_пл = 127–130°С, Т_ХР=–70°С, σ_Р = 27–33 МПа, σ_и = 24,5–39,2 МПа, δ = 200–800%, твердость по Бринеллю 60–64 МПа [2].

С повышением плотности ПЭ увеличиваются его температура плавления, разрушающие напряжения при растяжении σ_Р и изгибе σ_и, модуль упругости и твердость; эластичность при этом снижается. Изделия из ПЭ при длительной статической нагрузке деформируются: из ПЭНД при нагрузке, равной 2,45 МПа (25 кгс/см²), а из ПЭВД при нагрузке 4,9 МПа (50 кгс/см²). Изделия из ПЭ, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, могут растрескиваться. Чем выше молекулярная масса ПЭ, ниже степень кристалличности и меньше размер сферолитных образований, тем выше его стойкость к образованию трещин и лучше электрические свойства выше Е_пр, ρ и ниже tgδ. На стойкость к растрескиванию влияют продолжительность действия нагрузки, температура и природа окружающей среды.

ПЭ обладает высокой водостойкостью. Водопоглощение за 30 суток при 20° составляет у ПЭВД 0,02%, ПЭНД 0,005% (при 70°С 0,04%), ПЭСД менее 0,01%. Пленки из ПЭВД имеют низкую проницаемость по отношению к водяным парам, но высокую к газам. У ПЭВД диэлектрические потери несколько ниже, а стойкость к старению несколько выше, чем у ПЭНД и ПЭСД. Остатки катализатора полимеризации у ПЭНД и ПЭСД могут незначительно увеличивать диэлектрические потери. Однако ПЭНД обладает несколько лучшими физико–механическими свойствами, чем ПЭВД. Стоимость ПЭВД ниже, чем ПЭНД и ПЭСД [2].

Нагревостойкость ПЭ при кратковременном воздействии тепла ограничивается ухудшением механических характеристик, а при длительном воздействии в условиях доступа воздуха окислением. Нагревостойкость ПЭ составляет 80–90°С. Для повышения нагревостойкости увеличения стойкости к тепловому старению в ПЭ вводят различные стабилизаторы. В некоторых случаях уже готовые изделия (например, кабели, электроизоляционные трубки, муфты, пленки и т.п.) подвергают ионизирующему облучению. При облучении происходит частичная сшивка молекулярных цепей ПЭ благодаря наличию в них небольшого количества двойных связей (дефекты строения) и образованию пространственной структуры. Облученный ПЭ более тверд и имеет нагревостойкость, ограниченную тепловым старением, до 105°С, а кратковременную нагревостойкость до 200°С. Облученные в деформированном состоянии изделия из ПЭ обладают интересной способностью при умеренном нагреве восстанавливают форму и размеры, существовавшие до облучения. Сшивка ПЭ возможна и чисто химическим способом с помощью силанов.

По литературным данным [4] процесс сшивания с применением силанов протекает в две стадии. Если к макромолекуле полиэтилена (ПЭ) привиты силан-группы, то при увлажнении сначала происходит реакция гидролиза. В качестве частного случая рассмотрим применение винилтриметоксисилана.

 

Затем происходит реакция сшивания по группам (─ОН)

,

 

и путем введния в материал, из которого изготавливают изделие, небольшого количества органических перекисей, например перекиси дикумила. Этот метод сшивки дешевле и технологически проще.

Полиэтилен и особенно сшитый полиэтелен широко используют в производстве разнообразных проводов и кабелей, в том числе высокочастотных и силовых. В настоящее время ПЭ является одним из крупнотоннажных материалов в кабельной промышленности. Перерабатывается ПЭ в изделия методом экструзии при 150–230°С.

Полипропилен (ПП) бесцветный материал высокой прозрачности для видимого света получают путем полимеризации газообразного пропилена в присутствии катализатора. Общая химическая формула ПП:

Как и ПЭ, полипропилен огнеопасен. Молекулярные цепи имеют высокую стериорегулярность, что облегчает их кристаллизацию. Поэтому ПП обладает высокой степенью кристалличности 90–95%, плотность его равна 900–910 кг/м³, молекулярная масса (8–20)•10⁴ Т_пл= 160–170°С, Т_хр = – 5÷–15°С; примерно такое же значение имеет и Т_с, твердость по Бринеллю 59–64 МПа, удельная ударная вязкость σ_уд = 78,5 кДж/м².

