Содержание
Мир современных материалов — Полимерные плёнки
Электроизоляционные органические полимерные пленки — тонкие и гибкие материалы, которые могут быть намотаны в рулоны различной ширины. Благодаря высоким электрическим и механическим свойствам при малой толщине пленки нашли широкое применение в производстве конденсаторов, электрических машин, аппаратов и кабельных изделий. Для электроизоляционных полимерных пленок важны чистота исходного полимера, отсутствие следов катализатора и других загрязнений, которые могут содержаться в исходном полимере, чистота при изготовлении пленки и ряд других специфических требований. Чтобы отличить электроизоляционные пленки от пленок других назначений, изготовляемых из полимера такого же типа, им присваиваются специальные марки.
Изготовление полимерных пленок.
Основные методы изготовления полимерных пленок — экструзия, выдувание и отлив. При экструзии гранулы полимера расплавляют и продавливают его через фильеру, получая толстую, почти неориентированную пленку с определенной структурой, которую повторно нагревают почти до размягчения н производят ее ориентацию.
При температуре ниже точки размягчения пленку растягивают в продольном направлении в 5—6 раз, затем в специальной печи — в поперечном направлении. Остаточные напряжения снимают с помощью термофиксации путем термообработки растянутой пленки, затем ее разрезают по ширине и наматывают в рулоны.
При выдувании на первой стадии расплавленные гранулы выдавливают через кольцевую фильеру и получают пленку трубчатой формы, которую раздувают в нагретом состоянии сжатым воздухом. Таким образом, происходит двухосная ориентация пленки. Полученный рукав пропускают через валки. Образующуюся при этом двухслойную пленку разрезают по всей длине с двух сторон, н каждый слой наматывают в рулоны.
При изготовлении пленки методом отлива раствор полимера отливают на гладкую, чаще металлическую формующую поверхность.
Неполярные плёнки.
Неполярные пленки наиболее широко используют в конденсаторах, они обеспечивают высокие значения постоянной времени и удельных характеристик наряду с низким коэффициентом диэлектрической абсорбции.
Неполярные пленки имеют высокую электрическую прочность при пониженном по сравнению с бумагой количестве слабых мест. Это позволяет обеспечивать высокие значения рабочей электрической прочности (до 40—60 МВ/м). С применением неполярных пленок изготовляют мощные силовые конденсаторы на частоту 500—20 000 Гц без воздушного охлаждения, которое необходимо для бумажных.
В табл. 1 приведены усредненные основные показатели неполярных пленок.
Таблица 1. Усредненные основные свойства неполярных пленок (при толщине 25-50 мкм).
Полистирольную плёнку (ПС) изготовляют экструзией с последующей ориентацией из блочного полистирола с теплостойкостью по Вика 95—100 °С (по Мартенсу 78 °С) с содержанием мономера 0,6—0,8 %. Конденсаторы из ПС высокостабильны, но недостаточно нагревостойки и мало устойчивы к воздействию обычных кислот. Пленка ПС вытесняется полипропиленовой пленкой.
Улучшение чистоты исходного полистирола и повышение его нагревостойкости, зависящей от его молекулярной массы, позволяют поднять верхний предел рабочей температуры полистирольного конденсатора до +85 С.
Полистирольная пленка легко металлизируется, при этом в конденсаторах можно повышать рабочую электрическую прочность до 12—20 МВ/м (вместо обычных 6—12 МВ/м).
Полиэтиленовая плёнка (ПЭ) изготовляется методом экструзии из полиэтилена высокого давления (низкой плотности) и его композиций. Пленка широко используется в качестве упаковочного материала, в сельском хозяйстве, для производства различных товаров и ограниченно в качестве диэлектрика конденсаторов. Для непропитанных конденсаторов из пленки ПЭ допускается рабочая температура 85°С.
Полипропиленовую плёнку (ПП) изготавливают из изотактического полипропилена. Благодаря сочетанию высокой электрической прочности, низких диэлектрических потерь, малого содержания слабых мест, дешевизне и возможности широкой модификации технологических свойств пленка ПП производится и используется наиболее широко.
