Курсовая работа по курсу " Электротехническое материаловедение" на тему "Органические диэлектрики "




Скачать 376.42 Kb.
Дата09.07.2016
Размер376.42 Kb.



МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрооборудования




КУРСОВАЯ РАБОТА


по курсу “ Электротехническое материаловедение”

на тему “Органические диэлектрики ”

Выполнил студент

гр.ЭО-97-2 Романовский Р.Ю.

___________________________

"____"__________________1999

Принял доцент

Торопцев В.П.

___________________________

___________________________

"____"_________________ 1999

Липецк 1999


КУРСОВАЯ РАБОТА


В данной работе рассматриваются основные виды органических диэлектриков. Также в курсовой работе приводятся свойства и структура термопластичных, полярных и неполярных, а также термореактивных пластмасс. Рассматриваются основные преимущества в использовании органических диэлектриков в качестве электроизоляционных материалов.
Табл.2. Рис.5.Библ.:5 назв.

ОГЛАВЛЕНИЕ




4

4

5



9

11

14



15

16

17



18

18

19



21

23

25



27

28


1.ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1.Общие сведения об органических соединениях

1.2. Классификация полимеров

1.3. Особенности свойств полимерных материалов

1.4. Ориентационное упрочнение

1.5. Релаксационные свойства полимеров

1.6. Старение органических диэлектриков

1.7. Радиоционная стойкость полимеров

1.8. Вакуумостойкость полимеров

1.9. Абляция

1.10. Адгезия

1.11. Состав, классификация и свойства пластмасс

1.12. Термопластичние пластмассы

1.13. Полярные термопласты

1.14.Термостойкие и термореактивные пластмассы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1.1Общие сведения об органических соединениях
Среди диэлектриков особое значение имеют высокомолекулярные органические материалы. Для того чтобы разобраться в свойствах и возможностях этих материалов, необходимо предварительно ознакомится с общими закономерностями, а также установить понятия и термины, которые неоднократно будут использоваться в дальнейшем изложении.

Как отмечалось выше, органическими веществами называют соединения углерода с другими элементами. Углерод обладает высокой способностью к образованию большого числа химических соединений с весьма разнообразным строением молекул; он участвует в образовании веществ с цепочечным, разветвлённым или кольцевым “скелетом” молекул, состоящим или только из атомов углерода, или же из атомов углерода, между которыми заключены атомы других элементов. Макромолекулы органического полимера представляют собой цепочки, состоящие из отдельных звеньев. Длина цепи в нескольло тысяч раз больше их поперечного сечения, поэтому макромолекулам полимера свойственна гибкость. Гибкость макромолекул является одной из отличительных особенностей полимера. Макромолекулы полимеров могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров полимеры или разнородных звеньев (сополимеры). Большое значение стерео регулярность полимера, когда все звенья и заместители расположены в пространстве в определённом порядке. Это придаёт материалу повышенные физико-механические свойства (по сравнению с нерегулярными полимерами).

Учение о строении органических веществ, до наших дней являющееся основой для познания этих веществ и создания новых их видов, было разработано в 60-х годах прошлого столетия выдающимся русским учёным А.M.Бутлеровым. Сейчас известно более миллиона органических соединений, в то время как соединений, не содержащих углерода, известно всего лишь около пятидесяти тысяч.

Наибольшее число органических электроизоляционных материалов принадлежит к высокомолекулярным соединениям, т.е. к веществам с весьма большими молекулами, содержащими иногда многие тысячи атомов. Молекулярная масса таких веществ может доходить примерно до миллиона, а геометрические размеры молекул настолько велики, что растворы этих веществ, если вообще способны растворяться, по своим свойствам приближаются к коллоидным системам. При таких больших размерах макромолекул свойства веществ определяются не только химическим составом молекул, но и их взаимным расположением и строением.

К высокомолекулярным материалам принадлежат некоторые встречающиеся в природе (входящие в состав растительных и животных организмов) вещества, например целлюлоза, шёлк, белки, натуральный каучук – органические полимеры; слюда, асбест, природный графит – неорганические полимеры (в их составе не углеродного скелета) и т.д. Однако ведущей группой являются синтетические полимеры.

Получаемые искусственным путём высокомолекулярные материалы могут быть разделены на два класса. Во-первых, сюда относятся искусственные материалы, изготавливаемые путём химической обработки природных высокомолекулярных веществ; так, например, припереработки целлюлозы получают эфирные целлюлозы. Но наибольшее значение как для электроизоляционной техники, так и для многих других отраслей техники имеет второй класс – синтетические высокомолекулярные материалы, изготавливаемые из низкомолекулярных веществ. Многие из этих материалов обладают ценными техническими свойствами, к тому же многие из них могут быть получены из дешёвого и легко доступного сырья (природный газ, нефть, ископаемые угли и пр.). Поэтому изучению, разработке и применению таких материалов для самых разнообразных целей, в том числе и для электрической изоляции, уделяется весьма большое внимание и промышленный выпуск их неуклонно увеличивается. Практически важные высокомолекулярные соединения по своей химической природе являются полимерам, т. е. веществами, молекулы которых представляют собой совокупность большого числа имеющих одинаковое строение групп атомов, и получаются в результате объединения друг с другом молекул сравнительно простых по своему составу веществ. Так называемых мономеров. Реакция образования полимера из мономера носит название полимеризации. При полимеризации молекулярная масса, естественно, увеличивается; возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость; в процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние весьма густой жидкости и далее в состояние твёрдого тела; уменьшается растворимость и т. д.

1.2.Классификация полимеров
Для удобствства изучения связи состава, структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул. Фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют органические, элементоорганические, неорганические.

Органические соединения представляют наиболее обширную группу соединений. Если основная молекулярная цепь таких соединений образована только углеродными атомами, то они карбоцепными полимерами.

