Технические науки/ 5. Энергетика

К.т.н. Бекмагамбетова К.Х.

Алматинский институт энергетики и связи, Казахстан

НОВЫЙ ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ

МАТЕРИАЛ

1. Полиимиды алициклического строения – термостойкий, высоковольтный электроизоляционный материал

Реализация Стратегии индустриально-инновационного развития Казахстана предусматривает дальнейшее развитие электротехнической промышленности для обеспечения растущих нужд промышленности Казахстана в электротехническом оборудовании. Создание новых типов электрооборудования или реконструкция старых не может быть реализовано без применения надежных изоляционных систем с высокими показателями по нагревостойкости, электрической прочности и долговечности, так как срок службы электрооборудования зависит от срока службы изоляции. В связи с этим ставится задача создания электрооборудования с использованием новых изоляционных материалов, которые должны обеспечить их надежную работу.

В настоящее время материалы для электротехнического производства в основном завозятся из стран дальнего зарубежья и СНГ. В связи с этим, разработка и организация производства новых электротехнических материалов, а именно, изоляционных, способных выдержать конкуренцию на мировом рынке и удовлетворять современным требованиям, является актуальной задачей.

К таким перспективным изоляционным материалам относятся так называемые полиимиды, которые по своему строению бывают ароматические, алифатические и алициклические. Во всех развитых зарубежных странах наиболее широко применяются полиимиды ароматического строения, т.е. разработаны и промышленно производятся полиимидные лаки и пленки ароматического строения на основе пиромеллитового диагидрида (полипиромеллитимиды) типа Kapton различных модификаций, П/ПМ/180/КО, Элмикаимид, ПМФА-352, ПМ и др. [1-4]. По всем электрофизическим показателям эти полиимиды являются самыми перспективными из всех известных полимерных материалов. Но есть и недостатки, которые заключатся в трудности их переработки и получения готового изделия, в дороговизне исходного сырья, невозможности получения монолитной изоляции больших размеров и толщин.

В Казахстане (в Институте химических наук им. А.Б.Бектурова АН РК совместно с Алматинским институтом энергетики и связи) также разработана электрическая изоляция на основе полиимидов, но алициклического строения - на основе диангидридов трициклодецентетракарбоновых кислот и различных диаминов (под предварительной маркой – АБимид), которая по электроизоляционным свойствам не уступает зарубежным аналогам, а по некоторым характеристикам превосходит их. Полиимиды алициклического строения удовлетворяют всем техническим требованиям, предъявляемым к полиимидам ароматического строения. На их основе можно производить широкий круг изделий: эмалированные провода, изоляционные пленки, литьевые композиции. Определяющими факторами при реализации данного направления явились доступность, простота получения исходных соединений и полимеров на их основе, низкая энергоемкость этих процессов, тем более что один из исходных мономеров производится с помощью солнечной энергии.

Из этого полиимида путем оптимизации состава по механическим характеристикам, не снижая электрических свойств, можно получить электрическую изоляцию высокого класса нагревостойкости и электрической прочности. Изменяя диаминную компоненту, можно регулировать такую характеристику, как диэлектрическая проницаемость, что немаловажно при применении в изоляции кабелей или в конденсаторах.

Исследования электрических свойств дают возможность использования их в качестве пленочной и витковой изоляции для электромеханических преобразователей энергии (ЭМП) с повышенным сроком службы за счет повышения ресурса работы изоляции, для проводов и кабелей, работающих в экстремальных условиях и т.д. взамен или наряду с полипиромеллитимидами [2].

2. Электрические свойства полиимидов алициклического строения

Как известно, к электрическим свойствам изоляции относятся такие характеристики как диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, удельные электрические сопротивления по поверхности и по объему и электрическая прочность диэлектриков в зависимости от формы электрического поля. На все эти параметры оказывают влияния различные внешние и внутренние факторы. Если к внешним факторам можем отнести температуру, перенапряжения, механические воздействия и т.д., то к внутренним – изменения структуры полимера введением различных совместимых ингредиентов. В процессе изучения электрических свойств алициклических полиимидов, на примере пленочной изоляции, было показано, что они характеризуются высокими уровнями диэлектрических показателей. В табл. 1 приведены электрофизические свойства ПИ на основе фотоаддукта бензола с малеиновым ангидридом (АБ) и ДАДФЭ.

Из таблицы видно, что не только tgδ, но и другие параметры зависят от температуры. Как следует из данных таблицы, электрофизические параметры полимера зависят от температуры, с повышением которой tgδ незначительно увеличивается, что можно объяснить некоторым повышением подвижности макромолекул, облегающей движение диполей, их ориентацию в пространстве под действием поля [5].

Таблица 1- Электрофизические характеристики ПИ_{АБ и ДАДФЭ}

Параметры	20°С	200°С	250°С	275^0С
Тангенс угла диэлектрических потерь, tgδ (1 кГц)	0,001-0,003	0,003-0,005	0,005-0,007	0,007–0,01
Диэлектрическая проницаемость, ε^'	2,1-2,4	2.0-2.2	1,6-1,8	2,0-2,1
Удельное объемное сопротивление рν,Ом м	(1-3) ·10^15	(З-4) ·10^13	(2- 4) 10^12	(1 -3) ·10^11
Удельное поверхностное сопротивление рs, Ом	(2-5) ·10^14	(2-6) ·10^1^2	(1 -3) 10^11	(2-5) ·10^11
Электрическая прочность,Еn. кВ/мм	200-220	140-150	90-100	70-90

Отмеченный факт наблюдается до температур 250 - 275⁰С, когда tgδ достигает минимума, при котором ориентация происходит практически без трения. При сравнительно невысоких температурах (от - 25 до +25°С) ориентация макромолекул затруднена силами взаимодействия между ними [3], вследствие чего tgδ имеет небольшие значения.

