Charakterystyka materiałów izolacyjnych

Temat: Podział i charakterystyka materiałów izolacyjnych

1. Materiały izolacyjne ze względu na stan skupienia dzieli się na gazowe, ciekłe i stałe. (Innym kryterium podziału może być pochodzenie materiału (tabela. 1). Bardziej szczegółowa klasyfikacja odnosi się do materiałów stałych, gdzie w grupie materiałów syntetycznych rozróżnia się plastomery, elastomery oraz tworzywa złożone i półwyroby. Zakwalifikowanie tworzyw złożonych i półwyrobów do grupy materiałów organicznych syntetycznych jest tylko częściowo słuszne, ponieważ składni

Gazy Gazy nieszlachetne występujące w atmosferze, syntetyczne, szlachetne
Ciecze Oleje mineralne, oleje syntetyczne, oleje naturalne
Materiały stałe Nieorganiczne Szkło, ceramika, mika, azbest
Organicznie naturalne Celuloza, asfalt, bituminy, woski, żywice naturalne
Organiczne syntetyczne Plastomery Termoplasty, duroplasty
Elastomery Kauczuki: naturalne, syntetyczne
Półwyroby Emalie i lakiery, żywice lane, materiały warstwowe, tłoczywa, tkaniny sycone, taśmy, koszulki, folie
Tabela 1. Podział materiałów elektroizolacyjnych

1.1. GAZY
Do gazów elektroizolacyjnych stosowanych jako izolacja lub czynnik chłodzący należy w pierwszym rzędzie powietrze, a następnie azot, dwutlenek węgla, wodór, hel oraz gazy elektroujemne - dwuchlorodwufluorometan CI2F2C (freon 12) - oraz sześciofluorek siarki SF6. Ponadto w technice oświetleniowej stosuje się gazy szlachetne - argon, neon, krypton i ksenon.
Pod względem rezystywności, przenikalności elektrycznej i stratności dielektrycznej, gazy elektroizolacyjne niewiele różnią się między sobą i przy napięciach poniżej progu jonizacji można je traktować jako dielektryki bez strat, gdyż ich rezystywności wynoszą ok. 1018Ω • cm.
Gazy stosowane w elektrotechnice powinny być obojętne chemicznie i niepalne, powinny mieć dostatecznie niską temperaturę skraplania przy dość wysokim ciśnieniu, dużą przewodność cieplną; nie powinny zbyt łatwo rozpuszczać się w olejach i ulegać rozkładowi pod działaniem jonizacji i wyładowań elektrycznych. Oczywiście duża wytrzymałość dielektryczna jest ich najważniejszą właściwością.
Ze względu na ujemną rolę, jaką odgrywają zanieczyszczenia, stawia się dość ostre wymagania co do czystości gazu. Tak na przykład zaleca się, aby zawartość wilgoci
w gazie przeznaczonym do napełnienia urządzenia elektrycznego (np. wyłącznika) nie przekroczyła wagowo 15 ppm (części na milion). Zwraca się ponadto uwagę na dokładne wysuszenie wnętrza urządzenia przed napełnieniem go SF6. W celu dodatkowej ochrony urządzenia przed oddziaływaniem produktów rozkładu SF6, w jego przestrzeni gazowej umieszcza się zazwyczaj odpowiedni adsorbent (najczęściej tlenek glinu i sito molekularne).

1.2. MATERIAŁY IZOLACYJNE CIEKŁE

1.2.1. Oleje mineralne
Ropa naftowa, z której otrzymuje się oleje izolacyjne, jest głównie mieszaniną węglowodorów nasyconych parafinowych o wzorze ogólnym CnH2n+2, naftenowych CnH2n i węglowodorów aromatycznych. Pewne ilości węglowodorów nienasyconych o wzorach ogólnych CnH2n i CnH2n-2 znajdują się w olejach wskutek termicznego rozkładu innych węglowodorów podczas destylacji. W zależności od tego, jaki rodzaj węglowodorów decyduje o własnościach ropy, nosi ona nazwę parafinowej lub parafinowo-naftenowej, naftenowej, parafinowo-naftenowo-aromatycznej, naftenowo-aromatycznej lub aromatycznej. Oleje izolacyjne mogą być wytwarzane ze wszystkich wymienionych rodzajów ropy, z tym że występują dość znaczne różnice w procesie wytwarzania, co znajduje również swoje odbicie w kosztach produkcji oleju. Najłatwiej, a tym samym najtaniej, uzyskuje się dobrej jakości oleje izolacyjne z rop naftenowych. Wzrost zawartości węglowodorów parafinowych w oleju łączy się z podwyższeniem jego temperatury krzepnięcia. Aby uzyskać niską temperaturę krzepnięcia olejów wytwarzanych z rop parafinowych, przeprowadza się podczas ich rafinacji głębokie odparafinowywanie, dodaje się do oleju odpowiednie związki, zwane depresatorami, bądź też stosuje się łącznie obydwa środki.
Jakość olejów izolacyjnych sprawdza się badając ich własności chemiczne, fizyczne
i dielektryczne. Do ważniejszych wielkości określających te własności należą:
- liczba kwasowa,
- zawartość osadów,
- lepkość,
- zawartość wody,
- zawartość ciał obcych,
- temperatura zapłonu,
- temperatura krzepnięcia,
- rozpuszczalność gazów,
- wytrzymałość dielektryczna,
- tangens kąta strat,
- rezystywność,

Liczba kwasowa, określająca ogólną zawartość kwasów w oleju, charakteryzuje jakość przeprowadzonego procesu rafinacji. Jej wzrost podczas eksploatacji sygnalizuje postępujący proces starzenia oleju.
Pod wpływem wyładowań elektrycznych oleje mineralne wydzielają lub absorbują gazy na powierzchni granicznej między fazą gazową i olejem. Cecha ta nosi nazwę własności gazowych olejów. W olejach poddanych działaniu pola elektrycznego węglowodory parafinowe wydzielają wodór H i metan CH4 oraz węglowodory nienasycone np. C2H2.
Przy zwiększaniu się zawartości zanieczyszczeń jonowych i wilgoci rezystywność oleju maleje; maleje znacznie także ze wzrostem temperatury. Czynnikami wywierającymi wpływ na pomiar rezystywności oleju są:
- wartość natężenia pola elektrycznego
- czas od chwili doprowadzenia napięcia do chwili odczytu wielkości mierzonej.

Jedną z podstawowych cech określających jakość olejów pracujących przy dostępie powietrza jest ich odporność na utlenianie. Zależy ona przede wszystkim od składu grupowego oleju. Najwyższa dopuszczalna temperatura oleju będącego w kontakcie
z powietrzem (tlenem) przy pracy ciągłej nie powinna przekraczać 95C. Przekroczenie 110C powoduje znaczne przyspieszenie starzenia się oleju. Szczególnie silnym katalizatorem procesu utleniania jest miedź. Katalizatorami tego procesu są również inne metale (np. żelazo) oraz wilgoć. W celu zwiększenia odporności na utlenianie dodaje się do oleju niewielkie ilości związków chemicznych (najczęściej typu fenoli) będących inhibitorami utleniania. Efektywność działania inhibitora zwiększa się z głębokością rafinacji. Z tego względu produkowane oleje inhibitowane różnią się składem grupowym od olejów nieinhibitowanych. Podczas procesu starzenia inhibitor ulega stopniowemu zużyciu i z chwilą jego całkowitego wyczerpania następuje raptowne pogorszenie oleju, zwane potocznie załamaniem się własności oleju, którego przejawem jest m. in. wytrącenie osadu. Aby temu zapobiec, należy dokonywać kontroli zawartości inhibitora w używanym oleju. Z chwilą zaobserwowania zużycia inhibitora należy wymienić olej bądź też zwiększyć ilość inhibitora.
Do najważniejszych wielkości kontrolowanych regularnie podczas eksploatacji oleju należą:
- wytrzymałość dielektryczna,
- tangens kąta strat,
- rezystywność,
- liczba kwasowa
- temperatura zapłonu.

