Искусственные материалы, создаваемые благодаря прогрессу современной науки и техники, потеряли значение заменителей и сделались ценными материалами, играющими важную самостоятельную роль в электротехнической промышленности. Сейчас именно такие материалы — пластические, полимерные вещества — в свою очередь определяют дальнейший прогресс техники.
Изоляция проводов и кабелей, множество электромонтажных изделий, трубы для электропроводок, эпоксидные смолы и компаунды, лаки и эмали — вот далеко не полный перечень того, что изготовляет современная промышленность на основе пластических материалов для электромонтажного производства.
В чем же причина того, что пластические материалы за такой короткий срок завоевали себе широкую известность и быстрое распространение?
Причин несколько, но главными из них являются, безусловно, разнообразие и удачное сочетание в одном веществе многих ценных свойств, возможность по усмотрению человека широко варьировать эти свойства в процессе производства, сравнительная доступность и дешевизна источников сырья.
Изделия из пластмасс готовятся сравнительно просто, со значительно меньшими отходами сырья, вследствие чего эти изделия обходятся значительно дешевле.
Виды полимерных материалов
Пластическими массами в технике называют материалы, которые на определенной стадии своего производства обладают пластическими свойствами и в этих условиях могут быть отформованы в изделия необходимой формы.
В соответствии с типом применяемой смолы пластмассы могут быть термореактивными и термопластичными.
К термореактивным относятся такие пластические массы, которые при нагревании необратимо переходят в неплавкое и нерастворимое состояние (аминопласты, фенопласты, мочевиноформальдегидные смолы и т. п.).
К термопластичным относятся такие пластические массы, свойства которых при нагревании меняются обратимо. При нагревании они размягчаются, при охлаждении вновь затвердевают. К таким пластмассам относятся: полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, фторопласты, полиамиды и т. д.
Суть производства пластмассовой изоляции
Процесс производства пластмассовой изоляции основан на основном свойстве пластмасс - формуемости при нагревании. При воздействии тепла и механических воздействий материал становится пластичным и легко поддается формованию.
В кабельной промышленности это обычно создание непрерывной трубки вокруг проводящего сердечника или жилы кабеля. После получения нужной формы масса остывает, что переводит ее обратно в твердое состояние.
Основные виды пластмассовой изоляции проводов и кабелей:
- Полиэтилен - это один из самых распространенных пластмассовых материалов для изоляции кабелей, особенно высоковольтных. Он обладает хорошими диэлектрическими свойствами, стойкостью к влаге, кислотам, щелочам и низким температурам. Полиэтилен может быть сшитым (СПЭ) или несшитым (НПЭ). Сшитый полиэтилен имеет более высокую теплостойкость, механическую прочность и устойчивость к растрескиванию.
- Поливинилхлорид (ПВХ) - это другой популярный пластмассовый материал для изоляции кабелей, преимущественно низковольтных. Он характеризуется высокой пропускной способностью, допустимым током нагрузки, негорючестью и устойчивостью к повреждениям. ПВХ может быть пластифицированным или непластифицированным. Пластифицированный ПВХ имеет более высокую эластичность и стойкость к морозам, но более низкую теплостойкость и диэлектрическую прочность.
- Фторопласты - это семейство пластмассовых материалов, содержащих фтор в своей структуре. Они отличаются высокой теплостойкостью, химической стойкостью, гидрофобностью и низким коэффициентом трения. Фторопласты применяются для изоляции кабелей, работающих в агрессивных средах, при высоких температурах и частотах. К фторопластам относятся политетрафторэтилен (ПТФЭ), фторэтиленпропилен (ФЭП), перфторалкилвиниловый эфир (ПАВЭ) и другие.
- Полиамиды - это класс пластмассовых материалов, образованных поликонденсацией аминов и карбоновых кислот. Они имеют высокую механическую прочность, устойчивость к истиранию, удару и вибрации, а также хорошую термостабильность и диэлектрические свойства. Полиамиды используются для изоляции кабелей, подвергающихся механическим нагрузкам и температурным перепадам. К полиамидам относятся нейлон, капрон, арамид и другие
Полиэтилен
Полиэтилен относится к классу полиолефинов. Полиэтилен получается в результате реакций полимеризации газа этилена С2Н4, который содержится в природном газе, или при крекинге нефти.