Существенный недостаток ПП невысокая морозостойкость.

ПП в сравнении с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость и прочность при растяжении, большую твердость и жесткость. Его «длительная» нагревостойкость не более 105°С. При комнатной температуре ПП нерастворим в органических растворителях, при температуре 80°С и выше растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. Устойчив к действию кислот и щелочей, а также минеральных и растительных масел даже при повышенных температурах. Меньше, чем ПЭ, подвержен растрескиванию под воздействием агрессивной среды. Пленки из ПП наряду с высокой нагревостойкостью, прозрачностью и механической прочностью имеют низкую газо– и паропроницаемость.

При повышенных температурах в присутствии кислорода ПП окисляется; физико–механические и электрические свойства при этом ухудшаются. ПП также окисляется под действием прямого солнечного света. В помещении или на открытом воздухе в отсутствие прямых солнечных лучей свойства ПП не изменяются в течение длительного времени. Для увеличения стойкости к тепловому и световому старению в ПП вводят стабилизаторы.

Электрические свойства ПП того же порядка, что и у ПЭ (см. табл. 3.1). Наиболее перспективной областью его применения является конденсаторостроение [2].

Полиизобутилен (ПИБ) бесцветный продукт полимеризации изобутилена в присутствии катализаторов; общая химическая формула –

ПИБ, как и ПЭ, огнеопасен. Производят его в виде низко, средне и высокомолекулярных продуктов. Высокомолекулярный ПИБ имеет молекулярную массу (20–25)•10⁴; устойчив к действию кислот, в том числе концентрированной HNО₃ и щелочей. Его плотность равна 910–930 кг/м³, T_С≈–74°С, морозостойкость составляет –50°С. ПИБ растворим в алифатических, ароматических и хлорированных углеводородах, в сероуглероде, нерастворим в полярных жидкостях: спиртах, кетонах, сложных эфирах. Под действием солнечных лучей и кислорода свойства его ухудшаются. Для повышения стойкости ПИБ к ультрафиолетовым лучам в него вводят активные наполнители сажу, графит (до 150%).

Электрические свойства ПИБ имеют тот же порядок, что и ПЭ. Однако его электрическая прочность заметно ниже, диэлектрические потери несколько выше, чем у ПЭ [2].

Полиизобутилен в отличие от многих других полимеров имеет чрезвычайно низкую влаго– и газопроницаемость. Существенные его недостатки низкая механическая прочность и высокая хладотекучесть. Поэтому в чистом виде его применяют редко. Для увеличения твердости в ПИБ добавляют наполнители. Высокомолекулярный ПИБ применяют в композиции с полистиролом для изготовления изоляционных лент; вводят в состав кабельного ПЭ, для повышения гибкости, стойкости к растрескиванию и снижению влагопроницаемости. Низкомолекулярный ПИБ используют для пропитки бумажных конденсаторов; вводят в состав некоторых клеев [2].

Полистирол (ПС) представляет собой твердый аморфный продукт полимеризации стирола (винилбензола); общая химическая формула

где С₆Н₅ бензольный заместитель.

В зависимости от способа полимеризации ПС выпускают блочный, суспензионный и эмульсионный. Кроме того, используя катализаторы, был получен изотактический ПС кристаллического строения, обладающий более высокой температурой плавления (230–240°С) и более высокими механическими показателями, чем аморфный ПС. Однако изотактический ПС трудно перерабатывается в изделия, поэтому его производство ограничено.

Блочный ПС обладает высокой влагостойкостью его водопоглощение за 24 ч равно 0%, в то время как у суспензионного ПС оносоставляет 0,01–0,02%, а у эмульсионного 0,07%. Блочный ПС это бесцветный, прозрачный материал, пропускающий до 90% видимого света; в ультрафиолетовой и инфракрасной областях его прозрачность ниже. Показатель преломления света у него достаточно высок (n= 1,5–1,6), благодаря чему его применяют для изготовления оптических стекол. Электрические характеристики эмульсионного ПС ниже, чем блочного и суспензионного.

