Навигация
Твердые органические диэлектрики
39120
знаков
0
таблиц
0
изображений
2. Твердые органические диэлектрики.
К органическим диэлектрикам относятся материалы, в составе которых находится углерод. В качестве добываемые преимущественно в Африке и Юго-Восточной Азии. Раньше благодаря растворимости в растительных маслах они довольно широко применялись в производстве электроизоляционных лаков, сейчас практически вытеснены синтетическими полимерами. Я Янтарь - также ископаемая смола, добываемая в России, обладающая очень высокими электрическими параметрами: удельное сопротивление органических диэлектриков в промышленности применяют как природные, так и синтетические полимеры, которые получают методом химического синтеза. Часто их называют смолами. Открытие синтетических полимеров сыграло большую роль в развитии многих отраслей, в том числе электротехники и радиоэлектроники. Большинство органических диэлектриков представляют собой высокомолекулярные вещества, которые содержат очень большое число атомов или простейших молекул. Основу многих высокомолекулярных диэлектриков составляют полимерные соединения, которые получают из мономеров (низкомолекулярных соединений) в процессе реакций полимеризации или поликонденсации.
Полимеризация - это процесс соединения большого числа мономеров с образованием нового высокомолекулярного вещества (полимера) без выделения побочных продуктов реакции.
Поликонденсация - это процесс соединения разнородных мономеров с образованием полимера и выделением побочного продукта реакции. Свойства полимеров определяются химическим составом, взаимным расположением атомов и строением макромолекул. По строению макромолекулы полимеров делятся на линейные (нитевидные) и пространственные (сетчатые). Линейные полимеры представляют собой сочетание звеньев одной определенной структуры. Сочетание двух или трех химически различных звеньев образуют полимеры, которые называют совмещенными или сополимерами. Линейные полимеры относят к термопластичным материалам. Они обладают следующими свойствами: температура размягчения 50...120°С, сравнительно высокий температурный коэффициент объемного расширения ТКР, невысокая теплостойкость, легко деформируются при нагревании и затвердевают при охлаждении, имеют аморфную структуру и при нагревании плавно переходят из твердого состояния в жидкое или текучее.
Электрические свойства линейных полимеров зависят от расположения атомов или определенной группы атомов в цепи макромолекулы. Линейные полимеры с несимметричным строением атомов являются полярными и имеют большие диэлектрические потери. Линейные полимеры с симметричным строением мономеров являются неполярными и имеют малые диэлектрические потери. Большинство материалов на основе линейных полимеров имеют аморфную структуру и при нагревании плавно переходят из твердого состояния в жидкое или текучее. Некоторые полимеры склонны к образованию кристаллов, т. е. способны кристаллизоваться. В пространственных полимерах макромолекулы связаны поперечными химическими связями. Пространственные полимеры относятся к термореактивным материалам. Они обладают следующими свойствами: большая жесткость, чем у линейных полимеров; при нагревании не размягчаются; не гибкие; не способны образовывать пленки и волокна; не растворяются в растворителях. По тепловым свойствам полимеры подразделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные материалы (термопласты) характеризуются тем, что нагревание до температуры, соответствующей пластическому состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств . Они тверды при достаточно низких температурах, но при нагревании становятся пластичными и легко деформируются. В настоящее время термопластичные материалы составляют примерно 75% всех потребляемых мировой электротехнической промышленностью полимерных материалов. В термореактивных (термоотверждающихся) материалах при достаточной выдержке при высокой температуре происходят необратимые процессы, в результате которых они теряют способность плавится и растворяться, становясь твердыми и механически прочными.
3. Полимеризационные синтетические полимеры
Полимеризационные синтетические полимеры получают в процессе полимеризации под действием теплоты, давления, ультрафиолетовых лучей, а также инициаторов и катализаторов. При полимеризации двойные и тройные связи мономеров разрываются и молекулы, соединяясь между собой, еще больше удлиняются. Наибольшее распространение получили блочный, эмульсионный, лаковый и газовый способы полимеризации.
Блочный способ полимеризации состоит в том, что предварительно очищенный от примесей жидкий мономер смешивают с катализатором, заливают в нагретую до определенной температуры форму и выдерживают при этой температуре до полного окончания процесса полимеризации. В результате получают твердые блоки материала, которые поступают в дальнейшую переработку. Таким способом получают полистирол, полиметилметакрилат (оргстекло).
