کاربردهای الکتریکی پلیمرها قسمت 2

در زمینه برق، یکی از موارد ضروری برای سیم ها و کابل های برق، عایق کاری و مواد پوششی است.برای سال‌های متمادی، مواد عایق برجسته برای کابل‌های برق، کاغذ آغشته به روغن به دلیل خواص الکتریکی عالی آن بود.همچنین ظرفیت تحمل درجه بالایی از اضافه بار حرارتی را بدون خراب شدن بیش از حد دارد.با این حال، به دلیل ماهیت رطوبتی، غلاف فلزی در اثر رطوبت خورده می شود.بنابراین، نیاز طولانی مدتی به یک ماده عایق کابلی وجود داشت که ترکیبی از ماهیت غیر رطوبت سنجی مواد گرمانرم داشت.

تهیه پلیمرهای متقاطع با دو روش مختلف قابل انجام است.یکی روش شیمیایی و دیگری روش یونیزه کردن.اگرچه تحقق این اثر اتصال عرضی بیش از 150 سال قدمت دارد، اثر اتصال عرضی پرتوهای یونیزان برای اولین بار توسط چارلزبی به طور قطعی نشان داده شد.روش اتصال عرضی تشعشعی برای سیم‌های کوچک و جداره نازک بیشترین بهره‌وری را دارد و به همین دلیل سیم‌های مورد استفاده برای تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی با روش اتصال عرضی تشعشعی تولید شده‌اند.این روش به دلیل مصرف کم انرژی مفید است و به فضای کمی نیاز دارد.فرآیند تشعشع به راحتی کنترل می شود و پتانسیل صرفه جویی در انرژی و همچنین کنترل آلودگی را دارد.ویژگی های خاص اتصال عرضی تشعشعی به شرح زیر خلاصه می شود: (1) سرعت خط تولید قابل کنترل است.پوشش با سرعت بالا (اکستروژن) امکان پذیر است، زیرا نیازی به عامل اتصال عرضی وجود ندارد.با استفاده از یک شتاب دهنده با توان بالا و انرژی کم می توان به سرعت پخت رسید.(2) یکنواختی اتصالات عرضی عالی است.اتصال عرضی یکنواخت با انتخاب ماشین مناسب و اتخاذ طراحی بهینه برای تغذیه سیم انجام می شود.(3) انواع مختلفی از پلیمرها را می توان تهیه کرد، بسته به درجه اتصال عرضی توسط فرآیند اتصال عرضی تشعشع.علاوه بر این، فرآیند پخت پرتویی نسبت به فرآیند پخت با بخار ارجحیت دارد.در فرآیند پخت با بخار، نفوذ آب به لایه پلیمری تحت فشار بخار زیاد، تعداد زیادی میکروویید ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث خرابی تخلیه جزئی درختی شکل در هنگام استفاده از کابل شود.اگرچه این پدیده بسیار پیچیده است، درختان می توانند رشد کنند و باعث کاهش قدرت دی الکتریک کابل ها شوند.جدای از اینها، فرآیند پخت با بخار از نقطه نظر مصرف انرژی دارای اشکالاتی است: (الف) فشار بخار بالا برای به دست آوردن دمای بالا مورد نیاز است.(ب) راندمان رسانش حرارتی از خارج کابل کم است و (ج) مقدار زیادی انرژی توسط هادی کابل مصرف می شود که منجر به راندمان حرارتی کمتر و همچنین زمان طولانی تری برای واکنش اتصال عرضی می شود.پخت پرتویی یک کاندید برای فرآیندهای خشک است.با این حال، این مشکل وجود دارد که تجمع الکترون‌ها متوقف شده و/یا در لایه عایق توسط کانال تابش تشکیل می‌شوند، همچنین باعث شکستگی جزئی درختی شکل در طول و پس از تابش می‌شوند.کاملاً با "فرایند بدون آب" متفاوت است.از آنجایی که کابل پلیمری حاوی رطوبت بالا و حفره های بزرگ است، فرآیند پخت ضروری است.جدای از مزایای فوق، مواد نیمه هادی ممکن است به راحتی در فرآیند پخت پرتویی وارد شوند که در فرآیند پخت با بخار آسان نیست زیرا اکثر مواد نمی توانند دما و فشار بالا را تحمل کنند.

