Пластмассы и пленочные материалы

Пластмассы находят применение в электротехнике как в каче­стве электроизоляционных, так и в качестве конструкционных ма­териалов. По составу в большинстве случаев пластмассы представ­ляют собой композиции из связующего и наполнителя. В качестве связующего используют наиболее часто полимерные материалы, способные деформироваться под воздействием давления. Связую­щие соединяют в единое целое другие компоненты и придают материалу характерные свойства. Иногда применяется и неорганиче­ское связующее, например, стекло в микалексе, цемент в асбоцемен­те. Наполнители используются для улучшения прочност­ных свойств, уменьшения усадки, повышения стойкости к воздейст­вию различных сред, атакже для снижения стоимости. Наполните­ли подразделяются на органические и неорганические, акаждая из групп, в свою очередь, подразделяется на порошкообразные и во­локнистые. К органическим порошкообразным относятся древес­ная мука, дисперсные полимеры, к органическим волокнистым на­полнителям - хлопковые очесы, сульфитная целлюлоза, бумаж­ная крошка, синтетические волокна. К неорганическим порошкооб­разным наполнителям относятся молотая слюда, кварцевая мука, асбест, тальк, каолин, стекловолокно и др.

Кроме связующих и наполнителей применяют пластификаторы – для улучшения технологических и эксплуатационных свойств пластмасс. Пластификаторы также увеличивают холодостойкость пластмасс и устойчивость их к воздействию ультрафиолетового из­лучения. В некоторых пластмассах содержание пластификатора может достигать 30-40%. На определенных стадиях переработки в пластмассы добавляют «сшивающие реагенты», различные инициа­торы полимеризации в сочетании с ускорителями и активаторами, красители различных классов и неорганические пигменты, В неко­торые пластмассы вводятся стабилизаторы – химические соедине­ния, способствующие длительному сохранению свойств пластмасс и повышению стойкости пластмасс к воздействию теплоты, света, кислорода воздуха. По способности к формованию полимерные ма­териалы подразделяются на две группы: термопластичные (термо­пласты) и термореактивные (реактопласты). При формовании из­делий из термопластов химический состав полимеров не изменяет­ся, а в реактопластах происходит изменение их структуры и сос­тава.

Изготовление деталей из пластмасс производится на специаль­ном оборудовании. После предварительных операций смешения, таблетирования, сушки производят механическую обработку, сва­ривают, склеивают, окрашивают, металлизируют. Термопласты перерабатывают литьем под давлением, прямым прессованием, экстру­зией и обрабатывают различными способами. Реактопласты перера­батывают прямым прессованием и литьевое прессование, обрабатывают механическим путем, склеиванием и иногда химиче­ской сваркой.

Основные методы изготовления изделий из пластмасс. Реактопласты прессуют в пресс-формах прямым или литьевым способом. Схема прямого способа показана на рис. 8.2. При этом способе материал в виде таблеток, порошка или волокни­стой массы закладывается в нагретую загрузочную камеру матрицы 2. При давлении пуансона 1 материал размягчается за счет теплоты формы уплотняется, заполняет всю оформляющую полость 3 и затем отверждается и выталкивается с помощью штока 4.

При литьевом прессовании материал в пресс-форме в отдельной камере сначала разогревается, а затемчерез литниковые каналы вы­давливается в оформительную камеру. Прямое прессование приме­няется для относительно несложных деталей, литьевое – для не­больших деталей сложной конфигурации с повышенной точностью размеров.

Рис. 8.2. Схема прямого (компрессионного) прессования: 1 – пуансон; 2 – матрица; 3 – оформляющая полость (деталь); 4 – выталкиватель.

Литье под давлением реактопластов проводится на литьевых ма­шинах различных типов. Схема литья под давлением пластмасс с использованием червячной пластикации по­казана на рис. 8.3. Реактопласт в виде по­рошка или гранул поступает из бункера 4 в цилиндр 5, стенки которого обогреваются до 50-100°С(подогреватель 2).После пла­стикации материал перемещается червяком 3 вперед, где накапливается определенная доза материала, и затем при поступательном движении червяка впрыскивается через сопло 6 в форму 1, нагретую до 130-250°С.По окончании отверждения материала форма рас­крывается и готовая деталь 7 выталкивает­ся толкателем. Литье под давлением термо­пластов в общих чертах соответствует литью реактопластов, но в период формования тер­мопластов литьевая форма охлаждается.