Эмульсионный способ полимеризации представляет собой процесс, при котором исходныйжидкий мономер с помощью эмульгатора (Эмульгатор – это вещество, способствующее образованию эмульсий; эмульгаторами являются мыла, желатины и многие синтетические вещества.) превращают и мельчайшие капельки, взвешенные и другой жидкости, которая не растворяет этот мономер (вода, бензин и др.). В полученную эмульсию (Эмульсия – это жидкость, в которой находятся во взвешенном состоянии микроскопические капельки другой жидкости.) вводят инициатор (Инициатор – это зачинатель цепной химической или ядерной реакции в результате внешнего воздействия на систему.) и массу нагревают до температуры, при которой начинается химическая реакция. В процессе полимеризации эмульсию постоянно перемешивают. В результате получают порошкообразный полимер, незначительно загрязненный эмульгатором, что снижает его диэлектрические свойства. Затем порошок подвергают грануляции. Таким способом получают поливинилхлорид, нитрон. Лаковый способ полимеризации осуществляется непосредственно в мономере, который растворяется в определенном растворителе. Таким способом получают поливинилацетат. При газовом способе полимеризация осуществляется в газовой фазе в присутствии катализатора при температуре примерно 200°С и высоком давлении. Этот способ применяют в том случае, когда мономеры не полимеризуются ни по одному из перечисленных способов. Таким способом получают полиэтилен высокого давления. К полимеризационным синтетическим полимерам относятся полимерные углеводороды, фторорганические полимеры, кремнийорганические полимеры (полисилоксаны). Полимерные углеводороды. К ним относят полистирол, полипропилен, полиэтилен, поливинилхлорид (ПВХ), винипласт, полиметилметакрилат (оргстекло) и др.
Полистирол - твердый прозрачный материал, неполярный диэлектрик с высокими электроизоляционными свойствами. Он является продуктом полимеризации мономерного стирола в присутствии различных инициаторов (перекисей, гидроперекисей). По способу получения полистирол делится на блочный и эмульсионный. Полистирол обладает следующими свойствами: температура размягчения т раз =110... 120 °С; теплостойкость по Мартенсу 78...80°С; низкая гигроскопичность; водостоек; малое значение тангенса угла диэлектрических потерь tgδ; устойчив к воздействию нейтронов и у-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 кислоте; невысокую нагревостойкость. Теплостойкость и механическую прочность полистирола повышают сополимеризацией стирола с другими мономерами и совмещением его с каучуками. Сополимеры стирола обладают более высокой теплостойкостью и механической прочностью, но их диэлектрические свойства хуже.
Полистирол - один из лучших высокочастотных диэлектриков. Он применяется для изготовления каркасов индуктивных катушек, корпусов радиоприемников и телевизоров, плат переключателей, для изоляции кабелей и конденсаторов. Из блочного размягченного полистирола способом вытягивания получают электроизоляционные нити и гибкие полистирольные пленки. Полистирольная пленка для радиодеталей должна быть прозрачной, без поверхностных загрязнений, пор, изломов, царапин и трещин. Детали из полистирола получают литьем под давлением; прессованием и механической обработкой. После изготовления детали подвергают термообработке при температуре 70...80°С в течение. 2... 3 ч, а затем медленно охлаждают для снятия внутренних напряжений и предупреждения образования трещин. 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. Полиэтилен обладает следующими свойствами: высокая морозостойкость (сохраняет гибкость при температуре -70°С); высокая влагостойкость, не гигроскопичен; устойчив к действию крепких кислот (кроме азотной), щелочей и многих растворителей; при комнатной температуре не растворим ни в одном 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). К недостаткам полиэтилена относят: тепловое старение приводит к образованию трещин на поверхности изделий; при нагревании до температуры 80°С и выше растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах; под действием концентрированной серной кислоты чернеет, а в концентрированной азотной даже при комнатной температуре набухает, увеличиваясь в массе на 4,6% в течение 85 сут.; под воздействием тепла, ультрафиолетового излучения, кислорода воздуха стареет; и сильных электрических полях происходят структурные изменения, снижающие качество 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. Полиэтиленовые пленки толщиной от 0,02 до 0,2 мм применяются при изготовлении кабелей и проводов. В микроэлектронике применяют полиэтиленовые трубы в качестве соединительных шлангов, в установках для очистки различных газов, а также трубопроводов для подачи и разлива особо чистой воды и для изготовления посуды для хранения, транспортировки жидких неорганических химикатов. Известны три основных промышленных метода получения полиэтилена: полимеризация этилена при давлении примерно 300 МПа и температуре примерно 200°С; в присутствии инициаторов (кислорода, органических перекисей). Полученный таким методом полиэтилен называют полиэтиленом высокого давлении. Он содержит 55...67 % кристаллической фазы и выпускается бесцветным и окрашенным; полимеризация этилена при давлении 0,3...0,6 МПа и температуре примерно 80°С в присутствии металлоорганических катализаторов. Полученный полиэтилен низкого давления содержит 75...85°/о кристаллической фазы и имеет более высокие механические свойства и более высокую температуру плавления, чем полиэтилен высокого давления; полимеризация этилена при давлении 40 атм. и температуре примерно 150°С с использованием катализаторов оксидов металлов переменной валентности. Полученный полиэтилен среднего давления обладает наиболее упорядоченной структурой и содержит до 95% кристаллической фазы.