روش پیوند تابشی نیز رسانایی را به ماتریکس می دهد.این روش منحصر به فرد برای ترکیب ماتریس رسانا بر روی ماتریس عایق است.این تکنیک شامل غیرفعال کردن پلیمر ستون فقرات با یک مونومر مناسب با پیوند و رسوب بعدی پلیمر رسانا بر روی سطح فعال ستون فقرات است.جدا از رفتار عایق، پلیمر در این مورد می تواند به عنوان یک رسانا عمل کند.اگرچه هنوز ایجاد نشده است، اما می تواند چندین کاربرد بالقوه مانند محافظ EMI، پوشش های رسانا و عوامل ضد الکتریسیته ساکن را نشان دهد.باتاچاریا اتال.کامپوزیت های پلیمر-FEP-g-(AA)-PPY و پلیمر-FEP-g-(sty)-PPY را آماده کرده اند.در ابتدا، پلیمر-FEP از منبع Co-60 تحت تابش قرار گرفت و سپس فیلم در درصد متفاوتی از مونومرها غوطه ور شد.سپس PPy با پلیمریزاسیون اکسیداتیو پیرول با استفاده از کلرید آهن به عنوان اکسیدان بر روی سطح پیوند زده شد.مقاومت سطح کاهش یافته و در حد 104-105 اهم بر سانتی متر مربع است.مقاومت سطح به درصد پیوند مونومرها بستگی دارد.با استفاده از این تکنیک می توان رسانایی سطحی را به جای رسانایی توده ای افزایش داد.رفتار رسانای نوری فیلم را نیز می‌توان با تکنیک پیوند ایجاد کرد.سلولز استات-g-(N-vinyl carbazole) و سلولز استات-g-(N-vinyl carbazole-methyl methacylate) نمونه هایی از فیلم رسانای نوری هستند.

در صنعت کابل برق، عمدتا از پلی اتیلن، پلی وینیل کلراید (PVC)، لاستیک های EPDM استفاده می شود.پلی اتیلن به دلیل خواص الکتریکی عالی و طول عمر طولانی آن استفاده می شود.پلی اتیلن با چگالی کم به دلایل متعدد بر پلی اتیلن با چگالی بالا ترجیح داده می شود.(ب) استحکام دی الکتریک بالاتر از پلی اتیلن با چگالی بالا.(ج) عمر طولانی تر از HDPE؛(د) پردازش کمتر از HDPE دشوار است و (ه) خطر کمتر گنجاندن حفره ها در عایق LDPE که باعث یونیزاسیون می شود.با وجود تمام این مزایا، LDPE محدودیت های خاص خود را به عنوان ماده عایق کابل دارد.به عنوان یک پلیمر ترموپلاستیک، دمای نرم کنندگی آن در حدود 105 تا 115 درجه سانتیگراد است و در تماس با عوامل فعال سطحی، تمایل به ترک خوردگی استرسی دارد.اتصال عرضی مولکول های پلی اتیلن خواص حرارتی و فیزیکی را بهبود می بخشد در حالی که خواص الکتریکی آن تا حد زیادی بدون تغییر باقی می ماند.بنابراین، پلی اتیلن متقاطع دیگر یک پلیمر ترموپلاستیک نیست.در نقطه ذوب کریستالی پلی اتیلن نرم می شود و قوام الاستیک و لاستیک مانندی به خود می گیرد، خاصیتی که در طول افزایش بیشتر دما حفظ می کند تا زمانی که بدون ذوب شدن در دمای 300 درجه سانتی گراد کربنی شود.تمایل به ترک خوردگی استرس به طور کامل ناپدید می شود و مقاومت بسیار خوبی در برابر پیری در هوای گرم به دست می آید.کابل های پلی اتیلن متقاطع به دلیل خواص الکتریکی و فیزیکی عالی آن ها ترجیح داده می شوند.قادر به حمل جریان های بزرگ است، خمش با شعاع کوچک را تحمل می کند و وزن سبکی دارد که امکان نصب آسان و مطمئن را فراهم می کند، یعنی از محدودیت ارتفاعی عاری است زیرا از هیچ روغنی تشکیل نشده است و بنابراین عاری از خرابی های ناشی از مهاجرت روغن در روغن است. کابل میدانیهمچنین به طور کلی نیازی به غلاف فلزی ندارد. بنابراین، از خرابی های خاص کابل های غلاف فلزی، خوردگی و خستگی عاری است.امروزه، اتصال عرضی تشعشعی به صورت صنعتی نه تنها برای پلی اتیلن بلکه برای سایر پلیمرها نیز مانند پلی وینیل کلراید، پلی ایزوبوتیلن و غیره به کار می رود. PVC به تنهایی پلیمری بسیار ناپایدار است.تنها پس از توسعه ابزارهای مؤثر تثبیت، اهمیت تجاری خود را به دست آورد.با کمک عوامل اصلاح کننده (تثبیت کننده ها، نرم کننده ها، پرکننده ها و سایر مواد افزودنی)، PVC را می توان به گونه ای ساخت که طیف وسیعی از خواص، از بسیار سفت و سخت تا بسیار انعطاف پذیر را نشان دهد.تنوع کاربرد و هزینه کم آن دلیل اهمیت آن در بازار جهانی است.