W przypadku olejów inhibitowanych, jak już wspomniano, jest ponadto niezbędne sprawdzanie stopnia zużycia inhibitora.
Pod względem zastosowania oleje dzieli się na transformatorowe, kondensatorowe, kablowe i wyłącznikowe.
Oleje transformatorowe, poza transformatorami są stosowane do przekładników
i wyłączników. Oleje te, spełniające rolę czynnika chłodzącego, wykazują dość małą lepkość. Z drugiej strony duże wymagania stawiane temperaturze zapłonu olejów stosowanych w transformatorach przeciwstawiają się zbyt daleko idącemu zmniejszeniu lepkości. Oleje transformatorowe produkuje się jako nieinhibitowane i inhibitowane.
Oleje kondensatorowe cechuje bardzo mała lepkość. Olejów kondensatorowych na ogół nie inhibituje się. Większa odporność oleju mineralnego na wyładowania elektryczne oraz temperatura krzepnięcia niższa niż olejów syntetycznych powodują, że stosuje się go
w kondensatorach na wyższe napięcia oraz w kondensatorach pracujących przy niższych temperaturach.
Oleje kablowe charakteryzują się różnymi lepkościami, zależnie od przeznaczenia. Do kabli średnich i niskich napięć olej musi mieć dużą lepkość ze względu na konieczność utrzymania go w izolacji papierowej przy różnych położeniach kabla (utrudnienie ściekania). Zagęszczenie oleju kablowego (syciwa) uzyskuje się przez dodanie kalafonii lub poliizobutylenu. Jakość kalafonii ma duży wpływ na stratność dielektryczną syciwa kablowego. Dobry gatunek kalafonii chroni olej przed utlenianiem i zwiększa zdolność pochłaniania gazów.
Oleje wyłącznikowe wykazują małą lepkość w niskich temperaturach oraz małą
zawartość węglowodorów aromatycznych. Pierwsza własność zapewnia poprawną pracę
styków wyłącznika (mały opór hydrodynamiczny) w niskich temperaturach, druga
zaś - przyczynia się do zmniejszenia ilości „sadzy" tworzącej się podczas gaszenia
łuku elektrycznego. Obecność sadzy w oleju w postaci fazy rozproszonej zwiększa
niekiedy znacznie jego lepkość, co może się odbić niekorzystnie na pracy wyłącznika,
zwłaszcza w niskich temperaturach.

1.2.2. Oleje syntetyczne
Do najczęściej stosowanych syntetycznych cieczy dielektrycznych - olejów syntetycznych należą chlorowane dwufenyle, znane pod nazwami firmowymi Pyralene, Aroclor, Ineerten, Clophen itp. Stanowią one mieszaniny chloro pochodnych dwufenylu
o różnych zawartościach chloru, głównie pięciochlorodwufenyl. W porównaniu z olejami mineralnymi cechuje je:

- niepalność,
- wyższa odporność cieplna,
- brak wytrącania osadu jako produktu starzenia,
- niezmienność lepkości i kwasowości podczas eksploatacji
- większa przenikalność elektryczna.

Chlorowane dwufenyle są o ok. 1,5-krotnie cięższe i znacznie droższe od olejów mineralnych, ponadto większość z nich wykazuje wyższą temperaturę krzepnięcia
i większą wartość tangensa kąta strat. Działają drażniąco na skórę, a przy nieostrożnym obchodzeniu się z nimi bywają powodem uczuleń. Ujemną ich cechą z punktu widzenia ochrony środowiska jest zdolność do odkładania się w żywych organizmach, co się wiąże
z bardzo powolną ich biodegradacją. Z tego względu stosowanie chlorowanych dwufenyli w elektrotechnice ogranicza się do tych urządzeń, których eksploatacja, a także późniejsze ich złomowanie, są w odpowiedni sposób kontrolowane.
Chlorowane dwufenyle stosuje się przede wszystkim jako syciwo do kondensatorów energetycznych; ze względu na niepalność służą także do napełniania transformatorów pracujących wewnątrz budynków.
Do rzadziej stosowanych syntetycznych, trudnopalnych cieczy dielektrycznych należą oleje silikonowe (głównie liniowe polimetylo- lub polimetylofenylosiloksany). Istnieje duża rozmaitość tych olejów o szerokim zakresie lepkości. Wykazują one małą zależność lepkości od temperatury; w zakresie temperatur dodatnich odznaczają się natomiast stosunkowo dużą chłonnością wody. Temperatura krzepnięcia jest bardzo niska (ok. -85C), górna zaś graniczna temperatura pracy dochodzi do 200C. Wytrzymałość dielektryczna olejów silikonowych jest mniejsza niż wytrzymałość olejów mineralnych. Starzenie się olejów silikonowych polega na ich polimeryzacji, w której wyniku przechodzą w stan zestalony o cechach kauczuku. Proces polimeryzacji można znacznie opóźnić, hermetyzując olej.

1.2.3. Oleje roślinne
Z olejów naturalnych pewne zastosowanie jako materiał izolacyjny znajduje olej rycynowy, ze względu na dość dużą przenikalność elektryczną (ε50Hz wynosi od 4,2 do 4,5). Pod wpływem wyładowań niezupełnych w mniejszym stopniu ulega rozkładowi niż chlorowane dwufenyle, łatwo natomiast przechodzi w postać żelu. Stosuje się go
w kondensatorach pracujących w układach impulsowych.

1.3. MATERIAŁY IZOLACYJNE STAŁE NIEORGANICZNE

1.3.1. Szkła
Wytrzymałość dielektryczna szkieł dochodzi do 50 kV/mm i w małym stopniu zależy od składu chemicznego. Na jej wartość wpływają niejednorodności struktury, zwłaszcza zaś wtrąciny gazowe. Odporność szkła przemysłowego na zmiany temperatury wynosi od 50 do 90C; żaroodpornego szkła borowo-krzemowego - od 200 do 250C; szkła kwarcowego do 1000C. W stanie ustalonym, w warunkach normalnych rezystywność skrośna szkieł jest równa od 108 do 1020 Ω • cm, przy czym największe wartości wykazuje kwarc topiony od 1017 do 1020 Ω • cm. Temperaturę, w której rezystywność skrośna osiąga wartość 108 Ω • cm, przyjmuje się za charakterystyczną dla własności izolacyjnych danego gatunku szkła. Rezystywność powierzchniowa
w normalnych warunkach atmosferycznych wynosi od 1010 do 1015 Ω. Przenikalność elektryczna względna zawiera się w granicach od ok. 3,9 (szkła kwarcowe) do ok. 16,5 (szkła o dużej zawartości ołowiu). Tangens kąta strat przyjmuje wartości od ok. 10-4 (kwarc topiony) do 10-1. Szkła wykazują na ogół dobrą stabilność chemiczną.
Wilgoć osadzająca się na szkle powoduje rozpuszczanie zawartych w nim nie związanych tlenków metali oraz hydrolizę krzemianów. Najodporniejsze na działanie kwasów są szkła o dużej zawartości krzemionki, na działanie zaś zasad - szkła z domieszką dwutlenku cyrkonu.
W elektrotechnice szkła stosuje się na izolatory i bańki różnego rodzaju lamp;
w postaci włókna (bezalkalicznego) służy jako wypełniacze w postaci tkaniny szklanej - jako nośnik do materiałów złożonych.

1.3.2. Materiały ceramiczne
Gęstość materiałów ceramicznych przyjmuje wartości od 1,8 g/cm3 (ceramika porowata) do ok. 9,7 g/cm3 (tlenek toru). Odporność na zmiany temperatury wynosi średnio od 110 do 160C. Przewodność cieplna wynosi od 1,1 do 1,6 W/m • K (porcelana), aż do ok. 200 W/m • K (tlenek berylu). Najlepsze własności mechaniczne wykazują ceramika cyrkonowa oraz czysty trójtlenek glinu. Pokrycie szkliwem ceramiki krzemianowej i steatytowej może polepszyć jej własności mechaniczne. Porowatość struktury powoduje zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej. Rezystywność skrośna zależy przede wszystkim od składu chemicznego i zawiera się w granicach od 1011 do 1016 Ω • cm przy 20C. Największą rezystywność mają masy celsjanowe. Rezystywność powierzchniowa zależy zarówno od struktury, jak i stanu powierzchni; dla warunków normalnych wynosi od 1010 do 1012 Ω • cm. Wytrzymałość dielektryczna zależy przede wszystkim od mikrostruktury materiału, jego spoistości oraz rodzaju i kształtu występującym w nim porów; wynosi od 10 do 15 kV/mm – korund i od 30 do 40 kV/mm – ceramika celsjanowa. Szczególnie niekorzystny wpływ na wytrzymałość elektryczną wywiera obecność porów otwartych, które są powodem występowania mechanizmu przebicia zapoczątkowanego przez wyładowania niezupełne. Pory te ponadto powodują znaczną nasiąkliwość materiału (do 20%), co pogarsza wszystkie własności elektryczne. Wytrzymałość dielektryczna materiałów ceramicznych maleje ze wzrostem temperatury. Zależność ta ogranicza w wielu przypadkach dopuszczalny zakres temperatury, w którym dany materiał można stosować.
Przenikalność elektryczna względna w zależności od składu materiałów ceramicznych zmienia się w bardzo szerokich granicach: od 4...5 (drobnoporowate masy kordierytowe) do kilku tysięcy (ceramika tytanianowa). Ceramika o znacznej przenikalności elektrycznej wykazuje własności ferroelektryczne. Wpływ częstotliwości na przenikalność elektryczną większości materiałów ceramicznych jest mały.
Odporność materiałów ceramicznych na łuk jest dobra. Najlepszą odporność chemiczną wykazują tworzywa kwasoodporne z glin ogniotrwałych z dodatkiem porcelany oraz kamionki, najsłabszą - tlenki Si02, Be0 i A1203. Poza pewnymi szczególnymi przypadkami nie obserwuje się w materiałach ceramicznych występowania procesów starzeniowych
i zmęczenia mechanicznego. Znaczną wadą materiałów ceramicznych jest ich bardzo trudna obrabialność (szlifowanie) po procesie wypalania końcowego.

