Politechnika Rzeszowska Katedra Technologii Tworzyw Sztucznych. Identyfikacja materiałów elektroizolacyjnych wykonanych z tworzyw sztucznych

Transkrypt

1 Politechnika Rzeszowska Katedra Technologii Tworzyw Sztucznych Identyfikacja materiałów elektroizolacyjnych wykonanych z tworzyw sztucznych Rzeszów, 2010

2 Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami identyfikacji materiałów elektroizolacyjnych wykonanych z tworzyw sztucznych oraz przeprowadzenie na ich podstawie identyfikacji otrzymanych próbek. Zagadnienia do kolokwium: 1. Typowe termoplasty (polietylen, polichlorek winylu) i ich rola w energetyce. 2. Przykłady zastosowania żywic lanych w elektrotechnice. 3. Właściwości tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych. 4. Tworzywa elektroizolacyjne wzmocnione włóknem szklanym. Rodzaje, właściwości, zastosowanie. Literatura 1. Praca zbiorowa, Analiza polimerów syntetycznych, WNT, Warszawa W. Szlezyngier, Tworzywa Sztuczne, Oficyna Wydawnicza PRz, Rzeszów Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Warszawa, Wydawnictwo PW

3 WPROWADZENIE Tworzywa sztuczne oparte o wielkocząsteczkowe związki organiczne się obecnie podstawowymi materiałami elektroizolacyjnymi i wypierają materiały elektroizolacyjne wytwarzane z tworzyw naturalnych. Wynika to zarówno z możliwości uzyskiwania szczególnie korzystnych własności elektrycznych, mechanicznych czy termicznych, jednorodności cech, możliwości ko-rzystnego kojarzenia własności tych tworzyw jak i z warunków przemysłowego ich wytwarza-nia na wielką skalę z podstawowych surowców jak ropa naftowa, gaz ziemny, koks, sól ku-chenna itp. Bardzo ważną cechą tworzyw sztucznych jest ich podatność technologiczna. Opra-cowano wiele technologii przetwórstwa tworzyw sztucznych, które pozwoliły bardzo znacznie skrócić czas nadawania kształtu szczególnie skomplikowanym wyrobom obniżając istotnie koszty produkcji. Duża różnorodność tworzyw i ich kombinacji, rozmaitość nazw fabrycznych w różnych krajach powoduje konieczność zastosowania możliwie prostych metod pozwalających na przybliżone określenie typu nieznanego tworzywa przez oględziny, zbadanie zachowania się pod wpływem temperatur i w płomieniu, określenie zapachu produktów palenia lub rozkładu termicznego lub reakcji wodnych ich roztworów w celu zaklasyfikowania do określonej grupy związków wielkocząsteczkowych. Rozpoznanie technologii kształtowania wyrobu z tworzywa sztucznego również pomaga w jego identyfikacji. Przy identyfikacji tworzywa należy brać również pod uwagę jego aplikację. Podobnie jak w ży-ciu codziennym przyzwyczailiśmy się do tego, że np. stoły wykonane są z drewna, opony sa-mochodowe z gumy, książki drukowane są na papierze, tak i w elektrotechnice izolacja prze-wodów niskonapięciowych to najczęściej polichlorek winylu, drobna galanteria elektrotech-niczna (przyciski, lampki sygnalizacyjne) to zwykle polistyren, natomiast płyty obwodów dru-kowanych są obecnie powszechnie wykonywane z laminatu szkłoepoksydowego itd. Oczywiście dokładne określenie rodzaju tworzywa wymaga badań fizykochemicznych możli-wych do przeprowadzenia jedynie w wyspecjalizowanym laboratorium. Inżynier elektryk spo-tyka się jednak często z potrzebą szybkiej identyfikacji tworzywa elektroizolacyjnego, aby np. przewidzieć jego zachowanie się w nadzwyczajnych warunkach pracy lub dokonać właściwej zamiany uszkodzonego elementu. Związki organiczne wielkocząsteczkowe naturalne (kauczuki, kazeina, żywice drzew szpilko-wych) są już tylko wyjątkowo stosowane jako materiały elektroizolacyjne. Wyjątkiem jest celu-loza (papiery elektrotechniczne) oraz woski naturalne i kopalne (syciwa elektroizolacyjne). W znacznie większej skali stosuje się tworzywa wielkocząsteczkowe uzyskiwane drogą modyfika-cji (chemicznej przemiany) związków organicznych naturalnych oraz tworzywa wielkocząstecz-kowe syntetyczne uzyskiwane z prostych związków organicznych drogą polimeryzacji (łączenia chemiczne jednakowych elementów składowych - merów - w związek wielkocząsteczkowy), poliaddycji (łączenia różnych małocząsteczkowych związków w związek wielkocząsteczkowy (bez wydzielania ubocznych produktów) oraz polikondensacji (łączenia różnych małocząstecz-kowych związków w związek wielkocząsteczkowy z wydzielaniem prostych ubocznych produk-tów, jak woda, alkohole, amoniak itp.). Uzyskiwane związki wielkocząsteczkowe mogą być cieczami, elastykami lub ciałami stałymi. Ostatnie dwie grupy często noszą umowną nazwę żywic syntetycznych. Żywice te stanowią główny czynnik błonotwórczy w lakierach, czynnik wypełniający pory w tkaninach 3

