Диэлектрик с совершенными эксплуатационными характеристиками

Политетрафторэтилен (ПТФЭ) является одним из наиболее распространенных диэлектрических материалов, применяемых для изготовления изоляции высококачественных проводов и кабелей. ПТФЭ характеризуется большими значениями диэлектрической постоянной, имеет низкий коэффициент рассеивания и обладает хорошей стабильностью на высоких частотах. Уникальные диэлектрические свойства, которыми обладают различные типы лент из ПТФЭ, дают возможность разработчикам создавать разнообразные конструкции высококачественных проводов и кабелей. Например, ленты из экспандированного ПТФЭ низкой плотности или необожженные ленты из ПТФЭ используются при изготовлении кабелей для высокоскоростной передачи данных, которые обладают минимизированным затуханием. Такие ленты могут наматываться одновременно, что обеспечивает необходимую жесткость и высокую работоспособность проводов, используемых в авиации. Рассмотрим различные типы ПТФЭ и их использование при производстве высококачественных проводов и кабелей.
Политетрафторэтилен, более известный как тефлон (фторопласт), является линейным полимером тетрафторэтилена. Его химическая структура практически эквивалентна структуре полиэтилена, отличие заключается в том, что атомы водорода полностью замещены атомами фтора. Значение ПТФЭ в индустрии полимеров уникально благодаря его химической инертности, стойкости к воздействию ультрафиолетового излучения, превосходным электрическим свойствам и низкому коэффициенту трения в большом диапазоне температур. ПТФЭ относится к семейству фторполимеров, в которое входят материалы, отличающиеся степенью насыщенности фтором и кристалличностью. К другим фторполимерам относятся перфторалкополимер (ПФА), фторированный этиленпропиленполимер (ETFE) и поливинил-иденфторидполимер (PVDF). ПТФЭ отличается от других фторполимеров тем, что его нельзя изготовить с помощью стандартной технологии плавления.

СОЗДАНИЕ ПТФЭ
Изобретение тефлона относится к 1938 г., оно связано с работой Роя Планкетта по разработке хладагентов на основе фторидов в лаборатории Дюпона. Технология производства полимера ПТФЭ держалась правительством США в секрете в течение нескольких лет и была использована в Манхэттенском проекте во время Второй мировой войны. В этом проекте ПТФЭ использовался для изготовления прокладок и герметизирующих элементов для обеспечения работы с коррозионно-активными гексафторидами урана, что позволило осуществить разработку атомной бомбы.
Коммерческое производство тефлона не осуществлялось до 1947 г. В последующие годы этот материал использовался в кабельной промышленности для изготовления разнообразных высококачественных проводов и кабелей наряду с такими изоляционными материалами, как поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен (ПЭ), нейлон и резина, которые могли работать только при температурах ниже 90оC.
Постоянно ужесточающиеся технические требования в экстремальных условиях эксплуатации в авиационной и космической индустрии обусловили повышение спроса на провода и кабели с изоляцией из ПТФЭ. Объем производства такой продукции возрос с 10 млн долл. в год в 40-е годы прошлого столетия до 5 млрд в год в начале третьего столетия. В конструкции современного коммерческого самолета может использоваться более 160 км проводов весом более 10 тонн. Например, в аэробусе А380, который является самым большим пассажирским авиалайнером в мире, использовано более 480 км электрических проводов общим весом более 15 тонн. В существенно меньшем самолете «Боинг-787» проложено более 80 км электрических проводов.

ПРЕВОСХОДНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Молекулярная структура ПТФЭ содержит линейную цепочку атомов углерода, она полностью окружена атомами фтора, что делает ее превосходным электрическим изолятором, обладающим замечательной химической и тепловой стабильностью. По электрическим свойствам ПТФЭ превосходит многие другие изоляционные материалы. В табл. 1 для сравнения приведены свойства некоторых широко известных изоляционных материалов.

Применение ПТФЭ в качестве изоляционного материала имеет много преимуществ, включая следующие:
• огнестойкость и низкое дымовыделение;
• рабочий диапазон температур при непрерывной эксплуатации — от -260°C до +260°C;
• устойчивость к воздействию наиболее распространенных химических веществ и растворов;
• влагостойкость и большое объемное сопротивление;
• возможность окраски неорганическими пигментами;
• возможность лазерной маркировки с использованием диоксида титана.

