POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I SYSTEMÓW INFORMACYJNO-POMIAROWYCH ZAKŁAD WYSOKICH NAPIĘĆ I KOMPATYBILNOŚCI ELEKTROMAGNETYCZNEJ PRACOWNIA MATERIAŁOZNAWSTWA ELEKTROTECHNICZNEGO ĆWICZENIE 5 BADANIE WŁASNOŚCI CIEPLNYCH MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH (WIELKOCZĄSTECZKOWYCH DIELEKTRYKÓW)
1. Charakterystyka głównych tworzyw sztucznych Oprócz metali i ceramiki do budowy maszyn i urządzeń stosowane są tworzywa sztuczne, które w większości zastąpiły tworzywa pochodzenia naturalnego. Tworzywa te charakteryzują się lepszymi parametrami i niższą ceną. Podstawowe własności tworzyw sztucznych to: odporność na korozję i działanie substancji agresywnych, niewielki ciężar właściwy, niewielki moduł sprężystości, kruchość w niskich temperaturach, łatwość przetwarzania i kształtowania. Z punktu widzenia zachowania się tych materiałów podczas przerobu i kształtowania wyróżniamy: Termoplasty miękną w podwyższonych temperaturach i dają się łatwo kształtować, a po ochłodzeniu twardnieją i zachowują nadany kształt. Duroplasty pod działaniem temperatury lub czynników chemicznych nieodwracalnie twardnieją i zachowują nadany kształt. Po ponownym nagrzaniu ulegają chemicznemu rozkładowi. Elastomery mają własności zbliżone do naturalnego kauczuku, łatwo się odkształcają, a po usunięciu siły powracają do pierwotnego kształtu, dają się wulkanizować. Termoplasty Cechą charakterystyczną tych materiałów jest to, że ich molekuły tworzą leżące obok siebie łańcuchy. Jest to przyczyną ich zdolności do odkształcania się (lepkiego płynięcia) pod wpływem podwyższonej temperatury i twardnienia przy jej obniżaniu, w temperaturach ujemnych stają się kruche. Ich budowa nosi cechy amorficzności lub krystaliczności, obecność krystalitów podwyższa własności wytrzymałościowe i cieplne. Polietylen (PE) jest termoplastem o prostej budowie cząsteczkowej. Zależnie od metody polimeryzacji etylenu otrzymujemy polietylen o niskiej gęstości 925kg/m3 (LDPE), lub polietylen o dużej gęstości 940-965kg/m3 (HDPE). Obie odmiany mają dobre właściwości konstrukcyjne i dielektryczne. Wraz ze wzrostem gęstości polietylenu rośnie jego stopień krystaliczności a zatem twardość, wytrzymałość i moduł sprężystości. Własności te maleją wraz ze wzrostem temperatury pomiędzy 50-100ºC. Polietylen jest odporny na działanie wody, soli i roztworów kwasów i zasad, atakują go tylko stężone kwasy. Polipropylen (PP) jest twardy i dobrze zachowuje swój kształt, co związane jest z wysokim stopniem jego skrystalizowania (60%)., Jest odporniejszy na temperaturę niż PE, gładki i obojętny biologicznie. Polistyren (PS) jest tworzywem nadającym się do procesów wtryskiwania, jest odporny na działanie kwasów i zasad (za wyjątkiem kwasu azotowego). Łatwość formowania i dobre parametry mechaniczne sprawiają, że PS ma szerokie zastosowanie w przemyśle. Polichlorek winylu (PCV) sztywniejszy i bardziej wytrzymały (ok. 30 razy) od polietylenu. W zależności od zastosowanych zmiękczaczy i plastyfikatorów można uzyskiwać różne rodzaje tego tworzywa, od sztywnych płyt, po miękkie uszczelki przypominające gumę. Pod działaniem światła lub ciepła PCV rozpada się wydzielając szkodliwy chlorowodór, aby temu zapobiec dodaje się do PCV stabilizatory, które trwale wiążą atomy chloru. Ze wzrostem temperatury maleje twardość PCV, materiał ten ma zastosowanie, gdy nie działają siły, w temperaturach 80-100 C, a przy obciążeniach do 40ºC. Poliamidy (PA) wykazują dobrą elastyczność i odporność na ścieranie, własności te rosną wraz ze stopniem krystalizacji materiału. Są trudne w obróbce metodami wtryskowymi, mają duże zastosowanie przy wytwarzaniu części maszyn. Posiadają dobre własności elektroizolacyjne. Poliwęglany (PW) są tworzywami o dużej wytrzymałości w szerokim zakresie temperatur i dobrych własnościach izolacyjnych. Są odporne na starzenie i czynniki atmosferyczne. Znalazły duże zastosowanie w technice medycznej, gdyż można je sterylizować w temperaturze 120ºC. Mając dobre własności mechaniczne są wykorzystywane do budowy części maszyn.