В гетероцепных полимерах атомы других элементов, присутствующие в основной цепи, кроме углерода, существенно изменяют свойства полимера. Так, в макромолекулах атомы кислорода способствуют повышению гибкости в цепи, атомы фосфора и хлора повышают огнестойкость, атомы серы придают газонепроницаемости, атомы фтора, даже в виде радикалов, сообщают полимеру высокую химическую стойкость и т. д.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Ti, Al), сочетающиеся с органическими радикалами (СH3, C6H5, CH2). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость. В природе таких соединений не встречается. Представителями их являются кремнийорганические соединения.

В технических материалах используют отдельные виды полимеров и сочетание различных групп полимеров; такие материалы называются композиционными (например, стеклопластик).

Своеобразие свойств полимеров обусловлено структурой их макромолекул. По форме макромолекул органические полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвлённые, плоские, ленточные, пространственные. Линейные макромолекулы полимера представляют собой длинные зигзагообразные или закрученные в спираль цепочки (рис.1, а).

Гибкие макромолекулы с высокой прочностью вдоль цепи и слабыми межмолекулярными связями обеспечивают эластичность материала, способность его размягчаться при нагреве, а при охлаждении вновь затвердевать (полиэтилен, полиамиды и др.).

Разветвлённые макромолекулы (рис.1, б), являясь также линейными, отличаются наличием боковых ответвлений, что препятствует их плотной упаковке (плиизобутилен).

Макромолекула лестничного полимера (рис.1, в) состоит из двух цепей, соединённых химическими связями. Лестничные полимеры имеют более жёсткую основную цепь и обладают повышенной теплостойкостью, большей жёсткостью, они не растворимы в стандартных органических растворителях (кремнийорганические полимеры).

Пространственные полимеры образуются при соединении (''сшивке'') макромолекул между собой в поперечном направлении прочными химическими связями непосредственно или через химические элементы или радикалы. В результате образуется сетчатая структура с различной густотой сетки (рис.1, г). Редкосетчатые полимеры теряют способность растворяться и плавиться, они обладают упругостью (мягкие резины).

а) б)

в) г)



д)

Рис.1. Формы макромолекул полимеров

То есть следует вывод, что между свойствами линейных и пространственных полимеров имеются весьма существенные различия. Как правило, линейные полимеры гибки и эластичны; многие из них при умеренном повышении температуры размягчаются, а затем расплавляются. Пространственные полимеры обладают большей жёсткостью; размягчение их происходит лишь при высоких температурах, а многие из них ещё до достижения температуры размягчения химически разрушаются (сгорают, обугливаются и т. п.). Линейные полимеры обычно способны растворяться в растворителях; пространственные полимеры – труднорастворимы; многие из практически нерастворимы. Со строением полимеров связана и их способность при вытягивании из раствора или расплава образовывать тонкие. Гибкие и прочные волокна, пригодные для изготовления текстильных материалов, а также гибкие плёнки. Такой способностью обладают многие из линейных полимеров с достаточно длинными молекулами; пространственные полимеры не могут образовывать ни текстильных волокон, ни гибких плёнок. В практике весьма распространено разделение полимеров (и полимеризующихся при нагреве материалов) на две группы: термопластичные и термореактивные материалы. Термопластические материалы при достаточно низких температурах тверды, но при нагреве становятся мягкими (пластичными) и легко деформируются; они могут растворяться в соответствующих растворителях. Характерной особенностью термопластичных материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств. После охлаждения эти материалы сохраняют способность растворяться и при новом подъёме температуры размягчаться. В противоположность материалам этой группы термореактивные (термоотверждающиеся) материалы (реактопласты) при нагреве претерпевают необратимое изменение свойств: как говорят, они запекаются (отверждаются), т. е. приобретают значительную механическую прочность и твёрдость, теряя при этом свойства растворимости.

Из сказанного становится понятным различие химической природы упомянутых двух групп материалов. Термопластические материалы – это линейные полимеры, сохраняющие линейное строение молекул при нагреве; таков, например полистирол. Термореактивными же являются материалы, которые при нагреве приобретают строение, свойственное пространственным полимерам; так, стирол с добавкой дивинилбензола является уже термореактивным материалом.

Если электрическая изоляция в эксплуатации должна выдерживать воздействие повышенных температур, не размягчаться, не деформируясь и сохраняя высокую механическую прочность, или если она должна быть также стойкой к действию соприкасающихся с ней растворителей (например – изоляция обмоток маслонаполненного трансформатора), то для такой изоляции более подходят термореактивные материалы. Термопластические материалы имеют свои преимущества: многие из них более эластичны и менее хрупки, чем термореактивные, и к тому же менее подвержены тепловому старению; в ряде случаев технология обработки термопластичных материалов проще.

Следует отметить, что за последние годы появились термопластичные материалы, обладающие повышенной нагревостойкостью (политетрафторэтилен, полиимиды, которые могут применяться для изоляции, работающей при сравнительно высоких температурах. Гигроскопичность, механическая прочность, электроизоляционные свойства полимеров в значительной степени зависят от химического состава и строения молекулы. Полимеры с несимметрично построенными звеньями поляны и часто обладают заметной гигроскопичностью, но механическая прочность их при той же степени полимеризации обычно выше, чем у неполярных полимеров. Высокомолекулярные углеводороды практически неполярные, и гигроскопичность их ничтожно мала.

