Файл: Месенжник Я.З. Кабели для нефтегазовой промышленности.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 238
Скачиваний: 1
для изоляции из фторлона-40Ш характерен сравнительно высокий темп снижения ее сопротивления с возрастанием температуры (большой температурный коэффициент сопро тивления изоляции TKRH3). При этом TKRH3 Ф-40Ш умень шается следующим образом с возрастанием температуры:
Температурный интервал, °С |
TKRm, °С ~г |
100-1 іи |
0,46 |
110-190 |
0,0978 |
190-220 |
0,046 |
Исследование зависимости сопротивления изоляции из Ф-40Ш от гидростатического давления показало, что в про цессе 4-часовой непрерывной выдержки при давлении до
500 кгс/см2 |
(включительно) |
рѵ экв HG изменяется |
и превы* |
|||
шает 7-ІО16 ом-см. При совместном |
воздействии температу |
|||||
ры и давления при температурах ниже |
90°С |
и |
давлениях |
|||
340 кгс/см2 |
рѵ экв образцов № 2 и 4 не |
изменялось и превы |
||||
шало, соответственно, 2-ІО14 |
и 6-1014 |
ом-см-, рѵэкв для образ |
||||
цов № 3 при температурах |
ниже |
160°С не |
изменялось и |
превышало 2 -1014 ом-см. При температуре 150°С и давле нии 850 кгс/см2 оно составляло 9-1011 ом-см, а при 200°С и 1000 кгс/см1—ш порядок ниже. Электропроводность фтор- лона-40Ш (см. рис. 19, кривая 5) в интервале 804-230°С можно описать трехчленной формулой типа (3—2—4) со сле дующими значениями „кажущейся“ энергии активации элек тропроводности: 1,97 эв—до 117°С, 7—от 117 до 127°С и 0,95-127 до 230°С.
Наличие полярных групп у фторлона-40Ш не исключает возможности существования наряду с примесной и собст венной ионной электропроводности, вклад которой в общую должен увеличиваться с температурой. Вклад ТОПЗ в элек тропроводность Ф-40Ш при невысоких напряженностях по ля, видимо, невелик. Поэтому можно предположить, что основной вклад, особенно при невысоких температурах, принадлежит ионам низкомолекулярных фракций и других примесей. Малая энергия активации примесей (особенно в присутствии воды) способствует увеличению электропровод ности уже при низких температурах, как это наблюдается у резин, в частности, ТСШ-45 № 2, у которой в интервале температур 80— 140°С „кажущаяся“ энергия активации элек тропроводности составляет 0,48 эв (см. рис. 19, кривая 6).
Условия передвижения ионов определяются не только их размерами и плотностью упаковки вещества, в котором они передвигаются, но и перестройкой структуры материала при нагревании. Различия в величинах энергии активации элек тропроводности Ф-40Ш, видимо, являются следствием зави симости движения иона-носителя от теплового движения в полимере [161]. Если в случае дипольно-радикальных по
175
терь (UT = 1,97 эв) перемещаются небольшие участки мак ромолекул в сравнительных малых объемах, то при диполь но-эластических потерях происходит изменение конформаций
больших участков цепи с участием |
в совместном движении |
|||
многих мономерных звеньев и радикалов. |
С дальнейшим |
|||
увеличением |
температуры (Т > 127°С) интенсивное тепловое |
|||
движение в полимере может значительно |
увеличивать соп |
|||
ротивление движению |
иона-носителя, что |
сопровождается |
||
уменьшением |
энергии |
активации |
электропроводности до |
|
0,95 эв [121]. |
|
|
1000 кгс/см2 температур |
|
При гидростатическом давлении |
ная зависимость электропроводности Ф-40Ш описывается двучленным выражением типа (3—2—4), (рис. 21, б, кри вая 4). Энергия активации электропроводности фторлона-40111 при давлении 1000 кгс/см2 увеличивается с 0,05 при Т<98°С до 1,72 эв при Т>98°С; з0(Р), а1(Р) составляют, соответственно, 3,9-Ю-18 и 1,6-ІО5 (ом-см)-1. При температуре 20°С зависи мость электропроводности Ф-40Ш от давления (рис. 22, б, кривая 3) описывается выражением (3—2—6), при этом пе
релом |
зависимости происходит |
при |
давлении |
500 |
кгс/см2. |
||
а0(Т) = |
3,3 • ІО-19 (ом-см)-1, а1(т) = |
1,2 • ІО-19 (ом-см)-1, |
Bj = |
||||
— 34,5 кгс/см2, В2 = — 460 кгс/см2. |
|
|
|
|
пере |
||
Фторлон-40Ш достаточно устойчив к напряжению |
|||||||
менного тока без механических |
деформаций |
при |
работе в |
||||
воде. Так, выдержка образцов, |
изолированных |
им |
в |
воде |
|||
под напряжением 500 в в течение 420 час., |
не |
вызвала из |
|||||
менений сопротивления изоляции. |
весьма |
перспективны |
|||||
Из других сополимеров фторлона |
|||||||
плавкие модифицированные фторлоны. Особенно |
предпоч |
||||||
тителен фторлон-4М—сополимер тетрафторэтилена с |
гекса- |
фторпропиленом (в США—марка „Teflon 100FEP“). Выпус кается он в виде мелкодисперсного порошка белого цвета. Обычно уже на кабельном заводе этот порошок пропускается через шнек с большой компрессией и гранулируется. Изо ляционная оболочка накладывается с вытяжкой на шприцпрессах с диаметром шнека 25—50 мм и длиной цилиндра, равной 20 диаметрам шнека. Удельный вес Ф-4М—2,154-2,16; предел прочности при разрыве—1604-250 кгс/см2, относи тельное удлинение при разрыве 2504-400%, модуль упру гости при изгибе—(54-6) 000 кгс/см2, твердость по Дж онсу75 кгс/см2 (у Ф-40Ш—Юкгс/см2), рѵ—10” ом-см, температу ра плавления—280-г320°С, пробивное напряжение—254-30 кв/мм. По-видимому, в качестве изоляции каротажных ка белей в дальнейшем найдет применение фторлон-4МБ.