Polimetakrylany metylu (PMM) wykazują się dobrymi własnościami mechanicznymi, są twarde i odporne na działanie czynników atmosferycznych. Ich najcenniejszą zaletą jest przeźroczystość i możliwość barwienia na różne kolory. Ich potoczna nazwa odnosi się do podobieństwa ze szkłem (PLEXI). Poliuretan (PU) w zależności od stopnia usieciowania mogą być sztywne lub elastyczne. Przy dodatku spieniających uzyskujemy pianki o dobrych własnościach termo i dźwiękochłonnych. Stosowane w budownictwie i przemyśle na uszczelnienia i wygłuszenia. Podczas procesu zastygania pianki płynne mogą zwiększać swą objętość nawet 11 razy. Duroplasty Materiały te mają molekuły usieciowane przestrzennie, co odróżnia je od termoplastów, czyni odpornymi na wzrost temperatury aż do temperatury rozkładu. Kształtuje się je przez odlewanie lub obróbkę wiórową. Fenoplasty powstałe na bazie żywicy fenolowo-formaldehydowej z rozróżnieniem na dwa podstawowe typy, żywice nowolakowe oraz rezolowe. Żywice formaldehydowe utwardza się przez dodanie porcji formaldehydu, który pełni funkcje utwardzacza. Żywice krezolowe są produktem ubocznym procesu utwardzania żywic formaldehydowych. Same są termoutwardzalne, a ich cząsteczki nie są zdolne do usieciowania. Cechy podstawowe fenolpastów to duży moduł sprężystości, twardość powierzchni, duża odporność cieplna, niska palność. Melaminy są to produkty polikondensacji melaminy z formaldehydem. Rozkładają się w temperaturze powyżej 160ºC, są twarde i odporne na działanie rozpuszczalników organicznych. Najczęściej łączone są z wypełniaczami takimi jak papier, szkło czy tekstylia. Wyroby takie są bardzo wytrzymałe mechanicznie i dają się kształtować na wiele sposobów. Epoksydy otrzymujemy przez dodanie do żywicy utwardzacza. Pod wpływem tej substancji następuje przestrzenne usieciowanie i utwardzenie tych żywic. Proces przebiega na zimno lub ciepło a jego czas można regulować ilością dodawanego utwardzacza w szerokim zakresie. Żywice te można odlewać i kleić nimi różne rodzaje materiałów. Dobre własności mechaniczne daje się uzyskać poprzez nasycanie nimi tkanin szklanych. Elastomery Struktura wewnętrzna elastomerów przypomina swoją strukturą budowę duroplastów. Ich łańcuchy cząsteczkowe nie są silnie usieciowane, a raczej pozałamywane. Do zerwania wiązań między nimi wystarczają niewielkie siły, dalszy wzrost działającej siły powoduje wyprostowanie i uporządkowanie łańcuchów. Po odciążeniu następuje powrót do stanu wyjściowego. Moduł sprężystości ε tych tworzyw jest mały, a własności elastyczne utrzymują się w dużym zakresie temperatur. Podstawowym materiałem są kauczuki syntetyczne z wypełniaczami aktywnymi, dla koloru czarnego jest to sadza, a dla jasnych krzemionka. Kauczuk butadienowo-styrenowy przypomina najbardziej naturalny kauczuk i jest używany do wyrobu opon, kabli i węży. Kauczuk etylenowo-propylenowy wykazuje dużą odporność na starzenie i działanie ozonu. Jest stosowany jako materiał elektroizolacyjny. Kauczuki silikonowe są obojętne fizjologicznie, hydrofobowe i są dobrymi izolatorami. Mają zastosowanie w medycynie, wyrobie uszczelek i powłok izolatorów. Lateksy zawiesiny cząstek żywic w wodzie dają się łatwo barwić i rozcieńczać w wodzie. Pod działaniem temperatury następuje usieciowanie liniowych polimerów tych żywic, co nazwane jest wulkanizacją. Podstawowe własności niektórych tworzyw sztucznych zestawiono w tabeli w złączniku.