Свойства пленки ПП зависят от способа изготовления, содержания изотактической и атактической фаз, чистоты исходного полимера и физического состояния поверхности плёнки.
Важна совместимость пленки ПП с пропитывающим веществом. Ионные примеси в исходном полимере легко вымываются пропитывающим, особенно полярным, веществом, увеличивают его проводимость и tgδ ухудшают характеристики конденсатора, что требует применения особо чистого полипропилена. При использовании такого полимера под совместимостью пленки ПП с пропитывающим веществом понимают взаимную растворимость и набухаемость в аспекте обеспечения качественной пропитки. При пропитке часть полимера, главным образом атактического (нестереорегулярного), вымывается из пленки и растворяется в пропитывающем веществе, а часть пропитывающего вещества растворяется в пленке, вызывая ее разбухание. Этот процесс зависит от особенностей пленки ПП, вида пропитывающего вещества и режима пропитки.
Растворение пленки ПП в пропитывающем веществе нежелательно.
При нагреве пленка ПП дает усадку в продольном и поперечном направлениях. Для снижения термоусадки пленки при использовании производят ее термоусаживание в процессе изготовления.
Политетрафторэтиленовая плёнка (ПТФЭ) (пленка из фторопласта-4) наиболее нагревостойкая из неполярных синтетических пленок. Для получения пленки из порошка ПТФЭ в пресс-форме на холоде прессуют цилиндрическую заготовку, которую спекают в монолитное тело, а затем на станке резцом срезают стружку в виде непрерывной толстой пленки; путем вальцевания толщину пленки снижают до требуемых малых значений, при этом осуществляется и ориентация пленки. Пленки из ПТФЭ представляют значительный интерес для электроизоляционной техники, несмотря на высокую стоимость. Они используются в конденсаторах, кабелях, электрических машинах и аппаратах.
Согласно ГОСТ 24222-80 пленка ПТФЭ изготовляется механическим способом и предназначается для электрической изоляции с рабочей температурой от —269 до +260 °С.
Пленка из фторопласта-4 в интервале температур от —269 до +260°С невзрывоопасна, негорюча, при непосредственном контакте не оказывает влияния на организм человека. При нагревании пленки свыше 260 °С из фторопласта-4 выделяются токсичные легколетучие фтористые соединения — фтористый водород, перфторизобутилен и окись углерода.
Одной из особенностей пленки ПТФЭ являются ее антиадгезионные свойства. При необходимости применения в конструкциях, содержащих пленку ПТФЭ, связующих или покрывных составов, адгезия последних к поверхности пленки может быть повышена путем специальной ее обработки.
Полярные плёнки.
В отличие от неполярных полярные пленки обладают повышенной диэлектрической проницаемостью, однако она обычно тоже невелика (за исключением пленок из циаиэтилированной целлюлозы), в пределах 3—4. Если для неполярных пленок наблюдается близкое к линейному снижение диэлектрической прониницаемости с температурой, то для полярных она возрастает с температурой, причем обычно нелинейно. tgδ полярных пленок в связи с наличием в них релаксационных видов поляризации не только заметно выше, чем у неполярных пленок, но и резко зависит от температуры и частоты.
Для ряда полярных пленок на температурной зависимости tgδ появляются даже два максимума; низкотемпературный обусловлен релаксацией звеньев макромолекул.
Электрическая прочность полярных пленок, как правило, выше, чем у неполярных, но более резко зависит от температуры. По механической прочности и нагревостойкости полярные пленки могут быть как лучше, так и хуже отдельных видов неполярных пленок в зависимости от типа полимера и от метода получения пленки. По значениям удельного электрического сопротивления и коэффициента абсорбции полярные пленки обычно уступают неполярным.
Гигроскопичность полярных пленок выше, чем неполярных. В табл.2 приведены усредненные основные свойства полярных пленок.
Таблица 2. Усредненные основные свойства полярных пленок (при толщине 25-50 мкм).