1.3.3. Mika i materiały mikowe
Mika jest praktycznie całkowicie odporna na wpływy chemiczne; odznacza się także znaczną odpornością na wyładowania niezupełne. Oleje izolacyjne powedują jednak rozwarstwienie miki. W elektrotechnice stosuje się dwa gatunki miki: muskowit i flogopit; flogopit jest bardziej elastyczny, ale słabszy mechanicznie. Temperatura robocza miki nie może przekraczać wartości, przy której następuje odparowywanie wody krystalicznej; dla muskowitu wynosi 540C, dla flogopitu 900C. Na rezystywność miki duży wpływ wywiera wilgoć. Przenikalność elektryczna względna wynosi od 6 do 7, a tangens kąta strat (przy 50 Hz i 20C) wynosi ok. 10-4 (muskowit), od 10-3 do 10-2 (flogopit). Obydwie wymienione wielkości w zakresie częstotliwości elektrotechnicznych ulegają niewielkim zmianom. Mały wpływ wywiera na nie również wzrost temperatury. Pochodnym produktem miki (najczęściej muskowitu) jest papier mikowy (Isomika, Mika Mat, Ramika, Romika, Samika); papier ten jest produktem wyjściowym wielu półwyrobów. Zależnie od struktury i składu rozróżnia się następujące półwyroby z miki: mikafolię – płatki miki lub papier mikowy (naklejone na nośniku papierowym lub tkaninie szklanej), mikanity – klejone lepiszczem organicznym płatki miki lub przesycony tym lepiszczem papier mikowy; ew. przyklejony do nośnika, tj. papieru lub tkaniny szklanej. Wyroby mikowe,
a zwłaszcza mikanity, odznaczają się dużą wytrzymałością dielektryczną i dużą odpornością na wyładowania. Materiały na bazie papieru mikowego zastępują obecnie mikanity (wykonane z płatków miki) w izolacji maszyn wysokonapięciowych i aparatów. Rozróżnia się ponadto: mikanity komutatorowe, mikanity do kształtowania oraz mikanity grzejnikowe.

1.3.4. Materiały azbestowe
Surowcami do produkcji wyrobów azbestowych są odmiany: azbest serpentynitowy chryzotylowy o długim włóknie, nadający się zwłaszcza do wyrobu taśm i tkanin, azbest amfibolowy – termolit o włóknie krótkim, stosowany do produkcji papierów
i azbestocementów. Główną zaletą materiałów azbestowych jest znaczna odporność cieplna oraz odporność na łuk; wyroby z czystego azbestu wytrzymują do 400C. Wyroby azbestowe zawierające syciwo nadają się do pracy ciągłej w temperaturze do 220C. Własności mechaniczne i dielektryczne wyrobów azbestowych ustępują wyrobom
z włókien organicznych Kompozycje azbestu z innych materiałami, zwłaszcza z syciwem organicznym oraz z nośnikami z tkaniny szklanej, znajdują zastosowanie jako izolacja maszyn i transformatorów suchych. Azbestocementy otrzymuje się w drodze sprasowania włókna azbestowego z cementem. Są produkowane w postaci płyt o grubości od 3 do 40 mm lub w postaci kształtek. Wyroby te są znacznie tańsze niż materiały warstwowe.
W celu zmniejszenia higroskopijności wytwarza się odmiany z dodatkiem syciwa organicznego, np. związków silikonowych.

1.4. MATERIAŁY IZOLACYJNE STAŁE ORGANICZNE NATURALNE

1.4.1. Materiały celulozowe
Przeciętna celuloza techniczna zawiera od 88 do 96% tzw. α – celulozy, której stopień polimeryzacji waha się w granicach od 800 do 1400. Pozostałą część stanowi tzw. chemiceluloza o cząsteczkach mniejszych. Jej stopień polimeryzacji wynosi ok. 100.
Stosuje się dwa zasadnicze procesy otrzymywania celulozy: kwaśny (sulfitowy) i – ważniejszy – zasadowy (siarczanowy – sulfatowy). W procesie kwaśnym masę drzewną gotuje się w roztworze kwasu siarkowego H2S03 (ściślej - w roztworze siarczynu wapniowego z nadmiarem H2S03). W procesie zasadowym używa się wodorotlenku sodu NaOH, przy czym w procesie zasadowym ubytek NaOH uzupełnia się przez dodawanie innych czynników (np. Na2S).
Proces zasadowy w mniejszym stopniu uszkadza chemicznie cząstki celulozy
w związku z tym otrzymana tym sposobem celuloza zwana celulozą siarczanową, ma lepsze własności mechaniczne, jest mniej wrażliwa na starzenie i z tych względów stosuje się ją powszechnie do wyrobu papierów izolacyjnych.
Papiery izolacyjne mają kolor naturalny żółtawy. Nie bieli się ich ze względu na obecność chloru we wszystkich czynnikach bielących, którego pozostałości zmniejszałyby wytrzymałość mechaniczną i własności dielektryczne.
Bardzo ważnym procesem przy wyrobie papieru jest przemiał masy celulozowej, który ma na celu rozdrobnienie włókien. Podczas przemiału następuje zmniejszenie długości włókien oraz ich rozdrobnienie. Gdy włókna celulozy nie są bardzo rozdrobnione, mówi się o przemiale chudym. W przypadku bardzo rozdrobnionych włókien mówi się
o przemiale tłustym.
Rodzaj mielenia ma bardzo duże znaczenie z punktu widzenia własności mechanicznych i elektrycznych papieru, na równi z doborem surowca. Ze wzrostem tłustości miazgi przepuszczalność powietrza maleje, wzrasta ciężar właściwy, zmniejsza się zdolność nasycania olejami i wzrasta stratność dielektryczna papieru. Papier izolacyjny powinien być wykonany z celulozy świerkowej lub sosnowej, przerobionej przy pomocy procesu zasadowego i długotrwałego mielenia na chudo – taka celuloza, bowiem daje pewność dużej wytrzymałości mechanicznej papieru, dobrą jego nasiąkliwość i dobre własności izolacyjne.
Wytrzymałość dielektryczna wyrobów celulozowych jest tym większa, im większy, jest ich ciężar objętościowy, lepsza równomierność rozłożenia włókien (mniejsza przepuszczalność powietrza) oraz większa czystość (mniejsza przewodność wyciągu wodnego). Szczególnej czystości wymaga się od materiałów celulozowych przewidzianych do współpracy z olejami syntetycznymi (chlorowanymi dwufenylami). Wytrzymałość dielektryczna (przy 50 Hz i udarowa) materiałów przesyconych olejem mineralnym, o zawartości wilgoci resztkowej pozostałej z procesu suszenia w granicach od 0,3 do ok. 3% może ulec zmniejszeniu do 10%. Większe zmniejszenie wytrzymałości obserwuje się przy zawartości wilgoci powyżej 3%.
W celu zapewnienia odpowiednio małej zawartości wody oraz uniknięcia wtrącin gazowych, izolację papierową (przynajmniej w ostatniej fazie przed nasyceniem) suszy się i zalewa olejem pod próżnią. Parametry procesu suszenia dobiera się w zależności
od rodzaju układu izolacyjnego i jego naprężeń roboczych. Do kondensatorów stosuje się ciśnienie końcowe ok. 10?3 Tr, do transformatorów od 10-1 do 10-2 Tr. Materiały celulozowe stosowane w elektrotechnice dzieli się na bibułki, papiery i preszpany. Materiały te są stosowane jako samodzielne elementy układów izolacyjnych pracujących
w oleju mineralnym lub syntetycznym bądź też są używane do wytwarzania materiałów złożonych, np. syconych żywicami materiałów warstwowych, bądź jako podłoże, na które jest następnie naklejona folia elektroizolacyjna, płatki miki itp. Rozróżnia się: bibułkę kondensatorową, bibułkę do wyrobów mikowych, papiery nawojowe, papier do kabli elektroenergetycznych (kablowy) i preszpan elektrotechniczny (twardy, normalny, żłobkowy, nasiąkliwy). Do odmian wyrobów celulozowych produkowanych za granicą, różniących się własnościami od krajowych, należą: tzw. preszpan formowalny, umożliwiający formowanie na mokro różnych elementów izolacyjnych, oraz papiery
i preszpany modyfikowane (stabilizowane) chemicznie o zmniejszonej chłonności wilgoci i zwiększonej odporności cieplnej.

1.4.2. Asfalty
Rozróżnia się asfalty (bitumy) naturalne kopalne oraz asfalty ponaftowe i węglowe (paki). Ze względu na dość dobrą elastyczność stosuje się je w elektrotechnice jako składniki zalew mas nasycających, kitów oraz niektórych lakierów. Asfalty węglowe są używane w ogniwach jako zalewy. Do ważniejszych wyrobów należy zaliczyć tzw. zalewy kablowe, stanowiące kompozycje asfaltów i wosków stosowane do zalewania muf i głowic kablowych.
1.4.3. Woski
Terminem wosk określa się grupę złożonych substancji organicznych pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, których własności fizyczne (rzadziej chemiczne) są podobne do wosku pszczelego. Są to na ogół stałe substancje nieprzezroczyste, błyszczące o temperaturze topnienia od 50 do 100C (rzadko wyższej), charakteryzujące się małą lepkością, a po stopieniu – zdolnością wytwarzania połysku. Po rozpuszczeniu
w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych tworzą z nimi pasty lub żele. Wykazują zdolność wzajemnego mieszania się w stanie roztopionym.