2. Pomiar odporności cieplnej metodą Vicata Pomiar polega na określeniu temperatury, przy której znormalizowana stalowa igła zagłębi się w próbkę tworzywa na głębokość 1mm, próbka podlega ogrzewaniu z określoną szybkością. W zależności od obciążenia igły rozróżniamy dwa warianty tej metody: A. 10,25 N B. 50,25 N W zależności od szybkości ogrzewania próbki pomiar prowadzony jest jednym z dwóch programów: I. z przyrostem 60 C/h II. z przyrostem 120 C/h Przyrząd do pomiaru odporności cieplnej został schematycznie przedstawiony na rysunku 1. Składa się on ze statywu, którego podstawa służy do ułożenia próbki, pionowego pręta z obciążnikiem zakończonego igłą i czujnika służącego do pomiaru zagłębienia. Najmniejsze zagłębienie, jakie mierzy czujnik wynosi 0,01mm. Igła pomiarowa jest stalowym walcem o długości 3mm i średnicy 1mm. Jej dolna powierzchnia jest gładka i prostopadła do pionowej osi pręta. Obciążnik jest tak dobrany, aby w zależności od wariantu A lub B dawał odpowiednie obciążenie. Ogrzewanie próbki odbywa się w komorze grzejnej wypełnionej powietrzem. Do kontroli temperatury służy termometr elektroniczny. Rys. 1 Schemat pomiaru odporności cieplnej metodą Vicata
3. Przygotowanie próbek Próbki powinny mieć kształt krążków o średnicy co najmniej 10mm lub płytek prostokątnych o długości boku co najmniej 10mm. Grubość próbki powinna wynosić 3-6,5mm, przy czym dopuszcza się nałożenie na siebie dwóch próbek o grubości minimum 1,5mm. Próbki są wycinane z płyt lub folii, a ich powierzchnie powinny być gładkie i równoległe do siebie. 4. Wykonanie pomiarów Próbkę badanych tworzyw umieszczamy poziomo na podstawie statywu i opuszczamy pręt tak, aby igła pewnie zetknęła się z powierzchnią próbki. Następnie należy napiąć czujnik tak, aby wskazywał 1mm. Po zamknięciu komory należy uruchomić program nagrzewania poprzez wykonanie następujących czynności: załączenia aparatu, nastawienia aparatu na grzanie, poprzez pokręcanie pokrętłem regulatora (2), aż do zaświecenia się czerwonej diody LED (3), wciśnięcia przycisku START (4) powinna zacząć migać zielona dioda LED (5). Temperaturę z dokładnością ±1 C odczytujemy z termometru cyfrowego (6) od momentu, gdy na którymkolwiek czujniku zauważymy zmianę zagłębienia. Temperaturę odczytujemy, co 0,1mm dla każdej próbki osobno. Ze względu na ograniczenia czasowe nagrzewany po jednej próbce z trzech różnych materiałów. Poniżej na zdjęciu przedstawiono panel sterujący komory grzejnej wraz z oznaczonymi poszczególnymi elementami.
5. Opracowanie wyników Dane należy umieścić w tabeli pomiarowej. Lp. [ C] Zagłębienie w próbce nr 1 [mm] Zagłębienie w próbce nr 2 [mm] Zagłębienie w próbce nr 3 [mm] Uzyskane w wyniku badania dane należy opracować w formie wykresu przedstawiającego zagłębienie w funkcji temperatury, a następnie wyprowadzić własne wnioski. 6. Pomiar odporności cieplnej metodą Martensa Pomiar ten polega na określeniu temperatury, w której znormalizowana próbka, poddana obciążeniu stałym momentem zginającym, osiągnie określone wygięcie podczas wzrostu temperatury z określoną szybkością. Przyrząd do pomiaru metodą Martensa składa się z uchwytów służących zamocowaniu próbek, prętów z obciążnikami do obciążenia próbek odpowiednim momentem zginającym, oraz części sygnalizacyjnej, która informuje o odpowiednim wygięciu się próbki. Do podstawy uchwytu próbki doprowadzony jest sygnał elektryczny, który poprzez wskaźnik wygięcia jest doprowadzony do zacisków na każdym uchwycie próbki i dalej do sygnalizatora. Schemat przyrządu do badania i schemat elektryczny sygnalizacji ugięcia przedstawiają rysunki 2 i 3. Rys 2. Schemat pomiaru odporności cieplnej metodą Martensa
