§ 55. Поликонденсационные органические диэлектрики
Из этой группы высокополимерных материалов в электротехнике получили наибольшее применение резольные, новолачные, полиэфирные, поливинилацеталевые и эпоксидные смолы.
Резольные смолы являются термореактивными веществами, которые в своей конечной стадии не размягчаются при нагревании. Переход в неплавкое и нерастворимое состояние у резольных смол совершается в три стадии. Только что полученная смола находится в первоначальной стадии А (резол). Она размягчается при нагреве и растворяется в растворителях. При дальнейшем нагревании резольная смола переходит в стадию В, в которой она еще может размягчиться (при 95—100° С), но уже не растворяется в растворителях. При последующем нагревании смола переходит в конечную стадию С. В этой стадии резольная смола состоит из больших, трехмерных молекул и уже не способна плавиться и растворяться. Это свойство резольных смол используется в производстве термореактивных пластмасс (гетинакс, текстолит и др.).
Из резольных смол наибольшее применение в электротехнике имеет бакелитовая смола (бакелит). Она образуется в результате реакции поликонденсации, протекающей между кристаллическим фенолом (С6Н5—ОН) и формалином (40-процентный раствор газа— формальдегида СНгО в воде) в присутствии щелочного катализатора— гидрата окиси бария Ва(ОН)2 или гидрата окиси аммония NH4OH — в виде 25-процентного раствора в воде. Формальдегид берется в избытке. Для получения бакелитовой смолы определенное количество компонентов (фенол, формалин и катализатор) загружают в медный варочный котел, где они перемешиваются вращающейся мешалкой. Затем варочный котел нагревают до 95° С.
При этой температуре начинается реакция поликонденсации, в результате которой в нижней части варочного котла образуется густая сиропообразная масса коричневого цвета. Это бакелитовая смола в первоначальной стадии А. В верхней же части котла над слоем смолы располагается слой воды (надсмольная вода), являющейся побочным продуктом реакции. После окончания варки смолы воду откачивают; получившуюся смолу сушат под вакуумом при температуре 60—70°С, а затем разливают в металлические противни.
Охлажденная (до комнатной температуры) бакелитовая смола представляет собой твердое хрупкое вещество коричневого цвета.
Она имеет характерный запах фенола (карболовой кислоты). Бакелитовая смола применяется в качестве связующего вещества в пластмассах, а также для получения бакелитовых лаков. Чтобы получить спиртовой бакелитовый лак, этиловый спирт вводят в варочный котел для растворения высушенной смолы в стадии А. Обычно получают лак с содержанием 50—65% бакелитовой смолы.
С целью экономии этилового спирта широко применяют жидкие водно-эмульсионные бакелитовые смолы, содержащие 15—20% воды. Спиртовыми лаками и жидкими смолами пропитывают волокнистые основы (бумага, ткани), применяемые для производства слоистых электроизоляционных материалов — гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и др.
Если вместо кристаллического фенола взять крезол (жидкое вещество) и провести поликонденсацию между крезолом и формальдегидом, то получится крезолформальдегидная смола. Эта смола тоже относится к резольным смолам. Она обладает более высокими электроизоляционными свойствами.
Все резольные смолы являются полярными диэлектриками, поэтому их диэлектрическая проницаемость равна е = 5,0н-6,0В своей конечной стадии С резольные смолы обладают стойкостью к минеральным маслам и к воде, по они не стойки к электрическим искрам. Под действием искровых разрядов поверхность резольных смол легко обогащается углеродом, в результате чего создаются науглероженные токопроводящие дорожки. Вследствие этого пластмассовые изделия, изготовленные на основе резольных смол, не рекомендуется применять там, где возможно образование сильных электрических искр.
Новолачные смолы (новолаки), как и резольные, получают в результате реакции поликонденсации между фенолом и формальдегидом, но при недостатке формальдегида (на 100 кг фенола берут только 27 кг формальдегида). При этом применяют кислотный катализатор — соляную кислоту.
Полученная новолачная смола представляет собой густую массу светло-коричневого цвета, которую в нагретом состоянии разливают в противни. В остуженном состоянии новолачная смола представляет собой твердое хрупкое вещество, растворяющееся в этиловом спирте и ацетоне. Электроизоляционные свойства новолачных смол ниже, чем у резольных смол. Новолачные смолы с улучшенными электроизоляционными свойствами изготовляются на основе фенола, анилина и формальдегида.
Новолачные смолы являются термопластичными веществами. Они сохраняют плавкость и растворимость при длительном хранении и даже при нагревании до 200° С. Новолачные смолы могут быть переведены в неплавкое и нерастворимое состояние при взаимодействии их (в нагретом состоянии) с уротропином. Этим пользуются для получения быстро прессующихся пластмасс на основе новолачных смол. Для этого в порошкообразную новолачную смолу вводят 12—15% уротропина (порошок белого цвета). Эти два порошкообразных вещества тщательно смешивают друг с другом, а также с красителями и наполнителями (древесная мука и др.). Из полученной смеси прессуют в стальных нагретых пресс-формах пластмассовые детали для электрических аппаратов низкого напряжения (основания и крышки выключателей, патронов), а также конструкционные детали (кнопки, рукоятки и др.).
