Тема 3.6 Пластмассы, пленочные материалы

«Пластмассы»

Пластмассами называются материалы, из которых благодаря их пластичности или текучести в стадии технологической переработки получают изделия (детали) более или менее сложной формы, сохраняющейся в последующее время после охлаждения или отверждения. Обязательной составной частью пластмассы является связующий, материал, который в стадии переработки в изделие придает пластмассе пластичные свойства, т. е. способность принимать определенную форму. В некоторых случаях пластмассы на 100% состоят из связующего материала. В качестве связующего в электроизоляционных пластмассах обычно применятся следующие материалы: 1) полимеры синтетические органические термореактивные и термопластичные; 2) полимеры кремнийорганические и фторорганические; 3) эфиры целлюлозы.

Кроме связующего, в состав пластмассы могут входить и другие материалы, по своему значению разделяющиеся на такие группы: наполнители, пластификаторы, ускорители отверждения, красители, вспомогательные материалы. Свойства деталей из пластмассы в первую очередь определяются качеством связующего, однако и наполнители также оказывают определенное влияние.

Наполнители могут быть волокнистые и порошкообразные. Основное назначение волокнистых наполнителей - увеличение механической прочности, уменьшение хрупкости. В качестве наполнителя часто применяется древесная мука — тонкоизмельченная древесина, сохраняющая свою волокнистость. Она применяется в пластмассах не очень высокого качества, но зато является самым дешевым волокнистым наполнителем. Более высококачественным наполнителем, чем древесная мука, является
древесная целлюлоза и не пригодные для текстильного производства хлопковые очёсы. Благодаря более чистому и более длинному волокну очесы обеспечивают при том же связующем большую механическую прочность прессованным изделиям и лучшие электрические параметры, чем древесная мука и целлюлоза. Детали с высокой механической прочностью получают при использовании в качестве наполнителя рубленой ткани. В этом случае прессматериал получается обычно в виде текстолитовой крошки – мелко нарубленной хлопчатобумажной ткани, пропитанной соответствующими полимерами, обычно фенолформальдегидными.

К числу неорганических волокнистых наполнителей относятся асбестовое и стеклянное волокно. Асбестовое волокно без специальной магнитной очистки дает пластмассы со сравнительно невысокими электроизоляционными свойствами, но довольно высокими механическими и повышенной нагревостойкостью. Стеклянные волокна обеспечивают наряду с повышенными механическими свойствами и нагревостойкостью также высокие электроизоляционные свойства и малую влагопоглощаемость. Находит применение и стеклотекстолитовая пропитанная крошка, детали из которой по сравнению с деталями, из хлопчатобумажной текстолитовой крошки отличаются повышенными электроизоляционными свойствами, нагревостойкостью и пониженной влагопоглощаемостью. Наибольшей нагревостойкостью обладают пластмассы, изготовленные с минеральными наполнителями (кварцевая мука, маршаллит, молотая слюда, тальк, каолин) на основе нагревостойких связующих (кремнийорганических).

Порошкообразный наполнитель вводится не во все пластмассы. Он увеличивает твердость, уменьшает усадку при охлаждении деталей после высокотемпературного прессования, чем способствует уменьшению опасности растрескивания деталей и получению деталей с точными и стабильными размерами.

Кварцевая мука и молотая слюда применяются в пластмассах с повышенными электроизоляционными свойствами (с пониженным tg δ).

Пластификаторы (высококипящие органические жидкости) добавляют в некоторые пластмассы, часто не содержащие наполнителей, для уменьшения хрупкости. Пластификаторы не должны быстро улетучиваться из материала, оставаться в нем в равномерно распределенном состоянии.
К числу вспомогательных добавок в пластмассы можно отнести смазывающие вещества, предохраняющие от прилипания к пресс-формам (соли стеариновой кислоты). Количество наполнителя в пластмассах колеблется в очень больших пределах, доходя до 60 – 65% по объему.

Пластмассы изготовляют разными технологическими приемами, сущность которых сводится или к тщательному смешиванию связующего и наполнителя с последующим приданием композиции технологически удобного вида или изготовлению гранул, если материал не содержит наполнителя, а состоит из одного полимера. Материал с мелковолокнистым наполнителем изготовляется в виде порошка, с длинноволокнистым наполнителем — в виде бесформенной волокнистой твердой массы.

