7. Основные понятия о высокополимерных материалах. Полимеризационные органические диэлектрики.

Высокополимерные материалы состоят из молекул больших размеров, которые включают в себя десятки и сотни тысяч молекул каких-либо простых веществ, называемых мономерами. Мономеры − вещества, легко вступающие в химические реакции. В результате этих реакций и образуется новое высокополимерное вещество (полимер) большой молекулярной массы.

Большие молекулы полимеров могут иметь форму вытянутых в длину нитей, т. е. линейную структуру. Полимеры, состоящие из молекул линейной структуры, называемые линейными полимерами, способны размягчаться при нагревании, т. е. являются термопластичными материалами. Полимеры, состоящие из молекул, развитых по трем направлениям в пространстве, и называемые пространственными, относительно хрупки и, как правило, не размягчаются при нагревании, т. е. являются термореактивными материалами. Полимеры могут иметь аморфное или кристаллическое строение, а некоторые смешанное-кристаллическое и аморфное. Высокополимерные вещества бывают природными (янтарь, натуральный каучук и др.) и синтетическими (полистирол, поливинилхлорид и др.). В виду ограниченности свойств природных полимеров в современной электротехнике используют главным образом синтетические высокополимерные диэлектрики. Эти материалы получают в результате химических реакций полимеризации и поликонденсации и соответственно называют полимеризационными и поликонденсационными диэлектриками.

Полимеризация − это процесс соединения молекул исходного (мономерного) вещества без изменения его элементарного состава в большие молекулы высокополимерного вещества.

Полистирол, являющийся одним из таких синтетических диэлектриков, получают в результате полимеризации исходного вещества − стирола, который представляет собой прозрачную бесцветную жидкость, кипящую при температуре 145° С.В начальной стадии полистирол представляет собой густую прозрачную жидкость, которую разливают в подогретые стеклянные формы, где процесс полимеризации заканчивается. В формах образуется твердый прозрачный материал в виде пластин и стержней. Из полистирола изготовляют каркасы катушек, изоляционные панели, основания и изоляторы для электроизмерительных приборов. Основным недостатком полистирола и изделий из него является хрупкость, т. е. сравнительно невысокая ударная вязкость и склонность к растрескиванию.

Полиэтилен − твердый непрозрачный материал белого или светло-серого цвета, несколько жирный на ощупь, получаемый полимеризацией под давлением газа этилена. Различают полиэтилен высокого (ПЭВД), среднего (ПЭСД) и низкого (ПЭНД) давления.

Из полиэтилена ВД изготовляют электроизоляционные полупрозрачные пленки, из полиэтилена СД, НД − негибкие электроизоляционные изделия, каркасы катушек, платы.

При комнатной температуре полиэтилены не растворяются ни в одном из растворителей. Все полиэтиленовые изделия нестойки к солнечному свету. Для повышения светостойкости в полиэтилены вводят сажу и другие красители. Изделия из полиэтилена могут соединяться сваркой.

Для устранения этих недостатков полиэтилен подвергают вулканизации при введении в него органических перекисей и последующей термической обработке.

Облучённый (сшитый) полиэтилен. Для повышения твёрдости и температуры размягчения полиэтилен подвергают воздействию мощного  излучения. В результате в полиэтилене образуются поперечные связи, что значительно повышает температуру размягчения, он становится твёрдым и не растворимым. Плёнки из такого материала могут длительно работать при температуре 100-110 ºС.

Стабилизированный полиэтилен содержит антиокислители (стабилизаторы). Это ароматические вещества, в состав которых входит группа NН_7. В результате процесс старения замедляется, и свойства полиэтилена в условиях нагрева более стабильны.

Негорючий полиэтилен получают добавлением трёхокиси сурьмы; чтобы устранить хрупкость, вводят также пластификатор – хлорированный  парафин.

Поливинилхлорид  представляет собой порошок белого цвета, из которого изготовляют горячим прессованием или горячим выдавливанием механически прочные изделия.

Порошкообразный поливинилхлорид получают в результате реакции полимеризации газообразного вещества − винилхлорида. Горячим прессованием порошкообразного поливинилхлорида получают твердый, жесткий материал − винипласт в виде листов, пластин, труб и стержней, который отличается химической стойкостью к минеральным маслам, разбавленным щелочам и кислотам. Винипластовые изделия обладают высокой механической прочностью, особенно к ударным нагрузкам, и имеют хорошие электроизоляционные свойства. Недостаток винипласта − малая холодостойкость. Разлагается винипласт при 150-200° С.

Поливинилхлоридный пластикат − гибкий рулонный материал, получаемый из порошка поливинилхлорида, смешанного с пластификаторами − густыми маслообразными жидкостями. Поливинилхлоридный пластикат широко применяется в качестве основной изоляции монтажных проводов, а также для изготовления защитных оболочек − шлангов, кабелей. Обычно он бывает окрашен в черный, синий, желтый, красный и другие цвета. Красители вводят для защиты материала от светового старения, а также для распознавания проводов при монтаже. Поливинилхлоридный пластикат без красителей − прозрачный материал с желтоватым оттенком. Из поливинилхлоридного пластиката изготовляют гибкие изоляционные трубки и липкую изоляционную ленту. Характерной особенностью поливинилхлоридных материалов является то, что, будучи вынесены из пламени, они перестают гореть.

Полиформальдегид − твердый термопластичный диэлектрик, образующийся в результате полимеризации газообразного формальдегида. Материал представляет собой порошок белого цвета,  из которого изделия получают литьем под давлением или экструзией. Повышенная твердость, большая стойкость к истиранию и малый коэффициент трения, позволяют изготовлять из полиформальдегида бесшумные шестеренные и червячные передачи и подшипники. Довольно широкий интервал рабочих температур (от 55 до 100 °С), влагостойкость, химическая стойкость, стойкость к искровым разрядам и хорошие электрические характеристики обеспечивают широкую область применения полиформальдегида в качестве электроизоляционного материала (изоляционные основания - платы, каркасы катушек сложного профиля). Изделия из полиформальдегида могут быть подвергнуты всем видам механической обработки (фрезерованию, обточке, сверлению и др.).

Органическое стекло (метилметакрилат) – термопластичный прозрачный материал, легко окрашиваемый во многие цвета, выпускается в виде листов или порошка. Исходным материалом служит жидкое вещество – метилметакрилат, в которое вводят небольшое количество перекиси бензоила и пластификаторы. Смесь перемешивают, нагревают и разливают в нагретые до 120ºС формы из обычного силикатного стекла или металла. Органическое стекло устойчиво к разбавленным кислотам и щелочам, к бензину и минеральным маслам. В нагретом состоянии (115-135ºС) легко формуется в стальных или деревянных пресс-формах. Органическое стекло поддается всем видам механической обработки.

Полиуретаны − непрозрачные полимерные материалы. Из твердых полиуретанов изготовляют литые изделия различной формы (например, кабельные муфты), а из пластичных − гибкие, эластичные пленки и волокна. Полиуретаны служат основой изоляционных лаков для эмалирования обмоточных проводов.

Достоинствами всех полиуретанов являются: хорошая адгезия (прилипание) к многим материалам, малая усадка при литье, атмосферостойкость и довольно высокие электрические характеристики, а недостатками − низкие холодостойкость, и нагревостойкость, не превышающая 100-105 °С.

Следует отметить, что почти все органические полимерные материалы, в том числе и полиуретаны, являются горючими веществами.