Одним из основных методов 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 т пл. до 200 °С; водостойкость; хорошие механические свойства; более хорошую холодостойкость и гибкость, чем полиэтилен; эластичность (удлинение при разрыве 500...700%). Полипропилен применяют как комбинированный бумажно-пленочный диэлектрик в силовых конденсаторах, как пленочный диэлектрик в обмоточных проводах Полипропилен перерабатывается в изделии теми же способами, что и полиэтилен; его выпускают в виде порошка, гранул, из него могут быть получены пленки, волокна, ткани и фасонные изделия.
Поливинилхлорид (ПBX) -- 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. Поливинилхлорид не растворяется в воде, бензине, спирте; растворяется в дихлорэтане и метиленхлориде; набухает в ацетоне и бензоле.
При нагревании выше 140°С под действием света поливинилхлорид разлагается с выделением хлористого водорода. Выделяющийся газ вредно действует на организм человека и вызывает коррозию аппаратуры.
Этот процесс сопровождается изменением физико-механических свойств: снижается прочность, относительное удлинение при разрыве; повышается хрупкость, приводящая к появлению трещин; меняется цвет.
В зависимости от способа полимеризации изготавливают суспензионный(Это дисперсная система, состоящая из двух фаз – жидкой и твердой, где мелкие твердые частицы взвешены в жидкости) и латексный (Это сок каучуковых растений с содержанием до 30% каучука. В промышленности используют также синтетические латексы – водяные дисперсии синтетического каучука.) поливинилхлориды.
Суспензионный поливинилхлорид выпускают для кабельного светотермостойкого изоляционного материала, для кабельного пластиката и для изготовления винипласта.
Винипласт - твердый, не содержащий пластификатора полимер, который получают горячим прессованием порошкообразного или пленочного поливинилхлорида.
Винипласт обладает следующими свойствами: предельная рабочая температура 80°С; устойчив к действию бензина, масел, спиртов, фенола; до температуры 40°С устойчив к действию концентрированных кислот, щелочей, растворов coлeй, хлора; высокая прочность на удар; хорошая механическая прочность; низкая гигроскопичность; хорошие электроизоляционные свойства; низкая холодостойкость; низкая теплостойкость. Винипласт перерабатывается в изделия ударным прессованием при температуре 165 °С, механической обработкой, сваркой, склеиванием. 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 воздействии кислот. В качестве конструкционного материала винипласт используют для изготовления гальванических ванн, кислотостойкой посуды (емкостей для хранения кислот, воронок для слива отработанных кислот, щелочей и др.). Латексный поливинилхлорид используют для изготовления прочных пластиков, мягкой пленки, технической пасты и изоляционных изделий. Свойства поливинилхлоридов можно изменять в широких пределах, вводя различные добавки: пластификаторы, стабилизаторы, наполнители, красители, получая пластикаты. С увеличением содержания пластификатора в композиции прочность пластикатов уменьшается, относительное удлинение увеличивается; а диэлектрические свойства ухудшаются, однако они обладают более высокой холодостойкостью (до --50°С) и большой эластичностью.
Поливинилхлоридный пластикат применяют для изготовления пленок, изоляционных лент, монтажных и телефонных проводов, трубок, в качестве специальных светотермостойких изоляционных и шланговых материалов. При воздействии электрической дуги поливинилхлорид выделяет большое количество газообразных продуктов, что способствует гашению дуги.
Полиметилметакрилат (оргстекло, плексиглас) - 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 органическое стекло 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 H20).
Фторорганические полимеры. Одним из существенных недостатков органических синтетических полимеров является пониженная теплостойкость. Для большинства органических полимеров допустимые рабочие температуры от --60 до + 1200С. 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 используют 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, который прочно связывается с углеродом, повышает теплостойкость и химическую стойкость получаемого материала. Их получают и автоклавах полимеризацией газообразных низкокипящих мономеров при повышенном давлении.
В радиоэлектронике наиболее часто используют фторопласт-4
(политетрафторэтилен) и фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен).