Поливинилхлоридная пленка (ПВХ) небольших толщин обычно изготовляется из хлорированного поливинилхлорида. При толщинах 0,02—0,08 мм пленка обладает достаточной механической прочностью, однако ее электрические характеристики невысоки. Пленка имеет нагревостойкость 70—80 °С и отличается хорошей влагостойкостью. Пленка применяется, в основном, в кабельной технике.
Интервал рабочих температур пленки от —25 до +50 °С, разрушающее напряжение при растяжении не менее 12,2 МПа, относительное удлинение при разрыве не менее 120 %.
Полиэтилентерефталатная пленка (ПЭТ) в России известна под названием лавсан, в США — майлар.
ПЭТ-пленка изготовляется экструзией расплава на поверхность вала с последующей двухосной ориентацией, термофиксацией и охлаждением полотна и имеет рабочую температуру от —66 до + 155°С (с учетом назначения пленки).
Пленка ПЭТ относится к классу Е, но в сочетании с более нагревостойкими материалами и пропиточными составами может применяться в системах изоляции классов В и F. В конденсаторах верхним пределом температуры является + 125°С, а при пониженных напряженностях электрического поля н сроках службы +155 °С. Пленка не содержит присадок, устойчива к воздействию масел, кипящей воды, минеральных кислот, органических жидкостей, солнечному свету; среднеустойчива к щелочам, ультрафиолетовым лучам, растворяется в фенолах и серной кислоте.
Пленка морозостойка, сохраняет эластичность при температурах до —70 °С.
Сочетание высокой механической и электрической прочности, хороших электрических показателей, повышенной нагревостойкости и влагостойкости, хорошей способности к металлизации обусловило широкое применение пленки ПЭТ в электротехнике.
Поликарбонатная пленка (ПК) стойка к разбавленным кислотам, насыщенным алифатическим и циклоалифатическим углеводородам, спиртам, нефтяному маслу; пленки разрушаются под воздействием щелочей, аммиака и аминов, растворяются в метиленхлориде, набухают в ароматических углеводородах. Усадка пленок наблюдается практически только в продольном направлении. Благодаря высокой короностойкости пленка этого типа представляет интерес для высоковольтной изоляции.
Полиарилатные пленки (ПАР) с высокой молекулярной массой имеют относительно высокую нагревостойкость. Они способны выдерживать нагрев до 150 °С в течение 5000 ч и до 190 °С в течение 1100 ч при сохранении механической прочности на уровне 50 % исходного значения.
Электрические показатели пленок относительно мало изменяются в интервале температур от —60 до +200 °С.
Плёнки алифатических полиамидов имеют ограниченное применение в электроизоляционной технике в силу недостаточно высокой нагревостойкости. Заметное снижение их механических показателей наблюдается при продолжительном прогреве при 80—100°С, а также под воздействием солнечного света и влажности. Пленки имеют невысокие электрические показатели, которые существенно снижаются при нагревании и воздействии влажности. Их отличительной особенностью являются высокая эластичность — ориентированные пленки имеют удлинение до 150 %, а неориентированные — 250—400 %. Пленки негорючи, не растворяются в бензине, бензоле, спирте, ацетоне, хлороформе.
Плёнки ароматических полиамидов отличаются от пленок алифатических полиамидов значительно более высокой нагревостойкостью, обусловленной жесткостью цепей молекул и стойкостью ароматических структур к термической и термоокислительной деструкции.
Электрические показатели пленок относительно мало изменяются в интервале температур от —60 до +200 °С. Одной из особенностей ароматических полиамидов является их относительно высокое водопоглощение, однако электрические показатели увлажненных пленок остаются на достаточно высоком уровне.
Полиимидная плёнка (ПМ). Особенностью этой пленки является весьма высокая нагревостойкость. По данным фирмы DuPontсрок службы полиимидной пленки при старении на воздухе (до достижения удлинения при разрыве, равного 1 %) составляет 8 лет при 250 °С, 1 год при 275 °С, 3 мес при 300°С, 12 ч при 400 °С. Наряду с этим пленка весьма стойка к воздействию отрицательных температур — ее механические свойства практически не меняются вплоть до температуры —260 °С. Полиимидная пленка неплавка, негорюча и нерастворима, стойка к воздействию кислот, масел и органических растворителей, но недостаточно противостоит воздействию щелочей. Влагостойкость пленки характеризуется следующими данными. При выдержке в атмосфере с относительной влажностью 50 % пленка поглощает при насыщении 1,3% воды, в атмосфере с относительной влажностью 100% — до 2,9%, при этом электрические характеристики пленки несколько ухудшаются.