1.3.Особенности свойств полимерных материалов
Особенности строения полимеров оказывают большое влияние на их физико-механические и химические свойства. Вследствие высокой молекулярной массы они не способны переходить в газообразное состояние, при нагреве образовывать низковязкие жидкости, а термостабильные даже не размягчаются. С повышением молекулярной массы уменьшается растворимость. Полидисперсность, присущая полимерам, приводит к значительному разбросу показателей при определении физико-механических свойств полимерных материалов. Механические свойства полимеров (упругие, прочностные) зависят от их структуры, физического состояния, температуры и т. д. Полимеры могут находиться в трёх физических состояниях: стеклообразном, эластическом и вязкотекучем. Стеклообразное состояние – твёрдое, аморфное (атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательное движение около положения равновесия; движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит). Высокоэластичное состояние присуще только высокополимерам, характеризуется способностью материала к большим обратимым изменениям формы при небольших нагрузках (колеблются звенья, и макромолекула приобретает способность изгибаться). Вязко текучее состояние напоминает жидкое состояние, но отличается от него очень большой вязкостью (подвижна вся макромолекула). С изменением температуры линейный или разветвлённый полимер может переходить из одного физического состояния в другое.

Полимеры с пространственной структурой находятся только в стеклообразном состоянии. Редко сетчатая структура позволяет получать полимеры в стеклообразном и высокоэластичном состояниях. Различные физические состояния полимера обнаруживаются при заданном напряжении, от температуры называется термомеханической кривой (рис.2). На кривых имеются три участка, соответствующие трем физическим состояниям. Средние температуры переходных областей называются температурами перехода. Для линейного некристализируещегося полимера (кривая 1) область 1 – область упругих деформаций (e=2/5%),

Связанная с изменением расстояния между частицами вещества. При температуре ниже txp полимер становится хрупким. Разрушение происходит в результате разрыва химических связей в макромолекуле. В области 2 небольшие напряжения вызывают перемещение отдельных сегментов макромолекул и их ориентацию в направлении действующей силы. После снятия нагрузки молекулы в результате действия межмолекулярных сил принимают первоначальную равновесную форму. Высокоэластическое состояние характеризуется значительными обратимыми деформациями ( сотни процентов). около точки tт кроме упругой и высокоэластичной деформации возникает и пластическая.

Кристаллические полимеры ниже температуры плавления – кристаллизации tк – являются твердыми, но имеют различную жесткость (см. рис. 2 , кривая 2) вследствие наличия аморфной части, которая может находиться в различных состояниях. При tк кристаллическая часть плавится, и термомеханическая кривая почти скачкообразно достигает участка кривой 1, соответствующего высокоэластической деформации, как у некристаллического полимера.

Редко сетчатые полимеры (типа резин) имеют термомеханическую кривую типа 3. Узлы сетки препятствуют относительному перемещению полимерных цепей. В связи с этим при повышении температуры вязкого течения не наступает, расширяется высокоэластическая область и ее верхней границей становится температура химического разложения полимера (tx).

Температурные переходы (tс и tт) являются одними из основных характеристик полимеров.

Зависимость напряжения от деформации для линейных и сетчатых полимеров различна. Линейные полимеры в стеклообразном состоянии обладают некоторой подвижностью сегментов, поэтому не так хрупки, как неорганические вещества. При действии больших напряжений в стеклообразных полимерах развиваются значительные деформации, которые по своей природе близки к высокоэластическим. Эти деформации были названы А.П. Александровым вынужденно электрическими, а само явление – вынужденной эластичностью. Вынужденно эластические деформации проявляются в интервале температур t xp –tc , а при нагреве выше tc они обратимы (рис. 3,а). Максимум на кривой соответствует условию dq/de=0 и называется пределом вынужденной эластичности. У полимеров с плотной сетчатой структурой под действием нагрузки возникает упругая и высокоэластическая деформация, пластическая деформация обычно отсутствует (фенолоформальдегидная смола в стадии резит). По сравнению с линейными полимерами упругие деформации составляют относительно большую часть, высокоэластических деформаций гораздо меньше. Природа высокоэластических деформаций, как и в линейных полимерах, состоит в обратимом изменении конформации полимерной молекулы, но максимальная деформация при растяжении обычно не превышает 5-15%.

Для кристаллических полимеров зависимость напряжения от деформации выражается линией с чёткими переходами (рис.4). На первой стадии (участок 1) удлинение пропорционально действующей силе. Затем внезапно на образце возникает ''шейка'', после чего удлинение возрастает при постоянном значении силы до значительной величины. На этой стадии шейка (участок 2) удлиняется за счёт толстой части образца. После того как весь образец превратился в шейку, процесс переходит в третью стадию (участок 3), заканчивающуюся разрывом. По структуре и свойствам материал шейки отличается от структуры и свойств исходного образца: элементы кристаллической структуры ориентированы в одном направлении (происходит рекристаллизация). Зависимость напряжения от деформации при различных температурах и постоянной скорости растяжения для аморфного и кристаллического полимеров приведена на рис. 5. При tc кривые напряжение – деформация для кристаллического полимера подобны кривым для стеклообразного полимера.


1.4.Ориентационное упрочнение
Полимеры как в кристаллическом, так и в стеклообразном состоянии могут быть ориентированы. Процесс осуществляется при медленном растяжении полимеров, находящемся в высокоэластическом или вязкотекучем состоянии. Макромолекулы и элементы надмолекулярных структур ориентируются в силовом поле, приобретают упорядоченную структуру по сравнению с неориентированными. После того как достигнута желаемая степень ориентации, температура снижается ниже tc и полученная структура фиксируется.

В процессе ориентации возрастает межмолекулярное взаимодействие, что приводит к повышению tc, снижению txр и особенно к повышению прочности. Свойства материала получаются анизотропными. Различают одноосную ориентацию, применяемую для получения волокон, пленок, труб, и одноосновную, проводимую одновременно в нескольких направлениях (например, в процессе получения плёнок).




