Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 15 )

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора.

Из числа применяемых в нашей стране хлорированных дифенилов отметим совол.

Замена соволом нефтяного масла в производстве силовых бумажных конденсаторов позволяет снизить объем конденсатора при равной реактивной мощности примерно в два раза. Это дает большой экономический выигрыш, хотя совол и дороже масла. Совол более стабилен при работе в электрическом поле, чем масло. Недостатком конденсаторов, пропитанных соволом, является сильное уменьшение емкости при падении температуры ниже 0°С. Совол - прозрачная бесцветная жидкость с плотностью около 1,5 Мг/м3. Благодаря высокой температуре застывания (+5°С) и значительной вязкости в области рабочих температур, совол в чистом виде не может использоваться для заливки трансформаторов. Для этой цели совол должен разбавляться менее вязкими жидкостями.

Кремнийорганические жидкости обладают весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические соединения, кремнийорганические жидкости весьма дороги, что ограничивает их применимость. Эти жидкости имеют при 1 кГц и 20°С значение диэлектрической проницаемости от 2,5 до 3,3, тангенс угла диэлектрических потерь от 0,0001 до 0,0003; наивысшая допускаемая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250°С длительно и до 350°С кратковременно.

Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дороги.

Для использования в электрической изоляции сильнополярные жидкости должны быть чрезвычайно тщательно очищены, так как даже малейшие примеси существенно снижают их характеристики. Интересной проблемой является возможность использования в качестве диэлектрика конденсаторов сверхчистой воды (пока еще практически не полученной), имеющей ε=80.

6.5 Общие сведения об органических полимерах

Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы.

Как отмечалось выше, органическими веществами называют соединения углерода с другими элементами. Углерод обладает высокой способностью к образованию большого числа химических соединений с весьма разнообразным строением молекулы; он участвует в образовании веществ с цепочным, разветвленным или кольцевым «скелетом» молекул, состоящим или только из атомов углерода, или же из атомов углерода, между которыми заключены атомы других элементов. Сейчас известно более миллиона органических соединений, в то время как соединений, не содержащих углерод, известно всего лишь около пятидесяти тысяч.

Некоторые органические электроизоляционные материалы представляют собой низкомолекулярные вещества, молекулы которых образованы единицами или десятками атомов. Из уже рассмотренных нами веществ к ним относятся, например, фреон, углеводороды нефтяных масел, совол, лектронол.

Однако наибольшее число органических электроизоляционных материалов принадлежит к высокомолекулярным соединениям, т. е. к веществам с весьма большими молекулами, содержащими иногда многие тысячи атомов. Молекулярная масса таких веществ может доходить примерно до миллиона, а геометрические размеры молекул настолько велики, что растворы этих веществ, если они вообще способны растворяться, по свойствам приближаются к коллоидным системам.

К высокомолекулярным материалам принадлежат некоторые встречающиеся в природе (входящие в состав растительных и животных организмов) вещества, например: целлюлоза, шелк, белки, каучук и т. п.

Получаемые искусственным путем высокомолекулярные материалы могут быть разделены на два класса. Сюда относятся искусственные материалы, изготовляемые путем химической обработки природных высокомолекулярных веществ - так, например, при пере-работке целлюлозы получаются эфиры целлюлозы. Но наибольшее значение как для электроизоляционной техники, так и для многих других отраслей техники имеет второй класс - синтетические высокомолекулярные материалы, изготовляемые из низкомолекулярных веществ. Многие из этих материалов обладают ценными техническими свойствами, к тому же некоторые из них могут быть получены из дешевого и легкодоступного сырья (природный газ, нефть, ископаемые угли и пр.). Поэтому изучению, разработке и применению таких материалов для самых разнообразных целей, в том числе и для электрической изоляции, в последнее время уделяется весьма большое внимание, и промышленный выпуск их неуклонно увеличивается.

Практически важные высокомолекулярные соединения по своей химической природе являются полимерами, т. е. веществами, молекулы которых представляют совокупность весьма большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул сравнительно простых по своему составу веществ, так называемых мономеров.

Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса увеличивается, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость (в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твердого тела), уменьшается растворимость и т. д.

Простой пример: стирол - жидкий ненасыщенный углеводород, имеющий элементарный состав C8H8. Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода обладает способностью легко полимеризоваться. Образующийся в результате полимеризации из стирола (мономера) полимер стирола, так называемый полистирол, является уже твердым веществом, его молекула имеет сложное строение и может быть представлена как цепочка.

Процесс, противоположный процессу полимеризации, называется деполимеризацией.

В случаях, подобных рассмотренной выше полимеризации стирола, когда все атомы молекул мономера полностью входят в состав молекулы полимера, содержание каждого химического элемента в полимере должно быть таким же, как и в мономере. Но могут быть и более сложные случаи полимеризации. Таковы, например, совместная полимеризация (сополимеризация) нескольких мономеров различного состава и поликонденсация, когда не все атомы мономерных молекул входят в состав образующихся полимерных молекул, а одновременно с образованием полимера выделяется вода или иные низкомолекулярные вещества.

Полимеры делятся на две группы: линейные и пространственные полимеры. Молекулы линейных полимеров имеют вид цепочек или нитей (вообще говоря, не прямых, а изогнутых и переплетенных друг с другом), так что отношение длины молекулы к ее поперечным размерам чрезвычайно велико и может быть, например, порядка тысячи. Так, молекула полистирола при n=6000 имеет длину около 1,5×106м при поперечнике 1,5×10-9м.

Со строением полимеров связана и их способность при вытягивании из раствора или расплава образовывать тонкие, гибкие и прочные волокна, пригодные для изготовления текстильных материалов, а также гибкие пленки. Такой способностью обладают многие из линейных полимеров с достаточно длинными молекулами; пространственные полимеры не могут образовывать ни текстильных волокон, ни гибких пленок.

В практике весьма распространено разделение полимеров (и полимеризующихся при нагреве материалов) на две группы: термопластичные и термореактивные материалы.

Термопластичные материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими (пластичными) и легко деформируются, они могут растворяться в соответствующих растворителях. Характерной особенностью термопластичных материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств. После охлаждения эти материалы сохраняют способность растворяться и при новом подъеме температуры - размягчаться.

В противоположность материалам этой группы термореактивные (термоотверждающиеся) материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются («утверждаются), т. е. приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства растворимости и плавкости.

В свете сказанного становится понятным различие химической природы упомянутых двух групп материалов. Термопластичные материалы - это линейные полимеры, сохраняющие линейное строение молекул и при нагреве, таков, например, полистирол. Термореактивными же являются материалы, которые при нагреве приобретают строение, свойственное пространственным полимерам (так, стирол с добавкой дивинилбензола является уже термореактивным материалом).

Если электрическая изоляция в эксплуатации должна выдерживать воздействие повышенных температур, не размягчаясь, не деформируясь и сохраняя высокую механическую прочность, или если она должна быть также стойкой к действию соприкасающихся с ней растворителей (например, изоляция обмоток маслонаполненного трансформатора), то для такой изоляции более подходят термореактивные материалы.

Термопластичные материалы имеют свои преимущества: многие из них более эластичны и менее хрупки, чем термореактивные, и к тому же менее подвержены тепловому старению; в ряде случаев технология обработки термопластичных материалов проще.

Следует отметить, что за последние годы широко используются термопластичные материалы, обладающие повышенной нагревостойкостью (политетрафторэтилен, полиимиды и т. п.), которые могут применяться для изоляции, работающей при сравнительно высоких температурах. Наблюдается тенденция к расширению применения в электротехнике таких прогрессивных термопластичных материалов, как полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, поликарбонаты и др., в то время как применение более «старых» фенолоформальдегидных смол, например, не возрастает. В настоящее время термопластичные материалы составляют уже примерно 75% всех потребляемых мировой электропромышленностью полимерных материалов.