Полиэтилен высокого, среднего и низкого давления получают тремя основными, но разными способами производства. Полиэтилен высокого давления (самый старый тип) имеет приблизительно линейные и лишь слегка разветвленные макромолекулы, в то время как полиэтилен низкого давления в значительной степени кристаллический, среднего давления является компромиссом.
Процесс получения полиэтилена ведется двумя путями:
- при высоком давлении (1200—1400 атм) и высокой температуре (200° С);
- при низком давлении (1—2 атм) и низкой температуре (60° С).
В первом случае получается полиэтилен высокого давления, во втором — полиэтилен низкого давления.
Различные свойства вещества, в том числе его плотность, являются следствием различного строения.
Полиэтилен высокого давления эластичен, имеет воскообразную поверхность, легко режется ножом. Полиэтилен низкого давления более твердый и обладает большей механической прочностью.
Полиэтилен с меньшим удельным весом называют полиэтиленом низкой плотности, полиэтилен с большим удельным весом — высокой плотности.
Полиэтилен высокой плотности обладает высокой химической стойкостью к кислотам, щелочам, растворам солей и различным органическим жидкостям. Полиэтилен низкой плотности набухает в жирах и маслах до растрескивания. Полиэтилен влагонепроницаем.
Существенный недостаток полиэтилена — его горючесть. Полиэтилен горит синим пламенем, расплавляясь и стекая горящими каплями. Устранить этот недостаток можно непосредственным хлорированием полиэтилена или вводом в него негорючих добавок (трехокиси сурьмы Sb2O3 и хлорированного парафина).
Другой его недостаток — нестойкость к ультрафиолетовым лучам. Под действием лучей полиэтилен желтеет, становится хрупким, теряет свою прочность. Для защиты полиэтилена от воздействия этих лучей в него вводится канальная сажа (20%).
В настоящее время развитое производство пластмасс предлагает несколько групп полиэтилена, при этом критерием для этого деления является именно плотность вещества. Так, можно встретить продукцию с маркировкой HDPE (High Density), LDPE (Low Density), а также самый молодой тип MDPE (Middle Density), а также другие подгруппы этих типов.
Полиэтилен легко перерабатывается в изделия на любом оборудовании для пластических масс. Он легко прессуется, наплавляется на другие материалы, выдувается в виде полых изделий, перерабатывается литьем под давлением, легко окрашивается красителями в любые цвета.
Сшитый полиэтилен
Внутренняя структура обычного полиэтилена состоит из линейных макромолекул, которые, в зависимости от способа получения, иногда очень слабо разветвлены, а иногда весьма разветвлены. Однако это всегда вещество, сохраняющее характерные черты пластика. Этот характер, а, следовательно, и полезные свойства полиэтилена можно изменить, если линейные макромолекулы соединить поперечными мостиками и создать пространственно сшитую структуру.
Это превращает пластик в эластомер. Это сшивание может быть достигнуто облучением или химическим путем, что технически более выгодно.
Реакционноспособное химическое соединение прививается к линейной макромолекуле, способной в подходящих условиях создавать необходимые сшивки между молекулами. В этом процессе используются силаны, и в результате получается полиэтилен, сшитый силаном.
Основным условием сшивания является наличие воды. Так как процесс происходит благодаря влажности воздуха, хранить вещество нужно только в сухих помещениях и не слишком долго.
Для того, чтобы сшивка происходила быстро и в точное время, катализатор добавляют только в момент обработки массы в экструзионной машине.
Процесс сшивания происходит в паровой среде при температуре от 80 до 90°С или даже на водяной бане. После сшивания изменяется структура полимера и, следовательно, его механические свойства. Материал перестает быть термопластичным и приобретает большую устойчивость к деформации при повышенных температурах.