Переработка термопластичных материалов экструзией осуществляется на специальных машинах – экструдерах (червячных прес­сах). Детали или полуфабрикаты получаются путем непрерывного выдавливания материала, находящегося в вязкотекучем состоянии, через отверстия определенного сечения. Выдавливаемые заготовки проходят через калибрующие, охлаждающие и приемные устрой­ства. Экструзией перерабатывают большинство термопастов, из ко­торых получают профильные изделия, трубы, пленки, листы, ка­бельную изоляцию.

Широкое применение в электрических машинах, аппаратах, трансформаторах, приборах получили слоистые пластики, преиму­щественно электроизоляционного назначения. К слоистым пласти­кам относятся гетинакс,текстолит с разными наполнителями и дре­веснослоистые.

Гетинакс получается путем горячего прессования бумаги, пропитанной термореактивной смолой. Гетинакс изготовляется по ГОСТ25500-82 и 2718-74 ( изсульфатно-целлюлозной бумаги). При изготовлении гетинакса бумага пропитывается раствором смолы определенной концентрации и сушится при 100-140°С на пропиточных машинах со скоростью 10-60м/мин. мин. После выхода из сушильных камер бумага нарезается на листы, сортируется и укла­дывается в пачки в зависимости от требуемой толщины готовых ли­стов. Затем пачки закладываются в многоэтажные гидравлические прессы, на которых при 150-160°С и под давлением 6-10МПа прессуются. Время выдержки принимается из расчета 2-5 мин на 1мм толщины прессуемого листа, изготовляемого на основе фенольных смол, и 7-10 мин на 1мм для гетинакса на основе эпоксидных смол.

Рис.8.3. Схема литья под давлением пластмасс с использованием червячной пластификации: 1 – форма; 2 – нагревательные элементы; 3 – червяк (дозатор-пластификатор); 4 – загрузочный бункер; 5 - материальный цилиндр; 6 – сопло; 7 – деталь.

После выдержки при высокой температуре листы гетинакса охлаждаются без снятия давления до комнатной температуры, за­тем снимают давление, пачки вынимают из пресса, обрезают и упа­ковывают. Гетинакс согласно упомянутому ГОСТу выпускается нескольких марок. Отметим гетинакс марки X, который имеет повы­шенную штампуемость, и марки ЛГ, изготовляемый на основе лав­сановой бумаги и эпоксидной смолы. Основные особенности лавса­нового гетинакса – повышенная способность к штампованию, высо­кие влагостойкость, механические и электрические свойства. Бла­годаря высокому уровню электрических свойств в условиях повы­шенной влажности детали из него не требуют лакировки.

Гетинакс марки 1 используется для панелей распределительных устройств, щитов, изоляционных перегородок в устройствах низко­го напряжения. Выпускается на основе фенолоформальдегидных смол. Электрическая прочность гетинакса в перпендикулярном на­правлении слоям Е _пр=20-40МВ/м, диэлектрическая проницае­мость ε_r=5-6. Дугостойкость гетинакса на фенолоформальдегидном связующем невысока – после воздействия дуги на поверх­ности материала остается науглероженный след. Так как гетинакс – слоистый материал, то его электрические свойства в направлении вдоль и поперек слоев не одинаковы. Удельное объемное сопротив­ление вдоль слоев в 50-100раз, а электрическая прочность в 5-8раз ниже, чем поперек слоев. Гетинакс обрабатывается режущим инструментом из твердых сплавов. Поверхностный слой материала при обработке не снимается, так как это ведет к ухудшению влагостой­кости.

Для изготовления печатных схем радиоэлектронной аппаратуры выпускается около 10 различных марок фольгированного с одной и с двух сторон гетинакса. Для изготовления такого гетинакса исполь­зуется электролитическая медная фольга толщиной 0,035 0,01мм.