Д

Е

Ф



О

Р

М



А

Ц

И



Я




1

3

2

1


3




2


tхр tc tk tt tx

0

Рис.2. Термохимические кривые :

1-некристаллического линейного ;

2- кристаллического;

3- редкосетчатого полимеров

( tc , tk , tt , tx – температуры стеклования, кристаллизации, начала вязкого течения и начала химического разложения соответственно ), 1-3 участки стеклообразования , высокоэластического и вязкотекучего состояний



Н

А

П



Р

Я

Ж



Е

Н

И



Е
1

2

3




Н

А

П



Р

Я

Ж



Е

Н

И



Е




вын.эл.


Д Е Ф О Р М А Ц И Я

а) б)
Рис.3. Диаграммы растяжения:

а) – стеклообразного полимера(вын.эл. – предел вынужденной эластичности, 1- область упругих деформаций, 2 – область высокоэластической деформации);

б) – полимера с плотной сетчатой структурой



Н

А

П



Р

Я

Ж



Е

Н

И



Е

1 2 3




Д Е Ф О Р М А Ц И Я

Рис.4. Зависимость напряжения от деформации для кристаллического линейного полимера




t1

Н

А



П

Р

Я



Ж

Е

Н



И

Е
Н


А

П

Р



Я

Ж

Е



Н

И

Е


Д Е Ф О Р М А Ц И Я

t1

t2

t3

t2

t3

t4

t5

t6

а) б)



Рис.5. Влияние температуры на характер кривых напряжение – деформация



а – аморфного термопласта (t1< t2< t3 );

б – кристаллического полимера(t1< t2)

Прочность при разрыве в направлении ориентации увеличивается в 2 – 5 раз, в перпендикулярном направлении прочность уменьшается и составляет 30 – 50 % прочности исходного материала. Модуль упругости в направлении одноосновной ориентации увеличивается примерно в 2 раза. Высокая прочность сочетается с достаточной упругостью, что характерно только для высокополимеров. Некоторые свойства ориентированных аморфных и кристаллических полимеров одинаковы, однако они различаются фазовым состоянием, поэтому с течением времени у кристаллических полимеров улучшается их структура, а аморфные ориентированные полимеры чаще всего в дальнейшем дезориентируются ( особенно при нагреве).

1.5.Релаксационные свойства полимеров


Механические свойства полимеров зависят от времени действия и скорости приложения нагрузок. Это обусловлено особенностями строения макромолекул. Под действием приложенного напряжения происходит как распрямление и раскручивание цепей (меняется их конформация), так и перемещение макромолекул, пачек и других надмолекулярных структур. Всё это требует определённого времени, и установление равновесия (релаксация) достигается не сразу (от 10-4 с до нескольких суток и месяцев). Практическое значение имеют случаи релаксации напряжения при неизменяемом относительном удлинении и ползучесть при постоянной нагрузке в статических условиях. Когда образец мгновенно доведён до какого – то значения деформации и она поддерживается постоянной, то от перестройки структуры наблюдается постепенное падение напряжения в материале, происходит релаксация напряжения.

Для линейного полимера в условиях действия внешнего напряжения происходит перемещение макромолекул относительно друг друга. Напряжение постепенно снижается и в пределе стремится к нулю (рис. 205, а, кривая 1). В сетчатых полимерах процесс релаксации не может нарушить межмолекулярные химические связи, поэтому напряжение стремится не к нулю, а к какому – то равновесному значению (). Величиназависит от плотности химически сшитых цепей сетки (рис. 205, а, кривая 2). Процесс релаксации при постоянном напряжении (ползучесть) показана на рисунке 205, б. Деформация меняется во времен. Как для линейного, так и для сетчатого полимеров вначале мгновенно развивается упругая деформация (участок ОА). Затем от точки А в обоих образцах постепенно развивается равновесная высокоэластическая деформация. Для линейного полимера пластическая деформация (упр+в.э.+пл) более высокая. Через время 1 она продолжает расти (процесс течения), а в сетчатом полимере устанавливается равновесная высокоэлектрическая деформация (пластическая деформация отсутствует). После снятия нагрузки (время 2) упругая деформация (CD,C'D',OA) исчезает мгновенно, высокоэластическая – постепенно релаксируеит в сетчатом полимере до нуля, а в линейном остаётся пластическая деформация. Для всех полимеров характерно повышение предела прочности с увеличением скорости нагружения (рис. 206). При этом уменьшается влияние неупругих деформаций. С уменьшением скорости нагружения влияние неупругих деформаций возрастает. Для эластомеров графическая зависимость напряжения  деформация при нагружении и разгружении образца называется петлёй гистерезиса (рис. 207). При быстром нагружении (кривая 1) значение деформации отстаёт от равновесного (кривая 3), а при разгружении выше равновесного (кривая 2). Равновесная деформация соответствует равершённости релаксационных процессов. На отрезке 01 возникает пластическая деформация. Площадь петли гистерезиса – это разность между работой, затраченной на нагружение образца, и работой при снятии нагрузки. Чем больше площадь петли гистерезиса, тем больше энергии рассеивается, тратится на нагрев и активацию химических процессов.

При деформации полимерные материалы, также как и металлы, обладают статическим и динамическим сопротивлением. Зависимость долговечности полимера от напряжения, температуры и структуры выражается формулой Журкова.

=0eU0--/(RT) ,

где 0 - постоянная (для всех материалов 10-12-10-13 с);

U0 - постоянная для данного полимера (энергия химической связи в цепи);

- постоянная для данного полимера (состояние структуры);

- напряжение;

R – газовая постоянная;

T – абсолютная температура.

Следовательно, чем выше напряжение или температура, тем меньше долговечность. Температурно – временная зависимость прочности для полимерных материалов выражена сильнее, чем для металлов, и имеет большое значение при оценке их свойств.