Более широкому применению пластмасс на основе новолачных смол препятствуют их пониженные электроизоляционные свойства, особенно во влажной атмосфере, и низкая стойкость к искровым разрядам.
Глифталевые смолы относятся к группе полиэфирных смол, получаемых поликонденсацией многоатомных спиртов (гликоль, глицерин и др.) и органических кислот (фталевая, малеиновая и др.).
Глифталевые смолы (глифтали) получают в результате реакции поликонденсации глицерина и фталевого ангидрида при избытке последнего *.
*Название «глифтали» произошло в результате сокращения слов «глицерин» и «фталевый».
Для обеспечения достаточной гибкости глифталевые смолы модифицируют, т. е. в процессе поликонденсации в них вводят жирные кислоты и растительные масла, например касторовое масло. Отличительной особенностью глифталевых смол является их высокая клеящая способность при хороших электрических характеристиках, стойкости к поверхностным разрядам и повышенная нагревостойкость до 130° С.
Глифталевые смолы в электротехнике используются как основы для клеящих, пропиточных и покровных лаков, пленки которых (после запекания) оказываются стойкими к нагретому минеральному маслу.
Клеящие глифталевые лаки нашли большое применение для клейки слюды в производстве твердой и гибкой слюдяной изоляции (миканиты, микаленты).
Лавсан — прозрачный высокополимерный диэлектрик кристаллического или аморфного строения. Как и глифтали, лавсан относится к полиэфирам. Лавсан кристаллического строения получают в результате реакции поликонденсации терефталевой кислоты и этиленгликоля. Изготовленные из этого материала прозрачные лавсановые пленки толщиной 30—100 мкм (микрон) находят широкое применение в электрических машинах в качестве пазовой изоляции. Часто лавсановая пленка наклеивается на электротехнический картон или на стеклянную ткань и в таком сочетании применяется в качестве пазовой изоляции в электрических машинах. Лавсановые пленки стойки к растворителям, содержащимся в лаках, а также к плесневым грибкам и влаге и поэтому могут применяться в электрических машинах и аппаратах тропического исполнения. Лавсановые пленки могут длительно работать при температурах, не превышающих 120° С (класс нагревостойкости Е).
При довольно большой электрической прочности (E'Пр= 130-К 170 кВ/мм) лавсановые пленки нестойки к электрической короне. Поэтому область применения их ограничивается электрооборудованием низкого напряжения. При длительном нахождении в трансформаторном масле при 110—120° С пленки приобретают хрупкость. Температура плавления кристаллического лавсана равна 230—260° С.
Для производства электроизоляционных лаков применяют лавсан аморфного строения. В этом случае реакцию поликонденсации проводят между терефталевой кислотой, этиленгликолем и глицерином и вводят еще отвердитель (бутилтитанат). В качестве растворителя (для получения лака) используют трикрезол или смесь трикрезола и сольвентнафты.
Пленки лавсановых лаков не размягчаются при нагреве (термореактивны) .
Поливинилацеталевые смолы представляют собой высокополимерные вещества, получаемые в результате реакции поликонденсации поливинилового спирта с альдегидами (формальдегид, уксусный альдегид и др.) в присутствии кислотного катализатора — серной или соляной кислоты.
Поливинилацеталевые смолы являются термопластичными полярными диэлектриками. В электротехнике эти смолы применяются в качестве основы эмальлаков для изолирования обмоточных проводов .
Эпоксидные смолы представляют собой сиропообразные жидкости или твердые вещества желтой или светло-коричневой окраски. Жидкие эпоксидные смолы являются низкомолекулярными
веществами, но при большом молекулярном весе (свыше 1000) эпоксидные смолы представляют собой твердые вещества.
Эпоксидные смолы получаются в результате реакции поликонденсации хлорированного глицерина с резорцином или дианом (дифенилолпропан). Процесс образования смолы происходит в щелочной среде. Для этого в реактор (закрытый сосуд) вводят 25— 50-процентный раствор едкого натра. Молекулы эпоксидных смол
содержат так называемые эпоксидные группы
что послужило основанием назвать эти смолы эпоксидными.
Эпоксидные смолы нашли широкое применение в электротехнике как основы электроизоляционных заливочных компаундов , а также клеящих лаков и клеев. Достоинством эпоксидных компаундов (заливочные составы для герметизации обмоток и других частей электрических аппаратов) является очень малая объемная усадка (0,6—1,0%) при их отвердевании. Кроме того, затвердевшие эпоксидные смолы обладают большой механической прочностью и стойкостью к воде.
В качестве отвердителей применяются ангидриды малеиновон и фталевой кислот и другие вещества (пиридин и др.). В зависимости от состава применяемого отвердителя процесс отверждения жидкой эпоксидной смолы может протекать при нагревании от 100 до 160° С или при комнатной температуре.
Промышленность выпускает эпоксидные смолы марок ЭД-5; ЭД-6; Э-37 и др.
