Пластмаси і плівкові матеріали

1. Поняття про пластмаси.

2. Різновиди пластмас, їх застосування.

3. Загальні відомості про плівкові матеріали.

1. Пластмасами називають матеріали, з яких завдяки їх пластичності або текучості у стадії технології переробки отримують вироби більш - менш складної форми, яка зберігається після охолоджування або відкидання.

За складом у більшості випадків пластмаси є композиціями із зв'язуючого і наповнювача. Як зв'язуюче найчастіше використовують полімерні матеріали, здатні деформуватися під впливом тиску. Зв'язуюче зв'язують в єдине ціле інші компоненти і додають матеріалу характерні властивості. Іноді застосовується і неорганічні зв'язуючі, наприклад скло в мікалексі, цемент в азбоцементі. Наповнювачі використовують для поліпшення міцнісних властивостей, зменшення усадки, підвищення стійкості до дії різних середовищ, а також для зниження вартості. Наповнювачі поділяються на органічні і неорганічні, а кожна з груп, у свою чергу, поділяється на порошкоподібні і волокнисті. До органічних порошкоподібних відносять деревну муку, дисперсні полімери, до органічних волокнистих наповнювачів - бавовняні пачоси, сульфідну целюлозу, паперову крихту, синтетичні волокна. До неорганічних порошкоподібних наповнювачів відносять мелену слюду, кварцову муку, азбест, тальк, скловолокно й ін.

Окрім зв'язуючих і наповнювачів застосовують пластифікатори - для поліпшення технологічних і експлуатаційних властивостей пластмас. Пластифікатори також збільшують холодостійкість пластмас і стійкість до дії ультрафіолетового випромінювання. В деяких пластмасах вміст пластифікаторів може досягти 30-40%. На певних стадіях переробки в пластмаси додають «зшиваючі реагенти», різні ініціатори полімеризації в поєднанні з прискорювачами і активаторами, фарбники різних класів і неорганічні пігменти. В деякі пластмаси вводять стабілізатори - хімічні з'єднання, сприяючі тривалому збереженню властивостей пластмас і підвищенню стійкості пластмас до дії теплоти, світла, кисню повітря. За здатностями до формування полімерні матеріали поділяються на дві групи: термопластичні (термопласти) і термореактивні (реактопласти). При формуванні виробів з термопластів хімічний склад полімерів не змінюється, а в реактопластах відбувається зміна їх структури і складу.

Виготовлення деталей з пластмас проводиться на спеціальному устаткуванні. Після попередніх операцій змішення, таблетування, сушки проводять механічну обробку, зварюють, склеюють, фарбують, металізують. Термопласти переробляють виливанням під тиском, прямим пресуванням, екструзією і обробляють різними способами. Реактопласти переробляють прямим виливання, пресуванням і виливанням під тиском, обробляють механічним шляхом, склеюванням і іноді хімічним зварюваннм.

2. Широке застосування в електричних машинах, апаратах, трансформаторах, приладах отримали шаруваті пластики, переважно електроізоляційного призначення. До шаруватих пластиків відносять гетінакс, текстоліт з різними наповнювачами і деревношаруваті.

Гетінакс виходить шляхом гарячого пресування паперу, просоченого термореактивною смолою. При виготовленні гетінаксу папір просочується розчином смоли певної концентрації і сушиться при 100-140°С на просочувальних машинах із швидкістю 10-60 м/хв. Після виходу з сушильних камер папір нарізається на листи, сортується і укладається в пачки залежно від необхідної товщини готових листів. Потім пачки закладаються в багатоповерхові гідравлічні преси, на яких при 150-160^оС і під тиском 6-10 МПа пресуються. Час витримки приймається з розрахунку 2-5 хв на 1 мм товщини пресованого листа. Після витримки при високій температурі листи гетінаксу охолоджуються без зняття тиску до кімнатної температури, потім знімають тиск, пачки виймають з преса, обрізають і упаковують.

Гетінакс випускається декількох марок. Гетінакс марки Х має підвищену штампованість, марки ЛГ виготовляють на основі лавсанового паперу і епоксидної смоли. Основні особливості лавсанового гетінаксу - підвищена здатність до штампування, висока вологостійкість, механічні і електричні властивості, завдяки високому рівню електричних властивостей в умовах підвищеної вологості деталі з нього не вимагають лакування.