При разработке современных проводов и кабелей в качестве материалов для изоляции наиболее часто используются три вида ПТФЭ — механически обработанный, необожженный и экспандированный, обладающий малой плотностью. Первый тип ПТФЭ производится с использованием адаптированной технологии порошковой металлургии — лента изготавливается компрессионным формованием цилиндрической заготовки, обжигом ее в печи с последующим снятием слоя с заготовки. Для сравнения: необожженная лента из ПТФЭ изготавливается в процессе холодной экструзии, в котором сверхтонкий порошок из ПТФЭ экструдируется через специально спроектированную фильеру. Для обеспечения нужной толщины ленты используется ее однократная или многократная прокатка в каландре. Затем смазка удаляется в процессе сушки или в специальном растворе. Третья форма — экспандированный ПТФЭ низкой плотности, которую называют пористой пленкой, имеет существенно меньшую плотность по сравнению с двумя другими типами ПТФЭ. Для уменьшения плотности ПТФЭ-ленты, что обеспечивает улучшение ее характеристик, были разработаны и запатентованы специальные методы. Например, экспандированный ПТФЭ низкой плотности может быть изготовлен растягиванием необожженного ПТФЭ при повышенной температуре для увеличения его объема (рис. 1).

Обычно обожженная часть ПТФЭ имеет плотность 2,15 г/см³, в то время как плотность необожженной части ПТФЭ равна 1,5 г/см³. Для сравнения: плотность экспандированного ПТФЭ низкой плотности может иметь значение 0,1 г/см³. В табл. 2 приведены свойства экспандированного, необожженного и обожженного ПТФЭ. Наиболее заметным улучшенным свойством экспандированной лены из ПТФЭ низкой плотности является ее прочность на разрыв, которая во много раз больше, чем прочность обожженного ПТФЭ. Экспандированный ПТФЭ также обладает повышенной текучестью при низких температурах и стойкостью к истиранию.

Изоляция из ПТФЭ наиболее часто применяется в конструкции монтажных проводов в электронном оборудовании коммерческих и военных самолетов. Тонкая лента из ПТФЭ в необожженном состоянии наматывается на провод. Затем вся конструкция подвергается обжигу, что обеспечивает однородность изоляции, обладающей хорошими электрическими свойствами. Второй областью наиболее широкого применения ПТФЭ является производство коаксиальных кабелей, где используются необожженные ленты, ленты после механической обработки и некоторые типы лент из тефлона низкой плотности. ПТФЭ также может использоваться в конструкции полужестких коаксиальных кабелей для применения в радарах, телекоммуникационных и авиакосмических системах. Для увеличения количества типов коаксиальных кабелей, которые могут использоваться в условиях ограниченных пространств, подобно медицинским имплантантам, проектируются сверхтонкие прецизионные коаксиальные кабели. В таких конструкциях в качестве изоляции часто используется пленка из ПТФЭ низкой плотности. ПТФЭ также часто применяется в тех случаях, когда по условиям эксплуатации требуется работоспособность при повышенных температурах (выше 260°C) и при воздействии активных химических веществ. К таким областям применения относятся высокотемпературные приборные (инструментальные) провода, провода для бурильных скважин, трансокеанские телекоммуникационные и океанографические электромеханические кабели, высоковольтные провода, провода для термопар, для систем измерения температуры, для различных приборов и бытовой техники и кабели для сигнализации.

ПТФЭ успешно используется совместно с другими высокотемпературными полимерами для улучшения эксплуатационных характеристик высококачественных проводов и кабелей (рис. 2). Например, многослойная полиимидная лента (Kapton) и лента из ПТФЭ могут наматываться слой за слоем на проводник, образуя конструкцию TKT (Teflon®-Kapton®), в которой полиимид использован для уменьшения веса и обеспечения необходимых электрических характеристик, в то время как ПТФЭ обеспечивает устойчивость к воздействию влаги и химических веществ (рис. 3).

Композитная изоляция в конструкции провода впервые была предложена для использования в аэрокосмическом оборудовании в начале 1990-х годов, в дальнейшем она стала основной при изготовлении изолированных электрических проводов для авиации. Благодаря своим превосходным свойствам она заменила многие другие изоляционные материалы, такие, как ПВХ, ПЭ, поливинилиденфторид и полиуретан.
Сегодня исследователи продолжают поиски изолирующих материалов следующего поколения, уделяя большое внимание разработке новых композитов, которые дадут возможность делать изоляцию проводов более тонкой, легкой, гладкой, прочной, обладающей большим сроком службы и удовлетворяющей требованиям, указанным в директиве RoHS Евросоюза. При этом нет сомнений, что ПТФЭ и его композиты будут оставаться изоляционными материалами, занимающими лидирующие позиции при производстве кабелей и проводов для тех областей применения, в которых предъявляются жесткие специальные требования.

Перевод Святослава ЮРЬЕВА
Оригинал статьи напечатан в журнале Wire & Cable Technology International/September 2010.