1.5. MATERIAŁY IZOLACYJNE SYNTETYCZNE

1.5.1. Charakterystyka ogólna
Istnieją trzy podstawowe procesy prowadzące do powstawania związków wielkocząsteczkowych, są to :
- Polimeryzacja - proces łączenia się wielu cząsteczek podstawowych tj. monomerów, w związek wielkocząsteczkowy (polimer) bez wydzielania produktów ubocznych. Jeżeli polimeryzacji ulega równocześnie więcej niż jeden rodzaj monomerów proces nosi nazwę kopolimeryzacji powstający zaś produkt - kopolimeru.
- Polikondensacja - proces łączenia się cząsteczek monomeru w polimer
z jednoczesnym wydzieleniem produktów ubocznych, którymi są zwykle cząsteczki proste (woda, chlorowodór, amoniak).
- Poliaddycja - proces łączenia się cząsteczek monomeru w polimer za pośrednictwem grup reaktywnych na przykład w wyniku przegrupowania atomu wodoru. Temu procesowi nie towarzyszy wydzielanie się produktów ubocznych.

Związek wielkocząsteczkowy określają dwie podstawowe wielkości: masa cząsteczkowa oraz stopień polimeryzacji. Masa cząsteczkowa, a ściślej biorąc jej wartość średnią, ze względu na występującą dyspersję, określa się jako iloraz masy próbki polimeru przez liczbę lub udział masy obecnych w niej makrocząsteczek. Stopień polimeryzacji informuje o liczbie cząsteczek monomeru występujących w badanym polimerze.
W ostatnim dziesięcioleciu opracowano metody otrzymywania polimerów liniowych rozgałęzionych o uporządkowanej budowie przestrzennej – tzw. polimerów stereoregularnych o szczególnie korzystnych własnościach. Ze względu na rozmieszczenie podstawników, tj. odgałęzień łańcucha, rozróżnia się trzy rodzaje polimerów: izotaktyczne, syndiotaktyczne i ataktyczne. Pod względem własności mechanicznych tworzywa sztuczne dzieli się na plastomery (o dużym module sprężystości) i elastomery (o małym module sprężystości i bardzo dużej rozciągliwości); cechą elastomerów w pewnym zakresie temperatur jest zdolność niemal natychmiastowego powrotu do postaci pierwotnej po nawet dużym odkształceniu.
Plastomery dzieli się z kolei na termoplasty i duroplasty. Termoplasty (tworzywa termoutwardzalne) są polimerami, które dają się doprowadzić do stanu o zwiększonej plastyczności lub do stanu płynnego przez nagrzanie. Po obniżeniu temperatury przechodzą one z powrotem w stan stały. Procesowi temu nie towarzyszą zmiany struktury chemicznej. Termoplasty mają cząsteczki o budowie łańcuchowej, w szczególnych przypadkach z łańcuchami rozgałęzionymi.
W grupie termoplastów można wyróżnić kilka ważniejszych podgrup, są to:
- węglowodory alifatyczne bez podstawników lub z podstawnikami alifatycznymi bądź aromatycznymi, np. polietylen, polipropylen, poliizobutylen, polistyren;
- chloropochodne, np. polichlorek winylu;
- fluoropochodne, np. policzterofluoroetylen (teflon);
- tworzywa o łańcuchach mieszanych np. poliamidy, poliwęglany, poliimidy i in.;
- tworzywa o łańcuchach z pierścieniami mieszanymi np. pochodne celulozy.

Termoplasty są dielektrykami małopolarnymi.
Duroplasty (tworzywa termoutwardzalne) są to związki wielkocząsteczkowe, które pod wpływem podwyższonej temperatury lub odpowiednich dodatków (utwardzaczy) podlegają nieodwracalnym zmianom (utwardzaniu). W stanie utwardzonym produkt mimo nagrzewania nie ulega uplastycznieniu. Proces utwardzania polega na utworzeniu między łańcuchami tworzywa wyjściowego trwałych wiązań poprzecznych. Usieciowanie takie obejmuje praktycznie całą masę tworzywa, tworząc w pewnym sensie jedną cząsteczkę.
Pod względem chemicznym duroplasty dzieli się na:
- fenoplasty (żywice fenolowo- i krezolowoformaldehydowe);
- aminoplasty (żywice mocznikowo- i melaminowoformaldehydowe);
- poliestry (żywice alkidowe termoutwardzalne, w tym gliftale, oraz
poliestry nienasycone);
- poliuretany;
- żywice epoksydowe dianowe i cykloalifatyczne;
- żywice silikonowe;
- żywice poliimidowe.

Duroplasty - w porównaniu z termoplastami - zawierają zazwyczaj w cząsteczkach bardziej skomplikowane rodniki organiczne. Ich duża różnorodność stwarza możliwości wytwarzania wyrobów o szerokiej skali własności.
Duroplasty stosuje się pod postacią półwyrobów, tj. tłoczyw, lakierów, klejów i żywic lanych (żywice epoksydowe i poliestrowe) oraz jako materiały wyjściowe przy produkcji kształtek i materiałów warstwowych, tkanin syconych i taśm.
Elastomery są to polimery organiczne wykazujące wybitne własności elastoplastyczne. Odpowiedni proces technologiczny (wulkanizacja) umożliwia uzyskanie z nich wyrobów
o pożądanych własnościach mechanicznych.

1.5.2. Tworzywa sztuczne i półwyroby z tworzyw sztucznych stosowane
w elektrotechnice.

1.5.2.1. Elastomery (kauczuki i gumy)
Dużą wydłużalność przy rozciąganiu i inne cechy elastyczne zawdzięczają elastomery konfiguracji makrocząsteczek, które w materiale nie poddanym działaniu naprężeń mechanicznych są zwinięte w spirale bądź tworzą zygzak. Elastomery zawierające cząsteczki o dużej liczbie nienasyconych wiązań i charakteryzujące się bardzo małym stopniem usieciowania noszą nazwę kauczuków. Brak wiązań poprzecznych między cząsteczkami powoduje, że kauczuki są materiałami o małej spoistości. Pod działaniem czynników chemicznych, zwanych wulkanizatorami, do których należy siarka, tlenki metali i niektóre związki organiczne, a także czynników fizycznych, takich jak podwyższona temperatura i promieniowanie jonizujące, następuje usieciowanie makrocząsteczek elastomeru. Proces ten nazywa się wulkanizacją, a powstały dzięki niemu produkt – wulkanizatem. Daleko posunięty proces wulkanizacji kauczuku prowadzi do uzyskania wyrobu twardego, zwanego ebonitem.
Do wytworzenia gumy są niezbędne dwa procesy – wykonanie mieszanki gumowej, a następnie jej wulkanizacja. W skład mieszanki gumowej - oprócz kauczuku (niekiedy dwóch lub więcej rodzajów) i wulkanizatora - wchodzą jeszcze dodatkowe substancje: zmiękczacze, antyutleniacze, napełniacze, przyspieszacze wulkanizacji, barwniki i in. Wytrzymałość dielektryczna gumy zależy w dużym stopniu od jednorodności mieszanki; gumy o dużej, zawartości kauczuku i bardziej jednorodne wykazują, większą wytrzymałość dielektryczną.
Gumy stosuje się do produkcji kabli i przewodów oraz do wyrobu przeciwporażeniowego sprzętu ochronnego, a także uszczelek wielu urządzeń elektrycznych. Z ebonitów wykonuje się obudowy izolacyjne, od których nie jest wymagana duża wytrzymałość dielektryczna. Elastomery – pod względem własności dielektrycznych, odporności na starzenie, a także własności przetwórczych – ustępują zazwyczaj plastyfikowanym termoplastom. Dlatego też w przemyśle elektrotechnicznym nastąpiło znaczne ograniczenie zakresu zastosowań elastomerów.
Kauczuki są produktami pochodzenia naturalnego lub syntetecznego. Produktem wyjściowym otrzymywania kauczuku naturalnego jest sok mleczny (latex) z drzew kauczukowych (np. Hevea brasiliensis) rosnących w strefie podzwrotnikowej, i a także niektórych roślin występujących w klimacie umiarkowanym. Sok ten jest koloidalną zawiesiną kauczuku w wodzie. Podstawowym składnikiem kauczuku naturalnego jest nienasycony polimer poliizopropylen (poliizopren).
Na czysty kauczuk bardzo intensywnie działają czynniki utleniające, przetwarzając go w twardą lub smolistą masę. W temperaturach poniżej 0C kauczuk naturalny ma konsystencję stałą, jest twardy i kruchy. W miarę podwyższania temperatury staje się coraz bardziej plastyczny i ok. 120C zaczyna płynąć. W temperaturze powyżej 200C ulega nieodwracalnemu rozkładowi, przekształcając się w lepką masę, zachowującą cechy smoły nawet po oziębieniu.
Kauczuki syntetyczne są najczęściej produktami polimeryzacji lub kopolimeryzacji, rzadziej – polikondensacji związków organicznych charakteryzujących się podwójnymi wiązaniami w układzie sprzężonym. Do najważniejszych kauczuków syntetycznych stosowanych w elektrotechnice należą:
- kauczuk butadienowo-styrenowy (kopolimer butadienu ze styrenem);
- kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy (kopolimer butadienu z akrylonitrylem);
- kauczuk chloroprenowy, nazywany także neoprenowym (polimer chloroprenu);
- kauczuk butylowy (kopolimer izobutylenu z izoprenem lub butadienem);
- kauczuk etylenowo-propylenowy;
- kauczuki polisiarczkowe, nazywane także tiokolami;
- kauczuk silikonowy;
- kauczuk uretanowy;
- kauczuk butadienowy (polimer butadienu), obecnie rzadko stosowany.