4 lub szczeli-ny między przewodami w uzwojeniach jako syciwo, mogą służyć do wypełniania pustych prze-strzeni między częściami wiodącymi prąd a obudową jako zalewy lub stanowić główny składnik części elektroizolacyjnych i konstrukcyjnych wytwarzanych w postaci kształtek lub półfabryka-tów (pręty, płyty, rury) o różnej strukturze i różnych materiałach wiążących i wzmacniających. Przez odpowiednie dodatki (napełniacze, plastyfikatory, stabilizatory, przyspieszacze i spowal-niacze reakcji przetwarzania, środki antyadhezyjne, pigmenty) można z jednego rodzaju podsta-wowej żywicy syntetycznej uzyskiwać wiele odmian tworzyw sztucznych o różnych własnościach fizycznych, a także wpływać na znaczne obniżenie ich kosztu. Napełniacze można podzielić na: obojętne - mają na celu obniżenie kosztu tworzywa, aktywne - poprawę własności mechanicznych, elektrycznych i cieplnych. Ze względu na pochodzenie napełniacze mogą być: organiczne lub nieorganiczne, naturalne lub syntetyczne. Ze względu na postać napełniacze mogą być: proszkowe - mączka drzewna (pospolity składnik fenoplastów), celuloza (dodatek aminoplastów), mika, mączka kwarcowa lub porcelanowa (dodatek żywic lanych), inne mączki mine-ralne, włókniste lub skrawkowe - włókno bawełniane, syntetyczne, mineralne, szklane (ciągłe lub cięte), warstwowe - tkaniny (z włókien naturalnych, syntetycznych, szklanych), maty szklane, papiery, okleina drewniana (fornir). W utworzonych z nich tworzywach uwarstwionych (lami-natach) napełniacze te noszą nazwę nośników, a wiążące je żywice noszą nazwę lepiszcza; Plastyfikatory - substancje chemiczne ciekłe lub stałe, których dodatek do tworzywa powodu-je, że staje się ono bardziej miękkie, giętkie i ciągliwe oraz łatwiejsze w przetwarzaniu, nie zmieniając przy tym charakteru chemicznego. Stabilizatory - substancje chemiczne, które dodane w niewielkiej ilości zapobiegają niepożąda-nym procesom starzenia przez utlenianie, działanie światła, promieniowania nadfioletowego i innych czynników środowiskowych. Środki antyadhezyjne i smarne utrudniają w czasie przetwarzania przywieranie kształtek i półfabrykatów do form. Pigmenty - nadają tworzywu wymaganą barwę. Wykonanie ćwiczenia: 1. Przystępując do identyfikacji na początku należy zwrócić uwagę i zanotować następujące spostrzeżenia wynikające z ogólnego oglądu próbki; - postać próbki (proszek, granulat, folia, powłoka, fragment wyrobu) - barwa, przejrzystość optyczna lub matowość 4

