Поликонденсационные синтетические полимеры

Тема 3.4 Жидкие диэлектрики

О б щ и е с в е д е н и я 2. Э л е к т р и ч е с к и е с в о й с т в а

Н е ф т я н ы е м а с л а 4. С и н т е т и ч е с к и е ж и д к о с т и

1. О б щ и е с в е д е н и я

Жидкие диэлектрики (ЖД) в сравнении с газообразными обладают рядом преимуществ: у них в три и более раз выше эл. прочность, в 3 раза больше теплоёмкость, в 30 раз

выше теплопроводность. Эл.свойства сильно зависят от степени их очистки. Даже небольшое содержание примеси (например, воды) заметно ухудшает их эл. характеристики.

Основное назначение ЖД-ов:

- повышение электрической прочности твёрдой пористой изоляции;

- отвод тепла от обмоток трансформатора;

- гашение электрической дуги в масляных выключателях;

- повышение электрической прочности ( ), относительной диэлектрической

проницаемости ( ), и следовательно, номинального напряжения ( ) и ёмкости

конденсатора в результате пропитки твёрдой изоляции.

Наиболее распространёнными ЖД являются: нефтяные масла (трансформаторное, конденсаторное и кабельное); синтетические жидкости (полихлордифенил -совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические жидкости). Растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в настоящее время в электроизоляционной технике применяются редко.

2. Э л е к т р и ч е с к и е с в о й с т в а

Диэлектрическая проницаемость ЖД

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется (в основном) электронной поляризацией. Она невелика (от 2,163 до 2,294) , сильно зависит от температуры и не зависит от частоты.

У полярных жидкостей (совол…) диэлектрическая проницаемость определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями и составляет для технических диэлектриков от 3 до 40.

Электропроводность ЖД

Электропроводность обусловлена перемещением ионов, возникающих в результате диссоциации молекул самой жидкости и примесей, а также перемещением заряженных частиц – молионов. Примеси (загрязнения) – это вода или другие посторонние жидкости, а также различные твёрдые частицы во взвешенном состоянии (волокна, пылинки…) вызывают молионную электропроводность, накладывающуюся на электропроводность чистого диэлектрика. Электропроводность зависит от чистоты и температуры.

Диэлектрические потери ЖД

В неполярных жидкостях, не содержащих примесей,диэлектрические потери – это потери на электропроводность. Они растут с ростом температуры, но не зависят от частоты.

У чистых неполярных жидкостей диэлектрические потери малы, т.к. мала электропроводность.

В полярных жидкостях наряду с потерями на электропроводность присутствуют потери, связанные с дипольно-релаксационной поляризацией. Зависят от вязкости жидкости т.к. поворот диполей вызывает потери энергии на трение молекул. Полярные жидкости не рекомендуют применять на высоких частотах, т.к. он имеют повышенные диэл. потери.

(Например, совол при t=90^оС и при f=50Гц имеет тангенс сигма равный 0,015).

Электрическая прочность ЖДв основном определяетсяналичием посторонних примесей (воды, газов и твёрдых частиц), а также полярностью жидкости, температурой и др. факторами. Электрическая прочность загрязнённых жидкостей в несколько раз ниже, чем чистых. Образование газовых объёмов в жидкости и их ионизация приводит к перегреву жидкости и образованию газового канала между электродами и в конечном результате к пробою жидкости. Капельки воды под влиянием электрического поля поляризуются и создают между электродами цепочки повышенной проводимости, по которым и происходит электрический пробой. Очистка ЖД от примесей заметно повышает электрическую прочность (например, неочищенное масло имеет Епр= 4МВ/м, а после тщательной очистки повышается до 20-25МВ/м).

3. Н е ф т я н ы е (минеральные) м а с л а

Получают ступенчатой перегонкой нефти и удалением химических нестойких соединений (кислот, серы и др.) и полярной примеси. Эта очистка называется рафинированием, от качества которой зависят эксплуатационные свойства масла.

Нефтяные масла – это слабовязкие, практически неполярные жидкости, жёлтого цвета (от почти бесцветного до тёмного). Чем глубже очистка, тем светлее масло. Они довольно дёшевы, могут производиться в больших количествах, при хорошей очистке имеют малый тангенс сигма, обладают достаточно высокой электрической прочностью.

