Диэлектрик с совершенными эксплуатационными характеристиками

Page 1

Page 2

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2011, www.kabel-news.ru

Производство

ÈÇÎËßÖÈß ÊÀÁÅËß

олитетрафторэтилен (ПТФЭ) является од-
ним из наиболее распространенных ди-
электрических материалов, применяемых
для изготовления изоляции высококаче-

ственных проводов и кабелей. ПТФЭ характеризует-
ся большими значениями диэлектрической постоян-
ной, имеет низкий коэффициент рассеивания и об-
ладает хорошей стабильностью на высоких часто-
тах. Уникальные диэлектрические свойства, которы-
ми обладают различные типы лент из ПТФЭ, дают
возможность разработчикам создавать разнообраз-
ные конструкции высококачественных проводов и
кабелей. Например, ленты из экспандированного
ПТФЭ низкой плотности или необожженные ленты
из ПТФЭ используются при изготовлении кабелей
для высокоскоростной передачи данных, которые
обладают минимизированным затуханием. Такие
ленты могут наматываться одновременно, что обе-
спечивает необходимую жесткость и высокую рабо-
тоспособность проводов, используемых в авиации.
Рассмотрим различные типы ПТФЭ и их использо-
вание при производстве высококачественных прово-
дов и кабелей.

Политетрафторэтилен, более известный как теф-

лон (фторопласт), является линейным полимером
тетрафторэтилена. Его химическая структура прак-
тически эквивалентна структуре полиэтилена, отли-
чие заключается в том, что атомы водорода полно-
стью замещены атомами фтора. Значение ПТФЭ в
индустрии полимеров уникально благодаря его хи-
мической инертности, стойкости к воздействию уль-
трафиолетового излучения, превосходным электри-
ческим свойствам и низкому коэффициенту трения
в большом диапазоне температур. ПТФЭ относится
к семейству фторполимеров, в которое входят мате-
риалы, отличающиеся степенью насыщенности фто-

ром и кристалличностью. К другим фторполимерам
относятся перфторалкополимер (ПФА), фторирован-
ный этиленпропиленполимер (ETFE) и поливинил-
иденфторидполимер (PVDF). ПТФЭ отличается от
других фторполимеров тем, что его нельзя изгото-
вить с помощью стандартной технологии плавления.

СОЗДАНИЕ ПТФЭ

Изобретение тефлона относится к 1938 г., оно

связано с работой Роя Планкетта

по разработке хла-

дагентов на основе фторидов в лаборатории Дю-
пона. Технология производства полимера ПТФЭ
держалась правительством США в секрете в тече-
ние нескольких лет и была использована в Манхэт-
тенском проекте во время Второй мировой войны.
В этом проекте ПТФЭ использовался для изготов-
ления прокладок и герметизирующих элементов для
обеспечения работы с коррозионно-активными гек-
сафторидами урана, что позволило осуществить
разработку атомной бомбы.

Коммерческое производство тефлона не осу-

ществлялось до 1947 г. В последующие годы этот
материал использовался в кабельной промышлен-
ности для изготовления разнообразных высококаче-
ственных проводов и кабелей наряду с такими изо-
ляционными материалами, как поливинилхлорид
(ПВХ), полиэтилен (ПЭ), нейлон и резина, которые
могли работать только при температурах ниже 90

Постоянно ужесточающиеся технические тре-

бования в экстремальных условиях эксплуатации в
авиационной и космической индустрии обусловили
повышение спроса на провода и кабели с изоляцией
из ПТФЭ. Объем производства такой продукции воз-
рос с 10 млн долл. в год в 40-е годы прошлого сто-
летия до 5 млрд в год в начале третьего столетия. В
конструкции современного коммерческого самолета

Диэлектрик с совершенными
эксплуатационными
характеристиками

Для того чтобы высококачественные провода и кабели соответствовали тре-
бованиям промышленности, крайне важно правильно выбрать тип их изоля-
ции. Сегодня идеальным выбором является политетрафторэтилен благодаря
его уникальным электрическим, тепловым и химическим свойствам.

Джеффри ЗЭНГ (Ph.D), Plastomer Technologies, Хьюстон, США

Page 3

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2011, www.kabel-news.ru

Производство

ÈÇÎËßÖÈß ÊÀÁÅËß

может использоваться более 160 км проводов весом
более 10 тонн. Например, в аэробусе А380, который
является самым большим пассажирским авиалайне-
ром в мире, использовано более 480 км электриче-
ских проводов общим весом более 15 тонн. В суще-
ственно меньшем самолете «Боинг-787» проложено
более 80 км электрических проводов.

ПРЕВОСХОДНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Молекулярная структура ПТФЭ содержит линей-

ную цепочку атомов углерода, она полностью окру-
жена атомами фтора, что делает ее превосходным
электрическим изолятором, обладающим замеча-
тельной химической и тепловой стабильностью. По
электрическим свойствам ПТФЭ превосходит мно-
гие другие изоляционные материалы. В табл. 1 для
сравнения приведены свойства некоторых широко
известных изоляционных материалов.

Применение ПТФЭ в качестве изоляционного ма-

териала имеет много преимуществ, включая следу-
ющие:
• огнестойкость и низкое дымовыделение;
• рабочий диапазон температур при непрерывной

эксплуатации — от -260

C до +260

• устойчивость к воздействию наиболее распро-

страненных химических веществ и растворов;

• влагостойкость и большое объемное сопротивле-

ние;

• возможность окраски неорганическими пигмен-

тами;

• возможность лазерной маркировки с использова-

нием диоксида титана.
При разработке современных проводов и кабе-

лей в качестве материалов для изоляции наиболее
часто используются три вида ПТФЭ — механиче-
ски обработанный, необожженный и экспандирован-
ный, обладающий малой плотностью. Первый тип
ПТФЭ производится с использованием адаптиро-
ванной технологии порошковой металлургии — лен-
та изготавливается компрессионным формованием
цилиндрической заготовки, обжигом ее в печи с по-
следующим снятием слоя с заготовки. Для сравне-
ния: необожженная лента из ПТФЭ изготавливает-
ся в процессе холодной экструзии, в котором сверх-

Таблица 1. Свойства ПТФЭ и других изоляционных материалов

ПТФЭ

Полипро-

пилен

Полиимид

ПВХ

Полиэтилен

Сшитый

полиэтилен

Каучук
(EPDM)

Силикон

Диэлектрическая

постоянная

1,3—2,1

2,1

3,5

3,5—12

2,3

3,0—3,5

Коэффициент

рассеяния (1 кГц)

<0,0001

0, 003

0,07

0,0002

0,0004

0,004

<0,01

Объемное

сопротивление

(Ом•см)

тонкий порошок из ПТФЭ экструдируется через спе-
циально спроектированную фильеру. Для обеспече-
ния нужной толщины ленты используется ее одно-
кратная или многократная прокатка в каландре. За-
тем смазка удаляется в процессе сушки или в специ-
альном растворе. Третья форма — экспандирован-
ный ПТФЭ низкой плотности, которую называют по-
ристой пленкой, имеет существенно меньшую плот-
ность по сравнению с двумя другими типами ПТФЭ.
Для уменьшения плотности ПТФЭ-ленты, что обе-
спечивает улучшение ее характеристик, были раз-
работаны и запатентованы специальные методы.
Например, экспандированный ПТФЭ низкой плотно-
сти может быть изготовлен растягиванием необож-
женного ПТФЭ при повышенной температуре для
увеличения его объема (рис. 1).

Рис. 1. Изображение ленты из экспандированного

ПТФЭ низкой плотности, полученное с помощью

сканирующего электронного микроскопа

Обычно обожженная часть ПТФЭ имеет плот-

ность 2,15 г/см

в то время как плотность необож-

женной части ПТФЭ равна 1,5 г/см

. Для сравне-

ния: плотность экспандированного ПТФЭ низ-
кой плотности может иметь значение 0,1 г/см

В табл. 2 приведены свойства экспандированного,

Page 4

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2011, www.kabel-news.ru

необожженного и обожженного ПТФЭ. Наиболее
заметным улучшенным свойством экспандирован-
ной лены из ПТФЭ низкой плотности является ее
прочность на разрыв, которая во много раз боль-
ше, чем прочность обожженного ПТФЭ. Экспанди-
рованный ПТФЭ также обладает повышенной те-
кучестью при низких температурах и стойкостью к
истиранию.