Текстолит аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитан­ной ткани (ГОСТ25500-82 и 2910-74). Текстолит, изготовленный на основе хлопчатобумажной ткани, пропитанной фенолоформальдегидной смолой, может работать в интервале температур от -60 до +105°С. Отличительной особенностью текстолита является повы­шенное сопротивление раскалыванию и истиранию. Текстолит в 5-6 раз дороже гетинакса.

За последние 10-15 лет промышленностью освоен и серийно вы­пускается ряд новых марок листовых электротехнических стеклотекстолитов, например стеклотекстолит марки СТЭФ, обладающий высокой механической прочностью при повышенных температурах, огнестойкие стеклотекстолита СТЭБ и СТЭБ-Н, стеклотекстолит СТЭД с повышенными диэлектрическими характеристиками в усло­виях повышенной относительной влажности. Применение стекло­пластиков в качестве электроизоляционного и конструкционного материала в электромашиностроении позволяет создавать электри­ческие машины разных классов нагревостойкости, повышать их на­дежность в эксплуатации и решать ряд новых технических задач.

К другим видам слоистых пластиков относятся древеснослоистые пластики (ДСП) типа фанеры на бакелитовой смоле, более дешевые, чем гетинакс, но с худшими электроизоля­ционными свойствами и более гигроскопичные.

Кроме листовых слоистых пластиков находят применение и на­мотанные изделия, которые известны под названием гетинаксовых (бакелитовых) трубок и цилиндров различной длины и диаметра. Свойства намотанных изделий уступают свойствам листовых слоис­тых пластиков.

В различных областях электротехники находят применение электроизоляционные органические полимерные пленки — тонкие и гибкие материалы, которые могут быть намотаны в рулоны различ­ной ширины. Пленки нашли широкое применение в производстве конденсаторов, электрических машин, аппаратов и кабельных изде­лий. Электроизоляционным пленкам дли отличия их от пленок дру­гого назначения присваиваются специальные марки. Это необходи­мо, так как от электроизоляционной пленки требуются особая чис­тота исходного полимера, отсутствие следов катализатора и других загрязнений, чистота пленки при изготовлении и ряд других специ­фических требований. Органические полимерные пленки могут быть разделены на две большие группы, разделяющиеся по электрофизическим свойствам: неполярные и полярные пленки. Неполярные пленки характеризуются низким значением ε_r=2-2,5 и малыми значениями тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ≈10^-4), благодаря чему они могут применяться в высокочастотной технике, хотя достаточно широко используются и при постоянном и перемен­ном напряжении промышленной частоты. Полярные пленки имеют повышенные значения ε_r от 3 до 10-15 и tgδ=10^-3-10^-2. Они применяются как при переменном напряжении промышленной час­тоты, так и при постоянном напряжении.

Для изоляции обмоток низковольтных электрических машин важную роль играют полимерные пленки с повышенной нагревостойкостью. Малая толщина пленок наряду с высокими значениями электрической и механической прочности обеспечивает не только увеличение надежности, но и существенное улучшение технико-экономических показателей. Применение пленок толщиной 0,2-0,35мм позволяет механизировать обмоточно-изолировочные ра­боты.

Резины

Широкое применение в электропромышленности и особенно в ка­бельных изделиях получила резина. Резина состоит из многокомпо­нентной смеси на основе каучуков и близких к ним по свойствам ве­ществ, называемых эластомерами. Резина для получения необходи­мых свойств подвергается процессу так называемой вулканизации.

