Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 17 )

Высокомолекулярный (с молекулярной массой до 400000) полиизобутилен - каучукоподобное вещество, обладающее значительной липкостью. Он обладает хорошей холодостойкостью (сохраняет эластичность при температуре минус 80°С). Плотность полиизобутилена от 0,91 до 0,93 Мг/м3; по химической стойкости он близок к полиэтилену и полипропилену. Для увеличения твердости полиизобутилен часто смешивают с другими полимерами, например полиэтиленом, или же в полиизобутилен вводят наполнители. Полиизобутилен обладает чрезвычайно малой влагопроницаемостью.

Полистирол получается полимеризацией стирола, в свою очередь, получаемого путем синтеза, а также в качестве побочного продукта при сухой перегонке каменного угля.

Недостатками его являются хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещин, малая стойкость к действию растворителей (в частности жидких углеводородов) и невысокая нагревостойкость.

Полиакрилаты - полимеры эфиров акриловой кислот. Полиакрилаты имеют хорошую холодо-, масло - и щелочестойкость; в зависимости от вида спиртового остатка в молекуле мономера они могут иметь различные механические свойства - прочность, твердость, эластичность.

Наиболее распространенный из этих материалов - полиметил-метакрилат, т. е. полимер метилового эфира метакриловой кислоты (метилметакрилата).

Полиметилметакрилат известен под названиями органическое стекло, плексиглас и др. Этот прозрачный бесцветный материал широко применяется как конструкционный. Свойство выделять при воздействии электрической дуги большое количество газов придает ему качество дугогасящего материала. При разрыве дуги в ограниченном пространстве, в котором находится деталь из органического стекла, выделяющиеся газы создают высокое давление, что способствует гашению дуги (дугогасящими свойствами обладают также поливинилхлорид, фибра). Поэтому органическое стекло применяют в разрядниках высокого напряжения, где требуется быстрое гашение возникающей дуги.

Фторорганические полимеры (смолы) могут быть как нейтральными, так и полярными. Некоторые из диэлектриков, в состав которых входит весьма химически активный элемент фтор F, обладают ценными свойствами. Фтор входит в состав газов, имеющих особо высокую электрическую прочность, и жидких диэлектриков.

Из фторорганических смол в первую очередь рассмотрим политетрафторэтилен, который получается путем полимеризации тетрафторэтилена (этилен, в молекуле которого все четыре атома водорода замещены атомами фтора).

Благодаря симметричному строению молекул политетрафторэтилен неполярен. Этот материал выпускается в России под названием фторлон-4 или фторопласт-4 (цифра 4 указывает на число атомов F в мономере). Аналогичный материал известен за рубежом под названиями «тефлон», «дайфлон» и др.

Фторлон-4 обладает необычайно высокой для органического вещества нагревостойкостью (порядка +250°С), что объясняется высокой энергией связи С-F и экранирующим влиянием атомов F на связи между атомами углерода. Он исключительно химически стоек, превосходя в этом отношении даже золото и платину (на него не действуют соляная, серная, азотная и плавиковая кислоты, щелочи; некоторое действие на него оказывают лишь расплавленные щелочные металлы, фтор и фтористый хлор при повышенной температуре). Он совершенно негорюч, практически абсолютно негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями.

Фторлон-4 - белый или сероватый полупрозрачный материал; его плотность (2,1…2,3 Мг/м3) велика по сравнению с плотностью обычных органических полимеров. Материал сравнительно мягок и обладает склонностью к хладотекучести; его предел прочности при растяжении 14-25 МПа, предел прочности при изгибе от 11 до 14 МПа. По электроизоляционным свойствам фторлон-4 принадлежит к лучшим из известных диэлектриков: его диэлектрическая проницаемость в диапазоне частот от 01.01.01 Гц составляет 1,9…2,2, tgδ=0,0001…0,0003, ρ=1016 Ом×м. Холодостойкость материала характеризуется сохранением гибкости при температурах ниже минус 80°С, а для тонких пленок - даже ниже минус 100°С.

Фторлон-4 в определенных условиях может перерабатываться как пластическая масса; из него получают различные фасонные изделия, листы, гибкие пленки, изоляцию кабельных изделий и т. п. Выдающиеся свойства фторлона-4 позволяют применять его в особо ответственных случаях: при одновременном воздействии на изоляцию высоких или низких температур, химически активных сред, влаги и т. п. Широкому внедрению фторлона-4 препятствуют его высокая стоимость и сложность технологии. Фторлон-4 не смачивается смолами и лаками. Для придания этому материалу адгезионных свойств его поверхность должна активироваться. Два основных способа активации:

1) обработка фторлона-4 раствором металлического натрия в безводном аммиаке или тетрагидрофуране;

2) воздействие на фторлон-4 тлеющего разряда в вакууме. Оба эти процесса создают на поверхности фторлона-4 губчатую структуру, после чего клеящие вещества, заполняя поры этой структуры, прилипают к поверхности материала.