5 - jeżeli jest możliwe wyciąć fragment próbki, zwymiarować, obliczyć objętość, zważyć na wadze analitycznej i obliczyć gęstość, jeżeli mamy do czynienia z próbką spienioną, to metodą tą wyznacza się tzw. gęstość pozorną - sprawdzić czy próbka rozpuszcza się wodzie destylowanej, czy po zanurzeniu w wodzie wypływa na powierzchnię lub opada na dno. 2. Obserwacja zachowania się próbki podczas prażenia przy ograniczonym dostępie powietrza. Uwaga: doświadczenie to wykonujemy zawsze korzystając z okularów ochronnych! W probówce szklanej umieścić kilka kawałków (np. 3-5 granulek) rozdrobnionego tworzywa. Rozdrabnianie wykonujemy przy pomocy noża, młotka lub szczypiec. Za pomocą drewnianych szczypiec umieścić probówkę w płomieniu palnika gazowego i zanotować następujące spostrzeżenia: odczyn wydzielanych gazów (badany papierkiem wskaźnikowym uniwersalnym zamoczonym uprzednio w wodzie destylowanej) oraz charakterystyczny zapach pochodzący np. od wydzielanego się np. w procesie depolimeryzacji styrenu, akrylanu metylu, formaldehydu czy kwasu octowego. 3. Badanie zachowania się próbki w płomieniu palnika gazowego Uwaga: doświadczenie to wykonujemy zawsze korzystając z okularów ochronnych! Próbkę rozdrobnionego tworzywa umieścić na łyżce do spalań i wprowadzić do nieświecącego płomienia palnika. Zanotować wyniki obserwacji: czy próbka łatwo ulega spalaniu, czy w procesie spalania tworzy się czarny gryzący dym, czy po wyjęciu z palnika próbka ulega samogaśnięciu czy dalej pali się. Jeżeli próbka pali się, to delikatnie zdmuchnąć płomień i obserwować charakter tworzących się dymów. Czy odczuwany jest specyficzny zapach np. palonej sierści, formaldehydu, kwasu octowego. Na końcu sprawdzić czy pozostał po spaleniu popiół, jaka jest jego postać, rozpuścić część popiołu wodzie destylowanej i zbadać odczyn papierkiem uniwersalnym. 4. Zachowanie się tworzywa wobec rozpuszczalników organicznych 5

6 Uwaga: doświadczenie to wykonujemy zawsze korzystając z okularów ochronnych! Rozdrobnioną próbkę tworzywa umieścić w probówce, zalać kilkoma ml rozpuszczalnika organicznego (octan etylu, aceton, toluen) i zanotować jej zachowanie się, zmianę barwy roztworu. Następnie otwartą próbkę delikatnie podgrzać na łaźni wodnej lub przy użyciu płaszcza elektrycznego. Probówkę utrzymywać za pomocą szczypiec. Absolutnie nie wolno podgrzewać próbki w płomieniu palnika gazowego! Obserwować czy próbka ulega rozpuszczeniu się, czy pęcznieje lub może nie ulega zmianie. Analogiczne obserwacje wykonać podczas kontaktu próbki badanego tworzywa z wodą destylowaną, sprawdzić czy zachodzi np. efekt zmydlania się, kiedy zamiast wody użyje się 30 % roztworu zasady sodowej lub kwasu siarkowego. Podejrzewając, na podstawie wcześniejszych obserwacji ze sposobu spalania się próbki, że możemy mieć do czynienia z próbką poliamidu sprawdzić jej rozpuszczalność w kwasie mrówkowym i kwasie solnym. 5. Próba jakościowa na obecność chloru w tworzywie Obecność chloru można stwierdzić wykonując próbę Belsteina. W tym celu do płomienia palnika wprowadzamy wcześniej wyprażony w tym płomieniu pręcik wykonany z miedzi z niewielką ilością tworzywa. Wyraźna zielona barwa płomienia świadczy o obecności chloru w badanym tworzywie. 6. Wyniki poczynionych obserwacji należy porównać z informacjami zawartymi w tabelach 1-3 i na tej podstawie podjąć próbę identyfikacji tworzywa. W sprawozdaniu przedstawić wyniki wykonanej procedury identyfikacji. 6

