3.8. Полимеры. Общие свойства

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

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 в несколько миллионов.

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

(-Н2С-СНС1-)п. гдеп—степень полимеризации. Полимеры с низкойстепенью 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 полимеризации является полимеризация этилена.

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 полимерной молекулы. Реакция поликонденсации лежит в основе получения важнейших высокополимеров, таких, как фенолоформальдегидные смолы, полиэфирные 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.

Термопластичные 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 термопласты применяются в основном в форме нитей или пленок, получаемых из расплавов. Способность к формованию 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. Для неполярных, очищенных от примесей полимеров, полученных полимеризацией (полиэтилен, полистирол, политет-рафторэтилен и др.) характерны большие значения ρ_v(10¹⁴—10¹⁶Ом·м), малый tgδ (порядка 10), малое значение ε (2,0-2,4). Полярные полимеры имеют более низкие значения р, большие значения ε и tgδ. 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 ε в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом полярных групп в единице объема, ε значительно возрастает при увеличении в полимере содержания воды. Увеличение степени кристалличности также приводит к увеличению ε. Так, у аморфного полистирола ε составляет 2,49-2,55, у кристаллического 2,61. Для применения полимеров в кабельной технике предпочтительнее материалы с малой ε (неполярные и слабополярные полимеры), в конденсаторостроении — с повышенными значениями ε. При высоких частотах используются такие полимеры как полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, в которых мала ε и диэлектрические потери. В низкочастотных конденсаторах или при постоянном токе, можно применять полимеры с повышенными значениями ε в стеклообразном состоянии.

Значения tgδ 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 tgδ. Значения tgδ для неполярных полимеров лежат в пределах от 10^-4до 10^-3. Вблизи и выше температуры стеклования возможен рост tgδ при повышении температуры, что обусловлено повышением ионной проводимости полимера. Значения tgδ полярных полимеров в сильной степени зависят от частоты и температуры, что ограничивает их применение при высоких частотах.

Нагревостойкость полимерных материалов. Длительная рабочая температура линейных полимеров за исключением фторосодержащих и полифе-нилов не превышает 120°С, особенно нагревостойки кремнийорганические и некоторые фторорганические полимеры, длительная рабочая температура которых достигает 180-200°С. 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 целлюлозно-бумажной промышленности они остаются незаменимыми. Однако для производства и потребления диэлектрических материалов в настоящее время наибольшее значение имеют синтетические полимеры.