Недостаток: ограниченный интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность, склонность к электрическому старению.

Применение:

Трансформаторное масло применяют в качестве изолирующей и охлаждающей среды в силовых и импульсных трансформаторах, реакторах, высоковольтных вводах, масляных выключателях. Это жидкость от почти бесцветного до тёмно-синего цвета. Подразделяется на: - свежее; - чистое, сухое; - регенерированное; - эксплуатационное; - отработанное. Электрофизические и физико-химические свойства приводятся в специальной литературе.

Конденсаторное масло получают из трансформаторного путём более глубокой очистки и обезгаживания в вакууме. Электрические свойства лучше, чем у трансформаторного. Его используют для пропитки изоляции в бумажных, плёночных конденсаторах, что позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсаторов.

Кабельное масло используют как составную часть в масляно-канифольных компаундах для пропитки изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35кВ, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей на U=110кВ и выше.

4. С и н т е т и ч е с к и е ж и д к о с т и

Некоторые свойства жидких синтетических диэлектриков лучше, чем у нефтяных масел. Наиболее распространёнными являются полихлордифенил, кремнийорганические и фторорганические жидкости. Синтетические жидкие диэлектрики применяют в тех случаях, когда они по свойствам превосходят эл. изоляционные масла.

Полихлордифенил (совол -густая бесцветная жидкость, токсичная, раздражающе действует на кожу и слизистые оболочки, негорюч, пожаробезопасен, стоек к окислению, дороже нефтяных масел.). Применяют для пропитки бумажных силовых конденсаторов.

Совтол (негорючая жидкость с повышенной температурой застывания) применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформаторов.

Совол и совтол действуют разрушающе на резину, краски и др. Из-за токсичности в Японии запрещены законом к использованию в электротехнике.

Кремнийорганические жидкости – вещества, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода и имеют линейное строение. Они бесцветны, растворимы в органических растворителях, нерастворимы в воде и спиртах, не токсичны, не вызывают коррозии металлов, имеют низкую гигроскопичность и морозостойкость. Используют для пропитки конденсаторов , работающих при повышенных температурах.

Фторорганические жидкости - вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. Они пожаробезопасны (полностью негорючи), негигроскопичны, имеют высокую нагревостойкость. Применяют для охлаждения обмоток и магнитопроводов трансформаторов.

Колесов, стр.166; Калинин, стр.161

Тема 3.5 Полимеры

В электроизоляционной технике применяют как синтетические полимеры, получаемые методом химического синтеза, так и при­родные полимеры.

В настоящее время широко используют многообразные синте­тические полимеры (часто на практике называемые смолами), об­ладающие ценными и разнообразными свойствами. Природные смолы еще используются, но в гораздо меньшей степени, чем син­тетические. Открытие синтетических полимеров сыграло выда­ющуюся роль в прогрессе электроизоляционной техники.

Синтетические полимеры могут быть получены двумя принци­пиально различными способами: полимеризацией и поликонден­сацией.

Полимеризация — это химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получают высо­комолекулярное соединение (полимер) без изменения элементар­ного химического состава вещества. Обычной предпосылкой для возможности осуществления процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода. Непрочная двойная или трой­ная связь под влиянием тех или иных факторов (повышенных температуры и давления, действия катализаторов, радиационного облучения) разрывается, и сближающиеся молекулы соединяются друг с другом, образуя цепочку из одинаковых повторяющихся звеньев.

Например, из стирола (мономера) — органической бесцветной жидкости, имеющей состав С₈Н₈ и строение молекулы

H H

C=C

H C6H5

в результате реакции полимеризации получают твердое вещест­во — полистирол (полимер); его молекула имеет строение

n

Здесь n— степень полимеризации, т. е. число молекул моно­мера, объединяющихся в одну молекулу полимера. Для полисти­рола величина n может доходить до 6000 и более.

Поликонденсация — это химическая реакция между раз­нородными низкомолекулярными соединениями (мономерами), при которой образование высокомолекулярного соединения идет с вы­делением побочных веществ, например воды, водорода, аммиака и др.

Диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденса­ции, как правило, обладают несколько пониженными электроизо­ляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, получен­ными в результате полимеризации. Основными причинами этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ, которые, разлагаясь на ионы, увеличивают электропро­водность материала.