Поливинилхлорид
Поливинилхлорид (ПВХ) представляет собой макромолекулярное вещество, созданное полимеризацией винилхлорида C2H3Cl. Это белый порошок, который сам по себе не обладает свойствами, необходимыми для производства фольги или сплошной изоляции проводников.
Чтобы приобрести это свойство, его необходимо смешать с другими веществами (чаще всего с необычными химическими соединениями), в результате чего получится размягченная смесь ПВХ.
Варьируя соотношение этих добавок, можно приготовить целый ряд смесей ПВХ с различными физико-химическими свойствами. Это, например, смеси, более устойчивые к погодным условиям, выдерживающие более высокие или низкие температуры, смеси более твердые, более мягкие, но также иные по цвету.
Дополнительными веществами являются:
- Пластификаторы – снижают температуру размягчения чистого ПВХ, улучшают обрабатываемость и влияют на мягкость и гибкость конечного продукта. Обычно используемые вещества представляют собой сложные эфиры ароматических кислот.
- Стабилизаторы – ограничивают разложение ПВХ при более высоких температурах, которые уже возникают при его обработке, а также при воздействии УФ-излучения. При разложении ПВХ выделяется нежелательный хлористый водород, который не только отравляет воздух, но и способствует разложению самого вещества.
- Наполнители – такие вещества, как CaCO3 и прокаленный каолин, улучшают удобоукладываемость смеси и удешевляют продукт.
- Красители – это различные цветовые концентраты, для светлых оттенков цвета титановые белила, а также сажа, стабилизирующая смесь от УФ-излучения.
Поливинилхлорид применяется в виде винипласта — непластифицированной или слабо пластифицированной смолы, получаемой путем термической пластификации поливинилхлоридной смолы, и пластиката пластичного материала, получаемого вальцеванием смолы с пластификаторами и стабилизаторами.
Введение в поливинилхлоридную смолу пластификаторов (дибутилфталата, диоктилфталата и т. п.) придает смоле эластичность, однако снижает механическую прочность и химическую стойкость пластиката.
Винипласт и пластикат стойки к действию слабых кислот и щелочей, солей, озона и хлора, бензина, масел, спиртов, но не устойчивы к действию ароматических и хлорированных углеродов.
К достоинствам винипласта и пластиката относятся атмосферостойкость, водостойкость, дугостойкость и негорючесть (самозатухание после удаления пламени). Однако область применения этих материалов ограничивается теплостойкостью (+60°С).
Винипласт и пластикат хорошо прессуются, штампуются, перерабатываются литьем под давлением и вакуум-формованием. Введение стабилизаторов (соединения свинца, бария, кадмия) придает композиции светостойкость, а также стабильность при температурах переработки.
Поливинилхлоридную смолу широко применяют также при изготовлении клеев и лаков, для чего ее дополнительно хлорируют.
Поливинилхлоридная смола хорошо растворяется в ацетоне, хлорбензоле, толуоле и дихлорэтане, легко перерабатывается на прессовом оборудовании для пластмасс.
Фторопласт-4
Фторопласт-4 относится к классу галоидопроизводных полиолефинов. Фторопласт-4 является полимером тетрафторэтилена, т. е. полностью фторированного полиэтилена, и представляет собой волокнистый тонкоизмельченный белый порошок.
Для получения изделий из фторопласта-4 порошок таблетируют при давлении 300— 350 кГ/см2 с последующим спеканием при температуре 327±10°.
В изделиях фторопласт-4 представляет собой белую массу с жирной скользкой поверхностью, напоминающую парафин.
Важнейшие достоинства фторопласта-4 — его негорючесть, а также стойкость к химическому воздействию, которая превышает даже стойкость золота, платины, стекла, фарфора и эмали.
Наиболее агрессивные химические вещества — крепкие и разбавленные кислоты, концентрированные растворы щелочей, самые сильные окислители — не оказывают на фторопласт-4 никакого действия даже при высоких температурах.
Фторопласт-4 не смачивается водой и не набухает в ней. При длительном пребывании фторопласта-4 в воде не обнаруживается ни какого увеличения веса образца. Не известен ни один растворитель, в котором фторопласт-4 хотя бы набухал.
Недостатком фторопласта-4 является его текучесть на холоде под действием механических нагрузок (псевдотечение).
Фторопласт-4 нашел широкое применение в виде тонкодисперсного порошка и суспензий (фторопласт-4Д).
Суспензия фторопласта-4Д применяется при разделительных электроизоляционных, антифрикционных покрытиях на различных металлах. Для получения прочных покрытий суспензия наносится не менее чем в 10 слоев, причем каждый слой подвергается спеканию при 340—360° С.
Капрон
Капрон (поликапролактам) является самым распространенным представителем полиамидов. Исходным сырьем для получения капрона служит фенол или бензол, которые являются продуктами переработки каменного угля.
Капрон обладает высокой прочностью на разрыв, изгиб и растяжение, а также высокой стойкостью к истиранию. Он может заменять металлические конструкции, намного облегчая их.
Существенным недостатком капрона является его водопоглощение, которое достигает 8—10%.
Ранее капрон применялся исключительно для получения волокна, которое нашло широкое применение во многих отраслях промышленности. В настоящее время область применения капрона намного расширилась: он обладает прекрасными литьевыми качествами и легко перерабатывается.
Полипропилен
Полипропилен относится к классу полиолефинов. Он получается при полимеризации газа пропилена, который входит в состав природного газа, или при пиролизе нефтяных продуктов.
Процесс полимеризации пропилена аналогичен процессу полимеризации этилена при низком давлении. Продукт, получаемый в результате этой реакции, имеет кристаллическое строение.
Полиэтилен и полипропилен принадлежат к одному классу полиолефиновых пластмасс, однако полипропилен обладает повышенной хрупкостью при отрицательных температурах, большей термостойкостью и механической прочностью.
Он является очень хорошим диэлектриком. Влажность окружающей среды совсем не сказывается на его диэлектрических свойствах.
К недостаткам полипропилена относятся его низкая морозостойкость (—35° С) и горючесть.
Кроме пластмассовой изоляции проводов и кабелей из полипропилена изготовляют трубы, применяемые при электромонтажных работах.
Применение пластмассовых труб в электропроводках дает большие преимущества перед другими видами труб. Пластмассовые трубы имеют несложную технологию обработки и малый вес.
Широкая область их применения облегчает труд монтажников, сокращает расход стальных труб и увеличивает производительность труда на монтаже.
Однако пластмассовые трубы также имеют некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при их выборе и использовании. Например, пластмассовые трубы имеют более низкую температурную стабильность, огнестойкость и механическую прочность, чем стальные трубы. Кроме того, пластмассовые трубы подвержены старению и деградации под воздействием света, влаги, кислорода и химических веществ.
Поэтому для защиты пластмассовых труб от этих факторов необходимо применять специальные покрытия, антиоксиданты, стабилизаторы и другие добавки. Также важно соблюдать правила монтажа, эксплуатации и хранения пластмассовых труб, чтобы обеспечить их надежность и долговечность.
Смотрите также по этой теме: Полимерные электроизоляционные материалы и их использование
Помимо конструкции кабеля, внешняя оболочка также во многом определяет характеристики и срок службы кабеля (смотрите - Показатели качества изоляции - сопротивление, коэффициент абсорбции, индекс поляризации и другие).
Материал внешней оболочки определяет, например, такие свойства, как термостойкость, стойкость к УФ-излучению, маслостойкость, огнестойкость (самозатухание) или содержание в кабеле галогенов или силикона.
Кроме того, материал внешней оболочки влияет на такие параметры, как гибкость, износостойкость, цветовая маркировка, защита от влаги, грызунов и насекомых. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при проектировании и монтаже кабельных линий.
И последнее, но не менее важное: внешняя оболочка в значительной степени влияет на цену кабеля и, следовательно, с точки зрения потребителя на экономичность всей электроустановки, в которой будет работать кабель. Поэтому при выборе кабеля настоятельно рекомендуется уделять особое внимание выбору оболочки кабеля.