POLIMERI V ELEKTRO INDUSTRIJI
Anton Šebenik, Uči Osredkar
UVOD
Razvoj sodobne elektroindustrije, posebej pa še elektronike, je tesno povezan z razvojem novih materialov, ki lahko služijo kot konstrukcijski ali pa kot elektroizolacijski materiali. Kot elektroizolacijske materiale lahko uporabljamo anorganske materiale kot steklo, keramika itd. ter vrsto organskih materialov, kot sintetični in naravni polimeri. Uporaba izolacijs -kih materialov je specifična in jih zato le v redkih primerih lahko poljubno zamenjujemo. Od materialov največkrat zahtevamo kombinacijo različnih lastnosti, kot so npr. dobre električne, mehanske in termične lastnosti ter nizka korozivnost. Vse pogosteje zahtevamo tudi odpornost proti gorenju. Razumljivo je, da zelo težko dosežemo, da bi imel en sam material samo najboljše lastnosti in hkrati sprejemljivo ceno. Zato je možno le s poznavanjem vseh parametrov in cene selektivno izbrati najustreznejše materiale za določena področja uporabe.
VRSTE POLIMEROV
Delitev polimerov je možnih na več vrst. V tem delu bomo za delitev po skupinah upoštevali predvsem električne lastnosti polimerov. V prvo skupino štejejo nasičeni linearni polimeri, pri katerih je osnovna skeletna veriga sestavljena iz ponavljajočih se C atomov (slika 1), na katero so v pravilnem ali nepravilnem redu vezane stranske skupine ali heteroatomi. Značilna za to skupino je nizka temperatura steklastega prehoda. Stranske skupine in heteroatomi inducirajo dipolni moment v verigi, kar vpliva na električne lastnosti polimera. V linearni verigi so vsi ogljikovi atomi vezani z lokaliziranimi 6 vezmi, ki se kljub močnemu naboju na stranski verigi težko u polarizi-rajo. Zato ima stranski naboj predvsem vpliv na
dielektrične lastnosti polimera, manj pa na električno prevodnost.Osnovni predstavnik te skupine je polietilen z odličnimi električnimi, vendar slabšimi mehanskimi in termičnimi lastnostmi. Derivati polietilena kot so polistiren, polivinilklorid, mono-,tri- in tetra-polivinilfluoridi, polipropilen in še nekateri drugi imajo slabše električne, vendar boljše mehanske in termične lastnosti v primerjavi s polietilenom, čeprav pa ne dosegajo visokih vrednosti. Vzrok za to je linearna struktura verige, ki prečno ni kemijsko povezana - zamrežena, med segmenti pa ne nastopajo močne medmolekulske sile. Ti polimeri so povečini plastični in jih je lahko oblikovati in reciklirati pri povišani temperaturi. Z zamreženjem se mehanske lastnosti bistveno izboljšajo.
V	drugo skupino štejejo nenasičeni polimeri z linearno ogljikovo verigo, ki imajo v verigi eno ali več dvojnih vezi, ki imajo delno delokalizirane H elektrone . Te dvojne vezi je možno pod vplivom naboja na stranski verigi polarizirati, kar omogoča prenos električnega toka vzdolž in prečno na verigo. V to skupino štejejo polibutadien, poliizopren, poliviniliden-fluorid in drugi. Tudi ti polimeri nimajo posebej dobrih mehanskih in termičnih lastnosti, možno pa jih je z zamreženjem izboljšati.
V	tretjo skupino štejejo linearni kondenzirani polimeri. V tem primeru so manjše linearne molekule vezane med seboj s heteroatomi, ki polarizirajo verigo v smeri kemijskih vezi. Najpomembnejši predstavniki so poliamidi in linearni poliestri, kot je dietilentereftalat. Imajo dobre mehanske lastnosti
in tudi ustrezne termi&ie lastnosti. Značilno zanje je, da imajo ostro zmehčišče in tališče. V večini primerov so nezamreženi in se pogostokrat uporabljajo kot konstrukcijski materiali.
v četrto dcupino štejejo zamreženi, kondenzacijski polimeri. Najznačilnejši predstavniki so epoksidne, fenolne, sečninske in druge smole ter poliuretani in poliestri . Večina izmed njih ima dobre mehanske in termične lastnosti ter odpornost proti kemikalijam. Različno neponavljajoča se struktura ter vrsta hete-roatomov z močno polarnostjo povzroči nastanek močno polarnih delov, kar vpliva na električne lastnosti smol. Kondenzacijske polimere v večini primerov uporabljajo skupaj s polnilom. Polnilo lahko spreminja električne lastnosti, navadno pa izboljša mehanske in predelovalne lastnosti. V to skupino štejejo tudi kom-poziti na osnovi kondenzacijskih polimerov in grafitom ali kovinskim prahom, ki jih nepravilno prištevamo med prevodne polimere.
