Статья: Материалы диэлектриков

Начнем со сводной таблицы, в которой представлены наиболее популярные в нашем деле диэлектрики.
Далее разберемся в терминологии и аббревиатурах, которые описывают многие изоляционные материалы и их свойства.

Thermoseting (термосеты) - класс полимерных материалов, которые имеют трехмерную молекулярную сетку. Такие полимеры можно один раз размягчить сильным нагреванием при производстве изделия, но после процесса затвердевания они более не подвержены переработке. Производство изоляции из термосетов более дорогой и медленный процесс, зато изоляция получается термостойкая, износоустойчивая и стойкая воздействию всевозможной химии. Вот они, термосеты: CPE - Chlorinated PE (хлорированный полиэтилен), CP (хлоропрен или неопрен), XLP, XLPE - Cross-Linked Polyethilene (сшитый полиэтилен); EP, EPR - Ethylene Propylene Rubber (этилен-пропиленовый каучук), силикон, латекс, бутил, CSPE- ChloroSulfonated PE и другие.

Из термосетов изготавливают кабели более стойкие к высоким и низким температурам, солнечному свету, химическим реагентам, воде, почве и даже взрывам (кабели для тральщиков мин). Идем далее.

Thermoplasts (термопласты) - изоляция из полимеров этого класса имеет линейную молекулярную конструкцию и легко поддается вторичной переработке. Их можно, в отличие от термосетов, многократно нагревать и повторно использовать в хороших делах. Кроме того, термопласты дешевле в производстве изоляции кабеля (процесс экструдирования более быстрый и простой).  В основном электрические низковольтные кабели изготавливаются из термопластов, таких как ПВХ (PVC), полиэтилен (PE), термопластичный эластомер (TPE), нейлон (полиамид), тефлон (фторопласт), полиуретан (PUR), полипропилен (PP), CPE  и другие.

Как видим, некоторые материалы могу быть как термосетами, так и термопластами. Например, обычный полиэтилен (PE) - это термопласт из которого можно лепить все подряд, а  сшитый полиэтилен (XLPE) - термосет и повторной переработке не подлежит.    

Если смешать два или более полимера, то можно получить сополимер (copolymer). Например, Chrystalline Propylen/Ethylene Copolymer. Из него изготавливают изоляцию для некоторых типов коммуникационных кабелей с рабочей температурой до 90 градусов по Цельсию.  Еще есть этиленвинилацетат (EVA). Из этого сополмера, помимо кабельной безгалогенной изоляции, делают поливочные шланги, коврики для автомобилей и прочие важные товары народного потребления. 

PVC (поливинилхлорид, винил) - самый распространенный материал для диэлектриков кабелей. Он относительно недорог, может иметь рабочую температуру от -55С до +105С по Цельсию. Достаточно гибок, хорошо окрашивается вплоть до прозрачности, легко маркируется.  Имеет хорошие диэлектрические свойства. Хорошо противостоит механическим воздействиям, ультрафиолету и влаге. Имеет очень много модификаций, благодаря восприимчивости всевозможным добавкам. Добавки в ПВХ могут увеличить раб. температуру изоляции до +105С (Premium Grade PVC), сделать её негорючей (Flame Retardant), некоррозивной (Non Corrosive), очень гибкой (UltraFlex), хорошо противостоящей ультрафилетовому излучению (UV Protected), морозу и тд. ПВХ боится керосина, бензина, масел и растворителей, зато не боится кислот и алкоголя.  Не очень любит, когда его закапывают в открытый грунт (в принципе, этого никто не любит). В его состав входит галоген - хлор, поэтому при горении он выделяет достаточно токсичный и густой дым. Однако, магические добавки могут сделать ПВХ малодымным (Low Smoke) и негорючим (Flame Retardant). В общем, для производства аудио-видео, бытовых электрических и коммуникационных кабелей ПВХ незаменим! Во всяком случае, на сегодняшний день.

Polyolefins (полиолефины) - это семейство полимеров, в которое входят известные всем любителям музыки и кино полиэтилен (PE) и полипропилен (PP).
 
PE обладает отличными электрическими свойствами. Если полиэтилен вспенить, те наполнить его пузырьками воздуха или азота, то можно добиться очень низкой диэлектрической константы, равной 1.5 - 1.6. Вспененный полиэтилен (Foamed PE) применяется в высокочастотных  коаксиальных кабелях, которые передают телевизионный сигнал или поток цифровых данных на относительно большие расстояния (тут нужна низкая емкость кабеля). Хорошие межблочные кабели, которые передают низковольтный аудио-видео сигнал тоже изготавливают из вспененного PE для снижения емкости. PE менее гибок, чем PVC и плохо сопротивляется огню, зато хорошо противостоит маслу, бензину и керосину. Боится бензола и толуола; не боится солнца и дождя. Не содержит галогенов (<0.02%), а значит кабели из PE  изоляции можно смело называть ZH (Zero Halogen) или HF (Halogen Free), т.е. безгалогенными.

