§ 14. Смолы

Смолы – название обширной группы материалов, характеризующиеся как некоторым сходством химической природы (это некоторые смеси органических веществ, в основном высокомолекулярные), так и общими для них физическими свойствами. При достаточно низких температурах это аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими. Большая часть электроизоляционных смол нерастворима в воде и мало гигроскопична, но растворима в близких по химической природе органических растворителях. Обычно смолы обладают способностью при затвердевании прочно прилипать к соприкасающимся с ними твердым телам.

Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов (шеллак) или растений (канифоль); их получают в готовом виде и лишь подвергают несложным процедурам очистки, переплавки и т.п. К ним же относят и ископаемые смолы (янтарь), представляющие собой остатки разложившихся в земле деревьев.

Шеллак хорошо растворяется в спирте, почти нерастворим в бензине и бензоле, плавится при 80°С. В электротехнике применяется в основном в виде спиртового раствора для изготовления клеящих лаков, слюдяной изоляции, а также лакировки деталей.

Канифоль растворяется в спирте, бензоле, бензине, нефтяных и растительных маслах. В воде канифоль нерастворима. Применяется для изготовления лаков и компаундов, добавляется к нефтяному маслу при пропитке бумажной изоляции силовых кабелей, в большом количестве применяется как составная часть многих электроизоляционных смол.

Янтарь после расплавления при температурах выше 300°С растворяется в скипидаре, маслах, бензине. Имеет высокое значение удельного сопротивления (_S=10¹⁷ Ом·м), которое почти не зависит от влажности. Применяется ограниченно из-за дороговизны, главным образом в электроизмерительных приборах, в которых требуется высокое значение сопротивления изоляции.

К синтетическим смолам относятся: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат, полиизобутилен, политетрафторэтилен.

Полиэтилен [–СН₂–СН₂–]_п получается полимеризацией этилена при низком, среднем и высоком давлениях (соответственно обозначается ПЭНД, ПЭСД, ПЭВД). В зависимости от способа получения различается по плотности, молекулярной массе и степени кристалличности. Плотность полиэтилена 910…970 кг/м³, температура размягчения 110…130°С. Полиэтилен используется в изоляции кабелей как радиочастотных и кабелей телефонной связи, так и силовых; выпускается в виде пленок, лент и других изделий.

Полистирол [–H₂C–CH–C₆H₅–]_n получается полимеризацией стирола (жидкости состава C₈H₈), а также в качестве побочного продукта при сухой перегонке каменного угля. Полистирол химически стоек, устойчив к воздействию влаги, растворяется в углеводородах и эфирах. Температура эксплуатации изделий из полистирола не должна превышать 60°С.

Полистирол применяется для изготовления деталей электро– и радиоэлектронных приборов, в кабельной промышленности как высокочастотный изоляционный материал, для изготовления оптических стекол и при производстве лаков.

Недостатками полистирола являются его хрупкость при пониженных температурах, склонность к поверхностному образованию поверхностных трещин, малая стойкость к действию растворителей и невысокая нагревостойкость.

Поливинилхлорид (ПВХ) [–CH₂–CHCl–]_n – твердое вещество, стойкое к действию воды, щелочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. В технике и быту используется для изготовления пластмасс и резиноподобных продуктов.

ПВХ благодаря высокому содержанию хлора не воспламеняется и не горит. Разложение ПВХ начинается при температуре 170°С. ПВХ нерастворим в воде, спирте, бензине и многих других растворителях. При нагревании он растворяется в хлорированных углеводородах, ацетоне, обладает высокой стойкостью к действию сильных и слабых кислот и щелочей, смазочных масел.

ПВХ хорошо совмещается с пластификаторами, которые улучшают его эластичность, но несколько ухудшают диэлектрические свойства. В электротехнике жесткий материал, называемый винипластом, находит ограниченное применение. Для электрической изоляции, в частности для кабельной изоляции, применяется пластифицированный ПВХ, называемый пластикатом.

Введение пластификатора не только улучшает эластичность ПВХ, но и повышает его морозостойкость. Введением специальных пластификаторов можно получить пластикаты, которые можно использовать при температуре –60°С, однако следует учитывать, что при введении большого их количества резко возрастают потери проводимости.

Материалы на основе ПВХ имеют высокую влагостойкость, что обеспечивает широкое их применение для изоляции защитных оболочек кабельных изделий, изоляции проводов, а также в виде трубок, лент, листов в электрических машинах и аппаратах, работающих на промышленных частотах. ПВХ применяют также в качестве материала, гасящего электрическую дугу в отключающей аппаратуре.

Полиметилметакрилат – прозрачный бесцветный материал, известный под названиями органическое стекло, плексиглас и др. Широко применяется как конструкционный и дугогасящий материал в разрядниках высокого напряжения, где требуется быстрое гашение возникающей дуги.

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) [–CF₂–CF₂–]_n у нас в стране выпускается под названием фторопласт-4 (торговая марка) и получается полимеризацией тетрафторэтилена F₂C=CF₂. Степень кристалличности ПТЭФ примерно 90% (при температуре эксплуатации 50...70°С). Кристаллическая структура нарушается при температуре примерно 327 °С, после чего полимер переходит в высокоэластическое состояние, сохраняющееся до температуры разложения (примерно 415°С). Диапазон рабочих температур от –269 до 260 °С.

Высокая рабочая температура и химическая стойкость выделяют ПТФЭ из других органических полимеров. ПТФЭ не горит и не растворяется в диапазоне рабочих температур ни в одном растворителе, на него не действуют кислоты, щелочи и другие агрессивные вещества. Превосходя золото и платину по химической стойкости, ПТФЭ не смачивается водой, стоек к воздействию тропического климата и грибковой плесени. Некоторое воздействие на ПТФЭ оказывают лишь расплавленные щелочные металлы и атомарный фтор при повышенных температурах. ПТФЭ имеет исключительно высокие электроизоляционные свойства по сравнению с другими полимерами.

К недостаткам ПТФЭ относятся ползучесть, возникающая под действием небольших механических нагрузок, низкая устойчивость к воздействию электрической короны и радиации.

ПТФЭ не склеивается с другими материалами обычными методами, так как имеет плохую адгезию (клеящую способность, прилипание) к другим материалам, поэтому для склеивания его поверхность подвергают специальной обработке (в тлеющем разряде, химическим травлением и др.).

ПТФЭ применяют в радиоэлектронике, электротехнике для изготовления электрической изоляции проводов, кабелей, конденсаторов, трансформаторов, работающих при высоких и низких температурах или в агрессивных средах.

ПТФЭ физиологически безвреден, но при температуре выше 250 °С из него начинается выделение высокотоксичных газообразных продуктов, количество которых резко возрастает при нагревании выше температуры разложения.

При различных ремонтных и других работах с материалами на основе фторопласта не следует забывать, что при высокотемпературной обработке деталей (под влиянием электрической дуги, нагретого жала паяльника) в результате деструкции фторопласта-4 выделяются токсичные газообразные продукты HF, F, которые способны вызвать тяжелые отравления.