التطبيقات الكهربائية للبوليمرات الجزء 2

في المجال الكهربائي، من الأشياء الأساسية للأسلاك والكابلات الكهربائية هي المواد العازلة والتغليف.لسنوات عديدة، كانت المادة العازلة البارزة لكابلات الطاقة عبارة عن ورق مشرب بالزيت نظرًا لخصائصه الكهربائية الممتازة.كما أن لديها القدرة على تحمل درجة عالية من الحمل الحراري الزائد دون تدهور مفرط.ومع ذلك، بسبب طبيعته الاسترطابية، فإن الغلاف المعدني يتآكل بسبب الرطوبة.لذلك، كانت هناك حاجة منذ فترة طويلة إلى مادة عازلة لكابلات الطاقة، والتي تحتوي على مزيج من الطبيعة غير المسترطبة للمواد البلاستيكية الحرارية.

يمكن تحضير البوليمرات المتشابكة بطريقتين مختلفتين.إحداهما الطريقة الكيميائية والأخرى هي الطريقة المؤينة.على الرغم من أن عمر إدراك تأثير الارتباط المتشابك يعود إلى أكثر من 150 عامًا، إلا أن تشارلزبي قد أثبت تأثير الارتباط المتشابك للإشعاعات المؤينة بشكل قاطع لأول مرة.تعتبر طريقة الربط الإشعاعي هي الأكثر إنتاجية للأسلاك صغيرة الحجم ورقيقة الجدران ولذلك فإن الأسلاك المستخدمة في المعدات الكهربائية والإلكترونية قد تم إنتاجها بطريقة الربط الإشعاعي.تعتبر هذه الطريقة مفيدة بسبب استهلاكها المنخفض للطاقة وتحتاج إلى مساحة صغيرة.يمكن التحكم في عملية الإشعاع بسهولة ولديها إمكانية توفير الطاقة بالإضافة إلى التحكم في التلوث.يتم تلخيص السمات المحددة للربط الإشعاعي على النحو التالي: (1) يمكن التحكم في سرعة خط الإنتاج.من الممكن تغطية (بثق) بسرعة عالية، حيث لا توجد متطلبات لعامل ربط متشابك.ومن خلال استخدام مسرع ذو طاقة عالية ومنخفضة الطاقة، يمكن تحقيق المعالجة السريعة.(2) التوحيد المتشابك ممتاز.يمكن إجراء الربط المتشابك الموحد عن طريق اختيار الآلة المناسبة واعتماد التصميم الأمثل لتغذية الأسلاك.(3) يمكن تحضير أنواع مختلفة من البوليمرات، اعتماداً على درجة التشابك بواسطة عملية التشابك الإشعاعي.علاوة على ذلك، فإن عملية المعالجة بالإشعاع أفضل من عملية المعالجة بالبخار.في عملية المعالجة بالبخار، يؤدي تغلغل الماء إلى طبقة البوليمر تحت ضغط بخار مرتفع إلى إنشاء عدد من "الميكروفويدات"، والتي يمكن أن تؤدي إلى انهيار التفريغ الجزئي على شكل شجرة عندما يكون الكابل في الخدمة.وعلى الرغم من أن هذه الظاهرة معقدة للغاية، إلا أن الأشجار يمكن أن تنمو وتسبب انخفاضًا في قوة العزل الكهربائي للكابلات.وبصرف النظر عن هذه، فإن عملية المعالجة بالبخار لها بعض العيوب من وجهة نظر استهلاك الطاقة: (أ) هناك حاجة إلى ضغط بخار مرتفع للحصول على درجة حرارة عالية؛(ب) تكون كفاءة التوصيل الحراري من خارج الكابل منخفضة و (ج) يستهلك موصل الكابل كمية كبيرة من الطاقة، مما يؤدي إلى كفاءة حرارية أقل وأيضًا وقت أطول لتفاعل الارتباط المتشابك.المعالجة بالإشعاع هي مرشح للعمليات الجافة.ومع ذلك، هناك مشكلة تتمثل في أن تراكم الإلكترونات الذي يتوقف و/أو يتشكل في الطبقة العازلة عن طريق التشعيع يمكن أن يؤدي أيضًا إلى انهيار جزئي على شكل شجرة أثناء وبعد التشعيع.إنها مختلفة تمامًا عن "العملية الخالية من الماء".بما أن كابل البوليمر يحتوي على رطوبة عالية وفراغات كبيرة، فإن عملية المعالجة ضرورية.وبصرف النظر عن المزايا المذكورة أعلاه، يمكن إدخال المواد شبه الموصلة بسهولة في عملية المعالجة بالإشعاع، وهو أمر ليس سهلاً في حالة عملية المعالجة بالبخار حيث أن معظم المواد لا تتحمل درجات الحرارة والضغط العاليين.

