3.2 Выбор материала изоляции
Всероссийский научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности (ВНИИКП) разработал и одобрил кабельную продукцию из сшитого полиэтилена и на сегодняшний день большинство современных заводов выпускает ее для передачи и распределения электрической энергии в стационарных установках при переменном напряжении в сетях с изолированной или заземленной нейтралью, добавляя в конструкцию оболочку из ПВХ-ПЛАСТИКАТ пластиката с пониженной пожароопасностью и горючестью для предотвращения и распространения пожара [2]. Это новшество возникло вследствие нередких случаев распространения пожара в направлении сверху вниз, что вызвало падение вниз горевших капель полиэтилена, которые, в свою очередь, создавали вторичные очаги пожара.
Мои предложения по разработке подобной кабельной конструкции заключаются в том, чтобы использовать в качестве изоляции материал, который непосредственно не поддерживает горение.
Под эти свойства хорошо вписывается полиолефиновый материал поливинилиденфторид.Техническое название в СССР и РФ — фторопласт-2. Торговые названия других изготовителей:Susta®PVDF, Кайнар (США), KF полимер (Япония), Видар (Германия), Солеф (Бельгия), Форафлон (Франция), Ftorosint PVDF (Фторосинт ПВДФ) (Бельгия).
ПВДФ - фторопласт, фторсодержащий полимер, химическая формула -(C2H2F2)n-. Он представляет собой высококачественный изоляционный материал, предназначенный для работы в жёстких условиях, при которых требуется высокая термостойкость, повышенные изоляционные характеристики и высокие сопротивления пробою. Изоляция проводов, изготовленная из этого материала, хорошо зарекомендовала себя при работе в условиях космических полетов. Фторопласт относится к классу высокомолекулярных кристаллизованных полимеров.
Рис. 3.2.1. Химическая формула поливинилиденфторида.
История фторопласта началась в 30-х годах прошлого века, когда ученые американской лаборатории DuPont случайным образом получили уникальный материал, по многим характеристикам превосходящий эмали, благородные металлы и спецстали. Продажа фторопластов на отечественном рынке началась с 90-хх годов и с тех пор данный материал пользуется неизменным спросом. Фторопласт характеризуют хорошие диэлектрические свойства, высокая электрическая прочность и широкий диапазон механических свойств. Высокий экранирующий эффект электроотрицательных атомов фтора объясняет коррозионно-, радиационно-, атмосферо- и химостойкость фторопласта. Это способствует широкому применению фторопласта в строительстве, производстве электроники и электротехники, а также химической промышленности. Для человека фторопласт физиологически и биологически безвреден, поэтому повсеместно применяется в фармацевтическом производстве и медицинской промышленности [6].
Производство фторопластов в России осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТа 10007-80, согласно которому материал представляет собой белый порошок. В зависимости от производственных целей, для которых предполагают использовать фторопласты, из данного порошка изготавливают пластины, листы, диски, втулки, стержни или другие детали. Также спросом пользуются ленты, защитные оболочки и пленки из фторопласта.
В обычных условиях фторопласт листовой или стержень как класс материалов проявляют исключительную стойкость к старению, в связи с чем многие производители заявляют гарантированный срок сохранения их качественных характеристик до 20 лет [7].
Изделия из фторопласта могут подвергаться фрезеровке, шлифованию, сверлению и точению, исключая снижение качественных свойств материала. Композиции из фторопласта, как и сам материал, обладают исключительной стойкостью к гидролизу, к сорбции веществ, к окислению и нарастанию на его поверхности отложений различного вида. Он не растворим в воде, и плохо растворим или не растворим в большинстве органических растворителей.
Основные свойства
При комнатной или повышенной температуре фторопласт устойчив к воздействию различных агрессивных сред: органических и минеральных кислот, щелочей, окислителей, газов, органических растворителей. Разрушительным для фторопласта может оказаться лишь контакт при высоких температурах с расплавами щелочных металлов, элементарным фтором или трехфтористым хлором.
Исключительные диэлектрические характеристики в сочетании с высоким показателем термостойкости дали возможность для широкого применения фторопласта в электронной промышленности (изготовление печатных плат, использование деталей из материала в технике СВЧ, изоляция разъемов, проводов, кабелей).
При нагревании свыше +327 °С происходит разрушение кристаллической структуры и материал становится прозрачным и аморфным. Интервал температур, в котором фторопласт остается прочным и сохраняет свои химические и механические свойства, колеблется от -269 до +260 °С. При этом верхний предел характеризуется снижением физико-механических свойств, но не потерей химической стойкости.
Фторопласт не поддерживает горение. Также он обладает высокими антифрикционными свойствами, что позволяет изделиям из фторопласта работать без смазки. Материал характеризует чрезвычайно низкий для конструкционных материалов коэффициент трения (до 0,02).
Рис. 3. 2.2. Сравнение допустимой рабочей температуры ПВДФ с другими полимерами.
Фторопласт-2, более износостойкий в сравнении с Фторопласт-4 (ПТФЕ). Основное его отличие от других фторполимеров это то, что материал сочетает в себе хорошие механические, тепловые и электрические свойства при воздействии химических веществ. Так же, как и другие фторполимеры, ПВДФ стоек к гидролизу [6]. Имеет более низкую постоянную и кратковременную рабочую температуру по сравнению с ПТФЕ, но более прочный и твердый, более высокие механические свойства. Отсутствует хладотекучесть под действием нагрузок.
Материал обладает повышенной упругостью, стойкостью к абразивному износу, истиранию и прорезыванию. Также он устойчив к воздействию ультрафиолетовой и ионизирующей радиации (часто используется в атомной энергетике). По химической стойкости и рабочим температурам превосходит полиолефины и поливинилхлорид. Фторопласт-2 плохо растворим или вообще не растворим во многих органических растворителях. Фторопласт-2 растворяется только в диметилсульфоксиде, диметилформамиде, кетонах. Имеет меньшую плотность по сравнению с ПТФЕ, но гораздо большую по сравнению с остальными высокотемпературными пластиками. Высокие трибологические свойства. Если температура эксплуатации не превышает +150 °С, то наилучшей заменой ПТФЕ будет служить ПВДФ. Его более высокие механические свойства делают его более дорогим (в 2-3 раза дороже, чем ПТФЕ). ПТФЕ универсальный конструкционный материал для производства изделий в нефтехимической, химической, металлургической, пищевой, бумажной, текстильной, фармацевтической и атомной отраслях промышленности, в условиях где детали работают при повышенных температурах (до +150 °С) и воздействии агрессивных сред.
Таблица 3.2.1
Механические, термические, электрические свойства ПВДФ
|
Характеристика |
Значения |
Единицы измерений |
Метод испытаний |
|
Плотность, ρ |
1,78 |
гр/см3 |
ГОСТ 15139-69 |
|
Удлинение при разрыве, δ |
> 30 |
% |
DIN EN ISO 527 |
|
Напряжение при растяжении, σ |
50-60 |
МПа |
DIN EN ISO 527 |
|
Модуль упругости при растяжении, λ |
2000 |
МПа |
DIN EN ISO 527 |
|
Модуль упругости после изгиба, λ |
2000 |
МПа |
DIN EN ISO 527 |
|
Ударная прочность, A/S |
без повреждений |
кДж/м2 |
DIN EN ISO 179 (Метод Шарпи) |
|
Твердость |
80 |
- |
ISO 2039/2 (Метод Бринелля) |
|
Предел текучести после 1000 часов под статической нагрузкой, σт |
34 |
МПа |
ГОСТ 11262-80 и п.3.10 |
|
Предел прочности для 1 % удлинения после 1000 часов, σВ |
3 |
МПа |
ГОСТ 11262-80 и п.3.10 |
|
Коэффициент трения, µ |
0,3 |
- |
(по стали о=0,05 N/мм2, v=0,6 м/сек) |
|
Теплопроводность при Т=23 °С |
0,11 |
Вт/(м·К) |
ГОСТ 23630.2-79 |
|
Удельная теплоемкость при Т=23 °С, С |
1,2 |
Дж/(кг·К) |
|
|
Линейный коэффициент теплового расширения, α |
13 |
10-51/К |
ASTM D 696, DIN 53 483, IE-250 |
|
Диэлектрическая проницаемость, ε |
8 |
- |
ASTM D 150, DIN 7991, ASTM Е 831 |
|
Коэффициент диэлектрических потерь, tgδ |
0,06 |
- |
ASTM D 150, DIN 7991, ASTM Е 831 |
Окончание таблицы 3. 2.1
|
Характеристика |
Значения |
Единицы измерений |
Метод испытаний |
|
Объемное электрическое сопротивление, ρ |
1014 |
Ом·см |
ASTM D 257, ЕС 93, DIN IEС 60093 |
|
Поверхностное сопротивление, ρs |
1013 |
Ом |
ASTM D 149, DIN IEС 60093 |
|
Электрическая прочность, Епр |
10-60 |
кВ/мм |
DIN 53 481, IEC-243, VDE 0303 Teil2 |
|
Водопоглощение в нормальных условиях |
<0,05 |
% |
23°С/50% отн. влажность DIN EN ISO 62 |
|
Водопоглощение до насыщения |
<0,05 |
% |
DIN EN ISO 62 |
На сегодняшний день сшитый фторопласт марки Ф-2М применяется в качестве изоляции в кабелях для фиксированного монтажа ботовой электрической сети авиационной техники марки БПДО. Его конструкция состоит из ТПЖ из медных, луженых оловом проволок сечением от 0,35 до 95,0 мм2, изоляции из сшитого полиэтилена и сшитого поливинилиденфторида, экранированной оплетки из медных проволок, луженых оловом или олово-свинцовым сплавом.
Сшивают материал радиационном методом используя ускорители промышленного назначения.