§ 40. Твердые органические диэлектрики . Основные понятия о высокополимерных материалах.

Почти все твёрдые органические диэлектрики являются высокополимерными материалами. Название «высокополимерные материалы» или «полимеры» происходит от двух греческих слов: «поли» - много и «мерос» - часть. Действительно, молекулы полимеров состоят из большого количества частиц – десятков и сотен тысяч молекул исходных веществ – мономеров. Название «мономер» происходит от греческого слова «монос», что означает один.

Мономеры являются простыми химически активными веществами, легко вступающими в химические реакции. В результате этого образуется новое вещество – полимер с большим молекулярным весом. В молекулах полимера молекулы мономера прочно связаны друг с другом силами химической связи. Это условно изображают чёрточками, например молекулы исходного вещества А соединяются друг с другом, образуя большую молекулу нового полимерного вещества:

- А - А - А - А - А - А - А - А - А - .

Большие молекулы полимеров могут иметь форму вытянутых в длину нитей (как, например, приведенная), т.е. иметь линейное строение, или могут быть развиты по всем трем направлениям в пространстве (объемное) строение.

Высокополимерные материалы, состоящие из линейных молекул, называются линейными полимерами. Они, как правило, обладают гибкостью (каучуки, полиэтилен и др.) и способны размягчаться при нагреве. Пространственные полимеры, состоящие из молекул, развитых в пространстве, такими свойствами, как правило, не обладают.

К линейным полимерам относятся натуральный и синтетический каучуки, синтетические диэлектрики: полиэтилен, полистирол и др. К пространственным полимерам относятся синтетические смолы: бакелит, глифталь и др.

Написать полностью химические формулы больших молекул полимеров довольно трудно, поэтому прибегают к их сокращенному написанию. Так, химическую формулу приведенной ранее молекулы записывают сокращенно так:

- А - А - А - А - А - А - А - А - А - А - → (А)_n.

В скобках записано одно звено молекулы полимера, повторяющееся n раз. Величина n называется степенью полимеризации. Она показывает, из скольких молекул исходного вещества (мономера) состоит молекула нового вещества (полимера). Чем больше молекул исходного вещества (мономера) содержит молекула полимера, тем выше его молекулярный вес.

Высокополимерные вещества могут быть природными (янтарь, натуральный каучук и др.) и синтетическими (полистирол, поливинилхлорид и многие другие). Большая часть полимеров является аморфными веществами, и их поэтому называют смолами. Некоторые из полимеров (фторопласт-4 и др.) имеют кристаллическое строение и не являются смолами.

Ввиду ограниченности свойств природных полимеров современная электротехника использует главным образом синтетические высокополимерные диэлектрики. Они могут быть получены в результате реакций полимеризации или поликонденсации.

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

Рассмотрим в качестве примера процесс получения синтетического диэлектрика - полистирола. Он получается в результате реакции полимеризации исходного вещества - стирола. Это прозрачная бесцветная жидкость, кипящая при температуре 145°C. Если в нее ввести перекисный катализатор, например перекись бензоила (0,1 - 0,5% от веса стирола), то при температуре 95°C - 110°C начинает протекать реакция полимеризации. При этом двойная химическая связь (обозначается двумя черточками) в молекулах стирола Н₂С=СН-С₆Н₅ разрывается и переходит на соседнюю такую же молекулу. В результате этого молекулы стирола соединяются друг с другом, образуя большую молекулу высокополимерного вещества - полистирола.

Этот процесс полимеризации записывают в виде следующей схемы:

- СН₂ - СН - СН₂ - СН - → (СН₂ - СН)_n

| | |

С₆Н₅ С₆Н₅ С₆Н₅

Степень полимеризации полистирола n = 6000, а молекулярный вес его равен 300000-600000. Молекулярный же вес исходного вещества - стирола равен 104.

В начальной стадии полистирол представляет собой густую прозрачную жидкость. Ее разливают в стеклянные формы, в которых процесс полимеризации заканчивается. Из форм получают твердый прозрачный материал в виде пластин и стержней, т.е. изделия так называемого блочного полистирола, обладающего высокими электрическими характеристиками. Блочный полистирол получают также в гранулах, которые представляют собой частицы цилиндрической формы диаметром 3 - 5 мм и длиной 8 - 10 мм.

Поликонденсация - процесс соединения молекул исходных (мономерных) веществ в большие молекулы высокополимерного вещества с выделением побочных веществ: воды, кислот, газов и др. Часто реакция поликонденсации протекает в несколько этапов.

Диэлектрики, полученные в результате реакции поликонденсации, как правило, обладают несколько пониженными электроизоляционными свойствами по сравнению с диэлектриками, полученными в результате полимеризации. Основными причинами этого является наличие в поликонденсационных диэлектриках побочных веществ - воды, кислот, которые, разлагаясь на ионы увеличивают электропроводность материала.

Все высокополимерные материалы делят на две группы по их поведению при нагреве. При этом различают материалы термореактивные и термопластичные.

Термореактивными называются такие материалы, которые в своей конечной стадии производства, т.е. в готовом виде, не способны размягчаться при нагревании. К термореактивным диэлектрикам относятся бакелитовые смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит), глифтали и другие материалы.

Термопластичными называются такие материалы, которые не могут быть переведены в неплавкое состояние. Все термопластичные материалы при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в густые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов пользуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также для производства деталей методом литья под давлением.

К термопластичным диэлектрикам относятся: полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид и др.