1.6.Старение органических диэлектриков
Под старением полимерных материалов понимается самопроизвольное необратимое изменение важнейших технических характеристик, происходящее в результате сложных химических и физических процессов, развивающихся в материале в процессе эксплуатации и хранении. Причинами старения являются свет, теплота, кислород, озон и другие немеханические факторы. Различают старение тепловое, световое, озонное и атмосферное.

Испытание на старение проводится как в естественных условиях, так и искусственными ускоренными методами. Атмосферное старение проводится в различных климатических условиях в течение нескольких лет. Тепловое старение происходит при температуре на 50 C ниже температуры плавления (разложения) полимера. Продолжительность испытания определяется временем, необходимым для снижения основных показателей на 50 % от исходных.

Сущность старения заключается в цепной реакции, протекающей с образованием свободных радикалов (реже ионов), которая сопровождается деструкцией и структурированием полимера. Обычно старение является результатом окисления полимера атмосферным кислородом. Если преобладает деструкция, то полимер размягчается, выделяются летучие вещества (например, натуральный каучук), приструктурировании повышается твёрдость, хрупкость, наблюдается потеря эластичности (бутадиеновый каучук, полистирол). При высоких температурах (200 - 500C и выше) происходит термическое органических полимеров, причём пиролиз полимеров, сопровождаемый испарением летучих веществ, не является поверхностным явлением, а во всём объёме образца образуются молекулы , способные к испаряться. Стабильны к термодеструкции полимеры, обладающие высокой теплотой полимеризации (полиэтилен, полифенолы), полимеры с полярными заместителями (фторополимеры). Процессы сварения ускоряются под действием механических напряжений. Стойки к озону кремнийорганические соединения. В тропической атмосфере устойчивы полиэтилен, политетрафторэтилен, полиамидные волокна, неустойчивы натуральный и синтетические каучуки, воскоза, хлопчатобумажные волокна. Для замедления процессов старения в полимерные материалы добавляют стабилизаторы(различные органические вещества), антиоксиданты(амины, фенолы и др.). Длительность эксплуатации стабилизированных материалов значительно возрастает. Срок наступления хрупкости полиэтилена, стабилизированного сажей, составляет свыше 5 лет. Трубы из поливинилхлорида могут работать 10 – 25 лет.

1.7.Радиоционная стойкость полимеров


Под действием ионизирующих излучений в полимерах происходят ионизация и возбуждение, которые сопровождаются разрывом химической связи и освобождением свободных радикалов. Наиболее важным является процесс сшивания или деструкции. При сшивании увеличивается молекулярная масса, повышаются теплостойкость и механические свойства. При деструкции, наоборот, молекулярная масса снижается, повышаются растворимость, уменьшается прочность. К структурирующимся полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, полисилоксаны, полистирол, фенолформальдегдные и эпоксидные смолы, поливинилхлорид, полиамиды, поликарбонат. Наиболее устойчивы к радиации полимеры, имеющие бензольное кольцо в виде боковой группы (полистирол). Структура С6H6 – группа имеет большое число энергетических уровней, вследствие чего поглощённая энергия быстро рассеивается по всей молекуле, не вызывая химической реакции. Деструктируются политетрафторэтилен, политрифторхлорэтилен, нитроцеллюлоза, полиметилметакрилат. Для повышения радиационной стойкости в полимеры вводят антирады (ароматические амины, фенолы, дающие эффект рассеяния энергии). Радиационная стойкость полимера выражается дозой поглощения излучения и для разных полимерных материалов приведена на рис. 208.

1.8.Вакуумостойкость полимеров


Вакуум действует на полимерные материалы по – разному. Ухудшение их свойств связано с выделением из материала различных добавок (пластификаторов, стабилизаторов) и протеканием процессов деструкции. Например, политетрафторэтлен в вакууме в основном деполимеризуется. Для резин на основе углеводородных каучуков ускоряются накопление остаточной деформации и релаксации напряжения, что уменьшает работоспособность. Для ориентированных полимеров (полиамиды, полиэтилен, полипропилен) долговечность в вакууме и на воздухе одинаковы. Оценка вакуумостойкости даётся по газопроницаемости , по газовыделению и времени сохранения конструкционной вакуумплотности. Газопрницаемость – техническая характеристика, определяющая поток газа или пара через уплотнитель (мембраны, диафрагмы, герметичные прокладки). На газопроницаемость влияют состав, структура полимера, а также природа газа и температура. Газопроницаемость меньше у полярных линейных полимеров, а при наличии гибких макромолекул (каучуки) она возростает. При введении пластификаторов газонепроницаемость растёт, а минеральные наполнители её снижают. На газопроницаемость влияет вид газа: для азота она меньше, чем для кислорода и особенно водорода.

1.9.Абляция


Абляция полимерных материалов – это разрушение материала, сопровождающееся уносом его массы при воздействии горячего газового потока. В процессе абляции происходит воздействие суммарных механических сил, теплоты и агрессивных сред потока. Наряду с химическими превращениями при деструкции полимеров важную роль играют процессы тепло- и массообмена. Абляционная стойкость определяется устойчивостью материала кмеханической, термической и термоокислительной деструкции. На абляционную стойкость влияет также структура полимера. Материалы на основе полимеров линейного строения имеют низкую стойкость (происходит деполимеризация и деструкция). Температура абляции не превышает 900 C . Материалы на основе термостойких полимеров лестничного и стчатого строения (фенолформальдегидные, кремнийогганические и др.) имеют более высокую стойкость к абляции. В них протекают процессы обеструктурирования и обезуглероживания(карбонизации). Температура обляции может достигать 3000 C. Для увеличения абляционной стойкости вводят армирующие наполнители. Так, стеклянные волокна оплавляются, при этом расходуется много теплоты. Теплопроводность в сотни раз меньше, чем теплопроводность металлов, поэтому при кратковременном действии высокой температуры внутренние слои материала нагреваются до 200 – 350 C и сохраняют механическую прочность.