PP -  полипропилен, родной брат полиэтилена, имеет с ним схожие характеристики. Ну разве что, менее элестичен.      

Fluoropolymer (фторополимеры) - материалы, в состав которых входит фтор.
Вот они: TFE - TertaFluoroEthylene или Teflon (раб. темп. до +260С); FEP - FlexaFluoroPropylene (+200C) применяется в изготовлении миниатюрных коаксиальных кабелей; PFA - PerFluoroAlkoxy (+260C) применяется в кабелях для авиации и нефтедобычи. Есть еще изоляционные материалы на основе фтора: E-CTEE (Halar +150C), ETFE (Tefzel +150C) для компьютерной техники, PCTFE (+135C), Kynar (+135C) и другие.

Как видим, изоляция из фторополимеров термостойкая, хорошо противостоит химическим реагентам и влаге. Если вы ищете бензо-маслостойкие кабели, то тефлоновые кабели как раз то, что нужно (хотя есть и более дешевые кабели из бензостойкой резины). Высокая рабочая температура тефлона делает его незаменимым в производстве монтажных кабелей (не боятся паяльника!), а низкая его диэлектрическая константа дает возможность применять в дорогих аудио кабелях, где аудиофилы гоняются за низкой емкостью межблочников. Однако, следует помнить, что полиэтилен (Foamed PE) и полипропилен (Foamed PP), если дать им пинка,  могут обогнать тефлон по диэлектрической константе и быть дешевле по стоимости.       

И так, мы разобрались с диэлектриками, которые наиболее популярны в аудио и видео кабелях. Это PVC, PE, PP и Тефлон. Есть ещё много видов резины, силикон и нейлон, но эти полимеры не играют важной роли в "звучании" кабеля. Например, полиуретан очень прочный и крутой диэлектрик, который вдобавок имеет свойство "запоминать" первоначальную форму. Он имеет широкий спектр применения только как внешний диэлектрик. Скрученные в виде пружины кабели для телефонных трубок - это он и есть. И конечно же бумага, из которой кабельную изоляцию делали ещё во времена Томаса Эдисона. В XXI веке бумагу применяют в очень редких аудио кабелях ручного изготовления. Это высокий хай-энд. Стоимость пары подобных 2-метровых кабелей из винтажной меди и не менее винтажной бумаги, пропитанной воском диких пчёл, плюс ручная работа в Новой Англии может превышать стоимость рояля средней руки. Так что, если вы хотите живое натуральное звучание, то у вас есть выбор!

Halogen and Halogen Free Insulation (галогенные и безгалогенные диэлектрики)

Далее разберемся с кабелями, диэлектрики которых называютcя галогеносодержащими, безгалогенными, малодымными и негорючими.

Для начала поймем, что такое галогены. Галогены - сильные окислители из 17 группы таблицы Менделеева. Это хлор, фтор, бром, йод  и другие. Если в названиях полимеров диэлектриков мы встречаем слово хлор (поливинилхлорид) или фтор (тетрафтороэтилен), то с уверенностью говорим, что это галогеносодержащие диэлектрики.  При горении они будут выделять густой и токсичный дым. Зато, эти материалы легко модифицируются для приобретения свойств негорючести и малодымности. Обычный ПВХ можно за небольшие деньги сделать негорючим FR (Flame Retardant), малодымным LS (Low Smoke), что делает его самым распространенным среди других изоляционных материалов. Следует помнить, что малодымный ПВХ выделяет меньше дыма, но дыма все же токсичного. Негорючесть ПВХ достигается наличием галогенов, которые при горении генерируют свободные радикалы, которые покидая горящий полимер, отбирают значительную часть энергии горения и тем самым не дают пламени разгореться. При отводе огня негорючий ПВХ затухает сам. Негорючий ПВХ хорошо проходит противопожарный тест UL 1581 VW-1.