Фторопласт-4 - белый или сероватый материал с более высокой плотностью, чем у других органических полимеров. Цифра 4 указывает на число атомов фтора в молекуле мономера. Он выпускается также под названием фторлон-4, а за рубежом - под названием тефлон. Фторопласт-4 обладает следующими свойствами: рабочий диапазон температур от-250 до +250°С; высокие диэлектрические свойства, мало зависящие от температуры; хорошие вакуумные свойства; 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 из известных диэлектриков; абсолютно стоек в тропических условиях и не подвержен действию грибков. К недостаткам фторопласта-4 относят: 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 изготавливают тонкие конденсаторные и электроизоляционные пленки толщиной 5...200 мкм. В зависимости от способа изготовления выпускаются ориентированные и неориентированные пленки. В радиоэлектронике из фторопласта изготавливают химическую посуду для выполнения технологических операций в агрессивных средах; в оснастке для температурных испытаний, так как он хорошо переносит резкую смену температур в широком диапазоне; в вакуумных вентилях.
Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) - полимер трихлорэтилена, в результате замены в элементарном звене одного атома фтора на атом хлора превращается в 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. Выпускается в вице тонкого порошка белого цвета или полупрозрачного роговидного поделочного материала. Применяется главным образом в виде суспензий для антикоррозионных покрытий. Спиртовые суспензии фторопласта-3 используют для получения покрытий на металлах (и том числе и на меди) и керамике. Эти покрытия сохраняют свои свойства при температуре выше 100°С. Изоляция проводов и кабелей из фторопласга-3 позволяет эксплуатировать их при температуре 150 °С во влажных и агрессивных средах.
Кремнийорганические полимеры (полисилоксаны) представляют собой материалы, которые являются промежуточным звеном между органическими и неорганическими материалами. В их состав кроме характерного для органических полимеров углерода С входит кремний Si. Основу строения их молекул образует силоксанная цепь чередующихся атомов кремния и кислорода. Кремнийорганические полимеры могут быть термопластичными с линейным строением и термореактивными с образованием пространственных структур. Энергии силоксановой связи Si -- О больше, чем энергия связи между двумя атомами углерода С - С, что и определяет более высокую нагревостойкость кремнийорганических полимеров по сравнению с большинством из рассмотренных. Атом кремния, связанный с кислородом, не может окисляться дальше, поэтому молекулы образовавшегося полимера при нагревании не распадаются и вещество обладает повышенной нагревостойкостью.
Кремнийорганические полимеры обладают следующими характеристиками: высокие электроизоляционные свойства; дугостойкость; теплостойкость (способны длительно выдерживать температуру до 200 °С и кратковременно до температуры 5000С); водостойкость (гидрофобность), не смачиваются водой, так как образуют на поверхности тончайшую пленку, которая не впитывается и не пропускает воду; устойчивость к действию грибковой плесени; морозостойкость; плохая адгезия (Это слипание поверхностей двух разнородных твердых тел или жидкостей) к большинству других материалов; низкая маслостойкость; достаточно высокая стоимость.
В зависимости от исходных веществ и технологии изготовления получают кремнийорганические пластмассы, клеи, лаки, компаунды.
Похожие работы
... для мытья волос—шампуни, пеномоющие добавки для ванн, в которые вводятся биостимуляторы, оказывающие тонизирующее воздействие на организм. Главным компонентом всех названных средств является синтетическое поверхностно-активное вещество (ПАВ), роль которого та же, что и органической соли в обыкновенном мыле. Однако химикам давно уже известно, что индивидуальное вещество, каким бы универсальным оно ...
... участков макромолекулы. В кристаллических полимерах возможно возникновение разнообразных надмолекулярных структур (фибрилл, сферолитов, монокристаллов, тип которых во многом определяет свойства полимерного материала. Надмолекулярные структуры в незакристаллизованных (аморфных) полимерах менее выражены, чем в кристаллических. Незакристаллизованные полимеры могут находиться в трех физических ...
... крашения вручную поверхность деталей быстро и обильно смачивают раствором красителя поролоновой губкой или тампоном, затем тщательно протирают сухим тампоном вдоль волокон древесины. 3. Виды защитно-декоративной отделки Лакокрасочные покрытия Лакокрасочные покрытия – самый распространенный вид декоративно-защитной отделки мебели. Это обусловлено широким ассортиментом материалов, их ...
... , главные цепи которых состоят только из атомов углерода, например полиэтилен, полиметилметакрилат, политетрафторзтилен. Примеры гетероцепных полимеров - полиэфиры (полиэтилентерефталат, поликарбонаты), полиамиды, мочевино-формальдегидные смолы, белки, некоторые кремнийорганические полимеры. Полимеры, макромолекулы которых наряду с углеводородными группами содержат атомы неорганогенных элементов, ...
0 комментариев