После продолжительной (до 70 сут) выдержки в кипящей воде разрушающее напряжение при растяжении пленки снижается до 65%, а удлинение — до 30% первоначального значения. Полиимидная пленка подвержена гидролитической деструкции в процессе продолжительного пребывания при повышенных температуре и влажности в условиях, когда удаление влаги затруднено.
Полиимидная пленка имеет цвет от темно-желтого до светло-коричневого. Она обладает высокими механическими и электрическими свойствами, мало изменяющимися в широком интервале температур. Отличительной особенностью пленки является высокая радиационная стойкость.
Литература:
- Справочник по электротехническим материалам/ под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. – М.: Энергоатомиздат, т.2, 1987. – 464 с.
Вас также может заинтересовать:
Общие сведения о диэлектриках
Слюда и слюдяные материалы
Слюдяные ленты
Сшитый полиэтилен
Измерение объемного и поверхностного сопротивления твердых диэлектриков
«Умные» пленки защитят полимерные имплантаты и биосенсоры от грибков и бактерий
Ученые из Института высокомолекулярных соединений (ИВС) РАН нашли способ, позволяющий контролировать «прилипание» (адгезию) бактерий к поверхности полученных ими электропроводящих полиэлектролитных пленок.
Это позволит создавать надежные метаматериалы для биомедицинских изделий — имплантатов, биосенсоров и т.д.
Сегодня биомедицинская техника используется для лечения сердечно-сосудистых, онкологических заболеваний, применяется в качестве средства дистанционного мониторинга жизненно важных параметров организма человека, в медицинской робототехнике. Например, биоэлектронные имплантируемые устройства, работающие на принципе электростимуляции, которые используются для лечения пациентов, страдающих эпилепсией, болезнью Паркинсона, глухотой, эссенциальным тремором. Для создания биомедицинской техники применяют метаматериалы — композиционные искусственно структурированные материалы с «настраиваемыми» свойствами, которые отсутствуют у природных материалов.
Однако микроорганизмы — грибки и бактерии — способны приводить к изменению структурных и функциональных характеристик и даже к разрушению полимерных материалов. Особенно остро данная проблема стоит в области конструирования биоэлектрохимических устройств, в которых используются электропроводящие полимеры.
Компоненты крови человека (как, например, сывороточный альбумин) при взаимодействии с имплантированной биоэлектроникой с длительным сроком службы могут вызывать неспецифическую адгезию — то есть «прилипание» микроорганизмов к устройству. Накопление биологически активных веществ на поверхности электропроводящих полимерных пленок приводит к сбою в работе биоэлектроники.
Решить проблему могут специальные пленки, способные отталкивать разрушающие полимеры элементы. Созданием таких «умных» пленок занимаются в Институте высокомолекулярных соединений РАН. Ученые нашли способ, позволяющий контролировать адгезию бактерий на поверхности полученных ими электропроводящих полиэлектролитных пленок. На основе таких пленок возможно конструирование биоэлектрохимических устройств, например электрохимических насосов для лечения нейропатической боли, являющихся разновидностью систем адресной доставки лекарств.
«Мы научились синтезировать композитные полиэлектролитные микросферы, содержащие в своей структуре электропроводящий полимер — поли(3,4)-этилендиокситиофен, и сделали на их основе «умные» пленки.
Они показали свою эффективность в качестве противообрастающих покрытий: сорбция (поглощение) бактерий E. coli на их поверхности задается управлением формой электропроводящего полимера (восстановленная/окисленная), что зависит от приложенного напряжения», — рассказала старший научный сотрудник лаборатории полимерных сорбентов и носителей для биотехнологии ИВС РАН, кандидат химических наук Наталья Шевченко.