7 Tablica 1. Zachowanie się próbki podczas prażenia Lp. Rodzaj tworzywa Topi się Rozkłada się Topi się, rozkłada Dodatkowe zjawiska Odczyn wydzielających się gazów Zapach wydzielających się towarzyszące alkaliczny obojętny kwaśny gazów 1. Fenoplasty x x wzdyma się, pryska (x) x fenolu, formaldehydu 2. Aminoplasty x ciemnieje w czasie rozkładu x amoniaku, amin, drażniący 3. Poliwęglany x staje się ciągliwy x zbliżony do fenolu 4. Poliestry x ciemnieje, rozkłada x zbliżony do styrenu się i topi 5. PET x topi się, rozkłada, x drażniący białe dymy 5. Epoksydy x ciemnieje (x) x słaby fenolu 6. Poliamidy x topnienie, rozkład x palonej sierści 7. PE, PP x topi się, x słaby palonej parafiny przeźroczysty 8. Polistyren x po stopieniu w x słodkawo- kwiatowy czasie rozkładu odparowuje i żółknie 9. Polichlorek x rozkłada się z barwą x kwas solny 7

8 winylu brunatną 10. Polioctan winylu x (x) brunatnieje x kwas octowy 11. Polialkohol x topnienie, rozkład x drażniący winylowy 12. Polimetakrylany x odparowuje i x owocowy, estrowy trzeszczy 13. Poliakrylany x odparowuje x nieprzyjemny, ostry 14. Poliuretany x topi się, ciemnieje i rozkłada x słodkawy 8

9 Tablica 2. Zachowanie się tworzyw podczas palenia Lp. Rodzaj tworzywa Nie pali Pali się tylko w Po zapaleniu Wygląd płomienia się płomieniu pali się dalej 1. Fenoplasty x (x) płomień jasny, kopcący 2. Aminoplasty x zwęgla się, białe brzegi 3. Poliwęglany x świecący, kopcący, próbka zwęgla się, pęcherze 4. Poliestry x świecący kopcący, zwęgla się 5. PET x świecący, lekko kopcący 5. Epoksydy x świecący, kopcący 6. Poliamidy x świecący, niebieskawy, kapie, tworzą się banieczki i nitki 7. PE, PP x świecący z niebieskim środkiem, kapie kroplami 8. Polistyren x świecący, silnie kopcący 9. Polichlorek winylu x żółty, zielony na brzegach, białe dymy 10. Polioctan x świecący, kopcący winylu 11. Polialkohol x świecący, kopcący winylowy 12. Polimetakrylany x świecący, trzeszczy 13. Poliakrylany x świecący, nieco kopcący 14. Poliuretany x świecący, kopcący 9

10 Tablica 3. Rozpuszczalność tworzyw Lp. Rodzaj tworzywa ROZPUSZCZALNIKI benzen aceton etanol woda CCl 4 CHCl 3 dioksan DMF cykloheksanon THF kwas kwas stęż. octowy mrówkowy HCl 1. Fenoplasty Aminoplasty Poliwęglany - x Poliestry PET Epoksydy Poliamidy PE, PP (+) (+) (+) Polistyren + x Polichlorek winylu x (+) Polioctan winylu Polialkohol winylowy 12. Polimetakrylany (+) (+) Poliakrylany + + (+) - + x (+) (+) Poliuretany

11 Oznaczenia: + tworzywo rozpuszcza się (+) tworzywo rozpuszcza się na gorąco - tworzywo nie rozpuszcza się x tworzywo pęcznieje 11