Rys 3. Schemat obwodu sygnalizacji 7. Przygotowanie próbek Do badania stosujemy próbki o kształcie beleczek o wymiarach 120x15x10mm. Otrzymujemy je z tworzyw sztucznych przez cięcie, odlewanie lub wtrysk. Powierzchnia próbek powinna być gładka, bez rys, pęcherzy i uszkodzeń mechanicznych. Pomiar wykonujemy dla trzech próbek jednocześnie. Dla materiałów anizotropowych należy wziąć po trzy próbki z każdego głównego kierunku anizotropii. Próbkę mocuje się pionowo w uchwytach. Do górnego uchwytu zamocowana jest wyskalowana dźwignia z obciążnikiem o wadze 6,5 N. Aby właściwie ustalić położenie obciążnika, a tym samym naprężenie zginające, musimy obliczyć wskaźnik wytrzymałości próbki. W tym celu należy zmierzyć próbkę za pomocą suwmiarki i obliczyć wskaźnik wytrzymałości ze wzoru: b h 2 3 W = mm gdzie: b szerokość 15 ± 0,5 mm h wysokość 10 ± 0,5 mm 6 [ ] Gdy próbka jest już zamocowana, a obciążenie zginające ustalone, należy za pomocą pokrętła przy górnym uchwycie tak ustawić ramię dźwigni, aby pomiędzy wskaźnikiem wygięcia a podstawą zachowany był odstęp 6mm. Odstęp taki jest zachowany, gdy wskaźnik swobodnie dotyka wzorników zamocowanych na uchylnej ramce. Po włożeniu próbek wraz z podstawą do komory grzejnej należy wsunąć przewody sygnalizacyjne pod zaciski znajdujące się na górnych uchwytach próbek i dźwigienką wysunąć wzorniki z pomiędzy wskaźnika a podstawy. Po zamknięciu komory należy uruchomić program nagrzewania poprzez wykonanie następujących czynności (numery odnoszą się do fotografii na następnej stronie): załączenia aparatu przełącznikiem (1), załączenia wszystkich sygnalizatorów (7), nastawienia aparatu na grzanie poprzez pokręcanie pokrętłem regulatora (2), aż do zaświecenia się czerwonej diody LED (3), Wciśnięcia przycisku START (4) powinna zacząć migać zielona dioda LED (5). Podczas nagrzewania należy obserwować urządzenie sygnalizacyjne i w tabeli zanotować temperaturę odczytaną z cyfrowego termometru (6). Sygnał dzwonka świadczy o tym, że próbka ugięła się o 6mm. Gdyby różnica temperatur pomiędzy próbkami wynosiła więcej niż 5ºC pomiar należy powtórzyć. Po zakończeniu pomiarów komorę należy wychłodzić za pomocą wentylatora.
8. Opracowanie wyników Dane należy umieścić w tabeli pomiarowej. Lp. Próbka 1 Próbka 2 Próbka 3 temperatura ugięcia o 6 mm Za odporność cieplną według metody Martensa przyjmujemy średnią arytmetyczną z wyników pomiarów.
Termoplasty Tworzywo sztuczne Gęstość Wytrzymałość na rozciąganie Wydłużanie przy zerwaniu Moduł sprężystości Udarność z karbem ugięcia pod obciążeniem 1,85MPa długotrwałego stosowania t/m 3 MPa % GPa kj/m 2 ºC ºC Polichlorek winylu (PCV) 1,35-1,45 35-63 2-40 2,45-4,20 21-108 54-81 65-81 Polistyren zwykły 1,04-1,06 56-63 1-2,5 2,8-3,5 1,3-2,1 105 (max) 65-77 Polistyren wysokoudarowy (SB) 0,98-1,10 28-46 10-60 2,1-3,15 2,7-59,8 100 (max) 60-80 Polistyren z napełniaczem szklanym (20-30%) 1,2-1,33 77-105 0,75-1,3 7,7-8,47 10,3-24,4 91-105 82-92 Kopolimer SAN zwykły 1,07-1,10 67-84 1,5-3,5 2,8-3,92 1,9-2,7 88-102 