تقنية التطعيم الإشعاعي تنقل أيضًا الموصلية إلى المصفوفة.هذه هي الطريقة الفريدة لدمج مصفوفة التوصيل مع المادة العازلة.تتضمن هذه التقنية إلغاء تنشيط البوليمر الأساسي باستخدام مونومر مناسب عن طريق التطعيم والترسيب اللاحق للبوليمر الموصل على السطح النشط للعمود الفقري.وبصرف النظر عن السلوك العازل، يمكن للبوليمر في هذه الحالة أن يتصرف كعامل موصل.على الرغم من أنه لم يتم تأسيسه بعد، إلا أنه يمكنه عرض العديد من التطبيقات المحتملة مثل التدريع الكهرومغناطيسي الكهرومغناطيسي والطلاءات الموصلة والعوامل المضادة للكهرباء الساكنة.بهاتاشاريا وآخرون.أعدت المركبات البوليمر – FEP-g- (AA) –PPY والبوليمر – FEP-g- (sty) –PPY.في البداية، تم تشعيع البوليمر-FEP من مصدر Co-60 ثم تم غمس الغشاء بنسب مئوية مختلفة من المونومرات.تم بعد ذلك ترسيب PPy على السطح المطعوم عن طريق بلمرة البيرول المؤكسدة باستخدام كلوريد الحديديك كمؤكسد.تنخفض مقاومة السطح وتكون في حدود 104-105 أوم/سم2.تعتمد مقاومة السطح على نسبة تطعيم المونومرات.باستخدام هذه التقنية، يمكن زيادة الموصلية السطحية بدلاً من الموصلية السائبة.يمكن أيضًا نقل سلوك التوصيل الضوئي للفيلم عن طريق تقنية التطعيم.أسيتات السليلوز-g-(N-فينيل كاربازول) وأسيتات السليلوز-g-(N-فينيل كاربازول-ميثيل ميثاسيلات) هي أمثلة على الغشاء الموصل للضوء.

في صناعة الكابلات الكهربائية، يتم استخدام البولي إيثيلين والبولي فينيل كلورايد (PVC) والمطاط EPDM بشكل رئيسي.يتم استخدام البولي إيثيلين بسبب خواصه الكهربائية الممتازة ومدته الأطول.يُفضل البولي إيثيلين منخفض الكثافة على البولي إيثيلين عالي الكثافة لعدة أسباب. الأسباب هي كما يلي: (أ) المزيد من المرونة؛(ب) قوة عازلة أعلى من البولي إيثيلين عالي الكثافة؛(ج) عمر أطول من HDPE؛(د) أقل صعوبة في المعالجة من HDPE و (هـ) خطر أقل لإدراج الفراغات في عزل LDPE، الذي يسبب التأين.على الرغم من كل هذه المزايا، فإن البولي إثيلين منخفض الكثافة (LDPE) له حدوده الخاصة كمادة عازلة للكابلات.كونه بوليمر لدن بالحرارة، فإن درجة حرارة تليينه تبلغ حوالي 105-115 درجة مئوية ويميل إلى حدوث تشقق الإجهاد عند ملامسته لبعض العوامل النشطة سطحيًا.يؤدي تشابك جزيئات البولي إيثيلين إلى تحسين الخواص الحرارية والفيزيائية بينما تظل خواصها الكهربائية دون تغيير إلى حد كبير.وبالتالي، لم يعد البولي إيثيلين المتشابك عبارة عن بوليمر لدن بالحرارة.إنه يلين عند نقطة الانصهار البلورية للبولي إيثيلين ويكتسب قوامًا مرنًا يشبه المطاط، وهي خاصية يحتفظ بها أثناء الارتفاعات الإضافية في درجة الحرارة، حتى يصبح متفحمًا دون ذوبان عند 300 درجة مئوية.يختفي الميل إلى تكسير الإجهاد تمامًا ويتم اكتساب مقاومة جيدة جدًا للشيخوخة في الهواء الساخن.تُفضل كابلات البولي إيثيلين المتشابكة على نطاق واسع بسبب خصائصها الكهربائية والفيزيائية الممتازة.إنه قادر على حمل تيارات كبيرة، ويتحمل انحناء نصف القطر الصغير، كما أنه خفيف الوزن، مما يسمح بتركيب سهل وموثوق، أي أنه خالي من قيود الارتفاع لأنه لا يتكون من أي زيت وبالتالي فهو خالي من الأعطال الناجمة عن انتقال الزيت إلى الزيت كابل الحقل.كما أنها لا تتطلب بشكل عام غلافًا معدنيًا. وبالتالي، فهي خالية من الأعطال الخاصة بالكابلات المغلفة المعدنية والتآكل والتعب.في أيامنا هذه، يتم تطبيق التشابك الإشعاعي صناعيًا ليس فقط على البولي إيثيلين ولكن أيضًا على البوليمرات الأخرى أيضًا مثل كلوريد البوليفينيل والبولي أيزوبيوتيلين وما إلى ذلك. يعتبر PVC في حد ذاته بوليمر غير مستقر للغاية.ولم تكتسب أهمية تجارية إلا بعد تطوير وسائل فعالة لتحقيق الاستقرار.وبمساعدة عوامل التعديل (المثبتات، والملدنات، والحشوات وغيرها من الإضافات)، يمكن تصنيع PVC ليظهر نطاقًا واسعًا من الخصائص، بدءًا من الصلابة الشديدة إلى المرونة الشديدة.إن تنوع تطبيقاته وتكلفته المنخفضة هما المسؤولان عن أهميته في السوق العالمية.