Детали из пластмасс широко используются как электроизоляционные, конструкционно-изоляционные и чисто конструкционные. Особенно широко они применяются в производстве электрических аппаратов и приборов, в том числе высокочастотных, а также мелких электрических машин. Широкому применению пластмасс способствует все увеличивающаяся их номенклатура и разнообразные ценные свойства, а также особенность технологии получения деталей из пластмасс. Некоторые пластмассы имеют высокие электроизоляционные свойства и могут применяться при сравнительно высоких напряжениях и высоких частотах; другие имеют настолько высокие механические характеристики, что могут применяться взамен конструкционных деталей из различных металлов и сплавов. При этом облегчается масса изделий, повышается эксплуатационная надежность аппаратуры с точки зрения вероятности пробоя изоляции, повышается коррозионная стойкость.
Очень ценным технологическим свойством пластмасс является возможность получения за одну операцию прессования деталей весьма сложной формы, часто с запрессовкой металлических деталей.

Методы получения деталей из пластмасс, выбор которых зависит от особенностей применяемого материала и до некоторой степени от вида детали: 1) прессование компрессионное (прямое) и литьевое; 2) литье под давлением (пресс-литье); 3) выдавливание через фигурные щели (экструзия). Компрессионное прессование особенно широко применяется для получения деталей из пресс-композиций на основе термореактивных смол. Особенности литьевого прессования заключаются в том, что прессматериал перед подачей в саму форму проходит предварительный обогрев (пластифицируется) в специальной камере, расположенной над формой. После разогрева материал подается в пресс-форму специальным плунжером. Метод литья под давлением используется преимущественно для получения деталей из термопластов и термореактивных смол. Метод экструзии заключается в выдавливании размягченной смолы из цилиндра специального пресса. Таким путём из полимеров (поливинилхлорид, полиэтилен и др.) получаю цилиндрические изделия разных диаметров — стержни и трубы, изолируют провода, получают тонкие полимерные пленки и т. п.

а — пресс-форма открыта (1— нижняя часть формы; 2 — формующая часть; 3 — литник; 4 — пресс-материал); б — пресс-форма в процессе
прессования (5 — пуансон).

Рисунок 29 Принцип действия литьевой пресс- формы

Рисунок 30 Каркасы аппаратных катушек из полиамида.

На рис. 30 показана типичная продукция, получаемая методом пресс-литья из термопласта полиамида. Перед операцией литья под давлением полиамиды следует высушить для уменьшения содержания в них влаги. Отлитые детали обычно подвергают дополнительной термообработке, чаще всего в разных жидких средах, для снятия внутренних напряжений, во избежание растрескивания, а также дополнительной кристаллизации.

«Пленочные материалы»

Пленочные материалы довольно широко применяются в электроизоляционной технике. Они представляют собой тонкие гибкие материалы из различных термопластичных полимеров.

Растягивание пленок в нагретом состоянии и охлаждение под натяжением вызывают обычно кристаллизацию и повышение механической прочности. Вытяжка может быть односторонней — продольной и двусторонней — продольно-поперечной. Некоторые растянутые пленки при нагревании могут давать значительную усадку, что иногда используют для самоуплотнения изоляции, намотанной из пленки, например, в производстве пленочных конденсаторов.

Особенностями полимерных пленок являются высокие электрические и механические свойства, большая растяжимость, во многих случаях высокая влагостойкость.

В некоторых случаях, например для пазовой изоляции низковольтных электрических машин, требующиеся значения пробивного напряжения могут быть достигнуты при малых толщинах пленок, не обеспечивающих, однако, необходимой механической прочности и технологичности. Поэтому пленки часто применяются для этих целей в композиции с бумагами из синтетических волокон (пленкосинтокартон), поскольку целлюлозный картон имеет низкую нагревостойкость. Пленки можно разделить на два больших класса: неполярные и полярные. Неполярные или слабо полярные тонкие пленки, имеющие
обычно значения диэлектрической проницаемости 2-2,5, tg δ около 10-4 и высокую стабильность параметров при колебаниях температуры, особенно пригодны для радиоконденсаторов. Применяются пленки для изоляции проводов и кабелей, а также аппаратуры, например, в трансформаторах и аппаратных катушках (межслойная изоляция). Полярные пленки, обычно имеющие большую нагревостойкость, чем неполярные (исключение составляют
фторопласты), нашли широкое применение в электромашиностроении в качестве пазовой (чаще в сочетании с бумагами и стеклотканями) и витковой изоляции. В настоящее время пленки в сочетании с конденсаторной бумагой находят применение и в производстве силовых маслонаполненных конденсаторов.

Тема 3.7 Резины

Характерное свойство всех резин – большая эластичность, то есть способность значительно удлиняться при растяжении без остаточного удлинения после снятия растягивающей нагрузки. Имеют высокую водостойкость и газонепроницаемость резин и хорошие электроизоляционные характеристики. Основным компонентом резин является натуральный (НК) или синтетический (СК) каучуки. Это полимеры, обладающие двойными химическими связями, склонными к соединению молекул друг с другом в процессе вулканизации. В результате получают высокоэластичный, упругий материал, обладающий водостойкостью и газонепроницаемостью.