По характеру строения молекул полимеры делят на линейные и пространственные. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей, изогнутых и переплетенных друг с другом. От­ношение длины молекулы к ее поперечным размерам чрезвычайно велико и может доходить до 1000 (например, у полистирола). Молекулы пространственных (трехмерных) полимеров развиты в пространстве в различных направлениях более равномерно, так что они имеют более компактную форму.

Между свойствами линейных и пространственных полимеров имеются весьма существенные различия. Как правило, линейные полимеры сравнительно гибки и эластичны; многие из них при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем рас­плавляются, например капрон, нейлон. Пространственные полиме­ры обладают большей жесткостью; размягчение их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них еще до достиже­ния температуры размягчения химически разрушаются (сгорают, обугливаются), например фенолоформальдегидные смолы. Линей­ные полимеры растворяются в подходящих по составу раствори­телях. Пространственные полимеры растворяются с трудом, многие из них практически нерастворимы.

По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термо­пластичные и термореактивные материалы.

Термопластичные материалы (термопласты) при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в гус­тые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов поль­зуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также при производстве деталей методом литья под давлением. К этой группе следует отнести полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др. В настоящее время термопластичные материалы со­ставляют примерно 75% всех потребляемых мировой электротех­нической промышленностью полимерных материалов.

Термореактивные (термоотверждающиеся) ма­териалы при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердева­ют с необратимым изменением свойств, т. е. приобретают значи­тельную механическую прочность и твердость, теряя при этом спо­собность плавиться и растворяться. К термореактивным диэлек­трикам относят резольные смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит), кремнийорганические и эпоксидные смолы и др.

В группу полимерных материалов можно включить так называ­емые олигомеры, отличающиеся от полимеров более низкой степенью полимеризации, поэтому они могут быть жидкими в тех­нологической стадии. По значению молекулярных масс они зани­мают промежуточное положение между полимерами и мономе­рами.

Поликонденсационные синтетические полимеры

Из этой группы высокомолекулярных соединений в качестве электроизоляционных материалов наиболее широкое применение получили полиэфирные, кремнийорганические, эпоксидные, фенолоформальдегидные, полиамидные, полиуретановые и полиамидные полимеры (смолы).

Полиэфирные смолы— продукт поликонденсации различных многоатомных спиртов (гликоля, глицерина и др.) и органических кислот (фталевой, малеиновой и др.) или их ангидридов. К поли­эфирным смолам относят полиэтилентерефталат, поликарбонаты, глифталевые смолы и др. Средние параметры различных поли­эфирных смол приведены в табл. 12.1.

Полиэтилентерефталат (лавсан)— прозрачный вы­сокополимерный диэлектрик кристаллического или аморфного строения. Лавсан кристаллического строения получают в резуль­тате реакции поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. Лавсан имеет значительную механическую прочность и высокую температуру размягчения (примерно 260°С). Его приме­няют для изготовления синтетических волокон, пряжи, тканей, тон­ких электроизоляционных пленок.

Лавсан аморфного строения получают в результате реакции по­ликонденсации между терефталевой кислотой, этиленгликолем, глицерином и отвердителем (бутилтитанатом). Такой лавсан ис­пользуют при производстве электроизоляционных лаков, широко применяющихся при изготовлении эмалированных проводов. Плен­ки лавсановых лаков не размягчаются при нагревании, они термо­реактивны.

Поликарбонаты — полиэфиры угольной кислоты, облада­ющие хорошими механическими и электрическими свойствами и относительно высокой температурой размягчения (например, за-кристаллизированный поликарбонат размягчается при 140° С). Кроме того, они имеют хорошую химическую стойкость и невысо­кую гигроскопичность.

Поликарбонаты применяют для изготовления слоистых пласти­ков, компаундов, а пленки из поликарбоната используют в конден­саторном производстве и в качестве изоляции в электрических ма­шинах и аппаратах.

Глифталевые смолы получают в результате реакции по­ликонденсации глицерина и фталевого ангидрида при избытке по­следнего. Глифталевые смолы термореактивны и имеют ярко выра­женные дипольно-релаксационные потери. Отличительными каче­ствами этих смол являются их высокая клеящая способность при хороших электрических характеристиках, стойкость к поверхност­ным разрядам и высокая нагревостойкость (до 130°С).