Полистирол имеет плотность 1050–1070 кг/м³ и молекулярную массу, равную (5–30)•10⁴, Т_с = 80–90°С, Т_хp= –40°С, теплостойкость по Мартенсу 75–80°С, а по Вика 100–105°С, твердость по Бринеллю 137–196 МПа. С увеличением молекулярной массы электрические свойства ПС улучшаются ρ и Е возрастают, tgδ уменьшается. Пожароопасен, горит с образованием сильнокоптяшего пламени.

Полистирол один из первых синтетических материалов, используемых в электро– и радиотехнике. Это хороший диэлектрик [2]. Его электрические свойства практически не зависят от влажности окружающей среды, температуры в пределах от –80 до 90°С и частоты в интервале от 10² до 10⁹ Гц. Обладает высокой стойкостью к действию кислот, щелочей, солей и спиртов, растворяется в четыреххлористом углероде, бензоле, не стоек к действию алифатических, ароматических и хлорированных углеводородов.

Недостатки ПС относительно невысокая нагревостойкость, а главное низкая удельная ударная вязкость (σ_уд = 16–22 кДж/м²), относительно хрупок, и при старении хрупкость увеличивается. Для повышения нагревостойкости в ПС вводят до 30% кварцевой или слюдяной муки, белой сажи или талька и т.п., армируют стеклянным волокном. Для снижения хрупкости в ПС вводят до 8% каучука (получают привитой сополимер). Полученный материал называют ударопрочным полистиролом (марки УПС, УПМ, УПП). Он имеет высокую удельную ударную вязкость (σ_уд = 30–60 кДж/м²) и высокие показатели других физико–механических свойств.

Перспективным материалом на основе стирола является его сополимер с акрилонитрилом и бутадиеном, получивший название пластик АБС (от начальных букв, образующих его трех компонентов) АБС–пластик отличается от ПС более высокими нагревостойкостью (выше на ≈10%) и удельной ударной вязкостью (до 70 кДж/м²), хорошей способностью металлизироваться; практически водонепроницаем, имеет хорошую термостабильность, повышенную химическую стойкость, неплохие электрические свойства (ε = 2,9; ρ = 10¹³–10¹⁴ Ом•м; tgδ = 8•10^–3). АБС–пластик легко перерабатывается в изделия всеми характерными для термопластов способами. В электро– и радиотехнике применяется для изготовления корпусов приборов и отдельных деталей [2].

Полистирол широко используют в технике высоких и сверхвысоких частот как диэлектрик с очень низкими потерями. Из него изготавливают каркасы катушек индуктивности, панели электронных ламп, изоляцию высокочастотных кабелей, лаки, компаунды. Очень широко применяют ПС в производстве электрических конденсаторов. Для этих целей используют пленку (стирофлекс) толщиной от 6 до 200 мкм (обычно не толще 40–50 мкм), ориентированную в двух перпендикулярных направлениях. Такая пленка менее дефектна и обладает высокими электрическими свойствами (см. табл. 3.1).

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) продукт полимеризации тетрафторэтилена; имеет общую химическую формулу (—CF₂—CF₂—)n. Его плотность равна 2150–2240 кг/м³, молекулярная масса (14–50)•10⁴ степень кристалличности 80–85%. При нагревании ПТФЭ практически не плавится, а при 415°С начинает разлагаться с выделением ядовитых газов. Твердость по Бринеллю составляет 30–40 МПа, σ_уд до 100 кДж/м². Полимер молочно–белого цвета, отечественное название фторопласт–4, за рубежом (США) тефлон. ПТФЭ негорюч, не растворяется ни в каких растворителях, практически негигроскопичен и не смачивается водой, имеет высокую стойкость к действию кислот и щелочей, на него не действуют никакие кислоты, в том числе смесь HNO₃ и HCℓ («царская водка»). Обладает высокой трекинго– и нагревостойкостью до 260°С и выдерживает кратковременный нагрев до 300°С. Т_с= –120°С, а длительная рабочая температура имеет интервал от –269 до +260°С.

Недостатки ПТФЭ невысокая стойкость к радиационному излучению (он деструктирует) и хладотекучесть под действием небольших статических нагрузок начинает деформироваться при комнатной температуре и ниже.