Химическая и атмосферная стойкость Ф-4М таковы же, как и у Ф-4. Общая особенность фторлонов-4 - 4Д - 40Ш, в том числе-4М—ничтожное водопоглощение (0,00 за 30 суток
176
при 20°С) и малый коэффициент влагопроницаемости. Так, проницаемость для воды у Ф-4М составляет 3-10~5 г/см2. Особенностью фторлона-4М является малая скорость крис таллизации и аморфизации из-за разветвленного строения, вследствие чего его физико-механические и электрические свойства практически не изменяются при температурах до 160° и выше [171, 193].
§ 3. ПОЛИЭТИЛЕНЫ
П о л и э т и л е н ы в ы с о к о г о , с р е д н е г о и н и з к о г о д а в л е н и я . Полиэтилен-кристаллический полимер линей ного строения с небольшим числом боковых ответвлений. В зависимости от метода получения степень кристалличности
может находиться |
в пределах |
55 — 92%. Многие физиче |
ские свойства полимеров, в том |
числе полиэтилена, зависят |
|
от молекулярного |
веса и степени кристалличности и во мно |
гом определяются методом их получения. Полиэтилен-про дукт полимеризации этилена:
п (СН2 = СН2) |
(_С Н 2-С Н 2-С Н 2-С Н 2- ) п. |
(3 - 3 |
- 1 ) |
этилен |
полиэтилен |
|
|
На различных |
ступенях полимеризации полиэтилен мо |
||
жет быть получен в текучем, полутвердом или твердом |
ви |
де. В кабельной технике применяется полиэтилен с моле кулярным весом от 15000 до 20 000 и выше. В зависимости от метода получения различают полиэтилены высокого (низ кой плотности)—ПЭНД, среднего (высокой плотности)— ПЭСД и низкого давления (также высокой плотности) — ПЭНД. ПЭВД получают полимеризацией этилена при давле ниях 1200-ЭІ500 (до 2000) кгс/см2 и температуре~200°С в присутствии инициаторов реакции—кислорода и органичес ких перекисей. ПЭСД получают полимеризацией этилена при давлении 30—40 кгс/см2 и температурах ниже 150°С в присутствии металлов переменной валентности. ПЭНД— продукт полимеризации этилена при давлении ниже 10 кгс/см2 и температурах ниже 80°С в присутствии триэтилалюминия Аі (С2Н5)3 и четыреххлористого титана ТіС14 (катализаторы Циглера-Натта). Различия в молекулярном весе, степени кристалличности и плотности этих трех продуктов показаны в табл. 16 [171, 197[, а основные физико-механические и электрические характеристики—в табл. 17 [169, 171, 197].
Из сопоставления данных табл. 16 и 17 видно, что уве личение степени кристалличности и, следовательно, плот ности ПЭ существенно повышает модуль упругости, предел текучести и прочности, относительное удлинение при раз
12-36,2 |
177 |
рыве, твердости и др., но практически не сказывается на величинах рт , tgâ, и пр и др. при 20°С. Увеличение молеку лярного веса ПЭВД сопровождается монотонным возраста нием Unp и ру .
