4.3 Электрическая прочность

При повышении напряжения приложенного к диэлектрику, до определённого предела U_пр 10⁵ В/см диэлектрик теряет свои изоляционные свойства, происходит так называемый пробой диэлектрика. При пробое выделяется большое количество тепла, полимер в области пробоя расплавляется или загорается. Характеристикой сопротивления диэлектрика, его разрушению в электрическом поле является электрическая прочность Е_пр . Различают кратковременную и длительные электрические прочности по способу их измерения.

Кратковременная Е_пр - напряженность поля при пробое в условиях постепенного повышения напряжения со скоростью 1 – 2 кВ/с

Длительная Е_пр - напряженность поля при пробое после определённого времени выдерживания диэлектрика под напряжением.

Виды и механизмы пробоя диэлектрика

Механизмы разрушения полимеров в электрическом поле различны для различных полимеров. Различают электронный, тепловой пробой и пробой вследствие газовых разрядов.

Электронный пробой характерен для малодефектных, аморфных и кристаллических полимерных материалов, которые не разогреваются при испытании. При приложении высокого напряжения в диэлектрик, из электродов инжектируются электроны, они захватываются кристаллической решеткой и остаются в ней. В виду малой подвижности макромолекул в кристаллическом или стеклообразном состоянии накапливается заряд в диэлектрике, возрастает электропроводимость и происходит пробой. С ростом температуры увеличивается электронная проводимость и снижается Е_пр.

Тепловой пробой характерен для аморфных полимеров, сильно разогревающихся при приложении электрического поля. Вследствие нагрева, особенно при Т > Т_с, растёт проводимость и образец разогревается до тех пор пока не произойдёт пробой в каком-нибудь дефектном месте. Чем больше диэлектрические потери, хуже теплопроводность и больше толщина образца, тем ниже электрическая прочность. Наибольшее повышение температуры происходит внутри образца. Если Т > Т_д, то пробой сопровождается разложением полимера.

Электрический пробой вследствие газовых разрядов происходит в диэлектриках, имеющих микродефнкты, заполненные газом(например, воздухом), или при непрочном прилегании электродов к поверхности образца. В этих полостях происходит газовый разряд, при котором образец разогревается и разрушается вследствие термоокислительной диструкции.

С ростом температуры электрическая прочность полимеров при любом механизме пробоя снижается: сначала ( до Т_с или Т_пл) незначительно, а в области Т_с и Т_пл – резко.

Длительная электрическая прочность существенно зависит также от интенсивности старения диэлектрика, которая происходит под влиянием разрядов, повышения температуры, воздействия озона. Старение приводит к росту электрической проводимости и снижению электрической прочности, происходит так называемый электрохимический пробой.

4.4 Статическая электризация

Это явление характерно для диэлектриков и выражается в способности накапливать и сохранять электрические заряды в процессах переработки и эксплуатации. Накопление статического электричества наблюдается, если проводимость меньше 10^-8 см/м, а относительная влажность меньше 70%. Электрические заряды образуются при трении полимеров между собой или с другими материалами, при деформировании полимеров. Величина заряда зависит от многих факторов: скорости трения, диэлектрической проницаемости, электрического сопротивления. Причина электризации – это перемещение электронов из среды с высоким уровнем их концентрации в среду с более низким. Пока эти среды находятся в соприкосновении утечки заряда не происходит. При разрыве контакта между средами возникает разность потенциалов (наблюдается искрение). Этот процесс опасен для производства, т.к. может стать причиной пожара или взрыва.

Поэтому в производстве все трущиеся части аппаратов заземляются для предотвращения статической электризации. Полимеры, являющиеся диэлектриками, при трении всегда заряжаются. Величина и знак заряда зависит от природы трущихся материалов; все изоляторы могут быть расположены в так называемый трибоэлектрический ряд:

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ	ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ
ШЕРСТЬ	ПЭ
ПОЛИАМИДЫ
ЦЕЛЛЮЛОЗА (ХЛОПОК, ВИСКОЗА, БУМАГА)
ПММА
ПЭТФ
ПАМ
ПВХ

Каждый последующий полимер в этом ряду заряжается отрицательно по отношению к предыдущему при контакте с ним.

Трибоэлектрический эффект затрудняет использование полимеров не только в производстве, но и в быту: искрение синтетической одежды, постоянная пыль на полировке, пластмассовой посуде, электроприборах и т.д для предотвращения электризации полимеров в быту применяют специальные средства – антистатики, повышающие электропроводимость и облегчающие утечку зарядов с поверхности.

Однако процесс электризации может быть употреблён для пользы дела:

1. В медицине используется лечебное бельё из ПВХ, хлорина, способные накапливать заряды при трении о поверхность тела; при этом, надо полагать, что бельё заряжается отрицательно по отношению к телу(белки, относятся к полиамидам и находятся на положительном конце трибоэлектрического ряда ). Лечебный эффект заключается в искрении, возникающем при нарушениях контакта бельё – тело.

2. Элнктростатическое напыление краски, при этом поверхность и краска должны иметь противоположные заряды.

3. Ксерография, ксерокопирование.