ПТФЭ хороший диэлектрик [2], его электрические свойства остаются практически неизменными в пределах от –60 до 200°С и в широком интервале частот вплоть до СВЧ включительно. Из него изготавливают пленки различной толщины, использующиеся в качестве ВЧ–изоляции, а также в производстве термо– и влагостойких электрических конденсаторов и кабелей. Применяют для изготовления сплошной, в том числе тонкой (эмалевой), изоляции проводов, пластин, дисков, прокладок и других уплотнительных деталей. Монолитные заготовки и изделия изготавливают методом, имеющим много общего с порошковой металлургией.

Полярные термопласты

Для полярных термопластов характерны повышенные значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ, которые существенно зависят от температуры и частоты напряжения. Значения ρ и Е_пр у них ниже, чем у неполярных материалов.

Эти полимеры являются низкочастотными диэлектриками и применяются в электроустановках, работающих при постоянном напряжении или в области низких частот. Для них характерны следующие значения электрических характеристик: ε = 3–6, ρ= 10¹¹–10¹⁴ Oм•м, tgδ ≈ 10^─2; Е_пр и до 40 кВ/мм при h<< 1 мм; у пленок толщиной 0,02–0,1 мм Е_примеет значения 180 кВ/мм и выше. У слабополярных термопластов значение ρ выше, a tgδ ниже.

Политрифторхлорэтилен (ПТФХЭ) продукт полимеризации трифторхлорэтилена, белого цвета; общая химическая формула (—CF₂—CFCℓ—)_n. Плотность его составляет 2090–2160 кг/м³, степень кристалличности 40–70%, молекулярная масса (2–36)•10⁴ T_пл кристаллической фазы около 215°С, Т_саморфной фазы 50°С. Практически не хладотекуч, не горюч; отечественное название фторопласт–3. В сравнении с фторопластом–4 имеет более низкую нагревостойкость, но более высокую эластичность и удельную ударную вязкость. Может эксплуатироваться без нагрузки в интервале температур от –195 до +190°С, под нагрузкой в пределах от –60 до +70°С. При температуре около 300°С разлагается и окрашивается от темно–коричневого до черного цвета.

ПТФХЭ слабополярный диэлектрик. Показатели его электрических характеристик несколько ниже, чем у фторопласта–4 [2], зато выше радиационная стойкость и более простая технология переработки. Электрические свойства выше 120°С существенно ухудшаются.

Применяют ПТФХЭ в кабельной технике и конденсаторостроении, а также для изготовления сложных по форме радиотехнических деталей, панелей ламп, гнезд и т.п.

Поливинилхлорид (ПВХ) полупрозрачный с желтоватым оттенком твердый продукт полимеризации винилхлорида; общая химическая формула (—СН₂—СНСℓ—)_n. Имеет широкое молекулярно–массовое распределение. Его плотность 1350–1360 кг/м³, молекулярная масса (5–10)•10⁴, степень кристалличности может достигать 10%, T_c = 78–105°С, Т_т = 180–220°С. При температуре 130–150°С начинается медленное, а при 170°С более быстрое разложение ПВХ, сопровождающееся выделением хлористого водорода НСℓ. Теплостойкость по Мартенсу 50–80°С, а холодостойкость менее –10°С. Практически не горюч (горит только в пламени с выделением НСℓ и Сℓ₂), стоек к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Растворим при нагревании в тетрагидрофуране, циклогексаноне, ацетоне, метилэтилкетоне, 10%–м растворе перхлорвинила в метиленхлориде и др. [2]. Его электрические свойства зависят от температуры и частоты напряжения.

В связи с высоким значением Т_спри комнатной температуре ПВХ находится в стеклообразном состоянии. В таком виде он выпускается под названием винипласт. Это листовой или трубчатый материал, легко сваривается или склеивается, в том числе с металлами. Для снижения Т_си придания ПВХ большей гибкости и эластичности его пластифицируют, для чего в него вводят до 50% соответствующего пластификатора (например, дибутилфталата или диоктилсебацината). Пластфицированный ПВХ имеет Т_соколо минус –40°С и используется для изготовления изоляции проводов, защитной оболочки кабелей и т.п. При содержании дибутилфталата в количестве 8–40 мас.% Е_пр ПВХ увеличивается на 15–18%. При меньшем и большем содержании пластификаторов E_пр ниже, чем у ПВХ не пластифицированного [2].