Глифталевые смолы в электротехнике используют как основу для клеящих, пропиточных и покрывных лаков, пленки которых оказываются стойкими к нагретому минеральному маслу. Клеящие глифталевые лаки широко применяют для склеивания слюды в производстве твердой и гибкой слюдяной изоляции (миканитов, микалент).

Кремнийорганические полимерыпредставляют собой соедине­ния, основу структурной формулы которых составляет цепь чере­дующихся атомов кремния и кислорода:

-Si-O-Si-O-Si-O-

Свободные связи кремния заполнены органическими радикала­ми (метальными, этильными, фенильными и др.). Молекулы кремнийорганических полимеров могут иметь линейную структуру (термопластичные смолы) и пространственную структуру (термо­реактивные смолы).

Особенностью кремнийорганических соединений, выгодно отли­чающей их от органических и неорганических полимеров, является их высокая нагревостойкость (до +250° С) и холодостойкость (до —60°С). Они обладают весьма малой гигроскопичностью, химиче­ски инертны, являются слабополярными диэлектриками с хороши­ми электрическими параметрами ( см. табл. 12.1), которые мало меняются при нагреве.

В настоящее время промышленность выпускает большое число кремнийорганических смол, применяющихся для изготовления электроизоляционных материалов. Так, смолы К-4, К-9 используют для изготовления стеклотекстолитов, смолы К-40, К-42 предназна­чены для изготовления слюдяной изоляции, смолу К-47 применяют для приготовления компаундов, а смолу Ф-9К используют для по­лучения кремнийорганического лака. Кроме того, эти смолы ис­пользуют для изготовления покрывных эмалей, эмальлаков для проводов, резиностеклотканей и др.

Эпоксидные смолыпредставляют собой группу синтетических смол, полученных в результате хлорирования глицеринов с двух­атомными или многоатомными фенолами в щелочной среде. Их особенностью является наличие в составе молекулы эпоксидных групп (колец)

О ????

Н₂С-СН-

Эпоксидные смолы в чистом виде — термопластичные жидкие и низкоплавкие материалы. Они легко растворяются во многих ор­ганических растворителях (ацетоне, толуоле, хлорированных угле­водородах и др.), не растворяются в воде и мало растворимы в спиртах. Эпоксидные смолы при добавлении в них отвердителя сравнительно быстро из жидкого состояния переходят в твердое, приобретая пространственное строение. Процесс отверждения пред­ставляет собой реакцию полимеризации, без выделения воды и других низкомолекулярных веществ. В качестве отвердителей для эпоксидных смол можно использовать алифатические и ароматиче­ские амины, ангидриды кислот. Отвержденные эпоксидные смолы являются уже термореактивными материалами.

Эпоксидные смолы широко применяют для приготовления ком­паундов, клеящих и токопроводящих лаков (контактолов), исполь­зуемых в электронной технике. На основе эпоксидных смол изго­тавливают литую изоляцию для высоковольтных приборов и аппа­ратов. Основные параметры эпоксидных смол в отвержденном состоянии приведены в табл. 12. 1. Промышленность выпускает эпок­сидные смолы марок ЭД-16, ЭД-20, ЭД-22; Т-10 и др., а также отвердители Л-18, УП-575, АФ-2, дициандиамид (ДЦДА) и др.

Фенолоформальдегидные смолыпринадлежат к наиболее ран­ним по времени разработки синтетическим смолам, однако и сейчас их производят в значительных количествах; Основные усредненные параметры фенолоформальдегидных смол приведены в табл. 12.1. Эти смолы подразделяют на резольные и новолачные.

Резольные смолы получают путем поликонденсации фе­нола (С₆Н₅-ОН) или крезола (СН₃С₆Н4-СН) с формальдегидом (CH₂O)

Они являются термореактивными материалами, которые в ко­нечной стадии изготовления тверды, хрупки, малогигроскопичны. Все резольные смолы являются полярными диэлектриками, поэто­му их диэлектрическая проницаемость высока (е=5,0—6,0). Резольные смолы обладают стойкостью к минеральным маслам и к воде, но они не стойки к действию искровых разрядов. Под их дей­ствием поверхность резольных смол легко обогащается углеродом, в.результате чего создаются науглероженные токопроводящие до­рожки.

