Полимербетоны с высокими диэлектрическими характеристиками
Известно, что диэлектрические характеристики большинства полимерных материалов обусловлены их молекулярной и надмолекулярной структурой.
Диэлектрики на основе полимеров в основном применяют в виде наполненных термопластов или паст и мастик на основе термореактивных олигомеров для изготовления сравнительно легких деталей и изделий. Максимальная степень наполнения таких композиций в большинстве случаев не превышает 40—50%.
Новое и весьма перспективное направление — создание специальных видов полимербетонов, отвечающих по диэлектрическим свойствам современным требованиям научно-технического прогресса. Использование в их составе соответствующих олигомеров, отвердителей и наполнителей с оптимально подобранным зерновым составом способствует получению полимербетонов с высокими физико-механическими, диэлектрическими свойствами и химической стойкостью. В этом случае полимеры наиболее эффективны, так как степень наполнения повышается до 85—90%, материал приобретает конструкционные свойства, из него можно изготовлять крупногабаритные изделия и конструкции.
Следует иметь в виду, что у полимербетонов высокая степень наполнения минеральными наполнителями и заполнителями существенно изменяет характер диэлектрических потерь. Как уже отмечалось, введение в систему минеральных наполнителей и заполнителей приводит к образованию характерных видов надмолекулярных структур полимерного связующего. В таких композициях появляются электрические потери, связанные с существующей неоднородностью полимербетонных смесей, и структурные потери — следствие некоторой поляризации молекул связующего вблизи поверхности наполнителей и заполнителей. Поэтому одной из важнейших задач, связанных с подбором составов полимербетонов с высокими диэлектрическими параметрами, является изыскание путей, способствующих уменьшению влияния вышеперечисленных факторов на диэлектрические и физико-механические свойства таких высоконаполненных композиций.
Рациональное применение полимербетонов как эффективных диэлектриков связано не только с разработкой соответствующих составов и знанием их диэлектрических параметров, но и с необходимостью тщательного изучения закономерностей изменения их свойств в зависимости от технологии изготовления, режимов тепловой обработки и условий эксплуатации.
Известно, что у диэлектриков и полупроводников, помещенных в электрическое поле, происходит поляризация (смещение) заряженных частиц (атомов, молекул, ионов). Такое смещение у диэлектриков хотя и незначительно, но весьма важно для характеристик таких материалов. Поляризация создает дополнительное электрическое поле в материале, силовые линии которого направлены против линий внешнего электрического поля и ослабляют их. Кроме того, в результате трения частиц друг о друга поляризация сопровождается потерями энергии поля и вызывает дополнительные потери, приводящие к тому, что молекулы не успевают ориентироваться за внешним полем и поляризация отстает от него. Смещение орбит и угол поворота полярных молекул будет тем больше, чем больше напряженность электрического поля Е. Количество смещений орбит и поворотов диполей в единицу времени будет непосредственно связано с частотой колебаний электрического поля f. Следовательно, основными параметрами электрического поля являются напряженность Е (кВ/см) и частота (МГц). В то же время в одном и том же электрическом поле с определенной частотой у разных материалов будут разные потери, которые непосредственно зависят уже от свойств самого материала. Основные электрические параметры, определяющие свойства диэлектрического материала — диэлектрическая проницаемость е, тангенс угла диэлектрических потерь tg6 и электросопротивление R. Чем меньше е и tg6 и выше R, тем лучше диэлектрические характеристики данного материала. Таким образом, задача создания новых видов диэлектриков сводится к получению таких материалов, у которых при сохранении высоких физико-механических характеристик диэлектрическая проницаемость е и tg6 будут иметь минимально возможные значения. При разработке составов полимербетонов с высокими диэлектрическими параметрами в качестве полимерного связующего были опробованы карбамидные, фенолоформальдегидные, полиэфирные, фурановые, эпоксидные и другие смолы в сочетании с различными минеральными наполнителями.
Предварительные исследования этих полимербетонов показали, что на их диэлектрические параметры влияют не только вид полимерного связующего, выбранных наполнителей, процентного соотношения между ними, но и вид и количество отвердителя, способы приготовления, формования и отверждения полимербетонных смесей.
Лучшие диэлектрические параметры оказались у легких полимербетонов на основе фурановой смолы ФАМ и керамзитовом заполнителе. Недостаток этих полимербетонов — сравнительно низкая прочность и резкое ухудшение диэлектрических параметров после 30-суточной выдержки в воде.
Хорошие характеристики оказались также у тяжелых полимербетонов на фурановой смоле ФАМ и фураново-эпоксидном компаунде ФАЭД. При весьма высоких прочностных показателях в сухом состоянии их диэлектрические параметры примерно одинаковы, а после 30-суточного водонасыщения полимербетоны на основе связующего ФАЭД практически не изменили диэлектрических характеристик, тогда как у полимербетонов на основе фуранового связующего значения tg6 увеличилось в 5 раз.
Исходя из характера изменения диэлектрических параметров этих трех видов полимербетонов в зависимости от длительности выдержки в воде можно сделать вывод, что легкие полимербетоны ФАМ могут эксплуатироваться только в сухих условиях или они должны быть надежно защищены водостойкими непроницаемыми для воды покрытиями. Тяжелые полимербетоны ФАМ менее чувствительны к действию воды, но при длительной эксплуатации во влажных условиях они также требуют надежных защитных покрытий. У полимербетонов ФАЭД максимальные прочностные характеристики и стабильные диэлектрические параметры и они не требуют защитных покрытий.
Ухудшение свойств полимербетонов при увлажнении имеет обратимый характер. При удалении влаги диэлектрические параметры восстанавливаются.
Разработанные составы полимербетонов с высокими-диэлектрическими параметрами отвечают современным требованиям, расширяют номенклатуру материалов, используемых в электро- и радиотехнической промышленности, они эффективны для изготовления различного вида изоляторов, кабельных муфт, распределительных щитов, траверс для опор электропередач и т. д.