Для улучшения свойств ПВХ его в отдельных случаях подвергают дополнительному хлорированию. Такой материал называется перхлорвинилом (ХПВХ). Он содержит до 61,5–66% хлора (в ПВХ хлора 56,8%), растворим во многих растворителях: ацетоне, хлорбензоле, толуоле, ксилоле и др. Обладает повышенной адгезией к различным материалам, поэтому широко применяется для производства лаков, эмалей и клеев. Полимер эксплуатируется при температурах до 85°С. Имеет более низкую холодостойкость, чем ПВХ.

Полиамиды (ПА) продукты поликонденсации, для которых характерным является наличие в химических звеньях макромолекул амидной группы

Это полярная группа, которая в основном и определяет весь комплекс электрических свойств. В зависимости от степени чистоты исходных продуктов ПА имеет окраску от бесцветной до желто–коричневой. Полимер горит с запахом прелых овощей. Наиболее распространенными отечественными видами полиамидов являются капрон (полиамид–6) полимер ε–капролактама (общая химическая формула [—HN(CH₂)₅CO—]_n), и найлон (анид, полиамид–6,6) — получают путем поликонденсации гексаметилендиамина с адипиновой кислотой; при этом образуется полимер с общей химической формулой [─NH(CH₂)₆NH─OC(CH₂)₄CO─]_n и вода [2]. Структурную формулу капрона можно представить в упрощенной форме:

ПА имеют плотность 1120–1140 кг/м³, молекулярную массу (8–25)•10³, T_пл = 210–215°С, Т_хр≈ –30°С, у некоторых видов до 70°С. Они плавятся без разложения, отличаются высокой прочностью при ударных нагрузках (σ_уд = 98–157 кДж/м²) и эластичностью. Растворяются только в концентрированных серной, соляной, азотной и муравьиной кислотах, фенолах и амидах. Растворы щелочей разрушают их. ПА устойчивы к действию жиров, масел, продуктов перегонки нефти, спиртов. При нагревании на воздухе происходит окислительная деструкция, которая резко возрастает под действием солнечного света и УФ–лучей; физико–механические и электрические свойства при этом резко ухудшаются. ПА хорошо поддаются обработке резанием и горячим прессованием.

Электрические свойства ПА в значительной степени зависят от температуры, частоты напряжения и содержания влаги. Используют их для изготовления искусственных волокон, пластмасс, различных установочных и несущих элементов радиоаппаратуры. Входят ПА в состав некоторых компаундов, лаков и эмалей. В приборостроении применяют также и наполненные ПА. Для улучшения ряда физико–механических показателей, уменьшения водопоглощения и ТКЛР в ПА вводят такие наполнители, как тальк, аэросил, стеклянные волокна, графит и т.п. Из наполненных ПА изготавливают детали с жесткими размерами допусков, работающие в интервале температуры от 60 до +120°С.

Полиимиды (ПИ) группа полимеров, имеющих в химических звеньях молекулярных цепей имидную группу которая и определяет электрические свойства.

Это слабополярный диэлектрик с хорошими электрическими характеристиками, в качестве примера на рисунке показано одно звено полимерной цепи одного из полиимидов [6].

По химическому строению ПИ делятся на алифатические и ароматические, линейные и трехмерные. Плотность их равна 1430 кг/м³. Высокой степенью кристалличности (60% и более) обладают некоторые алифатические ПИ. Большинство ароматических ПИ аморфные вещества с различной степенью упорядочности. Молекулярная масса их достигает до 200 •10³, σ_уд = 50–80 кДж/м², T_С≈500°С. Материал негорюч, может иметь окраску от светло–золотистой (почти бесцветной) до темно–красной. Нагревостойкость длительная до 200–250°С и кратковременная до 500°С. Стоек к действию озона и облучению электронами высокой энергии. Не стоек к действию щелочей и некоторых органических веществ [2].

