§ 43. Нагревостойкие высокополимерные диэлектрики.

Одной из важнейших задач электроматериаловедения является разработка электроизоляционных материалов с повы­шенной нагревостойкостью. Применение таких материалов в изоляции электрических машин и аппаратов позволяет повысить их температуру нагрева и делает возможным увеличение мощности машин и аппаратов, не изменяя их веса и габаритов.

Рассмотренные ранее высокополимерные органические диэлектрики могут длительно использоваться при температурах до 90—105°С и только некоторые из них, например глифтали, до 130°С. Таким образом, подавляющее большинство органических диэлектриков может длительно работать при температурах 90—105°С (классы нагревостойкости Y и А). При повышении указанных температур органические диэлектрики в результате теплового старения быстро разрушаются.

Высокой нагревостойкостью обладают электроизоляционные материалы неорганического происхождения, например электро­керамические материалы (фарфор, стеатит), но из них невозможно изготовить гибкие виды изоляции. Как показали исследования, причиной низкой нагревостойкости высокополимерных органических диэлектриков является сравнительно малая энер­гия связи между атомами углерода, составляющими основы мо­лекул органических диэлектриков. Так. например, энергия химической связи между атомами: углерод — углерод (С — С) равна 58,6 ккал/моль.

При нагревании диэлектриков в процессе их использования до температуры, при которой тепловая энергия будет выше энер­гии химической связи, они будут претерпевать тепловое старе­ние, т. е. разрушаться. Надо было изыскать новые виды диэлектриков, которые бы состояли из молекул с большей энергией связи.

В результате многочисленных исследований были разработаны новые кремнийорганические высокополимерные диэлектрики. В основе молекул этих

.

Рис. 102. Зависимость tg δ от температуры у кремнийорганической и органической (полиэфирной) смолы: 1- кремнийорганическая смола, 2- органическая (полиэферная) смола

диэлектриков находится силоксановая группировка атомов — Si — О — Si — (кремний — кисло­род — кремний), энергия связи которой равна 89,6 ккал/моль. Вследствие этого кремнийорганические диэлектрики обладают более высокой нагревостойкостью по сравнению с органическими диэлектриками, рассмотренными ранее. Название «кремнийорганические диэлектрики» обусловлено тем, что в состав молекул, кроме атомов кремния и кислорода, входят остатки различных органических соединений: СН₃; С2Н5; С₆Н₅ и др. Эти органические остатки называются органическими радикалами и обозначаются (R). В общем виде молекула кремнийорганических высокополимерных диэлектриков может быть представлена так:

R R R

| | |

— Si —О —Si —О —Si —

| | |

R R R

В зависимости от присоединенного органического радикала (R) и от числа их, приходящихся на один атом кремния, могут быть получены жидкие, каучукоподобные и твердые диэлектрики. Это либо бесцветные вещества, либо имеющие окраску от бледно-желтой до коричневой. Отличительной особенностью кремний органических диэлектриков является их высокая нагревостойкость и морозостойкость.

Кремнийорганические электроизоля­ционные материалы (пластмассы, резины, лаки и др.) могут длительно работать в интервале температур от —60 до 180°С, а некоторые из них до 200°С. Кроме того, кремнийорганические диэлектрики отличаются высокой стойкостью к воде, минераль­ным маслам, а также к электрическим искровым разрядам.

Эти диэлектрики не растворяются в минеральных маслах (трансформаторном и др.) и не обогащаются углеродом под действием электрических искр.

Электрические характеристики кремнийорганических диэлектриков находятся на высоком уровне и мало изменяются при нагреве (рис.102)

и при воздействии на диэлектрики во­ды (рис.104). Кремнийорга­нические материалы явля­ются слабополярными диэ­лектриками. Их электриче­ские характеристики сле­дующие:

ρ₀ =10¹⁴-10¹⁶ Ом • см; ε = 2,6-3,5; tg δ = = 0,0008 + 0,02; Е_пр =20 + 45 кВ/мм (у лаковых пленок Е_пр =60-120 кВ/мм).

Наша промышленность вырабатывает большое ко­личество кремнийорганиче­ских лаков (ЭФ-3; ЭФ-5; К-40; К-41; К-44 и др.) и эмалей (ПРК-13; ПРК-15; ПВЭ-2 и др.), а также пласт­масс. По нагревостойкости кремнийорганические диэлектрики относятся к классу Н, т. е. могут длительно работать при температурах до 180°С включительно.

Рис.103. Зависимость удельного объемного сопротивления пленок кремнийорганического лака от продолжительности нагрева и от времени пребывания в воде: 1-выдержка при 180°С, 2- выдержка в воде.

Фторопласт-4. Значительным достижением в области разработки нагревостойких диэлектриков явилось получение твердого высокополимерного материала —фторопласта-4. Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета. Он получается в результате полимеризации сжиженного газа — тетрафторэтилена (F₂C = CF₂). Образующийся вначале полимер представляет со­бой рыхлый порошок белого цвета, из которого прессованием (в стальных пресс-формах) получают заготовки в виде брусков, пластин и других изделий. Чтобы образовался плотный, моно­литный материал, отпрессованный заготовки подвергают спека­нию в печах. При быстром охлаждении нагретых заготовок и изделий материал имеет аморфное строение, а при медленном охлаждении материал приобретает кристаллическое строение.

Быстро охлажденные (закаленные) изделия из фторопласта-4 обладают повышенной механической прочностью. Но у образцов, имеющих кристаллическую структуру, наблюдается большая стабильность электроизоляционных свойств.

Основной особенностью фторопласта-4 является его исключительно высокая нагревостойкость (250°С) и морозостойкость (—269°С). При нагреве фторопласта-4 до 327°С (точка пере­хода) его кристаллическая структура переходит в аморфную и материал приобретает прозрачность. При нагреве до температур выше 327°С материал не размягчается вплоть до температуры 415°С, когда начинается термическое разложение материала с отщеплением свободного фтора, являющегося токсичным ве­ществом.

Фторопласт-4 — единственный органический материал, который по его высокой нагревостойкости можно отнести к классу С (выше 180°С).

Причиной весьма высокой нагревостойкости фторопласта-4 является большая величина энергии химической связи между атомами углерода и фтора (107 ккал/моль) в его молекуле. Фторопласт-4 отличается также исключительной химической стойкостью. Он не растворяется ни в одном из растворителей как при комнатной температуре, так и при нагреве; на него не действует ни одна из концентрированных кислот и щелочей. Водопоглощаемость фторопласта-4 равна нулю и он не смачивается водой.

Характеристики фторопласта-4: удельный вес 2,1/2,3 г/см³; σ_р= 140/250 кГ/см² (незакаленный); σ_р = 200-450 кГ/см² (за­каленный); а_п =110-130 кг * см/см²; ρ_ν = 10¹⁸-10¹⁹ Ом * см; ε=1,9 -2,2; tg δ = 0,0002 - 0,0003; Е_пр = 25-27 кВ/мм.

Гибкость материала в толстом слое сохраняется до температуры — 80°С, а в тонком слое (пленка) до — 100°С. Фторопласт-4 поддается всем видам механической обработки, обточке, фрезерованию и др., но не склеивается. Отрицательным свой­ством фторопласта-4 является его текучесть при комнатной температуре, т. е. он начинает деформироваться при напряжении в материале от 130 кГ/см² и выше. Поэтому на изделия из фторопласта-4 нельзя допускать механические нагрузки, создающие в материале напряжения выше 130 кГ/см².Фторопласт-4 —неполярный диэлектрик, вследствие чего его диэлектриче­ские характеристики стабильны в широком диапазоне частот. Большое применение в электротехнике имеют тонкие (от 10 до 200 мк) пленки, получаемые в виде стружки, снимаемой с монолитных цилиндров фторопласта-4 на токарных станках.

Электроизоляционные пластмассы.

Пластическими массами, или пластиками, называются материалы, способные в нагретом состоянии приобретать пластичность, т. е. легко принимать заданную форму какого-либо изде­лия и ее сохранять. Пластмассы в подавляющем большинстве являются материалами органического происхождения. Они состоят из связующего вещества, наполнителей, пластификаторов и других составляющих (красители, стабилизаторы). Связующими веществами являются синтетические смолы.

Рис.104 Гидравлический пресс (разрез): 1- рабочий цилиндр в который подается под давлением вода, 2- рабочий плунжер, передающий давление на подвижную плиту, 3- подвижная плита, 4- неподвижная плита, 5- колония, 5- колонны, 6- выталкивающий цилиндр, 7- выталкивающий плунжер, 8- цилиндр обратного действия, 9- плунжер обратного действия, поднимающий подвижную плиту после прессования.

В качестве наполнителей обычно используют древесную муку, слюдяной порошок, асбестовые и стеклянные волокна, бумагу и ткани. Наполнители, будучи связаны и пропитаны синтетическими смолами или другими связующими веществами, обусловливают повышенную механическую прочность пластмасс, увеличивают их нагревостойкость (стеклянные и асбестовые волокна) и уменьшают объемную усадку пластмасс.

Пластификаторы вводятся в пластмассы для уменьшения их хрупкости, а также для повышения их морозостойкости. Однако будучи введены в больших количествах, они приводят к пониже­нию теплостойкости и механической прочности пластмассовых изделий. В качестве пластификаторов применяют олеиновую кис­лоту, касторовое масло, стеарин и др.

Красители придают пластмассам и изделиям из них опреде­ленную окраску. В электроизоляционные пластмассы красители вводят редко, так как они ухудшают электроизоляционные свойства пластмасс.

Стабилизаторы — вещества, вводимые в пластмассы, способ­ствуют длительному сохранению основных свойств пластмасс. В зависимости от физико-химической природы связующего (смо­лы и др.) пластмассы и изделия из них разделяют на термопла­стичные и термореактивные. Термопластичные пластмассы после прессования переходят из пластического в твердое состояние лишь после их охлаждения, но при нагревании вновь становятся пластичными.

Рис. 105. Пресс-форма (разрез) : 1-верхний пуаксок,2- прессуемое изделие, 3- матрица, 4-нижний пуаксок,5-выталкиватель, 6- плита пресса.

Термореактивные пластмассы переходят при горячем прессовании в твердое состояние и в дальнейшем не размягчаются от нагревания.

Термореактивными являются пластмассы на основе резольных и других смол.

Термопластичными являются пластмассы на основе полистирола, поливинилхлорида и других термопластичных связующих. Есть пластмассы холодного прессования, которые прессуют­ся без нагрева, но полученные из них изделия необходимо затем запекать в печах при повышенных температурах.

Литые пластмассовые изделия обычно не имеют наполнителей. Они изготовляются методом литья под давлением.

Изделия из пластмасс получили весьма широкое распространение в технике и в быту. Этому способствуют их малый удельный вес (1—3 г/см³), высокие физико-механические свойства и простота изготовления из них изделий сложной формы. Метод прессования изделий из исходной порошкообразной массы позволяет получить изделия с помощью одной операции за небольшое время. Поэтому пластмассы — это материалы массовых изделий, таких, как выключатели, патроны кнопочные, переключатели, каркасы катушек и т. п.

Пластмассовые изделия прессуют из пресспорошков, которые производят заводы-поставщики. Пресспорошки представляют собой порошкообразные вещества, состоящие из связующего (смолы и др.), наполнителей, красителей и других веществ, вхо­дящих в состав пластмассы.

Прессование изделий осуществляется с помощью гидравлических прессов в спе­циальных приспособлениях, называемых пресс-формами (рис.105). Пресспорошок в определенном количестве загружается в подогреваемую пресс-форму.

Пресс-формы для массовых изделий малого габарита имеют несколько гнезд, что позволяет за одно прессование получить сразу несколько изделий. Дозировка и засыпка порошка в пресс-форму осуществляется автоматически.

Рис. 106. Схема работы машины для пресслитья: 1- бункер, 2-плунжер, 3-камера для подогрева, 4-пресс-форма, 5-сопло, 6-изделие

Иногда для удобства прессования из пресспорошка вначале изготовляют заготовки — круглые таблетки, прессуемые при относительно небольших давлениях.

Их затем подогревают и закладывают в стальные пресс-формы, в которых окончательно оформляют изделие прессованием.

На (рис. 104) показан разрез гидравлического пресса. Пресс-форму, наполненную пресспорошком или изготовленными из него таблетками, устанавливают на нижнюю неподвижную плитку 4 и с помощью воды, подающейся под давлением в цилиндр 1, на пресс-форму опускают подвижную плиту 3. Разогретый порошок или таблетка сжимается, растекается в пресс-форме, и изделие отпрессовывается. Для каждого вида пластмассы и каждого изделия устанавливается время запрессовки и удельное давление.

Если прессуется изделие из термореактивной пластмассы, то нагретая и отпрессованная в изделие пластмасса за время пребывания под прессом переходит в неплавкое состояние. В этом случае изделие можно извлечь из пресс-формы после снятия давления, не дожидаясь его охлаждения. Это экономит энергию на повторный нагрев пресс-формы и сокращает время на прессование. При прессовании изделий из термопластичной пластмассы этого сделать нельзя, так как изделие находится до его охлаждения в пластическом состоянии. В этом случае отпрессованное изделие должно еще пробыть некоторое время в пресс-форме, пока оно не охладится проточной водой, проходящей через внутренние каналы пресс-формы.

Пластмассовые изделия изготовляют и другими способами. Из термопластичных пластмасс изделия изготовляются методом литья. На (рис. 106) показана схема литьевой машины. Из бункера 1 термопластичный материал подается в камеру 3 для подогрева до пластического состояния. Затем плунжером 2 он выдавливается через сопло 5 в охлаждаемую пресс-форму 4. Здесь изделие формуется и охлаждается, после чего пресс-форма отодви­гается и изделие выгружается из нее.

Рис. 107. шприцевальной машины.:1-стажная гайка, 2,5 – рубашка, 3,6-камера для подогрева, 4- фланеп, 7- камера для охлождения, 8-бункер, 9- шнек

После этого плунжер перемещается в обратную сторону, открывая камеру для поступления из бункера новой порции прессовочной массы. Затем процесс прессования повторяется. Такая автоматизированная литьевая машина имеет высокую производительность. В случае термореактивных масс пресс-форма, в которой формуется изделие, обогревается, в результате чего ускоряется отвердевание изделий.

Изделия простой формы — трубки, стержни, прутки — можно получать методом непрерывного выдавливания подогретой массы бесконечным винтом через сопло. На (рис. 107) представлена схема основной части такой машины.

Свойства и области применения пластмассы.

Изделия из пластических масс, применяемые в электротехнике, многообразны, так как очень много возможностей их использования и различны требования, предъявляемые к ним. Помимо электрических свойств, электроизоляционные пластмассы должны обладать еще определенными механическими свойствами. Кроме того, для многих пластмасс обязательными являются высокие тепловые свойства: теплостойкость, нагревостойкость, а также малое водопоглощение и т. п. Это разнообразие требований удовлетворяется большим количеством различных пресспорошков, из которых изготовляют электроизоляционные и конструкционные пластмассовые изделия.

Для возможности изготовления изделий из пластических масс последние должны обладать основной характеристикой — текучестью при нагревании, чтобы при прессовании полностью заполнять пресс-форму. Существует несколько методов измерения текучести.

Рис.108. Пресс-форма для Рис.109. Форма и максимальная

определения текучести по Рашигу длина

стержня ,характеризующего текучесть.

Широкое распространение получил метод определения текучести по длине пути протекания массы в пресс-форме при постоянном давлении, температуре и времени прессования. На (рис. 108) дан чертеж пресс-формы для определения текучести пластмасс. Форма представляет собой цилиндрическую стальную обойму с конусообразной внутренней частью, в которую вставляется разделенный на половинки стальной конус 2. В этом конусе имеется внутренний канал, постепенно суживающийся сверху вниз. В верхней части пресс-формы имеется цилиндрическая часть диаметром 30 мм, в которую закладывают таблетки, изготовленные из пресспорошка испытуемой пластмассы. Пресс-форма предварительно нагревается до 160°С. Таблетку выдерживают при этой температуре в течение 3 мин., затем на нее дают давление (с помощью пуансона) из расчета 300 кг/см². После этого определяют длину (в миллиметрах) запрессованного в конусе стерженька пластмассы (рис.109), что является мерой текучести.

Как известно, исходными материалами для изготовления пластмассовых изделий являются прессовочные порошки (пресспорошки).

В электротехнике широко распространены пресспорошки на основе резольных и новолачных смол, являющихся термореактивными материалами. Пластмассы, изготовленные из этих смол, называются фенопластами. Они обладают высокой стабильностью свойств и противостоят воздействию воды, кислот и органических растворителей. Различают три типа фенопластов (I, II, III), содержащих в качестве наполнителей древесную муку и минеральные вещества. Пресспорошки I и III типов, содержащие новолачную смолу, употребляют для изготовления деталей конструкционного назначения (ручки, крышки приборов и др.), так как электроизоляционные свойства пластмасс на основе новолачных смол относительно невысоки (табл.29). Пресспорошки II типа на основе резольных смол обладают улучшенными электроизоляционными свойствами, поэтому их широко приме­няют для изготовления электроизоляционных деталей (основания электроизмерительных приборов, панели, каркасы катушек и др.). Из фенопластов I и III изготовляют низковольтные электроизоляционные изделия (кнопки, основания выключателей и др.). Недостатком фенопластов является их низкая стойкость к электрическим искрам и дугам, которые вызывают науглероживание изделий.

Прессование изделий из фенопластов производят при удельном давлении 300 кГ/см² без предварительного подогрева пресс-порошков при температуре 155° С или с предварительным подогревом (при 185°С). При предварительном подогреве время прессования уменьшается.

В табл. приведены основные характеристики пресспорошков группы I (марки К-18-2, К-15-2, К-17-2, К-19-2 и др.), группы II (марки К-21-22, К-211-2, К-220-23 и др.) и группы III (монолит 1, монолит 7 и др).

Изделия из пресспорошков, содержащих длинноволокнистые наполнители — хлопковые очесы, асбест или стеклянные волокна, обладают повышенными механическими свойствами, а в случае наполнителя в виде асбестовых или стеклянных волокон — и повышенной нагревостойкостью. Такими пресспорошками являются волокнит (наполнитель — хлопковые очесы), К-6, К-Ф-3

Для отвердевания новолачных смол в них вводят уротропин и др. У этих материалов удельная ударная вязкость и теплостой­кость значительно выше, чем у фенопластов с сыпучими наполни­телями (древесная мука, слюдяной порошок и др.). В качестве связующего в пресспорошках с волокнистыми наполнителями применяют резольные смолы.