Гетінакс марки 1 використовується для панелей розподільних пристроїв, щитів, ізоляційних перегородок і пристроїв низької напруги. Випускається на основі фенолформальдегідних смол. Оскільки гетінакс шаруватий матеріал, то його електричні властивості в напрямі вздовж і поперек шарів неоднакові. Питомий об'ємний опір уздовж шарів в 50-100 разів, а електрична міцність в 5-8 разів нижче, ніж упоперек шарів. Гетінакс обробляється різальним інструментом з твердих сплавів. Поверхневий шар матеріалу при обробці не знімається, оскільки це веде до погіршення вологостійкості.

Для виготовлення друкарських схем радіоелектронної апаратури випускається близько 10 різних марок фольгірованого з однією і з двох сторін гетінаксу. Для виготовлення такого гетінаксу використовується мідна фольга завтовшки 0,035-0,01 мм, поліетилен.

3. Плівкові матеріали є тонкими матеріалами, отриманними з різних полімерів, що виготовляються звичайно в ролевому вигляді різними способами:

1) випаровуванням розчинника з розчину полімеру;

2) ствердінням при охолоджуванні розплаву полімеру, виливаного на гладку холодну поверхню;

3) поперечним чи поздовжнім розтягуванням випресованих тонкостінних трубок за допомогою стиснутого повітря з подальшим поздовжнім різанням;

4) зрізанням тонкого шару спеціальними різцями із заготовки;

5) розтяганням полімеру, витікаючого з щілевидної фельєри;

6) і т.д.

Особливостями полімерних плівок є високі електричні і механічні властивості, велика розтяжність, висока вологостійкість.

У різних областях електротехніки знаходять застосування електроізоляційні органічні полімерні плівки - тонкі і гнучкі матеріали, які можуть бути намотані в рулони різної ширини. Плівки знайшли широке застосування у виробництві конденсаторів, електричних машин, апаратів і кабельних виробів. Електроізоляційним плівкам для відмінності їх від плівок іншого призначення привласнюються спеціальні марки. Це необхідно, оскільки від електроізоляційної плівки потрібна особлива чистота початкового полімеру, відсутність слідів каталізатору й інших забруднень, чистота плівки при виготовленні і ряд інших специфічних вимог. Органічні полімерні плівки можуть бути розділені на дві великі групи за електрофізичними властивостями: неполярні і полярні плівки. Неполярні плівки характеризуються низьким значенням e = 2 – 2,5 і малими значеннями тангенса кута діелектричних втрат (tgd =10^-4), завдяки чому вони можуть застосовуватися у високочастотній техніці, хоча широко використовуються і при постійній і змінній напрузі промислової частоти. Полярні плівки мають підвищені значення e від 3 до 10-15 і tgd = 10^-2 – 10^-4. Вони застосовуються як при змінній напрузі промислової частоти, так і при постійній напрузі.

Найважливішими неполярними плівками є: полістироли (слабкополярні), з сополімерів стиролу, поліетиленові, поліпропіленові, політетрафторетіленові (ПТФЕ), з сополімеру тетрафторетилену і гексафторпропілену, параметри деяких приведені в таблиці 5.3. Параметри деяких полярних плівок приведені в таблиці 5.4.

Для ізоляції обмоток низьковольтних електричних машин важливу роль грають полімерні плівки з підвищеною нагрівостійкістю. Мала товщина плівок разом з високими значеннями електричної і механічної міцності забезпечує не тільки збільшення надійності, але і істотно поліпшення техніко-економічних показників. Застосування плівок завтовшки 0,2-0,35 мм дозволяє механізувати обмотувально-ізолювальні роботи.

Таблиця 5.3.

Параметри	Полістирол	Поліетиленова	Поліпропіленова	ПТФЕ
Густина, кг/м3. Товщина, мкм.... Епр при постійному струмі і товщині 10-20 мкм, МВ/м..... tgd при 103 Гц..... et при 103 Гц...... r, Ом м.......... Максимальна робоча температура, оС..	20 – 100 150 – 300 0,0002 – 0,0004 2,3 –2,6 70 – 85	910 – 960 10 – 60 200 – 350 0,0004 – 0,0005 2,2 – 2,25 85 -110	890 – 900 4 – 12 300 – 600 0,0002 – 0,0005 2,2 – 2,3 90 - 110	5 – 150 100 – 200 0,0001 – 0,0003 1,8 – 2,1 200 - 250

Таблиця 5.4.

Параметри	Лавсанова	Полікарбонатна	Полімідна	Полівініл-хлоридна
Густина, кг/м3. Товщина, мкм.... Епр при постійному струмі, МВ/м..... tgd при 103 Гц..... et при 103 Гц...... r, Ом м.......... Максимальна робоча температура, оС..	1380-1400 4-250 100-400 0,05-0,07 3,2 100-155	1200-1220 2-500 150-350 0,0009-0,002 2,8-3,2 5 1016 125-140	12,2-125 140-375 0,002-0,004 3,0-3,5 5 1015 200-400	- 0,009-0,017 3,3 70-80

У композиції з паперами з синтетичних волокон застосовують для пазової ізоляції низьковольтних електричних машин і виткової ізоляції, в поєднанні з конденсаторним папером застосовують у виробництві маслонаповнених конденсаторів, у високовольтних обмотувальних проводах.

Деякі плівки мають високу вартість і частіше замінюються целюлозними паперами.

Гуми

1. Натуральний каучук, основні властивості і галузь застосування.

2. Синтетичний каучук, основні властивості і галузь застосування.

1. Широке застосування в електропромисловості і особливо в кабельних виробах отримала гума. Гума складається з багатокомпонентної суміші на основі каучуків і близьких до них за властивостями речовин, званих еластомерами. Гума для отримання необхідних властивостей піддається процесу так званої вулканізації.

Натуральний каучук (НК) одержують з молочного соку (латексу) рослин - каучуконосів. За хімічним складом він є полімерним вуглецем складу (С₅Н₈), в окремих ланках молекули якого є подвійні зв'язки.

Висока еластичність каучуку обумовлена тим, що його молекули мають зигзагоподібну, «шарнірну» форму. Під дією розтягуючих зусиль форма ланцюжка каучуку наближається до прямолінійної, при цьому виходять рентгенограми, характерні для кристалічних тіл, що мають впорядковане розташування молекул у просторі. В нерозтягнутому стані каучук має властивості аморфних тіл. Чистий натуральний каучук для виготовлення електричної ізоляції не застосовується, оскільки він і його розчинники мають малу стійкість до дії як підвищених, так і знижених температур. Ці недоліки усуваються після проведення процесу вулканізації, тобто нагрівання після введення в каучук сірки. При вулканізації дані зв'язки деяких ланцюжних молекул розриваються і зшивають ланцюжки молекул через атоми сірки з утворенням просторової структури.

За своїми діелектричними характеристиками натуральний каучук може бути віднесений до практично неполярних діелектриків r» 10¹⁴ Ом м; e =2,4; tg d = 0,002. При збільшенні у складі гуми сірки після вулканізації каучуку спостерігається збільшення e і tg d, пов'язане з посиленням полярних властивостей матеріалу через вплив атомів сірки.

Для звичайних електроізоляційних гум діелектричні характеристики лежать у таких межах: r»10¹³ Ом м; e = 3-7; tg d = 0,02-0,1; Епр = 20-30 МВ/м.

При виготовленні гум до складу гумової суміші вводять різні наповнювачі (крейду, тальк), а також фарбники, каталізатори (прискорювачі) процесу вулканізації і інші речовини. На струмопровідні жили гумова суміш накладається у вигляді трубки певної товщини (методом екструзії) і у такому вигляді вулканізується. Різні конструкційні діелектричні вироби вулканізують у пресах за допомогою прес-форм.

Перевагою застосування гуми для ізоляції і захисної оболонки кабелів є можливість отримання необхідної гнучкості, вологостійкості, маслостійкості, здатності не поширювати горіння і високих електричних і фізико-механічних характеристик. Підвищена нагрівостійкість гум досягається застосуванням синтетичних каучуків типу кремнійорганічних.

Гуми знаходять застосування для виготовлення ізоляції установочних і монтажних проводів, гнучких переносних проводів і кабелів, а також для захисних рукавичок, калош, килимків і ізоляційних трубок, вживаних при монтажі проводів.

Як електроізоляційний матеріал гума має і ряд недоліків. До їх числа слід віднести низьку нагрівостійкість. При нагріванні гума старіє, стає крихкою і тріскається. Швидке старіння гуми спостерігається також при дії на неї світла, особливо ультрафіолетового. Гума не стійка до дії озону, який може утворюватися при іонізації повітряних включень або в навколишньому повітрі при високих напруженостях електричного поля. Вільна сірка, не пов'язана хімічно з каучуком, яка використовується як вулканізуючий агент, діє на мідні жили, утворюючи на поверхні сірчисту мідь, крім того, вона погіршує електроізоляційні властивості гум. Тому сірка не рекомендується для виготовлення ізоляційної гуми, а застосовується тільки при виготовленні шлангових гум. Як вулканізуючий агент для ізоляційних гум використовують тіурам - органічну сполуку, що містить сірку. Тіурам має ту властивість, що додає гумам більш високу стійкість проти теплового старіння в порівнянні з сірчистими з'єднаннями. Тоді як для сірчистих гум допускається робоча температура +55 ^оС, для тіурамових гум вона підвищується до +65 ^оС, а за наявності свинцевої або полівінілхлоридної оболонки навіть до +80 ^оС. Якщо необхідно на мідну жилу кабельного виробу нанести звичайну гумову ізоляції, то мідь заздалегідь покривається розділовим шаром олова або іншого металу, не схильного до впливу сірки, або папером.

2. Синтетичний каучук (СК) широко застосовують, крім натурального каучуку, особливо в кабельній промисловості. Гуми для захисних оболонок кабелів виготовляються виключно на основі СК, а в ізоляційних сумішах більше половини НК замінюють на СК.

Бутиловий каучук (бутилкаучук) одержують сумісною полімеризацією ізобутилену з невеликою кількістю ізопрену або бутадієну. Бутилкаучук відрізняється більш високою стійкістю, ніж натуральний, до теплового старіння. Гуми на основі бутилкаучуку відрізняються вологостійкістю і добрими електроізоляційними властивостями, мають більш високу стійкість проти спрацювання, ніж гуми на основі НК, що визначає їх застосування для виготовлення гумової ізоляції, що працює при відносно високих температурах і високих напругах. До недоліків бутилкаучуку відносяться значні залишкові деформації при розтягуванні і стисненні.

Хлоропреновий каучук одержують полімеризацією хлоропрену. Хімічна будова хлоропренового каучуку обумовлює його досить цінні специфічні властивості через присутність атомів хлору в молекулі хлоропрену, який є полярним діелектриком і має невисокі електроізоляційні властивості, але в той же час має високу стійкість до дії масел, гасу, бензину. Гуми на основі цього каучуку мають значно більш високу стійкість проти дії озону і велику стійкість до старіння, ніж гуми на основі НК. З наявністю хлору пов'язана і інша властивість хлоропренового каучуку - не горючість.

Стійкість наіритових гум до нафтопродуктів вигідно використовувати в кабелях, експлуатованих на бурових і розвідувальних роботах. Не горючість гуми використовується в кабелях, призначених для роботи в шахтах і пожежонебезпечних приміщеннях. Недолік хлоропренового каучуку і гум на його основі - низькі електроізоляційні характеристики, підвищені вологопроникність, низька холодостійкість, різке зниження міцності і відносного подовження при підвищених температурах.

Кремнійорганічні каучуки в основі будови молекул мають полісилоксановий ланцюжок. Для отримання гумових сумішей на основі кремнійорганічного каучуку до нього додають наповнювачі - кремнекислоту (біла сажа), діоксид титану і вулканізуючий агент - пероксид бензоілу. Гуми на основі кремнійорганічних каучуків мають високу нагрівостійкість. Тривала робоча температура 250 ^оС, розкладання полімеру наступає при 400 ^оС. До числа переваг кремнійорганічних гум належать їх висока холодостійкість – вони зберігають гнучкість при температурі від -70 до + 100 ^оС – і високі електроізоляційні властивості.

Недоліками кремнійорганічних каучуків і гум на їх основі є невисокі механічні властивості, мала стійкість до розчинників і дорожнеча.

У кабельній промисловості знаходять застосування кремнійорганічні гуми марок К-69, К-1520, К-673, К-69Т.