Peto skupino polimerov sestavljajo prevodni polimeri. Imajo lastnosti, da prevajajo električni tok, v nekaterih primerih celo kot kovina (slika 1). Glavni predstavniki prevodnih polimerov so poliacetilen in njegovi derivati in kopolimeri, polifenilen, polipirol in polifenilen
CH, CHj CH, CH, CH,
/ V / \ / \ / < \
CHj CH
CH,
CH
•2 CH2
polietilen nspolaren, neprevoden
Cl
Cl
i(-ia	ill
CH	/CH
CH2 CHJ CH; CHj
a
Maiotaktični poiivlnilkkMid, polarni polimer, deine p<«vodan na osnovi polarizirortih nabojev
H
H	=	^
"v,	/	\
H	C = C	H
s / \ !	C = C	H
\	/	\ n	/
C = c H II
__hibridiziran 6T
eteklronski oblak
^^__—O"*^ ^
/ / ____
,C-C y
/
/
poliacetilen prevoden na osnovi gibljivih öT elektronov
Slika 1: Načini prevajanja električnega toka v polimerni verigi
oksid. Poleg naštetih pa je še vrsta drugih, ki imajo različne fizikalno-kemične ter električne lastnosti. Ti, obetajoči polimeri še niso našli velike tehnične uporabe v elektronski industriji.
ELEKTRIČNE LASTNOSTI POLIMEROV
Vse lastnosti polimerov so odvisne od strukture in konformacije polimerov ter od dodatkov, ki so primešani polimeru. Struktura polimera in dodatki vplivajo na električno upornost, dielektrično konstanto, faktor dielektričnih izgub, prebojno napetost in plazeče se tokove.
Električna upornost (oz. prevodnost) polimera je odvisna od polarnosti posameznih segmentov, gostote gibljivih elektronov, primesi prevodnih delcev in od načina vezave le-teh med seboj. Prehod elektronov med posameznimi segmenti in verigami je možen samo v primeru, če so prevodni deli makromolekule v direktnem stiku. Neprevodni segmenti v makromole-kuli prekinjajo prehode elektronov in zvišujejo upornost» Tako ima polietilen le neprevodne - CH^- enote z loka-liziranimi elektroni, brez naboja na stranski verigi.
18
Njegova električna upornost je 10 ohmcm, kar je med najvišjimi vrednostmi. Podobne električne upornosti imajo tudi polipropilen in polistiren, pri kate-
1 2
rih stranske skupine niso polarizirane ' . Upornost halogeniranih polimerov kot je polivinilklorid že nekoliko pade zaradi močno polarnih klorovih atomov. Se večji padec upornosti pa opažamo pri smolah, ki imajo vgrajen heteroatom v molekulo. Električna upornost fenolnih, melaminskih in sečninskih smol je okoli 10 ohmcm, odvisno od polnil, ostankov katalizatorjev in drugih dodatkov v polimeru. Vlaga v polimerih pa še poveča padec upornosti (Tabela 1).
o
Posebna skupina polimerov so prevodni polimeri . Najznačilnejši predstavniki prevodnih polimerov so poliacetilen in njegovi derivati terpolifenilen in polipirol.. V tem primeru imamo v polimerni verigi konjugirane dvojne vezi, kjer nastanejo hibridizirane orbitale z d - Ü elektroni, ki so razpotegnjeni po vsej verigi in se vzdolž verige gibljejo pod vplivom
električne napetosti. Prehajanje i:2 ene verige v drugo je odvisno od stopnje kristaliničnosti, razvejanosti, eis-trans konfiguracije stranskih skupin in dopiranja polimera. Najboljše prehajanje iz ene verige na drugo je takrat, kadar so verige sistematično urejene druga ob drugi. Upornost prevodnega
_3
polimera je tudi do 10 ohmcm.
Faktor dielektriSnih izgub raste z rastočo polarnostjo makromolekul. Najnižjo vrednost imajo povsem ne-polarni polimeri, kot so polietilen in polipropilen, medtem ko polivinilkloridu in različnim polimerom s polarnimi vezmi faktor dielektričnih izgub močno naraste. Odvisen je tudi od frekvence in temperature. Pri nižjih frekvencah predvsem nihajo gibljivi dipoli kot so npr. okludirana voda in nabite stranske skupine, ki niso sterično ovirane, medtem ko pri frekvencah nad 1 MHz nihajo tudi dipoli, ki so sterično ovirani (slika 2). Pri tem se sprosti energija
rialih raste (slika 3). To sprošča vedno več toplote, vse dokler ne pride do dielektričnega porušenja po-
20 40
"äö ioö i5ö 50 ^
Temperatura fCJ
0.07 0,06 0,06-I 00»
i «1
? Q02
I
iS Qp1
10
50 100 300 5001000 500010000 Frekvenca CKHi;
Slika 2: Odvisnost faktorja dielektričnih izgub od frekvence, (l), tehnični laminat (natron papir, krezolna smola), (2), tehnični laminat (oC- celulozni papir, fenolna smola), (3) polivinilklorid, (4) tehnični laminat (poliesterska smola, steklena tkanina, (6) teflon, (7) polietilen
Slika 3: Odvisnost faktorja dielektričnih izgub od temperature (1) , tehnični laminat ( riC. -celulozni papir, fenolna smola), (2) polivinilklorid, (3) epoksi laminat, (4) poliesterski laminat, (5) polietilen, (6) teflon
limera in do preboja električnega toka. Faktor dielektričnih izgub bistveno povečajo dodatki kot so voda, mehčala in razna polarna polnila. Pri že vgrajenih elektroizolacijskih materialih pa lahko zato negativno vpliva vlaga, ki se veže iz zraka.