Для проведения процесса вулканизации в исходную резиновую смесь вводят серу (1—3 %) или тиурам, а для ускоренного процесса вулканизации — сложные органические вещества, например каптакс.

Компонентами резиновых смесей являются также наполнители. К активным наполнителям, повышающим механическую прочность резин, относятся цинковые белила и углеродистая сажа. Среди неактивных наполнителей наибольшее применение имеют мел, тальк и каолин, которые вводят для удешевления резин.

Кроме того, в исходные резиновые смеси вводят мягчители (стеариновую кислоту, парафин и др.) и противостарители (неозон). Мягчители улучшают пластичность сырых резин (это облегчает наложение резиновой изоляции на жилы проводов), а также снижают температуру их вулканизации. Противостарители повышают стойкость резиновой изоляции к окислению, тепловому и световому старению. Под действием нагрева, света и окислителей (кислород, озон) резиновая изоляция становится хрупкой и растрескивается.

Иногда в резиновые исходные составы вводят красители: железный сурик, цинковые белила и др., понижающие изоляционные свойства резин.

Сырая резина обладает пластичностью, легко накладывается на голую жилу провода и обволакивает ее, образуя основную изоляцию. Наносят сырую резину на жилы проводов на специальных экструзионных машинах. Аналогично наносят защитные резиновые оболочки на кабели. Для этой цели используют шланговые резины с пониженными изоляционными свойствами.

Чтобы сырая резина обладала эластичностью, достаточной механической прочностью и высокими электрическими характеристиками, ее подвергают вулканизации. Вулканизация — это процесс тепловой обработки слоя сырой резины на жилах проводов при 140—200 °С в зависимости от ее состава. Так, для резин на кремнийорганическом каучуке температура вулканизации составляет 180—200 °С, а сам процесс производится в два этапа. Для большинства других резин температура вулканизации 140—160 °С.

Для проведения процесса вулканизации провода, покрытые слоем сырой резины, наматывают на металлические барабаны, которые загружают в вулканизационные котлы. В паровую рубашку котла и в его
внутреннее пространство впускают насыщенный водяной пар под давлением 0,5—2,0 МПа или нагретый воздух. Процесс вулканизации длится 30—70 мин и более.

При вулканизации молекулы серы (или тиурама) вступают в химическую реакцию с молекулами каучука, соединяя их друг с другом поперечными мостиками. Это придает резинам большие механическую прочность
и изоляционные свойства по сравнению с каучуками. Часть молекул серы, непрореагировавших с молекулами каучука, оставаясь свободными, могут выделяться на поверхности резины и, соприкасаясь с поверхностью
медных жил, вступают с ней в реакцию, образуя сернистую медь CuS, вредно действующую на резину. Во избежание этого резиновую изоляцию накладывают на луженую медную проволоку. На алюминиевую проволоку резиновую изоляцию можно накладывать непосредственно.

Повышенными электрическими и механическими характеристиками обладают резины, применяемые для изоляции жил кабелей на напряжения выше 1000 В. По сравнению с электроизоляционными резинами электрические характеристики шланговых резин ниже, а механические — выше.

Рабочие температуры резиновой изоляции на основе натурального и синтетических каучуков находятся в пределах от — (50÷70) до + (65 ÷85) °С. Исключение составляют резины на кремнийорганическом каучуке,интервал рабочих температур которых очень широк — от —100 до +200 °С.

Необходимая форма должна быть придана резиновой изоляции или резиновым изделиям до вулканизации, так как после вулканизации резина из-за своей упругости уже не будет сохронять форму, приданную ей под действием механических усилий. Из резины при вулканизации под давлением в соответствующих формах можно получить сравнительно сложные изделия, к числу которых относятся средства защиты для работы под напряжением (перчатки, боты, галоши). Вулканизированная резина легко склеивается резиновым клеем, представляющим собой раствор каучука в бензине.

Эбонит выпускается в виде пластин, прутков, трубок, фасонных деталей, которые вулканизируются непосредственно в пресс-формах. Эбонит выпускают из натуральных, синтетических каучуков и их смесей. Он представляет собой твердый вязкий материал, который хорошо обрабатывается механически и хорошо полируется. Полированная поверхность более устойчива против выделения серы под воздействием света. Сера окисляясь, создает проводящие соединения, снижающие поверхностное сопротивление эбонита. Промывкой поверхности нашатырным спиртом и дистиллированной водой можно восстановить первоначальное состояние. Эбонит применяется в виде деталей в аппарато- и приборостроении. Из него изготавливают аккумуляторные баки. Он обладает хорошими электроизоляционными свойствами, влагостоек, но имеет малую теплостойкость.