Kauczuk butadienowo-styrenowy używany jako materiał elektroizolacyjny zawiera zazwyczaj dodatek kauczuku naturalnego. Gumy z tego kauczuku mają podobne własności chemiczne jak kauczuk naturalny, są jednak bardziej odporne na starzenie. Pod wpływem działania izolacyjnych olejów mineralnych pęcznieją i ulegają rozpuszczeniu;
są materiałem palnym.
Kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy jest bardziej odporny na starzenie i działanie podwyższonej temperatury niż kauczuk naturalny. Jego dużą zaletą jest odporność
na działanie olejów mineralnych i wielu rozpuszczalników organicznych, która wzrasta
ze zwiększeniem udziału akrylonitrylu.
Kauczuk chloroprenowy charakteryzuje się dobrą elastycznością i małym odkształceniem trwałym. Jest materiałem trudnopalnym. Jest odporny na działanie ozonu oraz olejów mineralnych.
Kauczuk butylowy, dzięki całkowitemu wysyceniu podwójnych wiązań, które następuje
w procesie wulkanizacji, jest odporny na starzenie w warunkach atmosferycznych (działanie tlenu, ozonu, promieniowania słonecznego itp.). Wykazuje bardzo małą przepuszczalność gazów (ok. 10-krotnie mniejszą niż kauczuk naturalny). Jest odporny na działanie wielu substancji chemicznych, m.in. wielu kwasów, ługów, alkoholi i ketonów; jest jednak nieodporny na działanie olejów mineralnych. Zalicza się go do materiałów palnych.
Kauczuk etylenowo-propylenowy otrzymywany przez polimeryzację mieszaniny 55-60% etylenu z 40-45% propylenu, nie zawiera podwójnych wiązań i nie może być z tego względu wulkanizowany siarką. Wulkanizacja siarką jest możliwa dopiero po dodaniu do mieszanki odpowiednich monomerów dienowych. Najczęściej do wulkanizacji tego kauczuku stosuje się nadtlenki. Wulkanizowane kauczuki etyleno-propylenowe
są sztywniejsze niż kauczuk naturalny; wykazują dużą odporność na działanie czynników atmosferycznych i chemicznych. Ich zaletą jest niska temperatura kruchości (ok. -95C). Własności mechaniczne wulkanizatu etyleno-propylenowego są pośrednie między wulkanizatami kauczuku naturalnego i kauczuku butadienowego.
Wulkanizacja kauczuków polisiarczkowych (tiokoli) następuje w wyniku utleniania wiązań siarczkowych pod wpływem ogrzewania np. z tlenkiem cynku lub nadtlenkiem benzoilu. Wulkanizaty są odporne na działanie olejów, rozpuszczalników oraz czynników atmosferycznych. Wykazują małą przepuszczalność par i gazów. Ich wadą jest mała wytrzymałość na rozciąganie, duża ścieralność oraz przykry, drażniący zapach.
Kauczuki silikonowe dzieli się na wulkanizowane na gorąco (dwualkiloarylopolisiloksan)
i wulkanizowane na zimno (dwumetylopolisiloksan) pod wpływem utwardzaczy z grupy związków metaloorganicznych (np. organicznych związków cyny), amin i in. Kauczuki silikonowe wulkanizowane na gorąco mają lepsze własności niż wulkanizowane na zimno. Charakteryzują się one dużą, trwałą elastycznością i są odporne na wiele czynników chemicznych np. na słabe kwasy i zasady, oleje mineralne nie zawierające aromatów
i freon. Pęcznieją natomiast pod wpływem węglowodorów aromatycznych
i chlorowcopochodnych. Do ich zalet należy mała wartość tangensa kąta strat, zależna
w niewielkim stopniu od temperatury (do 200C) i częstotliwości oraz znacznie większa (ok. ośmiokrotnie) przewodność cieplna w porównaniu z innymi kauczukami, a także hydrofobowość, odporność na utlenianie oraz odporność na działanie pleśni
i mikroorganizmów. Zakres temperatur roboczych, w których stosuje się kauczuki silikonowe, wynosi od -90 do +320C, z tym że dla większości wyrobów ogranicza się on do temperatur od -55 do +250C. Kauczuki silikonowe należą do materiałów trudnopalnych.
Kauczuki uretanowe otrzymuje się w wyniku reakcji łańcuchowego poliuretanu o niezbyt dużej masie cząsteczkowej, nazywanego potocznie prepolimerem, ze związkami dwufunkcyjnymi o czynnych atomach wodoru (zazwyczaj glikoli lub dwuamin). Kauczuki uretanowe odznaczają się bardzo dobrą elastycznością, wytrzymałością na rozdzieranie oraz odpornością na działanie olejów. Wykonuje się z nich najczęściej wkładki amortyzujące i uszczelki.
Zmiękczacze (plastyfikatory) nadają kauczukowi cechy ułatwiające jego przetwarzanie oraz ułatwiają rozproszenie napełniacza w mieszance gumowej. Większość – zmiękczaczy wpływa korzystnie na własności dielektryczne gum. Istnieje wiele odmian zmiękczaczy; do częściej stosowanych należą: wazelina techniczna, parafina, kwas stearynowy i kalafonia.



1.5.2.2. Termoplasty
Polietylen
Polietylen (PE) otrzymuje się przez polimeryzację etylenu, którego głównym źródłem są produkty krakingu gazu ziemnego lub ropy naftowej.
Wyróżnia się dwie metody polimeryzaeji etylenu:
- wysokocisnieniową (od 1500 do 3000 at lub 105 Pa);
- niskociśnieniową (1 at lub 105 Pa lub nieco wyższe).

W temperaturze otoczenia (20-5C) zawartość fazy krystalicznej polietylenu niskociśnieniowego wynosi ok. 75% i zmniejsza się ze wzrostem temperatury. Przypuszcza się, że zmiany struktury - z amorficznej na krystaliczną, zachodzące
w różnych warunkach, mogą powodować tworzenie mikroskopijnych szczelin, w których pod wpływem dużych natężeń pola elektrycznego powstają wyładowania niezupełne.
Polimer wysokociśnieniowy ma w ponad 60% strukturę krystaliczną. Amorficznokrystaliczna struktura polietylenu decyduje o jego giętkości i twardości. Wysokie temperatury, w których przeprowadza się polimeryzację wysokociśnieniową, sprzyjają przebiegowi procesów powodujących tworzenie rozgałęzień w makrocząsteczce polietylenu, co narusza regularną budowę polimeru. Przy polimeryzacji niskociśnieniowej prowadzonej w niższych temperaturach wystąpienie reakcji tworzenia rozgałęzień jest mniej prawdopodobne. W konsekwencji polietylen niskociśnieniowy odznacza się strukturą znacznie bardziej regularną (złożoną wyłącznie z łańcuchów) niż wysokociśnieniowy. Umożliwia to lepsze „upakowanie" cząsteczek polimeru, a więc większą krystaliczność oraz gęstość. Różnice te powodują wyraźny podział polimerów na polietylen o małej, średniej i dużej gęstości.
Polietylen wykazuje skłonność do utleniania się. Powyżej 120C proces ten prowadzi do utworzenia grup polarnych, które wywierają wpływ na własności dielektryczne. Można przypuszczać, że katalizatory polimeryzacji (aktywatory), zawierające tlen, reagują z węglowodorami, tworząc polarne grupy (OH lub O-OH). Zjawisko to zaobserwowano zwłaszcza przy walcowaniu polietylenu. Dodatek stabilizatorów (np. poliizobutylenu) wpływa korzystnie na stabilizację własności polietylenu w warunkach narażeń cieplnych; dotyczy to zwłaszcza takich własności, jak stratność dielektryczna i rezystywność.
Polietylen - jako materiał niepalny - wykazuje dużą odporność na działanie silnych kwasów i zasad. Istnieją jednak różnice w zachowaniu się polietylenu w zależności od gęstości. Dotyczy to przede wszystkim wrażliwości na działanie rozpuszczalników polarnych (np. acetonu i alkoholi). O ile polietylen o małej gęstości ulega działaniu tych związków, o tyle polietylen o dużej gęstości jest na nie całkowicie odporny.
Ze względu na tendencję polietylenu do pękania pod wpływem naprężeń mechanicznych oraz działania rozpuszczalników, stosuje się w elektrotechnice dwie odmiany polietylenu modyfikowanego: kopolimer z 5% 1-butenu (CH= CH-CH2 -CH3) oraz polietylen sieciowany, stosowany przede wszystkim w kablach.
Sieciowanie polietylenu polega na wytwarzaniu poprzecznych wiązań między łańcuchami polimeru w dwojaki sposób:
- W drodze napromieniowania dużą energią (promieniowanie elektronowe o energii 1 MV na 1 cm grubości polimeru);
- W drodze chemicznej, dzięki działaniu nadtlenków organicznych.