Prebojna in vzdržna napetost sta povezcini z električno upornostjo, faktorjem dielektričnih izgub in temperaturo steklastega prehoda. Polietilen in polipropilen imata kljub dobrim električnim lastnostim slabo prebojno trdnost predvsem pri višji temperaturi zaradi plastičnosti materiala in neobstojnosti proti toploti, ki zmehča material. Najvišje prebojne trdnosti imajo ksilenolne smole, ki so zelo obstojne proti povišani temperaturi.
kot toplota, ki močno vpliva na obstojnost polimera. Faktor dielektričnih izgub s temperaturo v vseh mate-
Plazeči tokovi po površini so odvisni od interakcij med polimeri In nečistostmi na površini. Najmanjše
interakcije z elektroliti in drugimi nečistostmi imajo melaminske smole. Plazeči tokovi so posebno veliki pri slabo utrjenih smolah in polimerih, ki se delno raztapljajo ali nabrekajo v polarnih nečistočah.
TEIRMIČNE IN MEHANSKE LASTNOSTI
Uporabnost polimerov za električne namene je poleg od električnih lastnosti zelo odvisna tudi od mehanskih in termičnih lastnosti. Vsi polimeri, ki imajo temperaturo steklastega prehoda nižjo od 60°C so mehki, se krivijo in plastično deformirajo in imajo slabe mehanske lastnosti, medtem ko so polimeri s temperaturo steklastega prehoda nad 60°C trdi z dobrimi mehanskimi lastnostmi. Temperatura steklastega prehoda je odvisna od strukture polimera. Polimeri iz prvih dveh skupin so v večini pri normalni teinperaturi mehki in plastični, medtem ko imajo zamrežene smoie aobre termične in mehanske lastnosti tudi pri povišanih temperaturah. Tako je npr. večina nosilnih plošč tiskanih vezij izdelanih iz epoksi ali fenolnih smol, okrepljenih z vlakni. Pri povišani temperaturi se ne krivijo, so odporne na spajkanje in imajo visoke električne upornosti.
Tabela 1: Nekatere polimerov'^
značilne lastnosti najuporabnejših
Temper. steklast. prehoda /°C/
Upornost Faktor {ohm dielek. cm) izgub /-/
Polietilen	- 125	5.10^«	0,0005
Polipropilen	- 10	1.10^^ 1.10^^	0,0005
Polistiren	100		0,004
PVC	80	1.10^^	0,03
Polibutadien	- 70	1.10^^	0,01
Poliamid 6,6	50	1.10^^	0,02
Epoksilaminat Eenolni laminat	-	1.10^2 1.10^°	0,02 0,05
Teflon	120	1.10^'^	0,0003
Poliuretan	80	i.io"	0,04
V isto vrsto štejejo tudi poliamidi, linearni poliestri, ki jih uporabljajo kot konstrukcijski material, i^o drugi strani pa so polietilen in njegovi derivati pri normalnih temperaturah mehki in prožni in se pri pregibih ne lomijo, pač pa so plastični in imajo slabe mehanske lastnosti. (Tabela 1.).
ZAKLJUČEK
Pri projektiranju električnih naprav je zelo pomembna pravilna izbira polimera, ki ga nameravamo uporabiti. Izredno široka ponudba polimerov z zelo različnimi električnimi lastnostmi, temperature steklastega prehoda, mehanskih in termičnih karakteristik nam omogoča, da s kombinacijami različnih polimerov in dodatkov izberemo polimer, ki zagotavlja zaželene lastnosti. Pravilna selektivna uporaba pa omogoča optimiziranje vseh sestavnih delov naprav.
LITERATURA :
1.	J. Brandrup, E.H. Immergut, Polymer handbook, John Wiley, New York 1975
2.	T. Davidson, Polymers in electronics, ACS, Washington, 1984
3.	R.B. Seymour, Conductive Polymers, Plenum Press, New York, 1981
dr. Anton Sebenik in dr. Uči Osrodknr Kemijski iiištilut "lioris Kidrič" Ljubljana, Hajdrihova 19