Установлено (рис. 1) , что зависимость tgδ от температуры характеризуется время релаксационными максимумами: первый максимум располагается в области (отрицательных температур (от -50 до -100°С ) с максимальным отклонением tgδ до 0,007 при (-75) ⁰С, второй и третий максимумы находятся в области (50-150) и (200-280) ⁰С. Начиная с 370-375 ⁰С отмечается резкий рост потерь проводимости за счет выделения низкомолекулярных продуктов деструкции, увеличивающих концентрацию диполей в системе [4].

Рисунок – 1. Температурная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости для ПИ_АБ при разных частотах: 1 - 1 кГц, 2 10 кГц, 3 - 20 кГц, 4 и 5 - зависимость ε' от температуры при частотах 1 и 10кГц.

Изменение частоты приложенного электрического поля также влияет на свойства полиимидов. При переходе от 1 к 20 кГц абсолютное значение tgδ не меняется, но происходит сдвиг максимумов в сторону более высоких температур - на 12-15 ⁰С при увеличении частоты на каждые 7—8 кГц. Кроме того, важное значение имеет возвращение параметров tgδ после незначительных отклонений к своим первоначальным значениям вплоть до температур 275—300°С, что свидетельствует о стабильности этого параметра в довольно широком интервале температур. В интервале температур (-100⁰С)÷(+300⁰С) полиимиды на основе диангидридов трициклодецентетракарбоновых кислот имеют характер диэлектрических потерь, аналогичный известным полиимидам ароматического строения, но меньшие значения энергий активации релаксационных максимумов свидетельствуют о более быстрых переходах в алициклических полиимидах, что может быть обусловлено, прежде всего, пространственным строением диангидридных фрагментов, их гибкостью; скорости таких переходов выше для полиимидов на основе фотоаддукта фторбензола и малеинового ангидрида.

На диэлектрические параметры полиимидов существенное влияние оказывают не только физические, но и химические факторы. Например, диаминная и диангидридная составляющие, природа использовавшегося для синтеза растворителя, полнота превращения форполимера в имидную форму, режим термической обработки полимеров и т. д.[5]. В случае замены атома водорода в эндоэтиленовой группе на атомы фтора и хлора положение максимумов диэлектрических потерь не меняется, влияние галоидных заместителей сказывается на величине диэлектрической проницаемости, являющейся весьма чувствительным параметром [З]. Присутствие фтора вызывает понижение ε' от 2,4 до значений 1,8, что является положительным фактором, учитывающимся при изготовлении диэлектриков с низким уровнем потерь и оптически прозрачных материалов.

Диэлектрическая проницаемость алициклических ПИ имеет невысокие относительно других полиимидов значения. Если для алициклических полиимидов ε' находится на уровне 1,8-2,4 (5,8 получена при использовании серосодержащих диаминов), то для полипиромеллитимидов и других ароматических полигетероциклов ε' находится в пределах 2,5—3,5 то есть у синтезированных нами полигетероциклов диэлектрическая постоянная значительно ниже и приближается к полимерам полимеризационного типа. Значения р_ν алициклических полиимидов составляют (2-4)·10¹⁵ Ом·м и мало отличаются от характеристик ароматических полиимидов [З].

Электрическая прочность Е_n алициклических полиимидов находится на уровне 180-220 МВ/м. Пробивное напряжение пленочного диэлектрика зависит от толщины изоляции. Для полиимидов алициклического строения при толщине пленок 25-30 мк Е_n составляет 98-100 МВ/м, увеличиваясь до значений 180-220 МВ/м при толщине 50÷69 мк.

В процессе эксплуатации электрическая изоляция может подвергаться действию низких температур. В этой связи для полиимидов алициклического строения проведены исследования электрофизических параметров при температуре жидкого азота. Установлено, что через 4 ч выдерживания при этой температуре прочность полиимидных пленок снижается на 70—80 %, в то время как электрофизические параметры теряют всего 40-50 % от своих первоначальных значений. По устойчивости к воздействию сверхнизких температур полиимиды на основе трициклодецентетракарбоновых кислот превосходят полипиромеллитимиды.

Выводы

Таким образом, для полиимидов на основе диангидридов трициклодецентетракарбоновых кислот изучены основные электрические свойства, показано, что они являются диэлектриками с высоким уровнем соответствующих характеристик, обеспечивающих перспективность их использования в качестве надежной электрической изоляции.

Литература:

1. Жубанов Б.А., Кравцова В.Д., Бекмагамбетова К.Х. Новые полимерные системы на основе алициклических полиимидов. //Прикладная химия. Т.79. Вып 11. 2006, М.с.1890-1891.

2. Бессонов М.И., Котон ММ., Кудрявцев В.В., Лайус ЛА. Полиимиды-класс термостойких полимеров. Л.,Наука, 1983, 328 с.

3. Березинец Н.И., Украинский Ю.М., Рыбалко БЕ., Пак В.М. Оценка надежности систем на основе полиимидных пленок отечественного производства и фирмы «Дюпон де Немур» //Электротехника.2006.№1.с.37-39.

4. Жубанов БА., Кравцова В., Бекмагамбетова К.Х., Ахметтаев Д.Д. Полиимидные лаки для обмоточной эмалевой изоляции // Электротехника. 1998, №11, с. 57-60.

5. Жубанов БА., Кравцова В.Д.. Алмабеков О.А.. Бекмагамбетова К.Х. Галогенсодержащие полиимиды. Алматы, ТОО «Эверо», 2004, 220 с.