برای افزایش کارایی اتصال عرضی، پلیمرها به ندرت به شکل خالص خود استفاده می شوند.نرم‌کننده‌ها، آنتی‌اکسیدان‌ها، پرکننده‌ها نقش خود را به روشی خاص برای ایجاد خواص لازم دارند.در طول فرآیند اتصال عرضی بهتر است.نرم‌کننده‌ها به پلیمرها اضافه می‌شوند تا شکنندگی محصول پلیمری را کاهش دهند.آنها هر زمان که در تولید رادیکال‌های آزاد شرکت کنند یا وارد واکنش‌های انتشار می‌شوند، بر اتصال عرضی تأثیر می‌گذارند.دی‌بوتیل فتالات، تری‌تولیل فسفات و دی‌آلیل فسفات نمونه‌های رایج نرم‌کننده PVC هستند.انعطاف پذیری و قابلیت ارتجاعی که در عایق الکتریکی بسیار مهم است، با افزودن نرم کننده ها به PVC بهبود می یابد.در واقع در مورد پی وی سی که به دلیل ساختار نامتعادل قطبی است، پیوندهای بین مولکولی قوی ایجاد می کند که زنجیره های ماکرومولکولی را به طور صلب به هم متصل می کنند و با هم آن را غیر قابل انعطاف می کنند.آنتی اکسیدان ها گروه دیگری از افزودنی ها هستند که برای هر مخلوط شبکه ای که برای هدف عملی مقایسه پایداری ترمواکسیداتیو بالاتر در تولید پلیمر طراحی شده اند، ضروری هستند.معمولاً با رادیکال‌های مهارکننده بر روی اتصال عرضی تأثیر می‌گذارند که ممکن است پیوندهای عرضی ایجاد کنند.RC (4،4-thio-bis(6-tert-butyl-3-methyl phenol)، MB (Mercapto benzoimidazole) نمونه هایی از آنتی اکسیدان هایی هستند که توسط Ueno و همکاران استفاده می شود. همانطور که از مواد عایق سیم مخصوصاً برای لوازم خانگی استفاده می شود. رنگ های پلاستیکی شامل انواع مواد معدنی و آلی است. افزودنی های تغییر رنگ در این زمینه ترجیح داده نمی شوند. پرکننده ها عموماً برای بهبود خواص فیزیکی و مکانیکی و پردازش پذیری آنها اضافه می شوند. اثر مثبت پرکننده ها ممکن است در طول اتصال عرضی تابش مشاهده می شود. مشخص شد که بازده رادیکال ها در پلی اتیلن تا 50٪ افزایش یافته است، زمانی که مقدار کمی (0.05٪) آئروسیل اضافه شود. فرض بر این است که تولید بیشتر رادیکال ها در بین فاز آئروسیل انجام می شود. پلی اتیلن، که در آن ماکرومولکول ها می توانند در حالت غیرتعادلی سویه های جبران نشده باشند. با محتوای بالاتر فیلر، انتقال انرژی از پرکننده به فاز پلیمر ممکن است رخ دهد و در نتیجه به بازده بالاتر رادیکال های آزاد کمک کند.علاوه بر این، ترکیب تابش با مواد افزودنی واکنشی ممکن است بر محلی سازی پیوندهای متقاطع در امتداد زنجیره های پلیمری تأثیر بگذارد.

به طور خلاصه، تشعشع نقش مهمی را در پردازش پلیمر ایفا می کند که در زمینه الکتریکی استفاده می شود. "پیوند متقابل تابشی" پدیده ای است که توسط آن می توان خواص پلیمرها را بهبود بخشید.این پیشرفته ترین روش مانند 'ولکانیزاسیون' دارای محدودیت هایی است.راندمان اتصال عرضی را می توان با انتخاب مونومرهای مناسب بهبود بخشید.در فرآیند اتصال عرضی تشعشعی، نرم کننده ها، پرکننده ها و افزودن بازدارنده شعله در فرآیند اتصال عرضی تشعشع کاملاً مؤثر است.روش پیوند متقاطع تشعشع نیز در تهیه مواد نیمه هادی بسیار مفید است.جدای از اینها، از روش پیوند پرتویی نیز می توان برای تهیه فیلم کامپوزیت رسانا و فیلم هایی با رفتار رسانای نوری استفاده کرد.