Резольные смолы применяют при производстве слоистых плас­тиков (текстолита, гетинакса и др.) и композиционных пресс-ма­териалов.

Новолачные смолы (н о в о л а к и), как и резольные, по­лучают в результате реакции поликонденсации между фенолом и формальдегидом, но при недостатке формальдегида. Новолачные смолы являются термопластичными материалами. При добавле­нии уротропина они становятся термореактивными, что использу­ютдля получения быстропрессующихся пластмассовых изделий (корпусов приборов, плат, разъемов, различных кнопок и ручек управления радиоаппаратуры и т. п.).

Более широкому применению пластмасс на основе новолачных смол препятствуют их пониженные электроизоляционные свойст­ва, особенно во влажной атмосфере, и низкая стойкость к искро­вым разрядам.

Полиамидыявляются типичными термопластами. Они облада­ют весьма высокой механической прочностью, эластичностью, ма­лым коэффициентом трения, высокой химической стойкостью; рас­творяются лишь в крезоле и расплавленном феноле. Электрические параметры полиамидов, являющихся полярными диэлектриками, не очень высоки и сильно подвержены изменению при воздействии повышенных температуры и влажности. Основные параметры по­лиамидов приведены в табл. 12.1.

К недостаткам полиамидов следует отнести довольно высокую гигроскопичность, малую радиационную стойкость и низкую свето­стойкость. Из числа полиамидов особенно широко применяют капрон с температурой размягчения 215—220° С и нейлон с несколько более высокой температурой размягчения.

Полиамиды используют для изготовления синтетических воло­кон, гибких пленок, пластмасс. Нити и ткани из полиамидов широ­ко применяют в электроизоляционной технике.

Полиуретаны— линейные термопластичные и отверждающиеся термореактивные полимеры. Из них изготавливают нити, пряжу, ткани. Нити из полиуретана имеют вдвое большую прочность при растяжении, чем нити из натурального шелка. Полиуретаны при­меняют для эмалирования проводов, изготовления покрывных ла­ков, заливочных 'компаундов, которые в отличие от эпоксидных оказывают незначительное давление на герметизируемые элемен­ты. Их применяют также для получения пенопластов, каучуков,. клеев, пленок, антикоррозионных покрытий и др.

Наиболее широкое применение получили пенополиуретаны, об­ладающие хорошими электрическими свойствами, достаточной ме­ханической прочностью, высокой тепло- и звукоизоляцией. Их ис­пользуют для герметизации радиоблоков и малогабаритных устройств, для защиты последних от вибрации, тепла>и механических перегрузок.

Полиимидыотносят к числу наиболее нагревостойких органиче­ских полимеров (полиимидная пленка не плавится и не размягча­ется при температурах до 300°С). Наряду с хорошей нагревостойкостью они обладают очень высокой холодостойкостью (до —269°С). Полиимиды обладают хорошими диэлектрическими свой­ствами: Е=3,5; tg δ= (6—16) 10-⁴ при ƒ=5-10⁶Гц; Епр= 160— 200 МВ/м при толщине 0,1 мм; р=10¹⁵—10¹⁶ Ом*м.

Полиимидные пленки применяют в конденсаторах, в нагрево­стойких кабельных изделиях, а полиимидные лаки используют для эмалирования проводов и пропитки катушек.

Тема 3.7 Резины

Резина (от лат. resina-смола) (вулканизат), эластичный материал, образующийся в результате вулканизации натурального и синтетических каучуков. Представляет собой сетчатый эластомер-продукт поперечного сшивания молекул каучуков хим. связями.

Классификация. По назначению различают след. осн. группы Р.: общего назначения, теплостойкие, морозостойкие, маслобензостойкие, стойкие к действию хим. агрессивных сред, диэлектрич., электропроводящие, магнитные, огнестойкие, радиационностойкие, вакуумные, фрикционные, пищ. и мед. назначения, для условий тропич. климата и др.получают также пористые, или губчатые,цветные и прозрачные Р.

Применение. Р. широко используют в технике, с. х-ве, быту, медицине, стр-ве, спорте. Ассортимент резиновых изделий насчитывает более 60 тыс. наименований. Среди них: шины, транспортные ленты, приводные ремни, рукава, амортизаторы, уплотнители, сальники, манжеты, кольца и др., кабельные изделия, обувь,

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: