Identyfikacja materiałów elaktroizolacyjnych wykonanych z …

Politechnika Rzeszowska
Katedra Technologii Tworzyw Sztucznych
Identyfikacja
materiałów elektroizolacyjnych wykonanych z
tworzyw sztucznych
Rzeszów, 2010
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 1971
2. W. Szlezyngier, Tworzywa Sztuczne, Oficyna Wydawnicza PRz, Rzeszów 1996
3. Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Warszawa, 2005. Wydawnictwo PW
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
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
- 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
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
Tablica 1. Zachowanie się próbki podczas prażenia
Lp.
Rodzaj
Topi
tworzywa
się
Rozkłada Topi się,
się
rozkłada
Dodatkowe
Odczyn wydzielających się
Zapach
zjawiska
gazów
wydzielających się
towarzyszące
1.
Fenoplasty
x
2.
Aminoplasty
x
x
alkaliczny obojętny
wzdyma się, pryska
(x)
ciemnieje w czasie
x
kwaśny
x
fenolu, formaldehydu
amoniaku, amin,
rozkładu
3.
Poliwęglany
4.
Poliestry
x
x
gazów
drażniący
staje się ciągliwy
x
zbliżony do fenolu
ciemnieje, rozkłada
x
zbliżony do styrenu
się i topi
5.
PET
x
topi się, rozkłada,
x
drażniący
białe dymy
5.
Epoksydy
x
ciemnieje
6.
Poliamidy
x
topnienie, rozkład
7.
PE, PP
x
(x)
topi się,
x
słaby fenolu
x
palonej sierści
x
słaby palonej parafiny
x
słodkawo- kwiatowy
przeźroczysty
8.
Polistyren
x
po stopieniu w
czasie rozkładu
odparowuje i żółknie
9.
Polichlorek
x
rozkłada się z barwą
7
x
kwas solny
winylu
10. Polioctan winylu
brunatną
x
(x)
11. Polialkohol
brunatnieje
x
x
kwas octowy
topnienie, rozkład
x
drażniący
odparowuje i
x
owocowy, estrowy
winylowy
12. Polimetakrylany
x
trzeszczy
13. Poliakrylany
x
odparowuje
x
nieprzyjemny, ostry
14. Poliuretany
x
topi się, ciemnieje i
x
słodkawy
rozkłada
8
Tablica 2. Zachowanie się tworzyw podczas palenia
Lp.
Rodzaj
Nie
Pali się
Po
tworzywa
pali
tylko w
zapaleniu
się
płomieniu
pali się
Wygląd płomienia
dalej
1. Fenoplasty
x
2. Aminoplasty
x
3. Poliwęglany
(x)
płomień jasny, kopcący
zwęgla się, białe brzegi
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
9. Polichlorek
x
x
żółty, zielony na
winylu
10. Polioctan
świecący, silnie kopcący
brzegach, białe dymy
x
świecący, kopcący
x
świecący, kopcący
12. Polimetakrylany
x
świecący, trzeszczy
13. Poliakrylany
x
świecący, nieco kopcący
14. Poliuretany
x
świecący, kopcący
winylu
11. Polialkohol
winylowy
9
Tablica 3. Rozpuszczalność tworzyw
Lp.
ROZPUSZCZALNIKI
Rodzaj
tworzywa
benzen aceton etanol woda
CCl4
CHCl3 dioksan DMF
cyklohe-
THF
ksanon
kwas
kwas
octowy mrówkowy
stęż.
HCl
1.
Fenoplasty
-
+
+
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
2.
Aminoplasty
-
+
-
-
-
-
-
-
-
-
+
-
-
3.
Poliwęglany
-
x
-
-
+
+
+
+
+
+
-
-
+
4.
Poliestry
+
+
+
-
-
+
+
+
+
+
+
5.
PET
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
+
5.
Epoksydy
-
+
+
-
+
+
+
-
-
+
6.
Poliamidy
-
-
+
+
+
7.
PE, PP
(+)
-
-
-
(+)
(+)
-
-
-
-
-
-
-
8.
Polistyren
+
x
-
-
+
+
+
+
+
+
-
-
-
9.
Polichlorek
x
-
-
-
+
(+)
-
+
+
+
-
-
-
10. Polioctan winylu
+
+
+
-
+
11. Polialkohol
-
-
-
+
12. Polimetakrylany
+
+
+
-
13. Poliakrylany
+
+
(+)
-
14. Poliuretany
-
+
-
-
winylu
+
+
-
+
-
-
+
+
+
+
(+)
(+)
+
x
(+)
(+)
+
+
-
-
+
winylowy
+
+
+
-
+
10
+
+
Oznaczenia:
+
tworzywo rozpuszcza się
(+) tworzywo rozpuszcza się na gorąco
-
tworzywo nie rozpuszcza się
x
tworzywo pęcznieje
11