60-96 Kopolimer SAN z napelniaczem szklanym (20-30%) 1,2-1,46 91,5-141 1,1-3,8 1,8-8,4 6,5-21,7 88-110 92-109 Kopolimer ABS do wytłaczania 1,02-1,06 28-42 30-200 2,15 101-107 57-93 Kopolimer ABS wysokoudarowy 1,02-1,04 35-42 5-60 2,15 101-103 77-100 Kopolimer ABS z napełniaczem szklanym 1,23-1,36 112-134 2,5-3 5,6-7,0 10,8-13 93-115 110-120 Polimetakrylan metylu lany 1,17-1,2 56-77 2-7 2,45-3,5 2,1-2,7 70-101 58-93 Polimetakrylan metylu - tłoczywo 1,17-1,2 49-63 3-10 3,15 1,6-2,7 68-100 58-88 Polimetanakrylan metylu - wysokoudarowy 1,08-1,18 41,2-84,4 200-320 1,05-2,66 16-27 75-102 70-85 Poliwęglan 1,2 56,2-66,8 60-100 2,45 65-87 130-137 121 Poliweglan z napełniaczem szklanym (10-40%) 1,24-1,52 98,4-141 0,9-5 8,9-13 6,5-21,7 146-149 135
Termoplasty Polietylen małej gęstości LDPE 0,91-0,92 7-14 200-575 0,13-2,45-32 - 50 80-100 Polietylen dużej gęstości HDPE 0,94-0,96 25-39 0,84-2,45 5-10,5 8,1-108 43-49 120 Polipropylen zwykły 0,9-0,91 30-39 200-700 1,12-1,40 2,7-8,1 57-62 121-160 Polipropylen wysokoudarowy 0,9-0,91 23-31 350-500 0,7-1,12-49 - 57 92-121 Polipropylen zbrojony włóknem szkalnym 1,13 36 2-3,6 3,69 24,4 110-150 150-160 Octan celulozy - płyty 1,28-1,32 32-56 20-50 2,1-2,8 5,7-16,3-60 - 104 Octano-maślan celulozy - płyty 1,15-1,22 18-48 60-100 1,4-1,75 4,3-34 - 60-104 Poliformaldehyd 1,425 70,3 15-75 2,87 7,6-12,5 124 85 Poliformaldehyd z napełniaczem szklanym 1,55-1,7 73,8-88 1,5-2,3 4,2-7,0 11,9-16,3 158-174 85-105 Poliamid tłoczywo 1,12-1,14 49,2-84,4 200-320 1,05-2,66 16-27 65-75 70-120 Poliamid lany 1,12-1,14 77-98 10-60 2,45-3,15-92 - 240 - Poliamid z napełniaczem szklanym 1,26 90 4 2,43-96 - 261 150-205
Tworzywo sztuczne Gęstość Duroplasty Wytrzymałość na rozciąganie Wydłużanie przy zerwaniu Moduł sprężystości Udarność z karbem ugięcia pod obciążeniem 1,85MPa długotrwałego stosowania t/m 3 MPa % GPa kj/m 2 ºC ºC Żywica poliestrowa lana 1,1-1,46 42-91 < 5 2,1-4,5 ~ 2,5 66-205 120 Żywica poliestrowa + tkanina szklana (45-72%) 1,5-1,9 320-450 0,5-2 15-22 130-170 - 150-175 Silikon lany 1,05-1,23 07-cze 100 - - - 205 Żywica epoksydowa lana 1,11-1,4 28-41 3,6 3,15 1,1-3,2 46-258 121-258 Żywica epoksydowa + tkanina szklana (45-72%) 1,5-1,9 360-650 - 16-25 138-174 - 149-260 Tworzywo sztuczne Gęstość Wytrzymałość na rozciąganie Wydłużanie przy zerwaniu Moduł sprężystości Udarność z karbem ugięcia pod obciążeniem 1,85MPa długotrwałego stosowania t/m 3 MPa % GPa kj/m 2 ºC ºC Fenoplast lany 1,3-1,32 42-63 1,5-2 2,8-3,5 1,5-2 72-73 71 Fenoplast + tłoczywo wypełnione mączką: - drzewną 1,32-1,45 45-70 0,4-0,8 5,6-11,9 1,5 127-170 177-182 - azbestem 1,45-1,9 38-52 0,18-0,5 7,0-21 - 150-205 177-260 - miką 1,65-1,92 45-49 0,13-0,5 21-39 - 150-177 120-150 - włóknem szklanym 1,69-1,95 35-126 0,2 23-150 - 315 177-260 - tkaniną 1,36-1,93 24-63 0,37-0,57 6,3-9 13-25 120-150 104-120 Tłoczywa melaminowe napełnione: - celulozą 1,47-1,52 49-91 0,6-0,9 8,4-9,8 1,3-1,9 182-188 99 - skrawkami tkaniny 1,5 56-73 0,6-0,8 9,8-11,2 > 6 155 121 - azbestem 1,7-2 38,5-49 0,3-0,45 11,2 1,5-2,16 130 121-205 - włóknem szklanym 1,7-2 35-70 - 16,8-205 109-205 Tłoczywo epoksydowe z napełniaczem szklanym 1,6-2 70-120 4 21 4-15 121-260 149-260 Tłoczywo epoksydowe z napełniaczem mineralnym 1,6-2 35-105 - 14 1,5-2,5 121-260 149-260 Tłoczywo poliestrowe z napełniaczem szklanym 1,8-2,3 28-70 - 11-17 - 205 150-175