При температурах выше +400°С политетрафторэтилен начинает разлагаться с выделением весьма ядовитого газообразного фтора. Кроме того, этот материал обладает малой радиационной стойкостью и короностойкостью.

Гетероцепные термопластичные смолы - полиамидные смолы, которые имеют цепочные молекулы. Они обладают весьма высокой механической прочностью и эластичностью, растворимы лишь в ограниченном числе растворителей (в частности, в крезоле и расплавленном феноле).

Полиамиды широко применяются для изготовления синтетических волокон, гибких пленок и пластических масс. Полиамидные смолы обладают относительно высокой гигроскопичностью, легкой деформируемостью при повышенных температурах, малой радиационной стойкостью и низкой светостойкостью.

Из числа этих смол в особенно широко применяется капрон (силон, дедерон), имеющий температуру размягчения от 215 до 220°С.

Большое значение имеет также найлон с несколько более высокой температурой размягчения.

Модифицированные материалы типа полифениленоксида (с введением дополнительных алифатических остатков, атомов хлора и т. п.) более технологичны. Некоторые из этих материалов имеют длительно допускаемую рабочую температуру от 250 до 300°С и в то же время исключительную холодостойкость (сохраняют гибкость почти до температуры абсолютного нуля).

Полиуретаны - линейные полимеры, в цепочках молекул которых между углеводородными остатками располагаются группы - NHCOO-. Полиуретаны в известной степени сочетают в себе свойства полиамидов и полиэфиров. В определенных условиях полиуретаны могут образовывать и молекулы пространственной структуры.

Из применений полиуретанов следует отметить их использование для эмалирования проводов. Такие провода более нагревостойки, чем провода с изоляцией на поливинилацеталевых лаках, но уступают в этом отношении проводам с полиэфирной изоляцией. Особенность полиуретановых эмалированных проводов - способность их облуживать без предварительной зачистки эмалевой изоляции при простом погружении конца незачищенного провода в расплавленный припой. Недостатком полиуретановых эмалированных проводов является склонность к размягчению эмалевой пленки при повышенных температурах (начиная примерно со 150°С).

Полиэфирные смолы - продукты поликонденсации различных спиртов и кислот.

Поликарбонаты - полиэфиры угольной кислоты. Они обладают высокими механическими свойствами и применяются для изготовления пленок, в качестве связующего для стеклотекстолита, для производства литых изделий и т. п.

Эпоксидные смолы в чистом виде являются термопластичными материалами, растворяются в ацетоне и других подходящих растворителях, могут длительно храниться, не изменяя свойств. Однако после добавления к ним отвердителей эпоксидные смолы сравнительно быстро отверждаются, приобретая пространственное строение. Процесс отверждения представляет собой чистую полимеризацию, без выделения воды или других низкомолекулярных веществ. Поэтому эпоксидные смолы, к которым непосредственно перед их употреблением были добавлены отвердители, являясь уже термореактивными материалами, могут равномерно отверждаться в весьма толстом слое, образуя при этом монолитную, в высокой степени водонепроницаемую изоляцию.

В зависимости от типа отвердителя отверждение эпоксидных смол может проводиться либо при нагреве (обычно до 80…150°С), либо при комнатной температуре (холодное отверждение), либо без внешнего давления, что технологически проще, либо при повышенном давлении. В последнем случае получается изоляция, обладающая более высокой электрической прочностью.

Большим преимуществом эпоксидных смол является сравнительно малая усадка их при отверждении (от 0,5 до 2%), способствующая получению монолитной изоляции. Другим важным преимуществом эпоксидных смол является весьма высокая их адгезия к различным пластическим массам, стеклам, керамике, металлам и другим материалам. Отвержденные эпоксидные смолы обладают также довольно высокой нагревостойкостью, благодаря чему в ряде случаев они могут заменить, например, кремнийорганические смолы, более дорогие и имеющие невысокую механическую прочность.

Эпоксидные смолы сами по себе или в композиции с другими материалами применяются для изготовления клеев, лаков, заливочных компаундов, например, для заливки небольших трансформаторов или узлов аппаратуры.

Многие эпоксидные смолы (с отвердителями) оказывают на организм человека токсическое действие, вызывая, в частности, кожные заболевания. Это требует при работе с ними соответствующих мер охраны труда. Отвержденные эпоксидные смолы уже нетоксичны.

Лекция 7

АМОРФНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ЛАКИ, КОМПАУНДЫ

И ВОЛОКНИСТЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

7.1 Битумы

Битумы - аморфные материалы, представляющие собой сложные смеси углеводородов (обычно они содержат также некоторое количество кислорода и серы) и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный (или темно-коричневый) цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах легче ароматических (бензол, толуол и др.), несколько труднее - в бензине, немаслостойкие. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны, плотность их близка к 1 Мг/см3.