W tym drugim przypadku zostaje wykorzystana zdolność nadtlenków organicznych do tworzenia rodników. Rodniki te wbudowywują się w ogniwa łańcuchów polimeru. Wprowadzenie „obcych" związków chemicznych do polimeru powoduje jego zanieczyszczenie, co z kolei wpływa niekorzystnie na własności dielektryczne wyrobu.
Pierwsza z wymienionych metod sieciowania pozwala uzyskać wyrób o lepszych własnościach dielektrycznych. Mimo niewątpliwych zalet, ma jednak ograniczone zastosowanie. Jest kosztowna i nie nadaje się do elementów o większych rozmiarach
i grubości.
Wyroby z polietylenu sieciowanego wykazują większą odporność na temperaturę, większą odporność chemiczną na działanie kwasów, zasad i rozpuszczalników organicznych. Wyroby te, jak już nadmieniono, nie wykazują tendencji do pękania pod wpływem naprężeń i środowisk ciekłych, mają jednak nieco gorsze wartości mechaniczne. Do ważniejszych zastosowań polietylenu w elektrotechnice należy zaliczyć izolację kabli, folie kondensatorowe oraz kształtki.
W tych odmianach polietylenu, od których nie wymaga się dobrych własności dielektrycznych, stosuje się wypełniacze zmniejszające koszt mieszanki, a polepszające charakterystyki mechaniczne. Do najczęściej stosowanych wypełniaczy należą sadze. Polietyleny z domieszką sadzy są stosowane jako materiał półprzewodzący, np. na ekrany kabli elektroenergetycznych. Innym wypełniaczem jest węglan wapnia, który nie nadaje jednak polietylenowi tak dobrych własności mechanicznych jak sadza.

Poliproprlen
Polipropylen (PP) otrzymuje się przez polimeryzację wysokociśnieniową propylenu. Najlepsze własności ma polimer o budowie sferycznej izotaktycznej, charakteryzujący się wysokim stopniem krystaliczności. Jego ciężar cząsteczkowy wynosi od 80 000 do 500 000; własności elektryczne są zbliżone do polietylenu. Cechą szczególną polipropylenu jest jego mała masa właściwa (od 0,90 do 0,91 g/cm3). Polipropylen utlenia się dość łatwo w wyższych temperaturach (poniżej 90C), ale jest mniej palny niż polietylen. Temperatura topnienia polipropylenu wynosi od 165 do 170C, maksymalna temperatura pracy od 120 do 140C.
Kopolimer złożony z 60% etylenu i 40% propylenu, sieciowany chemicznie
(w obecności nadtlenku), ma własności zbliżone do kauczuku naturalnego. Jego szczególnie korzystne cechy elastoplastyczne wykorzystuje się przy produkcji cienkich folii
(o grubości począwszy od 8 pm) i włókien. Potrójny kopolimer - etylenu, propylenu: 1,4 heksadienu daje kauczuk.

Poliizobutylen
Poliizobutylen (PIB) otrzymuje się w drodze polimeryzacji izobutylenu (syntetycznego lub otrzymywanego z ropy naftowej). W zależności od czasu trwania reakcji otrzymuje się produkty o różnym ciężarze cząsteczkowym M - od konsystencji cieczy do ciała stałego o dużej elastyczności (M > 80 000). Rozpuszczalność, elastyczność i odporność na niskie temperatury poliizobutylenu są lepsze niż polietylenu
i polipropylenu. Polimer zachowuje elastyczność do -70C. Jest odporny na działanie środowisk utleniających. W temperaturze pokojowej wytrzymuje długotrwałe działanie kwasu azotowego, ozonu i tlenu. Nie ulega destrukcji w powietrzu o temperaturze do 120C.
Kopolimeryzacja poliizobutylenu z izoprenem prowadzi do otrzymania kauczuku butylowego.




Polistyren
Styren otrzymuje się w wyniku reakcji benzenu i etylenu. Łatwo dostępne surowce oraz wysoki stopień technologicznego opanowania przytoczonej syntezy sprawiają, że styren jest jednym z najtańszych monomerów.
Polistyren jest odporny na działanie wielu czynników chemicznych. Jako polimer niepolarny wykazuje bardzo dobre własności elektryczne. jego budowa strukturalna (charakter wiązań elementów łańcucha) ma decydujący wpływ na własności mechaniczne. W makrocząsteczce polimeru występują pierścienie benzenowe. Zbudowany z nich łańcuch jest sztywny, na skutek działania dużych sił międzycząsteczkowych. Ułożenie elementów łańcucha polimeru przy nieregularnym rozkładzie pierścieni benzenowych uniemożliwia tworzenie form krystalicznych. W konsekwencji więc własności mechaniczne polistyrenu nie są zbyt dobre. Duża twardość i kruchość jest powodem małej wytrzymałości na udar oraz małej odporności na korozję naprężeniową. Wydatną poprawę własności mechanicznych uzyskuje się przez kopolimeryzację z innymi monomerami.

Polichlorek winylu i jego kopolimery
Zastąpienie jednego atomu wodoru w etylenie przez atom chloru prowadzi do otrzymania chlorku winylu. Wykorzystywaną w tym celu reakcją jest zazwyczaj reakcja acetylenu z chlorowodorem
Otrzymany dzięki tej reakcji monomer w stanie gazowym o temperaturze wrzenia -14C polimeryzuje w ośrodku wodnym. Polimeryzację prowadzi się dwiema metodami: emulsyjną i suspensyjną. Metodą emulsyjną otrzymuje się polichlorek winylu (PCV)
w postaci miałkiego proszku, metodą suspensyjną - w postaci ziarenek. Polichlorek winylu otrzymany metodą emulsyjną bywa bardziej zanieczyszczony, co sprawia, że wytwarzane z niego tworzywa charakteryzują się gorszymi własnościami dielektrycznymi i znacznie większą chłonnością wody niż tworzywa z polichlorku winylu uzyskanego metodą suspensyjną.
Jedną z najbardziej charakterystycznych cech polichlorku winylu jest jego duża odporność chemiczna na ługi, kwasy i liczne związki organiczne. Polichlorek winylu mięknie w temperaturze przekraczającej 85C i można go formować przez prasowanie
w temperaturze ok. 145C. Wyrób prasowany jest sztywny i dość kruchy, wobec czego wszędzie tam, gdzie jest wymagana przede wszystkim elastyczność (np. izolacja przewodów), używa się go w postaci uplastycznionej.
Własności dielektryczne uplastycznionego polichlorku winylu zależą w znacznym stopniu od użytego plastyfikatora (najczęściej estrów wyższych alkoholi), a także innych dodatków i są zazwyczaj gorsze niż własności dielektryczne czystego polichlorku winylu. Obserwuje się także dość duże różnice wartości wytrzymałości dielektrycznej. Stwierdzono, iż bardzo niewielki dodatek dwufenyli powoduje pogorszenie własności dielektrycznych tworzywa, lecz czyni je bardziej odpornym na działanie niskich temperatur. Dodatkowym czynnikiem, który może mieć wpływ na własności elektryczne polichlorku winylu są mechaniczne zjawiska relaksacyjne. Materiał trwale naprężany może w ciągu pewnego czasu od chwili zdjęcia naprężenia wykazywać zwiększenie przenikalności elektrycznej.
Pod działaniem ciepła i światła słonecznego polichlorek winylu ulega rozkładowi
z równoczesnym wydzielaniem chlorowodoru. Proces ten ogranicza dodatek stabilizatorów.
Starzenie polichlorku winylu plastyfikowanego jest dwuetapowe; występuje ono podczas produkcji, pod wpływem obróbki mechanicznej, oraz - później - podczas użytkowania. W wyniku działania podwyższonej temperatury jest możliwa zmiana własności mieszaniny wskutek stopniowej utraty plastyfikatora. Obserwuje się wówczas poprawę własności elektrycznych i pogorszenie własności mechanicznych (twardnienie, kruchość), przy równoczesnym zmniejszeniu się masy właściwej tworzywa. Polichlorek winylu ulega rozkładowi przy temperaturze 140C. Szybkość rozkładu potęguje się
z dalszym wzrostem temperatury i przy 400C dochodzi do rozkładu 52% masy. Oprócz chlorowodoru powstają wówczas nienasycone węglowodory podatne na utlenianie.
Własności mechaniczne i odporność na temperaturę zależą od stopnia polimeryzacji. Przy zwiększonym stopniu polimeryzacji zwiększa się wytrzymałość mechaniczna, twardość i odporność cieplna. Po dodatkowym chlorowaniu (zastąpieniu atomów wodoru atomami chloru z 55 do 65% wagowo) własności te polepszają się jeszcze bardziej. Obecność dużej ilości chloru czyni polichlorek winylu materiałem trudnopalnym.
Kopolimeryzacja chlorku winylu prowadzi do uzyskania tworzyw
o zmodyfikowanych własnościach. I tak na przykład kopolimer z chlorkiem winylidenu (Vinylit) ma lepsze własności elektryczne, mniejszą przenikalność i mniejszą stratność dielektryczną. Kopolimer z nitrylem jest bardziej miękki, ma natomiast gorszą elastyczność.
Ważniejsze wyroby z polichlorku winylu stosowane w elektrotechnice - to izolacja niskonapięciowa (do 10 kV) przewodów i kabli oraz powłoki kabli zarówno ziemnych, jak i w wykonaniu morskim.

Policzterofluoroetylen
Policzterofluoroetylen (PTFE) otrzymuje się w wyniku wymiany atomów wodoru w etylenię na atomy fluoru. Produktem jest czterofluoroetylen - gaz skraplający się
w ?76.3C i polimeryzujący przy podwyższonym ciśnieniu.
Policzterofluoroetylen stosuje się w elektrotechnice jako tworzywo izolacyjne
i konstrukcyjne odporne na niskie i wysokie temperatury (od -160 do 250C). Najbardziej znaną, nazwą handlową policzterofluoroetylenu jest Teflon.

Politereftalan etylenu
Politereftalan etvlenu (PET) otrzymuje się z kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego. Polimer stanowi mieszaninę fazy bezpostaciowej i fazy krystalicznej
w różnym stosunku w zależności od technologii wytwarzania i obróbki.
Dzięki bardzo dobrym własnościom mechanicznym, cieplnym i elektrycznym politereftalan etylenu znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach elektrotechniki, a także często w elektronice (kształtki, folie i włókna).

Politlenek fenylenu
Politlenek fenylenu (PPO) jest tworzywem o dużych zaletach przetwórczych
i dobrych własnościach elektrycznych w zakresie temperatur od -60 do ok. 190C.

Poliwęglan
Poliwęglan (PC) otrzymuje się w drodze kondensacji dwuwodorotlenowych fenoli z fosgenem. Ze względu na to, że poliwęglan łączy w sobie własności tworzyw termoutwardzalnych i termoplastycznych, wyodrębnia się go zazwyczaj spośród pozostałych związków wielkocząsteczkowych typu poliestrowego.
Do ciekawszych cech tego tworzywa zalicza się wysokie temperatury topnienia fazy krystalicznej i zeszklenia (co jest korzystne przy przetwarzaniu), bardzo dużą odporność na działanie promieni świetlnych (min. nadfioletowych), promieniowania jonizującego i czynników atmosferycznych. Odporność cieplna polimeru w zależności od rodzaju podstawników mieści się w zakresie od 130 do 140C. Poliwęglan jest odporny na działanie oleju mineralnego i wykazuje małą absorbcję wody; nie jest odporny na rozpuszczalniki aromatyczne, a także na działanie alkaliów i stężonych kwasów. Poliwęglany można łatwo formować metodą wtrysku na kształtki, rury oraz i folie.

1.5.2.3. Duroplasty
Tworzywa fenolowo-formaldehydowe
Żywice fenolowo-formaldehydowe otrzymuje się w wyniku polikondensacji formaldehydu z fenolami. Jeżeli proces polikondensacji jest prowadzony w temperaturze ok. 100C w środowisku alkalicznym przy nadmiarze formaldehydu, otrzymuje się żywice typu rezoli (o budowie liniowej). Żywice te są rozpuszezalne i topliwe. Pod wpływem dalszego ogrzewania (utwardzania) przy wyższych temperaturach rezole przechodzą (poprzez stadium pośrednie - rezitole) w rezity.
Inny typ żywic fenolowo-formaldehydowych otrzymuje się w wyniku polikondensacji fenoli z formaldehydem przy niedomiarze formaldehydu w środowisku kwaśnym. Żywice te noszą nazwę nowolaków; są pozbawione grup reaktywnych (hydroksymetylowych) i w związku z tym nie zachodzi w nich proces sieciowania
w podwyższonej temperaturze. Przejście nowolaku w rezol, a następnie w rezit, następuje pod wpływem ogrzewania go w obecności aldehydu lub aminy (najczęściej urotropiny tj. sześciometylenoczteroaminy).
Żywice fenelowo-formaldehydowe stosuje się do wyrobu klejów i lepiszcz lub,
po dodaniu utwardzacza i wypełniaczy, do wyrobu tłoczyw. Otrzymywane wyroby wykazują mierne własności elektryczne oraz brak odporności na łuk i prądy pełzające. Charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich dodatkową zaletą jest niska cena.

Tworzywa melaminowo-formaldehydowe
Żywice te otrzymuje się przez polikondensację melaminy i formaldehydu. W stanie utwardzonym wykazują dobrą stabilność chemiczną, dużą odporność na działanie płomienia; tworzywa na ich osnowie z napełniaczami nieorganicznymi można uważać za niepalne. Są bardzo odporne na działanie łuku i wyładowania powierzchniowe. Pozostałe własności elektryczne są korzystniejsze niż żywic fenolowo-formaldehydowych, zwłaszcza przy zwiększonej wilgotności.
Przedstawione zalety tych tworzyw przesądziły o ich stosowaniu na elementy izolacyjne pracujące w atmosferze dużej wilgotności, w atmosferze zapylonej lub zawierającej aktywne chemicznie zanieczyszczenia. Tworzywa z napełniaczem azbestowym lub łupkiem mielonym są stosowane na komory łukowe.

Tworzywa epoksydowe
Związki epoksydowe należą do klasy połączeń heterocyklicznych. Charakterystyczną cechą ich budowy jest obecność trójczłonowego pierścienia oksycyklopropanowego (epoksydowego) złożonego z dwu atomów węgla i jednego atomu tlenu. Trójczłonowy pierścień odznacza się znacznym napięciem spowodowanym deformacją kierunków wiązań tlenu. Jest to przyczyną dużej reaktywności związków epoksydowych.
Bardzo istotną własnością żywic epoksydowych jest dobra przyczepność do materiałów, m. in. do metali, co wykorzystuje się podczas łączenia elementów konstrukcyjnych lub izolacji (klejenie lub zalewanie).
Własności żywic epoksydowych można modyfikować dodając zmiękczacze
i wypełniacze: ich ilości w stosunku do żywicy mogą osiągać 400%. Żywice epoksydowe wzmocnione włóknem szklanym odznaczają się dużą odpornością cieplną, która przy narażeniach mechanicznych pozwala im pracować przy temperaturach dochodzących do 260C, a nawet w szczególnych przypadkach do 300C.

Tworzywa silikonowe
Tworzywa silikonowe, bardziej poprawnie - polimery krzemoorganiczne - stanowią grupę związków wielkocząsteczkowych, które w łańcuchach głównych mają atomy krzemu. Powtarzającym się ugrupowaniem charakterystycznym dla większości tego rodzaju związków są wiązania siloksanowe. Oprócz nich występują podstawniki organiczne związane bezpośrednio z atomami krzemu. Polimery te mają struktury łańcuchowe płaskie albo sieciowe trójwymiarowe i mogą występować w różnych stanach skupienia - od cieczy (oleje silikonowe) do ciał stałych (żywice i kauczuki). Z żywic silikonowych wytwarza się lakiery do nasycania izolacji z włókna szklanego, mikafolii
i azbestu, tj. izolacji maszyn i ap i Ców elektrycznych klasy H. Lakier utwardza się
w temperaturze od 200 do 250C; dodatek katalizatorów, typu naftenianów kobaltu
i ołowiu, umożliwia obniżenie temperatury utwardzania do 150C. Zaletą utwardzonej żywicy silikonowej jest jej hydrofobowość. Tworzywa silikonowe wykazują dużą stabilność chemiczną, co umożliwia ich stosowanie do temperatury 180C, a niektóre wyroby nawet do 250C. Wadą stałych tworzyw silikonowych jest nieduża wytrzymałość mechaniczna i dielektryczna, która wydatnie maleje ze wzrostem temperatury.

1.5.3. Półwyroby z tworzyw sztucznych

1.5.3.1. Tłoczywa
Tłoczywo jest półwyrobem przemysłowym składającym się głównie z żywicy
w ilości od 30 do 60% i wypełniacza organicznego lub nieorganicznego. Jako dodatki do tłoczyw stosuje się plastyfikatory, przyspieszacze procesu polimeryzacji, barwniki itp.
W stanie wyjściowym tłoczywa są w postaci proszku, granulek, krajanki oraz włókien lub skrawków nasyconych żywicą. Wyroby z tłoczyw formuje się plastycznie pod zwiększonym ciśnieniem i w podwyższonej temperaturze metodą prasowania tłocznego, przetłocznego lub wtryskowego. Tłoczywo wymaga odpowiedniego dostosowania do danego sposobu przetwarzania. W elektrotechnice stosuje się przede wszystkim tłoczywa termoutwardzalne polikondensacyjne (np: na żywicach fenolowych lub melaminowych) oraz poliaddycyjne (najczęściej na żywicach alkidowych i epoksydowych). W zależności od rodzaju i własności materiałów wyjściowych tłoczywa mają różne właściwości przetwórcze, a także odmienne własności mechaniczne, cieplne i elektryczne.

1.5.3.2. Lakiery elektroizolacyjne
Istnieje kilka rodzajów klasyfikacji lakierów elektroizolacyjnych; dokonano ich
z różnego punktu widzenia. W zależności od warunków suszenia rozróżnia się lakiery schnące na zimno oraz lakiery schnące w podwyższonej temperaturze (tzw. lakiery piecowe), o lepszych własnościach dielektrycznych. Udział rozpuszczalnika decyduje
o podziale na lakiery rozpuszczalnikowe i bezrozpuszczalnikowe.
W zależności od technologii użytkowania rozróżnia się:
a) Lakiery nasycające przeznaczone do nasycania uzwojeń maszyn, transformatorów oraz tkanin przy produkcji takich półwyrobów, jak tkaniny powlekane i materiały warstwowe;
b) Lakiery pokrywające przeznaczone do ochrony powierzchni elementów izolacyjnych przed narażeniami klimatycznymi oraz do emaliowania przewodów;
c) Lakiery klejące do produkcji elektroizolacyjnych materiałów azbestowych, mikowych itp.
O odporności cieplnej lakierów decyduje ich baza żywiczna. Najwyższa dopuszczalna temperatura pracy ciągłej lakierów asfaltowych, melaminowych i fenolowych modyfikowanych olejami nie przekracza 105C, lakierów poliestrowych modyfikowanych poliuretanami 130C, lakierów epoksydowych - zazwyczaj 130 (niektórych odmian 155C), lakierów poliuretanowych i poliimido-amidowych 155C. Odporność cieplna lakierów silikonowych i poliimidowych mieści się w granicach od 180 do 250C.
Dobór lakierów do układu izolacyjnego jest uwarunkowany wymaganą odpornością cieplną, wytrzymałością mechaniczną oraz spodziewanym narażeniem klimatycznym lub środowiskowym. Istotną rolę odgrywają ponadto parametry technologiczne lakieru - lepkość, łatwość odparowania rozpuszczalnika, wymagana temperatura i czas utwardzania, a także dopuszczalny czas składowania.
Lakiery pokrywające nanosi się przez zanurzenie lub natryskiem, a w przypadku blach magnetycznych przy pomocy systemu wałków w lakiernicy.
Do nowoczesnych technologii należy wytwarzanie powłok żywicznych metodą fluidyzacyjną. Metoda ta polega na zanurzeniu nagrzanego przedmiotu w zawiesinie ze sproszkowanej żywicy. Zawiesinę tę uzyskuje się przepuszczając przez proszek strumień powietrza. Na powierzchni zanurzonego w zawiesinie przedmiotu tworzy się jednolita powłoka, która po utwardzeniu wykazuje dobre własności elektroizolacyjne i ochronne. Metodę fluidyzacyjną stosuje się zwłaszcza przy nanoszeniu powłok z żywicy epoksydowej.

1.5.3.3. Żywice lane
Żywice lane są żywicami syntetycznymi bezrozpuszczalikowymi jedno- lub dwuskładnikowymi. Przy odpowiednio dobranej temperaturze można z nich odlewać kształtki. W wyniku zachodzącej reakcji chemicznej przy udziale utwardzacza (poliaddycji) żywica przechodzi w stan stały, przy czym ta reakcja ma charakter nieodwracalny. W zależności od ilości wprowadzonego czynnika wiążącego (utwardzacza) i odpowiednich przyspieszaczy proces można prowadzić w temperaturze pokojowej lub podwyższonej. Żywicę nieutwardzoną nazywa się żywicą podstawową lub wyjściową, mieszaninę zaś żywicy z dodatkami - kompozycją.
Do żywic lanych najczęściej stosowanych w elektrotechnice należą kompozycje:
z żywic epoksydowych; ich podstawowe zalety to:
- nietworzenie się produktów gazowych podczas polimeryzacji (polikondensacji);
- mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, który można jeszcze bardziej; zmniejszyć stosując odpowiedni napełniacz (zazwyczaj nieorganiczny);
- możliwość uzyskania takich kompozycji, dla których wahania temperatury
w granicach od -40 do 90C nie zmieniają w istotny sposób wartości wytrzymałości dielektrycznej i mechanicznej.

Do żywic epoksydowych najczęściej stosowanych należą żywice bisfenolowe (dianowe), które ze względu na niezadowalającą odporność na promieniowanie ultrafioletowe nadają się tylko do urządzeń wnętrzowych. Większą odporność pod tym względem wykazują żywice cykloalifatyczne.
Innym rodzajem żywic lanych, stosowanych w elektrotechnice nieco rzadziej niż żywice epoksydowe, są nienasycone żywice poliestrowe. Charakteryzują się one gorszymi własnościami dielektrycznymi w porównaniu z żywicami epoksydowyma (zwłaszcza utwardzanymi na gorąco).



1.5.3.4. Materiały warstwowe
Materiały warstwowe (laminaty) są to tworzywa złożone z szeregu warstw nośnika i lepiszcza żywicznego, sprasowanego lub zwijanego przy odpowiednim naciągu
w podwyższonej temperaturze. Jako nośnik stosuje się papiery celulozowe, azbestowe mikowe oraz szklane; za lepiszcze najczęściej służą żywice fenolowe, poliuretanowe, epoksydowe oraz silikonowe. Materiały warstwowe wykazują własności anizotropowe. Ich wytrzymałość dielektryczna mierzona poprzecznie do warstw nośnika jest z reguły większa niż wzdłuż warstw. W tym drugim kierunku jest ponadto łatwiejsze przenikanie wilogoci.
Materiały warstwowe produkuje się w postaci płyt, rur i tulei (o dużych średnicach). Obrabiane powierzchnie wymagają zazwyczaj stosowania powłoki lakierowej chroniącej przed wilgocią.

1.5.3.5. Folie elektroizolacyjne
Folie elektroizolacyjne oparte na żywicach termoplastycznych są produkowane
w postaci taśm lub arkuszy jedno- lub wielowarstwowych. Do najważniejszych gatunków folii uszeregowanych według narastających dopuszczalnych temperatur pracy zalicza się folie polietylenowe (od -150 do 80C), polipropylenowe, poliestrowe, poliwęglanowe,
z policzterofluoroetylenu oraz poliamidowe (od -235 do 400C).
Folie wchodzą w skład izolacji zwojowej w urządzeniach i aparatach; stosuje się je jako dielektryk w kondensatorach (zwłaszcza folię polipropylenową). Wchodzą również
w skład izolacyjnych materiałów złożonych (np. folia poliestrowa z taśmą szklaną
i papierem mikowym w maszynach elektrycznych wysokiego napięcia). Wadą folii jest ich mała nasiąkliwość syciwami, co w układach izolacyjnych olejowych wysokiego napięcia może powodować pozostanie nie wypełnionych syciwem kawern, będących późnej przyczyną wyładowań niezupełnych. W tych przypadkach zamiast folii coraz częściej korzysta się z papierów syntetycznych, których produkcję nie tak dawno opanowano
w niektórych krajach.

1.5.3.6. Materiały termokurczliwe
Materiał, który ulega znacznemu skurczowi pod wpływem ogrzewania, nosi
nazwę materiału termokurczliwego. Tę własność można nadać niektórym
półwyrobom z termoplastów (np. z polietylenu i polichlorku winylu) lub kauczuku
(np. chloroprenowego, butylowego lub silikonowego). Kształtkę wykonaną z tworzywa,
w którym w drodze napromieniowania uzyskano ok. 60% fazy krystalicznej, podgrzewa się do temperatury nieco wyższej od temperatury mięknienia, a następnie rozciąga się
w odpowiedni sposób w specjalnej formie i nie wyjmując z niej oziębia. Po oziębieniu materiał zachowuje kształt formy, pozostają w nim jednak „zamrożone" naprężenia, starające się przywrócić stan poprzedni. Naprężenia te wyzwalają się przy ponownym podgrzaniu kształtki, powodując skurcz materiału. Kształtka termokurczliwa w postaci np. rurki, nałożona luźno na końcówkę kabla, po podgrzaniu (gorącym powietrzem lub promieniami podczerwieni) kurczy się i ściśle przylega do końcówki. Produkowane
w Polsce rurki termokurczliwe z polietylenu o grubościach ścianek do 1,5 mm po rozciągnięciu ich średnicy z 17 do 30 mm ulegają po podgrzaniu skurczowi o ok. 90%
w stosunku do wartości początkowej. Skurcz półwyrobów termoplastycznych produkcji zagranicznej wynosi po podgrzaniu ok. 50% (średnica) i ok. 10% (długość). Wymagane minimalne temperatury skurczu wynoszą w zależności od materiału od 100 do 175C, zalecane zaś od 200 do 400C.

Literatura: K. Kolbiński, J. Słowikowski – „Materiałoznawstwo elektrotechniczne” WN Warszawa 1978.