ولزيادة كفاءة الارتباط المتشابك، نادرًا ما تستخدم البوليمرات في شكلها النقي.الملدنات ومضادات الأكسدة والحشو لها دورها الخاص في نقل الخصائص المطلوبة.الإضافة أفضل أثناء عملية الربط.تتم إضافة الملدنات إلى البوليمرات لتقليل هشاشة منتج البوليمر.إنها تؤثر على التشابك عندما تشارك في توليد الجذور الحرة أو تدخل في تفاعلات الانتشار.تعد ثنائي بوتيل الفثالات، وفوسفات التريتوليل، وفوسفات ثنائي الأليل من الأمثلة الشائعة على الملدنات البلاستيكية.يتم تحسين المرونة والمرونة، وهي مهمة جدًا في العزل الكهربائي، عن طريق إضافة الملدنات إلى PVC.في الواقع، في حالة PVC، وهو قطبي بسبب بنيته غير المتوازنة، فإنه يؤدي إلى ظهور روابط قوية بين الجزيئات، والتي تربط السلاسل الجزيئية الكبيرة بشكل صارم، مما يجعلها غير مرنة.مضادات الأكسدة هي مجموعة أخرى من الإضافات، والتي تعتبر ضرورية لأي خليط متشابك مصمم لغرض عملي يتمثل في مقارنة استقرار الأكسدة الحرارية العالي في إنتاج البوليمر.عادة ما تؤثر على الارتباط المتشابك من خلال الجذور الكاشفة، والتي قد تشكل روابط متشابكة.RC (4,4-thio-bis(6-tert-butyl-3-methyl phenol)، MB(Mercapto benzoimidazole) هي أمثلة على مضادات الأكسدة التي يستخدمها Ueno et al. بالإضافة إلى الملدنات ومضادات الأكسدة، هناك حاجة إلى ملونات، كما تم استخدام مواد عزل الأسلاك بشكل خاص للأجهزة. تشتمل ملونات البلاستيك على مجموعة متنوعة من المواد غير العضوية والعضوية. ولا يتم تفضيل الإضافات المتغيرة اللون في هذا المجال. يتم إضافة الحشو بشكل عام لتحسين خصائصها الفيزيائية والميكانيكية وقابلية المعالجة. قد يكون هناك تأثير إيجابي للحشوات يمكن ملاحظتها أثناء التشابك الإشعاعي. وقد وجد أن إنتاجية الجذور في البولي إيثيلين قد زادت بنسبة 50%، عند إضافة كمية صغيرة (0.05%) من الهباء الجوي. ومن المفترض أن إنتاج أعلى للجذور يحدث في الهباء الجوي في الطور البيني. البولي إيثيلين، حيث يمكن أن تكون الجزيئات الكبيرة في حالة عدم توازن للسلالات غير المعوضة. ومع وجود محتوى أعلى من مادة الحشو، قد يحدث نقل للطاقة من مادة الحشو إلى طور البوليمر، وبالتالي يساهم في زيادة إنتاج الجذور الحرة.علاوة على ذلك، قد يؤثر مزيج التشعيع مع الخليط التفاعلي على توطين الروابط المتقاطعة على طول سلاسل البوليمر.

باختصار، يلعب الإشعاع دورًا مهمًا في معالجة البوليمرات المستخدمة في المجال الكهربائي. "الترابط الإشعاعي" هو الظاهرة التي يمكن من خلالها تحسين خصائص البوليمرات.إنها الطريقة الأكثر تقدمًا مثل "الفلكنة" والتي تحمل بعض القيود.يمكن تحسين كفاءة التشابك عن طريق اختيار المونومرات المناسبة.في عملية التشابك الإشعاعي، تكون الملدنات والحشوات ومثبطات اللهب فعالة جدًا في عملية التشابك الإشعاعي.تعتبر طريقة الارتباط الإشعاعي مفيدة جدًا أيضًا في تحضير المواد شبه الموصلة.وبصرف النظر عن ذلك، يمكن أيضًا استخدام تقنية التطعيم الإشعاعي لتحضير الغشاء المركب الموصل والأغشية ذات سلوك التوصيل الضوئي.