Изоляция из ПТФЭ наиболее часто применяет-

ся в конструкции монтажных проводов в электрон-
ном оборудовании коммерческих и военных само-
летов. Тонкая лента из ПТФЭ в необожженном со-
стоянии наматывается на провод. Затем вся кон-
струкция подвергается обжигу, что обеспечивает
однородность изоляции, обладающей хорошими
электрическими свойствами. Второй областью наи-

более широкого применения ПТФЭ является про-
изводство коаксиальных кабелей, где используют-
ся необожженные ленты, ленты после механиче-
ской обработки и некоторые типы лент из тефло-
на низкой плотности. ПТФЭ также может исполь-
зоваться в конструкции полужестких коаксиальных
кабелей для применения в радарах, телекоммуни-
кационных и авиакосмических системах. Для уве-
личения количества типов коаксиальных кабелей,
которые могут использоваться в условиях огра-
ниченных пространств, подобно медицинским им-
плантантам, проектируются сверхтонкие прецизи-
онные коаксиальные кабели. В таких конструкциях
в качестве изоляции часто используется пленка из
ПТФЭ низкой плотности. ПТФЭ также часто приме-
няется в тех случаях, когда по условиям эксплуа-
тации требуется работоспособность при повышен-

Таблица. 2. Сравнение типовых свойств лент из ПТФЭ различных типов

Максимальная плотность

Необожженный

Экспандированный

Удельный вес

2,15

1,5

0,1—1,0

Кристалличность, %

50—70

92—98

Пористость, %

<0,1

<10

25—96

Разрывная прочность, МПа

20—30

10—20

50—800

Теплопроводность, ккал/м

•

0,2

<0,2

<0,1

Устойчивость к пластической деформации

Плохая

Превосходная

Сопротивление истиранию

Среднее

Плохое

Превосходное

Химическая устойчивость

Превосходная

Рис. 3. Конструкция кабеля с использованием

ленты из ПТФЭ

Рис. 2. Необожженные ленты из ПТФЭ

(Plastomer Technologies)

Производство

ÈÇÎËßÖÈß ÊÀÁÅËß

Page 5

«КАБЕЛЬ-news», № 3, 2011, www.kabel-news.ru

ных температурах (выше 260

C) и при воздействии

активных химических веществ. К таким областям
применения относятся высокотемпературные при-
борные (инструментальные) провода, провода для
бурильных скважин, трансокеанские телекоммуни-
кационные и океанографические электромехани-
ческие кабели, высоковольтные провода, провода
для термопар, для систем измерения температуры,
для различных приборов и бытовой техники и кабе-
ли для сигнализации.

ПТФЭ успешно используется совместно с други-

ми высокотемпературными полимерами для улуч-
шения эксплуатационных характеристик высокока-
чественных проводов и кабелей (рис. 2). Например,
многослойная полиимидная лента (Kapton) и лента
из ПТФЭ могут наматываться слой за слоем на про-
водник, образуя конструкцию TKT (Teflon

-Kapton

в которой полиимид использован для уменьшения
веса и обеспечения необходимых электрических ха-
рактеристик, в то время как ПТФЭ обеспечивает
устойчивость к воздействию влаги и химических ве-
ществ (рис. 3).

Композитная изоляция в конструкции прово-

да впервые была предложена для использования в

аэрокосмическом оборудовании в начале 1990-х го-
дов, в дальнейшем она стала основной при изготов-
лении изолированных электрических проводов для
авиации. Благодаря своим превосходным свойствам
она заменила многие другие изоляционные матери-
алы, такие, как ПВХ, ПЭ, поливинилиденфторид и
полиуретан.

Сегодня исследователи продолжают поиски изо-

лирующих материалов следующего поколения, уде-
ляя большое внимание разработке новых компози-
тов, которые дадут возможность делать изоляцию
проводов более тонкой, легкой, гладкой, прочной,
обладающей большим сроком службы и удовлетво-
ряющей требованиям, указанным в директиве RoHS
Евросоюза. При этом нет сомнений, что ПТФЭ и его
композиты будут оставаться изоляционными мате-
риалами, занимающими лидирующие позиции при
производстве кабелей и проводов для тех областей
применения, в которых предъявляются жесткие спе-
циальные требования.

Перевод Святослава ЮРЬЕВА

Оригинал статьи напечатан в журнале Wire &

Cable Technology International/September 2010.

Производство

ÈÇÎËßÖÈß ÊÀÁÅËß

Оригинал статьи: Диэлектрик с совершенными эксплуатационными характеристиками

Читать онлайн

Для того чтобы высококачественные провода и кабели соответствовали требованиям промышленности, крайне важно правильно выбрать тип их изоляции. Сегодня идеальным выбором является политетрафторэтилен благодаря его уникальным электрическим, тепловым и химическим свойствам.