1.10.Адгезия


Адгезией называют слипание разнородных тел, приведённых в контакт. Адгезия обусловлена межмолекулярным взаимодействием. На способности полимеров к адгезии основано их использование в качестве плёнкообразующих материалов (клеи, герметики, покрытия), а также при получении наполненых и армированных полимерных материалов. Для создания адгезионного соединения один из материалов должен быть пластичным, текучим (адгезив), а другой может быть твёрдым (субстат). Иногда при соединении одинаковых материалов возникает самослипаемость (аутогезия). Количество адгезия оценивается удельной силой разрушения соединения, которая называется адгезионной прочносьтю. Для объяснения физико – механической сущности адгезийных явлений предложены следующие теории: адсорбционная , электрическая и диффузионная. Адсорбционная теория рассматривает адгезию как чисто поверхностный процесс, аналогичный адсорбции; плёнка удерживается на поверхности материала в результате действия межмолекулярных сил.

В основе электрической теории (работы Б. В. Дерягина и Н. А. Кротовой) лежат электрические силы. Адгезия – резултат действия электростатических и ван – дер – вальсовских сил.Электростатические силы определяются двойным электрическим слоем, всегда возникающем при контакте разнородных тел.

Диффузионная теория развиваемая С. С. Воюцким, предполагает , что при образовании связи между неполярными полимерами электрический механизм адгезии невозможен и адгезия обуславливается переплетением макромолекул поверхностных слоёв в результате их взаимодиффузии. Для получения высокойадгезионной прочности необходимо , чтобы адгезив был полярным с гибкими макромолекулами. На прочность соединения влияют температура. давление , время.

1.11.Состав, классификация и свойства пластмасс


Пластмассами (пластиками) называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется. В зависимости от природы связующего переход отформованной пластмассы в твёрдое состояние совершается или при дальнейшем его нагреве, или при последующем его охлаждении. Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы. Многие пластмассы , главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например полиэтилен, органические стёкла и др.

Другим важнейшим компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения). После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства. Для повышения эластичности и облегчения обработки добавляют пластификаторы(олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.). Наконец, исходная композиция может содержать отвердители (амины) или катализаторы (перекисные соединения) процесс отверждения термореактивных связующих , ингибиторы, предохраняющие полуфабрикаты от их самопроизвольного отверждения , а также красители. Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их их сочетания и количественного соотношения , что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров , и термореактивные ( реактопласты) , получаемые на основе термореактивных смол. Термопласты удобны для переработки в изделия , дают незначительную усадку при формовании (1 – 3%). Материал отличается большой упругостью , малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготавливают без наполнителя. В последние годы стали применять термопластя с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты). Термореактивные пластмассы после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10 – 15 %) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители. По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (карболиты) с наполнтелями в виде древесной муки, графита , талька и др.; волокнистые с наполнителями в виде очёса хлопка и льна (волокниты), стеклянного волокна (стекловолокниты), асбест (асбоволокниты); слоистые, содержащие листовые наполнители(листы бумаги в гетинаксе, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите, стеклотекстолите и асботекстолите, древесный шпон в древеснослоистых пластиках ); газонаполненные (наполнитель – воздух или нейтральные газы – пено- и поропласты). По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные , фрикционные и антифрикционные , электроизоляционные) и несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнительные, вспомогательные). Однако это деление условно , так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами.

Особенностями пластмасс является малая плотность (1 – 2 т/м3); низкая теплопроводность [0,1 – 0,3 Вт/(м*К)], значительное тепловое расширение , в 10 – 30 раз больше, чем у стали [(15 – 100)10-6 С-1]; хорошие электроизоляционные свойства; высокая химическая стойкость; фрикционные и антифрикционные свойства. Прочность силовых пластиков сопоставима с прочностью стали и выше. Пластмассы имеют хорошие технологические свойства. Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость, низкие модули упугости и удельная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, а для некоторых пластмасс склонность к старению.

1.12. Термопластичние пластмассы
В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвлённой структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы. Термопласты имеют ограниченную рабочую температуру, свыше 60 – 70 С начинается резкое снижение физико – механических свойств. Более теплостойкие структуры могут работать до 150 – 250 С, а термостойкие с жёсткими цепями и циклические структуры устойчивы до 400 – 600 С. При длительном статическом нагружении появляется вынужденно- эластическая деформация и прочность понижается. С увеличением скорости деформации не успевает развиваться высокоэластическая деформация и появляется жёсткость, иногда даже хрупкое разрушение. Более прочными и жёсткими являются кристаллические полимеры. Предел прочности термопластов составляет 10 – 100 Мпа. Модуль упругости (1,8 – 3,5)103 Мпа. Они хорошо сопротивляются усталости, и долговечность выше, чем у металлов. Предел выносливости составляет 0,2 – 0,3 предела прочности. При частотах нагружения свыше 20 Гц происходят разогрев материала и уменьшение прочности. Термопласты делят на непоярные и полярные.