Безгалогеные диэлектики - это те, у кого нет в составе хлора, фтора и брома или содержат их очень мало (<0.2%). К ним относятся полиэтилен PE, полипропилен PP, полиуретан PUR, XLPE, EVA и другие (см. таблицу вверху). При горении эти полимеры выделяют белый, не особо токсичный дым, что делает эвакуацию людей при пожаре более безопасной. Маркируются безгалогенные диэлектрики аббревиатурой ZH (Zero Halogen), HF (Halogen Free) или LH (Low Halogen); ZH полимеры могут быть модифицированы до уровня LS (Low Smoke),  что дает право аббревиатуре LSZH (малодымный и безгалогенный) быть нанесенной на оболочку кабеля. Следует принимать во внимание, что LSZH  кабели, хоть и безвредны при горении, но сами по себе горят весело и ярко. Эти кабели плохо справляются с противопожарными тестами, хоть и очень стараются. Определенные неорганические присадки, например такие, как тригидрат алюминия (ATH)  или  гидроксид магния (MDH), добавленные в безгалогенный полимер, делают его негорючим. При нагревании кабеля до +230С, минеральная добавка АТН разлагается, выделяя водяной пар, который гасит горние (для MDH температура разложения равна +330С). Около половины всех негорючих LSZH кабелей на европейском рынке имеют АТН добавку. Эта добавка неорганическая и плохо вписывается в органическую структуру полимера, что делает диэлектрик негибким, ломким, хорошо впитывающем влагу (значит менее долговечным) и дорогим. Все это следует учитывать в монтажных кабельных работах и технико-экономических обоснованиях проекта.

На американском рынке LSZH кабели менее популярны, чем в Европе. В США предпочтение отдается негорючим галогенным FRNC кабелям, которые держат удар в огневых тестах. Американцы считают, что кабель при пожаре должен как можно дольше сопротивляться горению, даря драгоценные минуты эвакуации персонала, чем сразу начать бодро гореть, выделяя немного экологически чистого дыма, состав которого одобрен Еврокомиссией. Решение тут принимает инженер, который в комплексе оценивает общую систему пожаротушения, плотность кабельных трасс, их расположение относительно путей эвакуации людей и тд. Например, в тоннелях лондонского метро все электрокабели покрыты LSZH полимерами; на подводных лодках и атомных электростанциях, где установлена мощная система пожаротушения, применяются только LSZH кабели. Тут инженеры решили, что горящие кабели легче тушить, чем потом проветривать помещение (особенно на подводной лодке). Что касается офисных зданий, которые уже напичканы самыми разными кабелями в подвесных потолках, которые в свою очередь могуг токсично дымить, прокладка нескольких гордых LSZH кабелей не сыграет важной роли. 

Итак, давайте еще раз пройдемся по аббревиатуре диэлектриков:

LS - Low Smoke, малодымный. Может быть у галогенных и безгалогенных диэлектриков; При горении выделяет малое количество дыма.

FR - Flame Retardant, негорючий (пожароустойчивый); не поддерживает горение при отводе пламени (самозатухание). В основном характеризует галогенные полимеры (PVC). У безгалогенных встречается редко (добавка ATH). Данную аббревиатуру не путать с Fire Resistance, что означает огнеупорный кабель; 

NC - Non Corrosive, некоррозивный, т.е. не выделяет при горении веществ, негативно влияющих на электронику и металлические конструкции. Не путать с защитой самого кабеля от ржавчины. 

ZH - Zero Halogen, безгалогенный диэлектрик (EVA, PUR, PE, PP, XLPE и др.) То есть тот, который не содержит хлора, фтора, брома и пр. При горении выделяет белый, малотоксичный дым. Не является негорючим. Поддерживает горение при отводе пламени.

FRNC - Flame Retardant and Non Corrosive, одновременно негорючий и некоррозивный. В основном, это - галогенный полимер. Сопротивляется горению, но, начав гореть, выделяет дым, безвредный для электронных плат и металлических конструкций. Дым густой, вреден для людей. 

FRLS - Flame Retardant and Low Smoke, негорючий и малодымный. Добавки для галогенных полимеров. Сопротивляется горению. При горении выделяет мало дыма. Дым содержит галогены.  

LSZH - Low Smoke and Zero Halogen, диэлектрик, который не содержит галогенов, малодымный. При горении выделяет малое количество дыма, в котором нет галогенов. Не является негорючим. Поддерживает горение при отводе пламени.
 
FR-LSZH - одновременно безгалогенный, малодымный и негорючий. Это свойство достигается применением неорганической негорючей добавки АТН (MDH или силиконовых добавок) в безгалогенный основной полимер, например в EVA (чаще всего, только в качестве внешней оплетки кабеля).

Исследования в области безгалогенных диэлектриков продолжается, уже есть компаунды с наночастицами и всевозможными глинами, которые обеспечивают негорючесть ZH полимеров. Но проблема гибкости, износоустойчивости и дороговизны пока не решена. Химики обещают решение этой проблемы в ближайшем будущем.    

Полезные ссылки:
Статья о негорючих добавках  (FR) в полимеры:
 
https://www.nist.gov/sites/default/files/documents/el/fire_research/2-Reilly.pdf

https://www.flameretardants.eu/flame-retardants/products/

https://www.flameretardants-online.com/

https://www.clariant.com/en/Business-Units/Additives/Flame-Retardants