CC BY
20
8Й8 Энергетика
Г.К.Новиков
Термодеструкция и поляризация полиэтиленовой и поливинилхлоридной кабельной изоляции
В работе исследовалось влияние термостарения в кислородсодержащей воздушной среде на электрет-ный эффект и электрическую релаксацию в кабельной полиэтиленовой (ПЭ) и поливинилхлоридной (ПВХ) изоляции. Использовалась сшитая и несшитая ПЭ изоляция самонесущего изолированного провода СИП-1, СИП-2 и ПВХ изоляция кабеля АВВГ.
На рис, 1 приведено схематическое представление трех вариантов разрыва межатомной связи в процессе термодеструкции макромолекулы ПЭ и ПВХ при термостарении. Видно, что межатомные связи будут иметь разную вероятность разрыва в процессе длительного термостарения, так как энергии этих связей существенно различны [1].
На рис. 2 приведены поляризуемости ПЭ и ПВХ изоляции ТПЖ кабелей АВВГ и СИП-2 до и после термостарения. Термостарение проводилось в воздушном термостате при Тс=90°С в течение 720 часов. Видно существенное превышение поляризуемости термоста-
ренной изоляции по сравнению с нестаренной. Аналогичный результат получен и для пленочной ПЭ и ПВХ изоляции.
На рис. 3 представлены зависимости для
ПЭ и ПВХ пленок толщиной 120 мкм до и после термостарения на воздухе.
Из рис.2, 3 следует, что и для кабельной изоляции ПЭ и ПВХ и для пленочной ПЭ и ПВХ изоляции наблюдаются одинаковые закономерности термостарения, которые проявляются в более высокой поляризуемости термостаренных ПЭ и ПВХ.
Этот экспериментальный результат находит свое объяснение, если предполагать, что центрами захвата носителей заряда в ПЭ и ПВХ изоляции, определяющими ее поляризацию, являются полярные межатомные связи. В качестве таких связей в полиэтилене могут выступать С-Н связи, а в ПВХ ими могут быть С-Н и С-С1 связи. Перманентные диполи С-Н и С-С1 способны удерживать вблизи себя электроны, образуя так назы-
н н
-С--
н н
Разрыв боковой связи С-Н полимерной цепи Г1Э.
Разрыв основной связи С-С полимерной цепи ПЭ.
Рис. 1. Схематическое представление возможных вариантов разрыва межатомной связи при термодеструкции полиэтилена и поливинилхлорида
Энергетика
Рис. 2. Зависимости УЭ=((У„) для ПЭ изоляции ТПЖ самонесущего изолированного провола СИП-2-( ~)и ПВХ-( Д; изоляции кабеля АВВГ до (1, 3) и после (2, 4) термостарения (Тс=90°С, Ъ=720 ч)
ваемые ловушки [2-8], Из элементарного расчета легко показать, что глубина центров захвата вблизи таких диполей составляет 0,6-0,7 эВ, что хорошо согласуется с результатами определения энергии активации релаксации абсорбционного заряда и энергией активации проводимости ПЭ и ПВХ.
Необходимо отметить, что для двух совершенно одинаковых образцов ПЭ и ПВХ пленки поляризуемость ПЭ оказывается всегда несколько выше поляризуемости ПВХ (примерно на 5-7%), Этот экспериментальный результат можно объяснить, если учесть, что плотность ПВХ выше плотности ПЭ и, следовательно, электроны из коронного разряда проникают в ПВХ на меньшую глубину. Если считать, что концентрация центров захвата носителей заряда в ПЭ и ПВХ определяется количеством полярных связей в единице объема, а количество полярных связей в ПЭ и ПВХ на единицу объема примерно одинаково, то становится понятно, что при одинаковых условиях поляризации ПВХ оказывается заполяризован меньше чем ПЭ,
Из представленных на рис. 1 трех вариантов разрыва межатомной связи наибольшую вероятность в процессе термостарения будут иметь наиболее слабые неполярные связи. Известно, что наименьшую энергию имеют неполярные С-С связи, которые и разрываются в первую очередь в процессе термостарения. Если старение осуществляется в кислородсодержащей среде (например, в воздушном термостате), то по месту разрыва С-С связи происходит ее окисление. Таким образом, в процессе термостарения ПЭ и ПВХ одна неполярная С-С связь заменяется двумя полярными С-0 связями - имеет место так называемая термоокислительная деструкция, которая сопровождается дроблением и окислением полимерной цепи. Этот процесс при термостарении (также как и при ионизационном старении) для ПЭ и ПВХ изоляции протекает по-разному. Таким образом, установлено, что в одинаковых условиях термостарение ПВХ изоляции происходит
Рис. 3. Зависимости V3=f(V„) для ПЭ (ш>) и ПВХ С Ю пленки до (1, 3) и после (2, 4) термостарения, hl 20 мкм, (Тс=90°С, tc=720 ч)
более быстро по сравнению с ПЭ, что может быть объяснено фононным механизмом старения полимерной изоляции. Частицы CI в ПВХ изоляции имеют большее сечение взаимодействия с фононами и по этой причине термостойкость ПВХ кабельной изоляции оказывается значительно ниже термостойкости ПЭ изоляции.
Следует подчеркнуть, что процесс ионизационного старения [4] ПЭ и ПВХ в отличие от термостарения развивается совершенно по-другому и в этом случае ПВХ показывает значительно более высокую стойкость по отношению к процессу ионизационного старения по сравнению с ПЭ.
Библиографический список
1. Казанская A.C., Скобло В,А, Расчеты химических равновесий, - М„ «Высш. Школа», 1974. - 288с.
2. Новиков Г.К., Смирнов А.И., Бардаков В.М. Способ измерения электрической прочности, времени релаксации и проводимости изоляции электрических проводов и кабелей, Патент РФ № 2915002, БИ № 35, 2002.
3. Новиков Г,К„ Новикова АН, Способ определения электрической прочности твердых диэлектриков, Патент РФ № 2086995, БИ № 22, 1997.
4. Новиков Г,К., Койков С,Н„ Борисова М,Э, Изучение спектров ТСД пленок полиэтилентерефталата, обрабоотанных в барьерном разряде, Электрическая релаксация и элек-третный эффект в тввердых диэлектриках. - А: Изд-во АГПИ, 1979, - С, 43-46,
5. Новиков Г,К,„ Борисова М.Э., Койков С.Н„ Ефремов Г,А. Исследование методом термодеполяризации радиационных изменений в полиэтилентерефталате. Высокомолек, Соединения, 1979, т 21 (Б), № 5, - С, 334-338,
6. Новиков Г.К., Мецик М.С, Электретный эффект и электрическая релаксация в кристаллах слюды II Изв. Вузов, Фи-зиика. - 1991, - № 10, - С. 99-101.
7. Новиков Г.К., Мецик М.С. Электретный эффект в кристаллах слюды II Изв. АН СССР, Неорган. Материалы. - 1992. т.28. - № 17. - С, 1472-1475.
8. Мецик М.С., Новиков Г,К, Электретный эффект в кристаллах слюды и слюдяных бумагах II Электричество. - 1997, - № 3, - С,43-48,