ПИ используют в производстве некоторых видов пластмасс, лаков, эмалированных проводов и т.п. Пленки из ПИ применяют в качестве пазовой и обмоточной изоляции электрических машин, в производстве кабелей, обмоточных проводов, печатных схем, конденсаторов и т.п.; они сохраняют гибкость при температурах вплоть до криогенных (195°С). Кроме пленок из одного полиимида, выпускают также пленки на основе ПИ, покрытые с одной или обеих сторон ПТФЭ. Монолитные изделия из ПИ получают по технологии, имеющей много общего с порошковой металлургией.

Полиэтилентерефталат (ПЭТФ) это сложный полиэфир этиленгликоля (двухатомного спирта) и терефталевой кислоты с общей химической формулой

Его получают путем поликонденсации, отечественное название лавсан, в Англии — терилен, в США — дакрон [2]. Способен кристаллизоваться, в аморфном состоянии совершенно прозрачен, в закристаллизованном утрачивает прозрачность. Его плотность равна 1380 кг/м³, молекулярная масса (5–8)•10⁴, Т_пл = 235–265°С, Т_с= 80–90°С, Т_хр = –80°С.

Малогидрофилен (водопоглощаемость 0,5%). Нерастворим в обычных, широко применяемых органических растворителях: ацетоне, ксилоле, диоксане, этилацетоне и т.п. Растворяется в дихлорэтане, фенолах, хлорированных фенолах, муравьиной кислоте. При длительном воздействии концентрированной щелочи и концентрированной серной кислоты разрушается; при повышенных температурах легко окисляется. Плохо горит, образуя коптящее пламя.

Обычно ПЭТФ используют в виде пленок и волокон. Механические свойства его подобны механическим свойствам ПА и мало изменяются в широком интервале температур. При содержании кристаллической фазы до 70% обладает повышенной механической прочностью и нагревостойкостью (265°С). Наибольшую механическую прочность имеют пленки толщиной около 6,5 мкм.

ПЭТФ слабополярный диэлектрик; пленки из него обладают хорошими электрическими свойствами [2] электрическая прочность при микронных толщинах достигает 10³ кВ/мм. В электроизоляционной технике ПЭТФ пленки используют для межслойной изоляции в обмотках трансформаторов, дросселей и подобных изделиях, работающих в интервале температуры от –60 до + 150°С. Применяют пленки также в производстве конденсаторов, которые в сравнении с бумажными обладают более высокой рабочей температурой (до 150°С) и меньшими габаритами.

Поликарбонаты (ПК) сложные полиэфиры угольной кислоты НО─СООН и диоксисоединений (обычно дифенолов). Структурная формула поликарбоната эфира бисфенола А имеет следующий вид:

 

Наибольшее практическое применение получил поликарбонат на основе дифенилол–пропана (диана или бисфенола А) и фосгена; отечественное название дифлон. Это трудно кристаллизующийся полимер с плотностью 1170–1220 кг/м³, молекулярной массой (20–50)•10⁴, Т_с ≈ 150°С, Т_т ≈ 220–230°С и температурой плавления кристаллической фазы T_пл≈270°С. Переходит в вязкотекучее состояние без химического разложения. Имеет высокую прозрачность (до 85% при толщине 2 мм) видимому свету. Выпускается в виде белого порошка или прозрачных и непрозрачных гранул от светло–желтого до темно–коричневого цвета [6].

ПК хорошо растворяются в хлорированных углеводородах, фенолах, тетрагидрофуране. Устойчивы к действию алифатических углеводородов, высших спиртов, масел, воды, кислот, в том числе HNO₃, HF, слабых щелочей. ПК обладают хорошими механическими свойствами. Их удельная ударная вязкость (σ_уд = 100–350 кДж/м²) выше, чем у ПА, и остается высокой в широком интервале температур. Электрические свойства мало изменяются в широком интервале температур вплоть до 140°С. Изделия из ПК отличаются стабильностью размеров, не деформируются при длительном нагревании вплоть до температуры плавления и остаются гибкими при охлаждении до минус 100ºС.

Применяют ПК в тех случаях, когда материал должен иметь высокие показатели механической прочности, теплостойкости и стабильности размеров, а также хорошие электрические свойства. Из них делают литые изделия (каркасы катушек и индуктивности) и пленки, используют в качестве связующего в производстве стеклотекстолитов.

Полиуретаны (ПУР) — высокомолекулярные соединения, содержащие в химических звеньях молекулярной цепи уретановую группу

Весь полимер может имет вид: