Атом водорода Классическая теория теплоёмкости Дебаевская теория Решётка Браве Проводимость твёрдых тел Проводники, полупроводники и изоляторы Прикладная математика и физика Электромагнитное взаимодействие Первообразная функция Интегрирование Вычислить производную задачи

Лекции по курсу Электротехнические материалыначало


Полимеры. Общие свойства

Для изготовления изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Полимеры - высокомолекулярные соединения, имеющие большую молекулярную массу. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок (элементарных звеньев), соединенных в цепи химическими связями. Например, в молекуле поливинилхлорида:

-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-CH2-CHCl-

повторяющимся звеном является группировка:

-CH2-CHCl-.

Полимеры получают из мономеров - веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев. Так как полимеры представляют собой смеси молекул с различной длиной цепи, то под молекулярной массой полимера понимают ее среднее статистическое значение. Молекулярная масса полимера может достигать значение несколько миллионов.

Степень полимеризации является важной характеристикой полимеров - она равна числу элементарных звеньев в молекуле. Например, структурную формулу поливинилхлорида можно записать в компактном виде

(-CH2-CHCl-)n,

где n - степень полимеризации. Полимеры с низкой степенью полимеризации называют олигомерами.

Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. При этой реакции в мономере и элементарном звене полимера соблюдается одинаковый элементный состав. Примером реакции является полимеризация этилена:

nH2C=CH2 --> (-H2C-CH2-)n.

Поликонденсация - реакция образования полимера из мономеров с одновременным образованием побочных низкомолекулярных продуктов реакции (воды, спирта и др.). Элементный состав мономерной молекулы отличается от элементного состава поимерной молекулы. Реакция поликонденсации лежит в основе получения важнейших высокополимеров, таких как фенолформальдегидные, полиэфирные смолы и др. Термином смола в промышленности иногда пользуются наряду с названием полимер.

Полимеры делят на два типа - линейные и пространственные в зависимости от пространственной структуры макромолекул. В линейных полимерах макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру. Макромолекулы пространственных полимеров связаны в общую сетку.

Термопластические полимеры (термопласты) получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают. При этом процессе не происходит никаких химических изменений. Для электрической изоляции применяются в основном в форме нитей или пленок, получаемых из расплавов. Способность к формированию и к растворению в подходящих по составу растворителях сохраняется у них и при повторных нагревах.

Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул (отверждения) переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым.

Линейные аморфные и кристаллизующиеся полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Кристаллические полимеры обычно содержат как кристаллическую, так и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от соотношения аморфной и кристаллической фаз - степени кристалличности.

Электрические свойства полимеров. Для неполярных, очищенных от примесей полимеров, полученных полимеризацией (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др.) характерны большие значения [DIE12A] (1014 - 1016 Ом.м), малый tg[Delta] (порядка 10 - 4), малое значение [Epsilon] (2.0 - 2.4). Полярные полимеры имеют более низкие значения [DIE12A] , большие значения [Epsilon] и tgб. Относительная диэлектрическая проницаемость слабополярных полимеров составляет обычно 2.8 - 4.0; для полярных в зависимости от строения полимера она меняется от 4 до 20. Влияние строения полимера на [Epsilon] в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом полярных групп в единице объема. [Epsilon] значительно возрастает при увеличении в полимере содержания воды. Увеличение степени кристалличности также приводит к увеличению [Epsilon]. Так, у аморфного полистирола [Epsilon] составляет 2.49 - 2.55, у кристаллического - 2.61. Для применения полимеров в кабельной технике предпочтительнее материалы с малой [Epsilon] (неполярные и слабополярные полимеры), в конденсаторостроении - с повышенными значениями [Epsilon]. При высоких частотах используются такие полимеры как полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, в которых мала [Epsilon] и диэлектрические потери. В низкочастотных конденсаторах или при постоянном токе, можно применять полимеры с повышенными значениями [Epsilon] в стеклообразном состоянии.

Значения tg[Delta] зависят от химического строения, структуры полимера. Низкомолекулярные примеси и, в частности, влага, включения пузырей воздуха, пыль, частицы низко- и высокомолекулярных веществ могут привести к появлению дополнительных максимумов в температурной зависимости tg[Delta]. Значения tg[Delta] для неполярных полимеров лежат в пределах от 10-4 до 10-3. Вблизи и выше Тс - температуры стеклования возможен рост tg[Delta] при повышении температуры, что обусловлено повышением ионной проводимости полимера. Значения tg[Delta] полярных полимеров в сильной степени зависят от частоты и температуры, что ограничивает их применение при высоких частотах.

Электрическая прочность Епр с повышением температуры резко снижается в области Тс для аморфных и Тпл для кристаллических полимеров. Полярные полимеры имеют более высокую Епр, чем неполярные в области комнатных и низких температур.

Нагревостойкость полимерных материалов. Длительная рабочая температура линейных полимеров за исключением фторсодержащих полифенилов не превышает 120оС, особенно нагревостойкость кремнийорганических и некоторых элементоорганических полимеров, длительная рабочая температура которых достигает 180 - 200оС. Высокую устойчивость к действию повышенной температуры проявляют полимеры пространственного строения.

Природные полимеры - целлюлоза, шеллак, лигнин, латекс, протеин и искусственные, получаемые путем переработки природных - натуральный каучук, целлюлоза и др. сыграли большую роль в современной технике. В некоторых областях, например в целлюлозо-бумажной промышленности они остаются незаменимыми. Однако для производства и потребления диэлектрических материалов в настоящее время наибольшее значение имеют синтетические полимеры.

 

Лекции по курсу Электротехнические материалыначало

Решение задач по физике, электротехнике, математике