К неполярным термопластам относят полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт – 4. Полиэтилен (-CH2-CH2-)n – продукт полимеризации бесцветного газа этилена, относя-щийся к кристаллизующимся полимерам и являющегося уже твердым веществом. Долгое время единственным способом получения полиэтилена была полимеризация этилена при весьма высоком (до 300 МПа) давлении и температуре около 200°С; получаемый материал наз-ся полиэти-леном высокого давления (ПЭВД). Впоследствие было создано про-во ПЭНД (давление всего 0.3-0,6 МПа, температура около 80°С). Возможно также ПЭСД (среднего давления 3-7 МПа, температура от 160 до 275°С). ПЭВД имеет сравнительно низкую плотность (0.92-0.93 Мг/м3) и температуру плавления (105-110°С). По электроизоляционным св-ам ПЭНД и ПЭСД, если они хорошо очищены от следов катализатора и др. примесей, не уступают ПЭВД. Особым преиму-ществом ПЭСД яв-ся его меньшая по сравнению с другими типами


полиэтилена газопроница-емость. Полиэтилен различных типов с учетом приведенных выше особенностей каждого типа широко используется в изоляции кабелей(как радиочастотных и кабелей телефонной связи, так и силовых); выпускается в виде пленок, лент и др. изделий, защита металлов от коррозии. На-гревостойкость полиэтилена при кратковременном нагреве ограничивается быстрым снижением механической прочности, а при длительном освещении – окислением в условиях доступа возду-ха. Процесс теплового старения может быть замедлен путем введения в материал антиокислите-лей ( группы -NH- , сажу). Под действием ионизирующего излучения полиэтилен твердеет: при-обретает большую прочность и теплостойкость. Полипропилен (-CH2-CHCH3-)n яв-ся производной этилена.

Применяя металлоорганичес-кие катализаторы, получают полипропилен, содержащий значительное кол-во стереорегулято-рной структуры. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойс-твами. По сравнению с полиэтиленом этот пластик более теплостоек: сохраняет форму до тем-пературы 150°С. Полипропиленовые пленки прочны и более газонепроницаемы, чем полиэтиле-новые, а волокна эластичны, прочны и химически стойки. Нестабилизированный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостатком пропилена яв-ся его невысокая морозостойкость (от –10 до -20°С). Полипропилен имеет плотность 0.9-0.91 Мг/м3, высокую температуру плавле-ния (160-170°С). Электроизоляционные св-ва полипропилена и полиэтилена одинаковы. Полипропилен применяют для изготовления труб, конструкционных деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, различных емкостей и др. Пленки используют в тех же целях, что и полиэтиленовые. Одна из перспективных областей применения полипропилена – диэлектрик намотанных(пленочных, а также комбинированных – бумажно-пленочных) силовых конденсаторов.Полистирол (-CH2-CHC6H5-)n - твердый, жесткий, прозрачный, аморфный полимер. Для него значение n может доходить до 6000; таким образом, в то время как молекулярная масса стирола равна примерно 12*8+1*8=104, молекулярная масса полистирола C48000H48000 сотавляет уже 624000. Удобен для механической обработки, хорошо окрашивается, растворим в бензоле. Полистирол наиболее стоек к воздействию ионизирующего излучения по сравнению с другими термопластами (присутствие в макромолекулах фенильного радикала C6H5). Температура размягчения полистирола составляет +(70-85)°С. Температура плавления стирола равна минус 33°С. Полистирол получается полимеризацией стирола, в свою очередь получаемого путем синтеза, а также в качестве побочного продукта при сухой перегонке каменного угля. Плотность 1.05

Таблица 1
Физико – механические свойства неполярных термопластов



Название

Плот-ность, кг/м3

Рабочая температура,С

Предел прочности, МПа

Относи-тельное удлине-ние при разрыве, %

Удар-ная вяз-кость а*, кДж/м2

Диэлек-тричес-кая прони-цае-мость при частоте тока 106 Гц

Удель-ное объём-ное сопро-тивле-ние, Ом*м

Тан-

генс угла диэлек-трических потерь при частоте тока 106 Гц, 10-4



Электри-ческая прочность , МВ/м

Макси-

мальная


Мини-мальная

При

Растя-


жении

При

Сжат-ии


При

Изги-бе




















Полиэти-лен:
ПЭВД
ПЭНД
Полипро-пилен

Полисти-


рол

Фторо-пласт-4


913-929
949-953


900
1050-1080
1900-2200

105-108
120-125


150
90
250

-40, -70


и ниже

-70


и ниже

-15
-20


-269

10-17
18-35


25-40
37-40
15-35


12
20-36


11
90-100
10-12

12-17
20-38


65-105
14-18


50-600
250-1000


200-800
1-4
250-500

Не лома-ется

То же
33-80
10-22
100

2,2-2,3
2,1-2,4


2,2
2,5-2,7
1,9-2,2

1018


1018
1017-1018
1016-1018
1019


2-3
2-5


2-5
3-4
2-2,5

45-60
45-60


28-40
20-25
35-40

Мг/м3. Недостатками его являются хрупкость при пониженных температурах, склонность к постепенному образованию поверхностных трещен, малая стойкость к действию растворителей и невысокая нагревостойкость (70-80°С). Из полистирола изготовляют детали для радиотехники, телевидения и приборов, детали машин, сосуды для воды и химикатов, пленки стирофлекс для электроизоляции, а АБС пластики (акрилонитрилбутадиенстирольные) применяют для деталей автомобилей, телевизоров, лодок, труб и т.д. Физико – механические свойства неполярных термопластов сведены в табл.1.

1.13.Полярные термопласты
К полярным пластикам относятся фторопласт-3, органическое стекло, поливинилхлорид, полиамиды, полиарилаты, пентапласт, полиформальдегид. Полифинилхлорид является аморфным полимером с химической формулой (-СН2-СНСl-)n.

Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойкие. Непластифицированный поливинилхлорид называется винипластом. Винипласты имеют высокую прочность и упругось. Влажность слабо сказывается на удельном сопротивлении поливинилхлорида (его даже при влажности воздуха выше Ом*м), но заметно влияет на удельное поверхностное сопротивление. Поливинилхлорид стоек к действию воды, щёлочей, разбавленных кислот, масел, бензина и спирта. Он используется в технике и в быту для изготовления пластических масс и резиноподобных продуктов, в частности для изготовления проводов, защитных оболочек кабелей и т. п. Для улучшения эластичности и холодостойкости поливинилхлорида к нему часто добавляют пластификаторы, представляющие собой трудноиспаряющиеся органические жидкости, обычно сильно полярные и ещё более ухудшающие электроизоляционные свойства материала. Так для напластифицированного поливинилхлорида при нормальной температуре и частоте 50 Гц значение r = 3.2 – 3.6, а для пластифицированного r = 5 – 6 (относительная диэлектрическая проницаемость). При введении пластификатора получают поливиниловый пластикат, имеющий морозостойкость от –15 до –50 С и температуру размягчения 160 – 195 С применяется для изготовления проводов и кабелей , уплотнительных прокладок. Физико – механические свойства полярных термопластов приведены в табл.2.