Натуральный каучук (НК) получают из млечного сока (латекса) растений - каучуконосов. По химическому соста­ву он представляет собой полимерный углеводород состава (С₅Н₈)_n в отдельных звеньях молекулы которого имеются двойные связи:

Высокая эластичность каучука обусловлена тем, что его молекулы имеют зигзагообразную, «шарнирную» форму. Под дейст­вием растягивающих усилий форма цепочки каучука приближается к прямолинейной, при этом получаются рентгенограммы, характер­ные для кристаллических тел, имеющих упорядоченное расположе­ние молекул в пространстве. В нерастянутом состоянии каучук име­ет свойства аморфных тел. Чистый натуральный каучук для изго­товления электрической изоляции не применяется, так как он и его растворители имеют малую стойкость к действию как повышенных, так и пониженных температур. Эти недостатки устраняются после проведения процесса вулканизации, т. е. нагрева после введения в каучук серы. При вулканизации двойные связи некоторых цепочеч­ных молекул разрываются и сшивают цепочки молекул через атомы – S – с образованием пространственной структуры.

По своим диэлектрическим характеристикам натуральный ка­учук может быть отнесен к практически неполярным диэлектрикам ρ=10¹⁴Ом·м; ε_r=2,4; tgδ=0,002. При увеличении в составе ре­зины серы после вулканизации каучука наблюдается увеличение ε_r и tgδ, связанное с усилением полярных свойств материала из-за влияния атомов серы. Зависимости ε_r и tgδ вулканизированного ка­учука от содержания в нем серы показаны на рис. 8.4. При содержа­нии серы в количестве 1-3% получают мягкую резину, обладаю­щую высокой растяжимостью и упругостью. Диэлектрические свойства резин сильно зависят от состава резиновой смеси и от технологии. Для сажевых резин, в которые в качестве наполнителей для улучшения механических свойств вводится сажа, электроизоляционные свой­ства понижены, поэтому в электротехнике они приме­няются только там, где не требуются высокие элект­рические свойства, напри­мер для изготовления за­щитных оболочек (шлангов) резиновых кабелей. Для обычных электроизоляционных резин диэлектрические характеристики лежат в следующих пределах: ρ≈10¹³Ом·м; ε_r=3-7; tgδ=0,02-0,1 (для сажевых резин 0,25); Е_пр=20÷30 МВ/м.

При изготовлении резин в состав резиновой смеси вводят различ­ные наполнители (мел, тальк), а также красители, катализаторы (ускорители) процесса вулканизации и другие вещества. На токопроводящие жилы резиновая смесь накладывается в виде трубки определенной толщины (методом экструзии) и в таком виде вулка­низируется. Различные конструкционные диэлектрические изде­лия вулканизируют в прессах с помощью пресс-форм.

Преимуществом применения резины для изоляции и защитной оболочки кабелей является возможность получения требуемой гибкости, влагостойкости, маслостойкости, способности не распро­странять горение и высоких электрических и физико-механических характеристик. Повышенная нагревостойкость резин достигается применением синтетических каучуков типа кремнийорганических.

Резина находит применение для изготовления изоляции устано­вочных и монтажных проводов, гибких переносных проводов и ка­белей, а также для защитных перчаток, калош, ковриков и изоля­ционных трубок, применяемых при монтаже проводов.

Как электроизоляционный материал резина имеет и ряд недостат­ков. К их числу следует отнести низкую нагревостойкость. При на­греве резина стареет, становится хрупкой и трескается. Быстрое старение резины наблюдается также при воздействии на нее света, особенно ультрафиолетового. Резина не устойчива к действию озо­на, который может образовываться при ионизации воздушных вклю­чений или в окружающем воздухе при высоких напряженностях электрического поля. Особенно резко озон влияет на старение ре­зины, если она работает в растянутом состоянии, так как при этом образующиеся в начале старения трещины могут углубляться, в ре­зультате чего озон проникает все дальше в глубь материала. Сво­бодная сера, не связанная химически с каучуком, которая исполь­зовалась как вулканизирующий агент, действует на медные жилы, образуя на поверхности сернистую медь, кроме того, она ухудша­ет электроизоляционные свойства резин. Поэтому сера не рекомен­дуется для изготовления изоляционной резины, а применяется толь­ко при изготовлении шланговых резин. В качестве вулканизиру­ющего агента для изоляционных резин используют тиурам – орга­ническое соединение, содержащее серу. Тиурам обладает тем свой­ством, что придает резинам более высокую стойкость против тепло­вого старения по сравнению с сернистыми соединениями. В то время как для сернистых резин допускается рабочая температура +55°С для тиурамовых резин она повышается до + 65°С, а при наличии свинцовой или поливинилхлоридной оболочки даже до +80°С. Если необходимо на медную жилу кабельного изделия нанести обыч­ную резиновую изоляцию, то медь предварительно покрывается разделительным слоем олова либо другого металла, не подвержен­ного влиянию серы, или бумагой.

