2.2. Електроізоляційні полімери

Серед діелектриків особливе значення займають високо-молекулярні органічні матеріали. Для того, щоб розібратися у властивостях і можливостях цих матеріалів, необхідно попередньо ознайомитись із загальними закономірностями, що стосуються їх будови і властивостей, а також встановити деякі терміни і поняття, що неодноразово будуть використовуватись в подальшому викладі.

Органічними речовинами називають з’єднання вуглецю з іншими елементами. Найбільше число органічних електроізоля-ційних матеріалів належить до високомолекулярних з’єднань, тобто до речовин з великими молекулами, що містять іноді тисячі атомів. До високомолекулярних речовин належать деякі, що зустрі-чаються в природі речовини: целюлоза, шовк, білки, каучук. Отримані штучним шляхом високомолекулярні матеріали можуть бути розділені на два класи. По-перше, сюди відносяться штучні матеріали, що виготовляються шляхом хімічної обробки природних високомолекулярних речовин: так, наприклад, при переробці целюлози отримуються ефіри целюлози. Але найбільше значення як для електроізоляційної техніки так і інших галузей техніки має другий клас синтетичні високомолекулярні матеріали, що виготов-ляються із низькомолекулярних речовин. Багато з цих матеріалів характеризуються цінними технічними властивостями до того ж деякі з них можуть бути отримані із легкодоступної сировини (природний газ, нафта, корисні копалини), Тому вивченню розроб-ці і застосуванню таких матеріалів для різноманітних цілей при-діляється дуже велика увага.

Практично всі важливі високомолекулярні з’єднання по своїй хімічній природі є полімерами, тобто речовинами, молекули яких являють собою сукупність великого числа, що мають однакові будови груп атомів і отримуються в результаті об’єднання один з одним молекул порівняно простих пза своїм складом речовин, так званих мономерів.

Реакція утворення полімеру із мономеру називається полі-меризацією. При полімеризації зростає молекулярна маса, темпе-ратура плавлення, підвищується в’язкість, зменшується розчин-ність. В процесі полімеризації речовина може переходити із газо-подібного і рідкого стагу в стан досить густої рідини і далі в стан твердого тіла.

Приведемо простий приклад: стирол – рідкий ненасичений вуглеводень, що має елементарний склад С₈Н₈. Завдяки наявності подвійного зв’язку між двома сусідніми атомами вуглеводню має властивість легко полімеризуватись. Утворений в результаті полі-меризації із стиролу (мономеру) полімер полістирол – є вже твердою речовиною. Тут важливим показником полімеризації є степінь полімеризації – n, тобто число молекул мономеру, що об’єднались в одну молекулу полімеру. Для полістиролу степінь n може досягати 6000. Температура плавлення стиролу рівна “-33⁰С”, а температура пом’якшення полістиролу “70-80⁰С”.

Процес полімеризації протікає при різних умовах з різною швидкістю. Наприклад: стирол не втрачає своїх властивостей на холоді довгий час, однак підвищення температури, добавлення каталізаторів дозволяють різко прискорити перехід від рідкого стиролу в твердий полістирол. Таким чином швидкість полі-меризації можна регулювати, змінюючи умови в яких протікає процес полімеризації.

Полімери діляться на дві групи: лінійні і поверхневі. Молекули перших мають вид ланцюжків або ниток. Молекули поверхневих полімерів розміщені в просторі в різних напрямах більш рівномірно. Легко зрозуміти закономірність утворення лінійних або повепхневих полімерів. Якщо молекули мономеру мають тільки по дві реактивні точки, тобто по дві валентності, здатні розчеплюватись і з’єднуватись з іншими молекулами, то в результаті полімеризації отримається лінійний полімер – ланка, що не має ніяких розгалужень.

Між властивостями лінійних і поверхневих полімерів є дуже замітні відмінності. Як правило, лінійні полімери відносно гнучкі та еластичні і багато з них при повільному підвищенні температури пом’якшуються, а потім розплавлюються. Поверхневі полімери володіють більшою жорсткістю; їх розм’якшування проходить лише при досить високих температурах, а багато з них ще до досягнення температури пом’якшення хімічно руйнуються. Лінійні полімери здатні розчи-нятись в розчинниках, поверхневі – важкорозчинні або практично нерозчинні.

На практиці за тепловими властивостями полімери ділять на термопластичні та термореактивні. Термопластичні матеріали при низьких температурах тверді, але при нагріві пом’якшуються і легко деформуються. Характерною особливістю термопластичних матеріалів є те, що нагрів до температури, що відповідає їх пластичному стану, не викликає необоротних змін їх властивостей. Після охолодження ці матеріали зберігають здатність розчинятись і при новому під’йомі температури пом’якшуватись.

У протилежність матеріалам цієї групи термореактивні матеріали (реактопласти) при нагріві зазнають необоротну зміну властивостей, тобто вони запікаються, набуваючи при цьому значну механічну міцність і твердість. Термореактивні матеріали – нерозчинні.

Отже, термопластичні матеріали – це лінійні полімери, що зберігають лінійну будову молекул і при нагріві (полістирол). Термореактивними є матеріали, які при нагріві набувають будову, що властива поверхневим полімерам.

Якщо електрична ізоляція в процесі експлуатації повинна витримувати дію підвищених температур, не пом’якшуючись, не деформуючись і зберігати високу механічну міцність, або вона повинна бути стійкою до розчинників, що дотикаються до неї (ізоляція обмоток маслонаповненого трансформатора), то для такої ізоляції більш придатні термореактивні матеріали.