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
16 |
|
|
|
Физико-химические свойства |
|
|||||||
|
|
|
|
|
полиэтиленов |
|
|
|
|
||
|
|
|
Степень |
|
Среднечисловой |
моле |
Плотность, |
|
|||
|
Материал |
кристал |
|
|
|||||||
|
личности, |
|
кулярный |
вес |
|
гісм3 |
|
||||
|
|
|
% |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПЭВД |
55-67 |
|
(1 8 ~ 3,5)-ІО4 |
|
0,91 -у 0,92 |
|
||||
|
пэсд |
92 |
|
(7 4- 40)- ІО4 |
|
|
0,96 -f 0,97 |
|
|||
|
пэнд |
75-85 |
|
(8 - |
40)-104 до 3-10« |
0,94 -1- 0,95 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 17 |
|
Физико-механические |
и электрические характеристики |
||||||||||
|
|
|
|
|
полиэтиленов |
|
|
|
|
||
|
Характеристика |
|
|
|
ПЭВД |
|
|
пэсд |
пэнд |
||
Модуль |
упругости |
при |
изгибе, |
|
|
|
|
|
|||
кгс\см3 |
|
|
|
|
|
1500-2500 |
8000-10500 55008Г00 |
||||
Предел |
текучести |
при |
растяже |
|
|
|
|
|
|||
нии, кгс/слі2 |
|
|
|
|
|
90-100 |
250-300 |
220—260 |
|||
Предел |
прочности |
(кгс/сл3): |
|
|
|
|
|
|
|
||
при растяжении |
|
|
|
120-160 |
270-330 |
220-320 |
|||||
при изгибе |
|
|
|
|
120-170 |
250-400 |
200-350 |
||||
Относительное |
удлинение |
при |
|
|
|
|
|
||||
разрыве, % |
|
|
|
|
|
250-600 |
400 - 900 |
400-800 |
|||
Твердость по Бринеллю, кгс/мм3 |
1,4-2,5 |
5,6—6,5 |
4,5-5,8 |
||||||||
Удельное объемное сопротивле |
|
|
|
|
|
||||||
ние, ом-см |
|
|
|
|
|
1017 |
|
|
1017 |
ІО42 |
|
Диэлектрическая |
проницаемость |
|
|
|
|
|
|||||
при ІО9 гц |
|
|
|
|
|
2,2 -у 2,3 |
|
2,3 |
2,1 -у 2,4 |
||
Тангенс |
угла |
диэлектрических |
|
|
(2 -f 4)-ІО -4 (2-^5)-10—4 |
||||||
потерь при 10е гц |
|
|
|
(2 — 3)- ІО-4 |
|||||||
Электрическая прочность (кв/мм): |
|
|
|
|
|
||||||
при толщине образца |
1 |
мм |
45 -6 0 |
45~60 |
45 V 60 |
||||||
при толщине |
образца 2 мм |
28 «. 36 |
29-г 31 |
28-у 36 |
Поскольку ряд свойств ПЭ зависит от плотности, его иногда характеризуют не по способу полимеризации (при
178
высоком или низком давлении), а но плотности. Точные из* мерения показывают [274], что диэлектрическая проницае мость при 23°С возрастает с увеличением плотности по ли
нейному закону, |
причем |
все |
|
экспериментальные точки, |
||
находящиеся |
на прямой в = |
f (п), где п —плотность, относят |
||||
ся |
к неокисленной |
(неполярной) |
части ПЭ, значительный |
|||
же |
разброс |
точек |
в сторону |
больших значений е обязан |
части ПЭ, имеющей полярные группы (карбонильные, кар боксильные и др.). Эти группы могут присутствовать в ПЭ, подвергшемуся старению, а также в композициях, имеющих полярные добавки, например, в ПЭНД, полученном с при менением перекисных катализаторов. В этом случае увели чивается не только е, но и tg5. В отличие от ПЭНД, ПЭВД, полученный по методу Филлипса, не имеет разброса точек выше прямой е = f (п).
Степень разветвленности и кристалличность ПЭ характе ризуются не только плотностью, но и среднечисловым мо лекулярным весом [*Ср. Поскольку определение рС затруд нено, вместо него иногда определяют обратно пропорцио нальный ему индекс расплава. Увеличение плотности ПЭ от 0,918 до 0,960 г/см3 сопровождается сильным возрастанием твердости, температуры формоустойчивости, уменьшением растворимости, прозрачности, магнитной проницаемости. Од нако на стойкость к образованию трещин под напряжением увеличение ее не влияет. Увеличение индекса расплава от 0,2 до 2,0 сопровождается существенным уменьшением хрупкости, холодоустойчивости и стойкости к образованию трещин под напряжением, но не влияет на температуру формоустойчивости и прозрачность, слабо уменьшает твер дость и модуль упругости, слабо увеличивает растворимость и магнитную проницаемость.
Горючесть у полиэтилена выше, чем у натурального кау чука. Негорючий (хлорированный) полиэтилен имеет tg8 на порядок выше, чем у обычного, но остальные его электри ческие характеристики удовлетворительны (выше, чем у ПВХ). Наиболее пригодным для кабельной промышленности считается [210] хлорсульфированный ПЭ, выпускаемый под маркой хайпалон-40, изготовляемый на базе линейного ПЭНД
исодержащий 34,5% хлора. Этот материал после вулкани зации обладает малым водопоглощением (в 2,7 раза мень ше, чем у неопрена), высокими озоно-и дугостойкостью, негорючестью и маслостойкостью. Уменьшение горючести ПЭ достигается также введением в него трехокиси сурьмы
ихлорированного парафина, однако эта композиция (1-я) имеет пониженную стойкость к старению, низкую морозо стойкость и плохие технологические свойства. Другая не
горючая композиция (2-я) состоит из 100 Еес. ч. ПЭВД, 50
179