При высокой степени вулканизации в структуре молекулы кау­чука почти полностью исчезают двойные связи и получается твер­дый электроизоляционный материал, называемый эбонитом. Эбо­нит содержит от 30 до 35% серы, отличается высокой твердостью, не эластичен, имеет малую холодостойкость. Относительное удли­нение перед разрывом для технических резин составляет 150-500%. а для эбонита – 2-6%. Выпускают эбонит в виде прутков и тру­бок, которые хорошо поддаются механической обработке. В элект­ротехнической промышленности эбонит применяется как материал, имеющий конструкционное и электроизоляционное значение.

Синтетический каучук (СК) широко применяют помимо натурального каучука, особенно в кабельной промышлен­ности. Резины для защитных оболочек кабелей изготовляются ис­ключительно на основе СК, а в изоляционных смесях более полови­ны НК заменяют на СК.

Бутиловый каучук (бутилкаучук) получают совмест­ной полимеризацией изобутилена с небольшим количеством изопре­на или бутадиена. Бутилкаучук отличается более высокой стойко­стью, чем натуральный, к тепловому старению. Резины на основе бутилкаучука отличаются влагостойкостью и хорошими электроизо­ляционными свойствами, имеют более высокую озоностойкость, чем резины на основе НК, что определяет их применение для изготовле­ния резиновой изоляции, работающей при относительно высоких температурах и высоких напряжениях. К недостаткам бутилкау­чука относятся значительные остаточные деформации при растяже­нии и сжатии.

Xлоропреновый каучук получают полимеризаци­ей хлоропрена. У нас этот каучук выпускают под названием «наирит», за рубежом – «неопрен». Химическое строение хлоропренового каучука обусловливает его весьма ценные специфические свой­ства из-за присутствия атомов хлора в молекуле хлоропрена, кото­рый, является полярным диэлектриком и обладает невысокими элект­роизоляционными свойствами, но в то же время имеет высокую стой­кость к действию масла, керосина, бензина. Резины на основе этого каучука имеют значительно более высокую стойкость против дейст­вия озона и большую устойчивость к старению, чем резины на осно­ве НК. С наличием хлора связано и другое свойство хлоропренового каучука – негорючесть.

Стойкость наиритовых резин к нефтепродуктам выгодно исполь­зуется в кабелях, эксплуатируемых при буровых и разведочных ра­ботах. Негорючие резины используются в кабелях, предназначен­ных для работы в шахтах и пожароопасных помещениях.

Недостаток хлоропренового каучука и резин на его основе низкие электроизоляционные характеристики, повышенная влагопроницаемость, низкая холодоустойчивость, резкое снижение проч­ности и относительного удлинения при повышении температуры.

Кремнийорганические каучуки в основе стро­ения молекулы имеют полисилоксановую цепочку. Для получения резиновых смесей на основе кремнийорганического каучука к нему добавляют наполнители — кремнекислоту (белая сажа) и диоксид титана и вулканизующий агент - пероскид бензоила. Резины на основе кремнийорганических каучуков обладают высокой нагревостойкостью. Длительная рабочая температура 250°С, разложение полимера наступает при 400°С. К числу пре­имуществ кремнийорганических резин относится их высокая холодо­устойчивость – они сохраняют гибкость при температуре от -70 до -100°С и высокие электроизоляционные свойства.

Недостатками кремнийорганических каучуков и резин на их основе являются невысокие механические свойства, малая стой­кость к растворителям и дороговизна.

В кабельных изделиях находят применение кремнийорганиче­ские резины марок К-69, К-1520, К-673, К-69Т.