Таблица 2
Физико – механические свойства полярных термопластов


Название

Плот-ность, кг/м3

Рабочая температура,С

Предел прочности, МПа

Относи-тельное удлине-ние при разрыве, %

Удар-ная вяз-кость а*, кДж/м2

Модуль упругости, МПа

Твёрдость по Бри-неллю,

МПа


Коэф-фициент трения по стали


Макси-

Мальная


Мини-мальная

При

Растя-


жении

При

Сжат-ии


При

Изги-бе

















Фторопласт-3

Органи-ческое стекло

Поливинилхлорид

Полиами-ды

Поликар-бонат,ди-флон

Полиари-лат

Пента-пласт




2090-2160


1200

1400
1100-1140


1200

1200
1400



125
60

65-80
60-110
130-140

155-250
150





-195
60

-10 –40
-20 –60
-100-135

-100
20





30-45
63-100

40-120
35-70
24-120

100-125


--


--
100-105


80-160
--
--

105-145


--

60-80
90-120

40-120
35-70
24-120

100-125


--


20-200
2,5-20

5-100
70-280
--

15-20
5-10



20-160
8-18

70-80
80-125
150

120
12-16




--
2900-4160

2600-3000
1200-1500
--

1650
--



100-130
10-300

10-160
74-150
80-160

--
--





0,004
--

--
0,26-0,32
0,23-0,38

0,05-0,08


--

1.14.Термостойкие и термореактивные пластмассы


В этих полимерах фениловые звенья чередуются с гибкими звеньями (амидными, сульфидными и др.). Температура эксплуатации их до 400 С . Кроме полимеров с гибкими звеньями создаётся новый класс полимеров с жёсткими цепями , в которые вводятся устойчивые гетероциклы. Циклические структуры устойчивы до 600 С и выше. Практический интерес представляют ароматические полиамиды, полифениленоксид, полисульфон и гетероциклические полимеры – полиимиды и полибензимидазолы. Пресс-материалы преминяют для изготовления изделий конструкционного , антифрикционного и электроизоляционного назначения. Полиимидные связующие применяют для наполненных пластиков. Полибенбензимедазолы применяют в виде плёнок, волокон, тканей для специальных костюмов; из АСП – пластиков изготавливают подшипники, шестерни. Полибензимедазолы могут использоваться в качестве связующих для арамотических пластиков. В качестве связующих веществ применяют термореактивные смолы, в которые иногда вводят пластификаторы, отвердители, ускорители или замедлители, растворители. Основными требованиями к связующим веществам являются высокая клеящая способность (адгезия), высокие теплостойкость, химическая стойкость и электроизоляционные свойства, простота технологической переработки , небольшая усадка и отсутствие вредности (токсичности). Смола склеивает как отдельные слои наполниеля , так и элементарные волокна и воспринимает нагрузку одновременно с ним, поэтому связующее вещество после отверждения должно обладать достаточной прочностью на отрыв при расслаивании материала. Для обеспечения высокой адгезии связующее должно быть полярным. Необходимо, чтобы температурные коэффициенты линейного расширения связующего и наполнителя были близки по величине. В производстве пластмасс широко используют фенолформальдегидные , кремнийорганические, эпоксидные смолыЮнепредельные полиэфиры и их различные модификации. В зависимости от форм частиц напонителя термореактивные пластмассы можно подразделить на следующие группы: порошковые волокнистые и слоистые.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целесообразность применения пластмасс в конструкциях машин часто диктуется техническими соображениями, но при этом весьма существенную роль играет экономичность решения. Иногда эффективность применения пластмасс не поддаётся денежной оценке (например, при улучшении условий труда, экономии остродефицитного материала, энергии и др.). Применение пластмасс значительно сокращает капиталовложения, так как уменьшается трудоёмкость проектных работ и потребность в оборудовании. Экономичность применения пластмасс в производстве выражается в снижении себестоимости , массы и уменьшении затрат на материал (материалоёмкость), уменьшении трудоёмкости изготовления деталей из пластмасс по сравнению с металлическими (уменьшение величины зарплаты на единицу изделия); сокращение производственного цикла и сроков проектирования и освоения новых конструкций. Замена металлических изделий пластмассовыми весьма эффективна. При этом уменьшается масса конструкции. В конструкциях двигателей, приборов, в изоляции проводов пластмассы другие неметаллические материалы находят всё большее применение.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


1.Ю.М.Лахтин,В.П.Леонтьев.Материаловедение:Учебник для высших учебных технических заведений. 3-е изд., перераб. и доп. М.:Машиностроение, 1990. 528 с.

2.Каменев Е.И., Мясников Г.Д., Платонов М.П. применение пластических масс: Справочник. Л.: Химия, 1985. 448 с.

3.Манин В.Н., Громов А.Н., Григорьев В.П. Дефектность и эксплуатационные свойства полимерных материалов. Л.: Химия, 1986. 184 с.

4.Майофис И.М. Химия диэлектриков.М.: Химия, 1981. 248 с.

5.Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М.Электротехнические материалы: Учебник для вузов. 7-е изд., перераб. и доп. Л.:Энергоатомиздат. Ленингр. отд – ние,1985. 304 с.

ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ



epp_1



epp_2



epp_3



epp_4


База данных защищена авторским правом ©uverenniy.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница