Глава 4 диэлектрические материалы

 

Диэлектрики образуют самую многочисленную группу электротехнических материалов. Они могут быть газообразными, жидкими или твердыми, аморфными, кристаллическими (моно- или поликристаллическими) или аморфно-кристаллическими, органическими, неорганическими или элементоорганическими (например, кремнийоргани-ческими), природными или синтетическими и, наконец, пассивными или активными. При всем своем многообразии все диэлектрические материалы обладают характерными свойствами: не пропускают электрический ток (имеют высокое сопротивление) и поляризуются в электрическом поле.

Органическими диэлектрическими материалами считают химические соединения, молекулы которых представляют собой цепочки или кольчатые системы из углеродных атомов. Атомы углерода образуют остов молекулы, а «обрамляют» его атомы водорода –Н и углеводородные группы (–СН₃, –С₂Н₅). В состав молекул могут входить бензольные кольца (–C₆H₅), пяти- или шестичленные циклы (–C₆H₁₁, –С₅Н₉), а также атомы кислорода, азота, фосфора и др. Химическая связь между атомами углерода и других элементов ковалентная, преимущественно слабополярная, а между атомами углерода – неполярная. Энергия связи между углеродными атомами составляет 263 кДж/моль.

Молекулярная масса органических веществ колеблется в широких пределах. Молекулярная цепь у низкомолекулярных соединений состоит из углеродных атомов в количестве от 2 до 50, а у высокомолекулярных соединений (например, у полимеров) – от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч и более (молекулярная масса порядка 10³–10⁶). Для низкомолекулярных соединений характерны летучесть и низкая температура кристаллизации. Полимерные диэлектрики при температурах выше температуры стеклования T_с обладают гибкостью и эластичностью, а ниже Т_с становятся твердыми. При температурах, выше температуры текучести T_Т, полимеры переходят в вязкотекучее состояние, и из них можно изготавливать волокна, пленки и другие изделия разнообразной формы. Органические диэлектрики, за небольшим исключением (политетрафторэтилен, полиимиды), имеют относительно низкую нагревостойкость и пожароопасны. Многие из них (например, резины, материалы на основе целлюлозы, нефтяные масла) относительно легко подвергаются световому и тепловому старению.

Неорганические диэлектрические материалы представляют собой сложные системы, состоящие из окислов некоторых металлов и металлоидов. Связь между атомами в них преимущественно ионная. Неорганические соединения характеризуются только химическим составом, структура большинства из них неизвестна.

Эти материалы, как правило, твердые и хрупкие, негибкие и неэластичные, имеют относительно высокую нагревостойкость, пожаробезопасны, стойки к окислению и действию электрических разрядов, УФ-лучей, озона и окислов азота. Однако технология их обработки более сложная, чем у органических материалов.

Кремнийорганические соединения (силиконы) представляют наиболее обширный класс элементоорганических веществ. Молекулы последних в своем составе, кроме атомов углерода и водорода, содержат также атомы кремния, кислорода, алюминия, титана, фосфора или другого химического элемента.

Характерной особенностью кремнийорганических соединений является то, что молярная цепь состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода, а боковыми («обрамляющими») частями – R являются атомы водорода –Н или углеводородные группы (–СН₃, –С₂Н₅, –С₆Н₅ и др.).

Таким образом, у кремнийорганических соединений остов молекулы имеет неорганическую природу, а «обрамляющие» группы – органическую. Энергия связи между атомами кремния и кислорода составляет 374 кДж/моль, что обеспечивает этим соединениям более высокую, чем у органических веществ, термическую и химическую стойкость. При нормальных условиях в зависимости от величины молекул кремнийорганические соединения могут находиться в жидком или твердом (полимерном) состоянии. Их молекулы имеют линейное, разветвленное или циклическое строение, образуя термопластичные или, чаще, термореактивные полимеры. В природе кремнийорганические соединения не встречаются, их получают только путем синтеза (поликонденсации). Широкое применение в электротехнике они получили благодаря ряду ценных качеств, прежде всего хорошим электроизоляционным свойствам, высокой тепло-, водо- и атмосферостойкости.

В зависимости от характера изменения электрических свойств под действием внешнего энергетического воздействия все диэлектрики можно разделить на пассивные и активные.

Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики в сравнении с газообразными обладают рядом преимуществ: у них примерно в три раза и более выше электрическая прочность, в три раза больше теплоемкость, в тридцать раз выше теплопроводность. Электрические свойства в значительной мере зависят от степени их очистки. Даже небольшое содержание примеси заметно ухудшает их электрические характеристики. Особенно существенно на электрическую прочностьжидких диэлектриков влияет нерастворенная полярная примесь, например вода.

Основное назначение жидких диэлектриков заключается в повышении электрической прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформатора, гашении электрической дуги в масляных выключателях.

Наиболее распространенными жидкими диэлектриками являются: нефтяные масла – трансформаторное, конденсаторное и кабельное; синтетические жидкости – полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические. Растительные технические масла – касторовое, льняное, конопляное и тунговое – в настоящее время в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

4.1.1. Нефтяные электроизоляционные масла

Нефтяные масла получают путем ступенчатой перегонки нефти с выделением и последующей обработкой первой масляной фракции – солярового масла. Обработка заключается в тщательной очистке от химически нестойких соединений и полярной примеси. Очистка достигается путем последовательной обработки серной кислотой, щелочью, промывки водой и сушки. В ряде случаев электроизоляционные масла дополнительно обрабатывают адсорбентами, которые активно поглощают остатки воды и полярную примесь.

Нефтяные масла – это слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу они представляют смесь различных углеводородов парафинового, нафтенового, ароматического и нафтеново-ароматического рядов с небольшим содержанием присадок, улучшающих их стойкость к термоокислительному старению, а также температурно-вязкостные характеристики.

Нефтяные масла имеют желтый цвет (от почти бесцветного до темного). Чем глубже очистка, тем светлее масло. С ростом содержания ароматических углеводородов и полярной примеси гигроскопичность масел увеличивается. Поэтому масла всегда гигроскопичны и имеют пониженные электрические свойства. Химический состав, а, следовательно, свойства и стабильность масла зависят от месторождения нефти.

4.1.1.1. Нефтяное трансформаторное масло. Оно получило наиболее широкое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных вводах. В трансформаторах нефтяное масло выполняет две основные функции: во-первых, заполняя поры волокнистой изоляции и промежутки между проводами обмоток, а также токопроводящими частями и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, улучшает отвод тепла, выделяющегося за счет потерь мощности в обмотках и в сердечнике трансформатора. В масляных выключателях трансформаторное масло способствует еще и быстрому гашению электрической дуги.

Нефтяное трансформаторное масло подразделяют на:

– свежее – поступившее от завода-изготовителя; оно может иметь отклонение от нормативных показателей по влаго- и газосодержанию;

– чистое, сухое – это масло «свежее», дополнительно прошедшее обработку (осушивание); оно соответствует всем нормируемым показателям и готово к заливке в оборудование;

– регенерированное – отработанное, прошедшее очистку с помощью физических, химических и физико-химических методов до требований нормативно-технической документации и пригодное к дальнейшему применению;

– эксплуатационное – залитое в оборудование и по показателям соответствующее нормам на эксплуатационное масло;

– отработанное – слитое из оборудования по истечению установленного срока службы или утратившее в процессе эксплуатации качества, установленные нормативно-технической документацией.

Эксплуатационно-технические характеристики трансформаторного масла нормируются стандартом. В табл. 4.1 приведены предельно допустимые значения основных характеристик нефтяного трансформаторного масла, подготовленного к заливке, а также находящегося в эксплуатации (в электрооборудовании).

Таблица 4.1

Предельно допустимые значения показателей качества трансформаторного масла, подготовленного и залитого в электрооборудование

Показатель	Значение показателей качества трансформаторного масла
	до залива в электрооборудование	после залива в электрооборудование
Пробивное напряжение, кВ, не менее, для трансформаторов, аппаратов и вводов напряжением до 15 кВ	30	25
15–35 кВ	35	30
60–150 кВ	60	55
220–500 кВ	60	55
750 кВ	70	65
1150 кВ	70	70
Тангенс угла диэлектрических потерь, %, не более, при 90°С до 500 кВ	2,2	2,6
750 кВ	0,5	0,7
1150 кВ	0,5	0,5
Температура вспышки в закрытом тигле, °С, не ниже	135	135
Газосодержание, % объема, не более (для герметичного электрооборудования)	0,1	0,2

По электрофизическим свойствам нефтяное трансформаторное масло является неполярным диэлектриком. Поэтому в чистом масле диэлектрические потери обусловлены в основном токами проводимости, величина которых мала, следовательно, малы и диэлектрические потери (tg δ). Механизм пробоя масла объясняет теория теплового пробоя, которая учитывает решающее влияние на образование газоразрядного канала проводимости нерастворенной в масле полярной, полупроводящей и проводящей примеси. Чистое масло имеет относительно высокие значения Е_пр. Электрическую прочность электроизоляционных масел обычно характеризуют величиной пробивного напряжения U_np в стандартной измерительной ячейке с расстоянием между электродами 2,5 мм.

В зависимости от степени очистки масла и частоты измерительного поля при 20°С e=2,2–2,3; tgδ=10^–4, r=10¹⁰–10¹³ Ом·м, Е_пр =10–28 кВ/мм. У чистого сухого масла Е_пр при нагревании от 60 до 80°С практически не изменяется, а выше 80°С снижается в результате образования пузырьков газа из легких фракций масла и, как следствие этого, увеличения неоднородности электрического поля.

Вода, растворенная в масле, увеличивает электропроводность и tgd, и изменяет электрическую прочность. Содержание воды(влаги) в трансформаторном масле ухудшает его эксплуатационные свойства. Масло способно поглощать воду при 20°С ~0,1%, а при 60°С ~0,2%. При дальнейшем добавлении вода осаждается на дно сосуда. При содержании 0,05% нерастворенной воды электрическая прочность масла снижается более чем на 20%, но особенно сильно снижается при поглощении воды, когда масло загрязнено органическими волокнами. Масло может увлажняться как при транспортировке и хранении, так и в процессе эксплуатации вследствие химических процессов старения и возможного соприкосновения его с воздухом, всегда содержащим влагу.

Один из важнейших показателей, указывающих на развитие процессов окисления в трансформаторном масле, – кислотное число (к.ч.). Величина к.ч. непрерывно возрастает вследствие накопления в масле кислых продуктов, образующихся под воздействием молекулярного кислорода, т.е. в результате термоокислительной деструкции. Резкое повышение содержания кислых продуктов в масле указывает на необходимость его замены или регенерации. Кислотное число масла перед заливкой в трансформатор не должно превышать 0,02 мг КОН/1 г масла для электрооборудования с U_pa6 до 500 кВ и 0,01 мг КОН/1 г – свыше 500 кВ с ингибирующей присадкой. Предельно допустимое значение к.ч. масла составляет 0,25 мг КОН/1 г. При достижении к.ч. этого значения трансформаторные масла заменяют (или регенерируют).

Нефтяные масла представляют собой горючую жидкость. Степень их огнеопасности, зависящая от содержания в масле легко испаряющихся горючих веществ, оценивается температурой вспышки, которая у трансформаторного масла должна находиться в пределах 135–150°С, но не ниже 135°С.

Температура застывания масла – очень важная характеристика для масел, используемых в масляных выключателях и контактных устройствах для регулирования напряжения под нагрузкой, эксплуатируемых на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. С понижением температуры вязкость масла существенно возрастает, надежность работы электроаппарата резко снижается.

В соответствии с требованиями МЭК (Международной электротехнической комиссии) все отечественные трансформаторные масла имеют температуру застывания не выше минус 45°С.

Рассмотрим процессы, происходящие при старении нефтяного трансформаторного масла. При эксплуатации маслоналивного электрооборудования под воздействием кислорода воздуха (или другого окислителя) в масле протекают глубокие необратимые химические процессы, приводящие к ухудшению всего комплекса его эксплуатационно-технических характеристик. Эти процессы существенно ускоряются под действием теплового и электрического полей. Химические процессы старения вызывают, с одной стороны, деструкцию молекул масла и образование низкомолекулярных ионогенных продуктов (перекисей, органических кислот, воды и др.), увеличивающих ионную проводимость масла, с другой – процессы структурирования («осмоления») окисленных молекул с образованием коллоидных частиц и более высокомолекулярных продуктов – шлама. Коллоидные частицы совместно с ионогенной примесью снижают удельное сопротивление масла и увеличивают диэлектрические потери. Шлам и другие нерастворенные в масле продукты старения, а также частицы примесей, внесенные в него извне, образуют мелкодисперсную фазу, которая увеличивает неоднородность электрического поля в масле, существенно снижает его электрическую прочность, а также увеличивает tg d. Особенно опасными являются примеси, размер частиц которых составляет от 2 до 10 мкм.

Таким образом, старение ухудшает рабочие параметры масла. Поэтому при получении масла, его хранении и перед заливкой в электрооборудование, а также в процессе эксплуатации следует производить систематический контроль в соответствии с РД 34.43.105–89 («Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел»).

4.1.1.2. Нефтяное конденсаторное масло. Конденсаторное масло получают из трансформаторного путем его более глубокой очистки адсорбентами и обезгаживания в вакууме. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного масла: e=2,1–2,3, tgδ не более 2·10^–3 при 20°С и частоте 1 кГц; ρ не менее 10¹² Ом·м при 20°С и 10¹¹ Ом·м при 100°С, E _пр не ниже 20 кВ/мм, температура застывания минус 45°С.

Конденсаторное масло используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. При пропитке в результате заполнения пор бумаги маслом увеличиваются диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность бумаги, а, следовательно, возрастают емкость конденсатора и его рабочее напряжение или же при тех же параметрах емкости и рабочего напряжения снижаются габариты, масса и стоимость конденсатора.

Для пропитки бумажных конденсаторов используют также вазелиновое масло, которое по электрическим свойствам близко к нефтяному конденсаторному маслу, но имеет более высокую температуру застывания (минус 5°С).

4.1.1.3. Нефтяное кабельное масло. Кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей на напряжения до 110 кВ и выше. В первом случае для пропитки бумажной изоляции используют масло с кинематической вязкостью не более 37 мм²/с (при 20°С) и не более 9,6 мм²/с (при 50°С). Для повышения вязкости до указанных значений в масло добавляют канифоль или синтетический загуститель.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа), рассчитанных на напряжение от 110 до 500 кВ, используют особо тщательно очищенное нефтяное масло, имеющее значение tgd не более 0,003 (при 50 Гц и 100°С), Е_пр не менее 20 кВ/мм (при 50 Гц и 20°С), кинематическую вязкость при 20°С не более 800 мм²/с и при 50°С не более 50 мм²/с; температура застывания должна быть не выше минус 30°С, а температура вспышки не ниже плюс 200°С.

4.1.2. Синтетические жидкие диэлектрики

Нефтяные электроизоляционные масла являются наиболее доступными и недорогими жидкими диэлектриками, обладающими при хорошей очистке достаточно высокими электроизоляционными характеристиками – малой величиной tgd и высокой Е_пр. Недостатки нефтяных масел: пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность (достаточно высокая у окисленных масел). Для пропитки бумажных конденсаторов желательно иметь жидкий диэлектрик с более высоким значением Е_пр.

Некоторые свойства рассматриваемых ниже жидких синтетических диэлектриков лучше, чем у нефтяных масел. Наиболее широко распространенными из них являются полихлордифенил, кремнийорганические и фторорганические жидкости.

Кремнийорганические жидкости – вещества, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния Si и кислорода О и имеют линейное строение. Кремний-кислородная связь называется силоксановой и имеет высокую термическую и химическую стойкость (энергия связи равна 374 кДж/моль), поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температурах (вплоть до 250°С).

Кремнийорганические жидкости бесцветны, растворимы в органических растворителях (например, бензоле), нерастворимы в воде и спиртах. Они нетоксичны, не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью (–70°С). Их можно отнести к неполярным диэлектрикам. При 20°С и 100 Гц e=2,4–2,8, tgd=(1–3)·10^–4, r=10¹¹–10¹² Ом·м, Е_пр =14–18 кВ/мм. Их используют для пропитки конденсаторов, работающих при повышенных температурах.

Недостатки: сравнительно легко загораются (горят сильно коптящим пламенем), значительно (в несколько десятков раз) дороже нефтяных масел.

Фторорганические жидкости – вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. В зависимости от величины молекул эти соединения могут быть газообразными (например, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈, C₄F₁₀), жидкими (например, C₅F₈, C₈F₁₆, C₁₄F₂₄) или твердыми (например, полимер ПТФЭ (–CF₂–CF₂–). Эти соединения пожаробезопасны (полностью негорючи), абсолютно негигроскопичны и имеют высокую нагревостойкость (до 300°С).

Фторорганические жидкости – неполярные диэлектрики: при 20°С и 100 Гц ε=2,2–2,5; tgδ=(1–2)·10^–4; ρ=10¹²-10¹⁴ Ом·м, Е _пр=12–19 кВ/мм. Они обеспечивают более интенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Кроме того, их пары значительно увеличивают электрическую прочность газовой среды в аппарате и повышают рабочее напряжение.

Недостатки: токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, взаимодействие с резинами, окисью железа (окалиной, ржавчиной), медью, что приводит к их загрязнению, а также высокая стоимость (более чем в 1000 раз дороже нефтяных масел).

4.1.3. Растительные масла

К ним относятся касторовое масло и «высыхающие» масла – тунговое, льняное и конопляное. Молекула масел представляет собой триглицерид жирных кислот – химическое соединение глицерина и трех жирных кислот. Жирные кислоты имеют цепочку, состоящую преимущественно из 18 углеродных атомов. Растительные масла – слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость (до 240°С), используется главным образом как пластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов.

Высыхающие масла применяют в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе электроизоляционных), эмалях и красках. Так как каждая жирная кислота триглицерида этих масел содержит несколько двойных связей, они легко полимеризуются, образуя плотные влаго- и коррозионностойкие пленки. В полимеризации участвуют жирные кислоты, имеющие две и особенно три двойные связи. Таких кислот в высыхающих маслах содержится до 85–90%. В качестве катализатора полимеризации («высыхания») используют сиккативы, например, оксид свинца РbО. Высыхание этих масел является процессом, связанным не с испарением жидкой фазы (растворителя), а с химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация.

Термопласты

Термопласты, или термопластичные полимеры, представляют группу диэлектриков, обладающих хорошими электрическими свойствами, что обеспечивает их широкое использование в электро- и радиотехнике. Макромолекулы их имеют строение линейное или разветвленное. В большинстве случаев термопласты – это аморфные или аморфно-кристаллические полимеры, нерастворимые в воде, однако, как правило, растворимые в близких по природе органических растворителях; они слабо гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам (кислотам и щелочам). Ряд из них имеет достаточно низкую температуру стеклования, поэтому при комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше температуры текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом состоянии из них изготавливают изделия. Повторный нагрев снова приводит термопласты в пластическое состояние.

Все термопласты, за редким исключением (например, политетрафторэтилен и полиимиды), горючи, а изделия из них пожароопасны. Для снижения горючести и повышения тем самым пожаробезопасности электро- и радиоаппаратуры в полимеры в ряде случаев вводят антипирирующие добавки.

Антипирен – это вещество, которое при температуре горения разлагается с выделением большого количества негорючих газообразных продуктов, снижающих концентрацию кислорода в зоне горения до величины гашения пламени.

В большинстве случаев термопласты используют в производстве изделий без наполнителей, поэтому их часто называют смолами, которые могут быть природными и синтетическими.

В электроизоляционной технике термопласты применяют как самостоятельно, например изоляция проводов и кабелей, каркасы катушек индуктивности, пленки для производства конденсаторов, волокнистые материалы, так и в виде составной части клеев, лаков, компаундов, пластмасс. Используют их и как конструкционные материалы. Все термопласты по своему поведению в электрическом поле подразделяются на две большие группы: термопласты неполярные и полярные. Для снижения температуры стеклования Т_с, увеличения термо- или светостойкости в термопласты вводят небольшие количества соответствующих добавок (стабилизаторов, пластификаторов), в некоторых случаях – красители.

4.2.1. Неполярные термопласты

Они имеют высокие значения удельного объемного сопротивления ρ,  электрической прочности Е_пр и низкие диэлектрические потери tgδ. Значения диэлектрической проницаемости ε и tgδ у них мало зависят от температуры и частоты в широком интервале (табл. 4.2). Это позволяет использовать неполярные термопласты в области ВЧ и СВЧ.

Таблица 4.2

Свойства синтетических полимеров (смол)

Полимеры (смолы)	Предел прочности при растяжении, МПа	Относительное удлинение при разрыве, %	Водопоглощение за 30 сут при 20°С, %	e при частоте 1 МГ при температуре 20°С	r при температуре 20°С, Ом·м	tgd·10^4при частоте 1 МГц и температуре 20°С	Епр при частоте 50 Гц и толщине ~1 мм, кВ/мм
1	2	3	4	5	6	7	8
Неполярные термопласты
Полиэтилены	10–33	200–800	0,005–0,01	2,2–2,4	10^15–10^16	2–4	45–60
Полипропилен	30–35	200–800	0,03	2,0–2,2	10^14–10^16	2–5	30–35
Полиизобутилен	2–4,4	550–1000	0,05	2,2–2,3	10^14–10^15	3–5	16–23
Полистирол	35–41	1,5	0–0,07	2,5–2,6	10^|4–10^16	1–3	25–35
Политетрафторэтилен	14–35	250–500	–	1,9–2,2	10^15–10^18	2–2,5	40

 

Продолжение табл. 4.2

1	2	3	4	5	6	7	8
Полярные термопласты
Политрифторхлорэтилен	30–40	70–200	–	2,5–2,7	10^14–10^15	100	20–25
Поливинилхлорид	40–60	5–100	0,4–0,6	3,5–4,5	10^12–10^13	150–180	35–45
Полиамиды	54–108	100–150	1,4–3,3	4–6	10^11–10^12	220–300	20–25
Полиимиды	160–180	65	0,8 (при 1000°С)	3,5	10^15	6–16	160–200
Полиэтилентерефталат	150–200	70	0,5	3,1–3,5	10^13–10^15	20–200	30
Поликарбонаты	65–80	50–110	0,2	3,0	10^14–10^15	6–20	30
Полиуританы	50–60	500–1000	0,2	4,5–5,0	10^12	200–300	26
Полиметилметакрилат	76	3	0,2	2,8–3,7	10^11–10^12	200–300	18–35
Поливинилформаль	60–70	5–10	0,5–3,0	3,3	10^11–10^14	200	26
Реактопласты
Феноло- и крезолоформальдегидные	49–56	1,0–1,5	0,1–0,2	4,5–5,0	–	150–300	12–16
Анилиноформальдегидные	60–70	–	0,01–0,08	3,5–3,6	10^12–10^13	20–60	20
Карбамидоформальдегидные	56–92	–	0,5–0,7	6,6–7,7	10^10–10^11	300	12–16
Меламиноформальдегидные	56–92	0,6–0,9	0,3–0,6	3,5–7,6	10^10–10^11	500	12–16
Глифталевые	21–28	–	0,08–0,10	6,0	10^12	–	–
Эпоксидные (диановые)	20–50	–	0,25	3,6–4,0	10^12–10^14	40–180	16–18

Следовательно, неполярные термопласты относятся к классу высокочастотных диэлектриков. Для них характерны следующие значения электрических характеристик: ε=2–2,6; ρ=10¹⁴–10¹⁸ Ом·м; tgδ~10⁴; Е_пр ≈до 60 кВ/мм при толщине пленок ~1 мм; у пленок толщиной 0,02–0,1мм Е_пр имеет значения до 250 кВ/мм. На значения электрических характеристик, особенно ρ, сильно влияет присутствие ионогенной примеси. Чем выше степень чистоты и меньше влажность неполярного полимера, тем лучше его электрические свойства. Этим можно объяснить значительную разницу в значениях r, приведенных в литературных источниках.

4.2.1.1. Полиэтилен (ПЭ). ПЭ – бесцветный прозрачный продукт полимеризации газообразного этилена; имеет общую химическую формулу (–СН₂–СН₂–). Фактически строение молекул ПЭболее сложно, чем это отображено формулой. В молекулярной цепи, хотя и в малом количестве, имеются боковые ответвления в виде –СН₃, –С₂Н₅ и более сложных групп, двойные связи (не только в цепи, но и в ответвлениях), карбонильные группы в значительной мере и определяют электрические свойства ПЭ. Температура стеклования имеет примерно такие же значения, что и температура хрупкости. ПЭ пожароопасен, горит голубоватым пламенем с запахом горящей парафиновой свечи.

В зависимости от условий полимеризации различают полиэтилен высокого давления (ПЭВД), низкого давления (ПЭНД) и среднего давления (ПЭСД). ПЭВД получают при давлении 1470–2500 атмосфер (147–250 МПа) и температуре 180–270°С. Для получения ПЭНД и ПЭСД используют катализаторы. Полимеризация протекает при давлении и температуре, равными соответственно для ПЭНД 3–5 атмосфер (0,3–0,5 МПа) и 70–80°С, для ПЭСД 34–39 атмосфер (3,4–3,9 МПа) и 160–180°С. ПЭВД является полиэтиленом низкой плотности (ПЭНП), а ПЭНД и ПЭСД – полиэтиленами высокой плотности (ПЭВП).

Выпускают различные марки полиэтилена, отличающиеся плотностью, наличием или отсутствием стабилизаторов. Кроме того, отдельные партии ПЭ окрашивают в различные цвета. ПЭ при комнатной температуре не растворим в органических растворителях и лишь при температурах выше 70°С набухает и с трудом растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. К действию растворителей и масел ПЭНД более стоек, чем ПЭВД. ПЭВД имеет сравнительно низкую плотность (910–930 кг/м³), содержит в молекулярной цепи до 36 боковых ответвлений на каждую тысячу атомов углерода, которые затрудняют процесс кристаллизации Поэтому ПЭВД содержит всего 50–65% кристаллической фазы Его молекулярная масса равна (8–50)·10⁴, Т_пл =105–108°С, σ _р =10–17 МПа, σ _и =11,8–16,7 МПа, относительное удлинение при разрыве δ=500–800%, твердость по Бринеллю 13,7–24,5 МПа.

ПЭНД имеет плотность, равную 950–960 кг/м³, содержит до 6,0 боковых ответвлений на каждую тысячу углеродных атомов, степень кристалличности составляет 75-85% Его молекулярная масса равна (8–350)·10⁴, Т_пл =120–125°С, σ _р =22–30 МПа, σ _и =19,6–34,3 МПа, δ=300–800%, твердость по Бринеллю 44–60 МПа.

ПЭСД имеет плотность 960–970 кг/м³, содержит по 2,5 боковых ответвлений на каждую тысячу углеродных атомов. Меньшее число дефектов (числа боковых ответвлений) в молекулярной цепи, чем у ПЭВД, облегчает кристаллизацию, поэтому он имеет более высокую плотность (960–970 кг/м³) и степень кристалличности (80–90%), чем ПЭВД. Молекулярная масса равна (30–40)·10⁴, Т_пл =127–130°С, σ _р =27–33 МПа, σ _и =24,5–39,2 МПа, δ=200–800%, твердость по Бринеллю 60–64 МПа.

С повышением плотности ПЭ увеличиваются его температура плавления, разрушающие напряжения при растяжении σ _р и изгибе σ _и, модуль упругости и твердость; эластичность при этом снижается. Изделия из ПЭ при длительной статической нагрузке деформируются: из ПЭНД – при нагрузке, равной 2,45 МПа (25 кгс/см²), а из ПЭВД – при нагрузке 4,9 МПа (50 кгс/см²). Изделия из ПЭ, находящиеся длительное время в напряженном состоянии, могут растрескиваться.

ПЭ обладает высокой водостойкостью. Водопоглощение за 30 суток при 20°С составляет у ПЭВД – 0,02%, ПЭНД – 0,005% (при 70°С – 0,04%), ПЭСД менее 0,01%. Пленки из ПЭВД имеют низкую проницаемость по отношению к водяным парам, но высокую к газам. У ПЭВД диэлектрические потери несколько ниже, а стойкость к старению несколько выше, чем у ПЭНД и ПЭСД. Однако ПЭНД обладает несколько лучшими физико-механическими свойствами, чем ПЭВД. Стоимость ПЭВД ниже, чем ПЭНД и ПЭСД.

Нагревостойкость ПЭ при кратковременном воздействии тепла ограничивается ухудшением механических характеристик, а при длительном воздействии в условиях доступа воздуха – окислением. Нагревостойкость ПЭ составляет 80–90°С. Для повышения нагревостойкости в ПЭ вводят различные стабилизаторы. В некоторых случаях уже готовые изделия (например, кабели, электроизоляционные трубки, муфты, пленки) подвергают ионизирующему облучению. При облучении происходит частичная сшивка молекулярных цепей ПЭ благодаря наличию в них небольшого количества двойных связей (дефекты строения) и образованию пространственной структуры. Облученный ПЭ более тверд и имеет нагревостойкость, ограниченную тепловым старением, – до 105°С, а кратковременную нагревостойкость – до 200°С. Облученные в деформированном состоянии изделия из ПЭ обладают интересной способностью – при умеренном нагреве восстанавливают форму и размеры, существовавшие до облучения.

Полиэтилен широко используют в производстве разнообразных проводов и кабелей, в том числе высокочастотных и силовых. В настоящее время ПЭ является одним из крупнотоннажных материалов в кабельной промышленности. Перерабатывается ПЭ в изделия методом экструзии при 150–230°С.

4.2.1.2. Полипропилен (ПП). ПП – бесцветный материал высокой прозрачности для видимого света – получают путем полимеризации газообразного пропилена в присутствии катализатора. Общая химическая формула ПП:

Как и ПЭ, полипропилен огнеопасен. Молекулярные цепи имеют высокую регулярность, что облегчает их кристаллизацию. Поэтому ПП обладает высокой степенью кристалличности – 90–95%, плотность его равна 900–910 кг/м³, молекулярная масса (8–20)·10⁴, Т_пл =160–170°С, твердость по Бринеллю 59–64 МПа, удельная ударная вязкость σ _уд =78,5 кДж/м². Существенный недостаток ПП – низкая морозостойкость.

ПП в сравнении с ПЭ имеет более высокую нагревостойкость и прочность при растяжении, большую твердость и жесткость. Его «длительная» нагревостойкость не более 105°C. При комнатной температуре ПП нерастворим в органических растворителях, при температуре 80°С и выше растворяется в хлорированных и ароматических углеводородах. Устойчив к действию кислот и щелочей, а также минеральных и растительных масел даже при повышенных температурах. Меньше, чем ПЭ, подвержен растрескиванию под воздействием агрессивной среды. Пленки из ПП наряду с высокой нагревостойкостью, прозрачностью и механической прочностью имеют низкую газо- и паропроницаемость.

При повышенных температурах в присутствии кислорода ПП окисляется; физико-механические и электрические свойства при этом ухудшаются. ПП также окисляется под действием прямого солнечного света. В помещении или на открытом воздухе в отсутствие прямых солнечных лучей свойства ПП не изменяются в течение длительного времени. Для увеличения стойкости к тепловому и световому старению в ПП вводят стабилизаторы. Наиболее перспективной областью его применения является конденсаторостроение.

4.2.1.3. Полиизобутилен (ПИБ). Это бесцветный продукт полимеризации изобутилена в присутствии катализаторов. Общая химическая формула

–

ПИБ, как и ПЭ, огнеопасен. Производят его в виде низко-, средне- и высокомолекулярных продуктов. Высокомолекулярный ПИБ имеет молекулярную массу (20–25)·10⁴; устойчив к действию кислот, в том числе концентрированной HNO₃ и щелочей. Его плотность равна 910–930 кг/м³, морозостойкость составляет –50°С. ПИБ растворим в алифатических, ароматических и хлорированных углеводородах, в сероуглероде, нерастворим в полярных жидкостях: спиртах, кетонах, сложных эфирах. Под действием солнечных лучей и кислорода его свойства ухудшаются. Для повышения стойкости ПИБ к ультрафиолетовым лучам в него вводят активные наполнители – сажу, графит (до 150%).