Научный проект находится в стадии разработки. Ученые уже изучили первые успешные полимерные пленки, для которых продемонстрирована возможность контроля адгезии бактерий на поверхности. Исследования продолжаются, в дальнейшем ученые планирует совместную работу с медиками.
Исследования поддержаны Минобрнауки России и Комитетом по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга. Научная статья была опубликована в журнале Sensors.
Двумерные сопряженные полимерные пленки с помощью синтеза на жидкостной поверхности для органических электронных устройств
Двумерные сопряженные полимерные пленки
через синтез с помощью жидкостной поверхности для органических электронных устройств
Кеджун
Лю, † и
Лихуань
Ван† и
и
Жэньхао
Донг
* и
Принадлежности автора
*
Соответствующие авторы
и
Факультет химии и пищевой химии и Центр развития электроники Дрездена, Технический университет Дрездена, 01062 Дрезден, Германия
Электронная почта:
renhao.
[email protected]
Аннотация
Сопряженные полимеры привлекли широкое внимание академических и промышленных кругов для применения в оптоэлектронике. В отличие от линейных (одномерных, 1D) сопряженных полимеров, последовательное увеличение размерности за счет ковалентного соединения нескольких цепей с двумерными (2D) сопряженными полимерами (2DCP) для органической электроники остается менее изученным. В этой обзорной статье мы обобщим текущие отчеты о 2DCP с помощью синтеза на поверхности жидкости (LIAS), включая синтез с помощью Ленгмюра-Блоджетт и синтез на границе жидкость-жидкость, а также поверхностно-активное вещество-монослой с помощью поверхностного синтеза (SMAIS). . Будут представлены репрезентативные синтетические 2DCP, включая графин, 2D-конъюгированные ковалентные органические каркасы (2D-c-COF) и 2D-конъюгированные металлоорганические каркасы (2D-c-MOF) с упором на синтез пленки с помощью LIAS.
Как правило, эти синтетические пленки 2DCP представляют собой собственные (полу)проводники с настраиваемой шириной запрещенной зоны и обладают высокой степенью кристалличности, большой площадью, автономными и одно-/многослойными характеристиками, которые упрощают обработку и интеграцию электронных устройств. С этой целью мы обсудим исследования применения пленок 2DCP в полевых транзисторах (FET), мемристорах и фотодетекторах, включая описание изготовления устройства и его уникальных характеристик. Наконец, представлены проблемы и перспективы, касающиеся будущего развития методов LIAS для пленок 2DCP с разнообразным структурным и функциональным контролем, а также существующие ключевые вопросы для органических электронных устройств.
- Эта статья входит в тематические подборки:
Journal of Materials Chemistry C Новые исследователи и Journal of Materials Chemistry C Недавние обзорные статьи
Эластичные и проводящие полимерные пленки для высокоэффективной защиты от электромагнитных помех
Эластичные и проводящие полимерные пленки для высокоэффективной защиты от электромагнитных помех†
Пэнчэн
Ли,‡ и
Донхэ
Ду,‡ и
Лин
Го, б
Юнсинь
Го б
и
Цзяньюн
Оуян* a
Принадлежности автора
*
Соответствующие авторы
и
Департамент материаловедения и инженерии, Национальный университет Сингапура, 7 Engineering Drive 1, Сингапур
Электронная почта:
mseoj@nus.
edu.sg
б
Факультет электротехники и вычислительной техники, Национальный университет Сингапура, 4 Engineering Drive 3, Сингапур
Аннотация
Быстрорастущая гибкая и растяжимая электроника, такая как роботы, портативная электроника и носимые устройства, считается электронными устройствами следующего поколения. Гибкие или даже растяжимые экранирующие электромагнитные помехи (ЭМП) материалы с высокими характеристиками необходимы, чтобы избежать неблагоприятного воздействия электромагнитного излучения, создаваемого этими устройствами. В этой работе высокопроводящие и растяжимые полимерные пленки были приготовлены путем смешивания проводящего полимера, поли(3,4-этилендиокситиофена): полистиролсульфоната (PEDOT:PSS), с высокорастяжимым полиуретаном на водной основе (WPU).
