Materiale Izolante (Electroizolante)

MATERIALE IZOLANTE (electoizolante)

1.CARACTERISTICI GENERALE

Importanta materialelor electorizolante in constructia produselor electrotehnice este deosebita,pe de o parte pentru ca,spre deosebire de materialele conductoare si magnetice,sunt in continua dezvoltare – datorita in special chimiei macromoleculare,precum si combinatiilor dintre materiale si pe alta parte pentru ca materialele electroizolante sunt primele care cedeaza intr-o masina sau un aparat electric ,ele determinand de fapt durata de viata a acestora.

Din clasa materialelor electroizolante fac parte materiale a caror rezistivitate depaseste 106m Ω si care prezinta,intre banda de valenta si banda de conductie,o banda interzisa de largime Wi>3 eV. O caracteristica importanta a materialelor izolante fiind aceea de a se polariza electric,ele sunt si dielectrici.

Utilizarea cea mai importanta a materialelor izolante fiind in constructia schemelor de izolatie ale instalatiilor electrice si, cum comportarea lor la actiune a diferitelor solicitari, elementul hotarator pentru marirea duratei de viata a instalatiilor din care fac parte,ele trebuie sa posede o serie de caracteristici,de multe ori antagoniste:proprietati dielectrice,mecanice si termice foarte bune, rezistenta mare la agenti chimici, imbatranire lenta si durata de viata mare,prelucrabilitate usoara si cost redus.Desigur ,fabricarea unor materiale care sa indeplineasca toate conditiile enumerate anterior,adica realizarea unor izolanti universali este practic imposibila.Se pot obtine insa materiale cu anumite caracteristici prin diferite procedee:modificari chimice ale macromoloeculelor de baza (realizarea siliconilor),elaborarea unor materiale compuse(stratificate,sistemele de izolatie pentru masini mari),utilizarea unor tehnologii speciale (izolatii de crestatura prin procedee electrostatice) etc. Aceste caracteristici depind de natura chimica si structura fizica a corpurilor si se modifica mai mult sau mai putin sub actiunile simple sau combinate ale diferitilor factori externi.

2.FORMAREA SI STRUCTURA MOLECULELOR

Formarea moleculelor (din atomi neutrii din punct de vedere electric) se datoreaza aparitiei unor forte de interactiune intre atomi,de natura electrica si cuantica.Energia corespunzatoare acestor forte este ,in cazul a doi atomi situati la distanta r:

E(r)^'=-A/r^6 +B/r^n (1)

A,B si n fiind constante de material.Dupa rezultatul din figura 1,exista o valoare a distantei dintre atomii rm pentru care energia E este minima. Daca acest minim (Em) este sufficient de adanc,cofiguratia formata are o stabilitate deosebita(distanta dintre atomi fluctuand,datorita agitatiei termice,in jurul valorii rm),obtinandu-se o molecula.

Figura 1: Variatia energiei de interactiune E cu distanta dintre atomi r.

Moleculele cu structura simetrica (metanul,PE1 etc) prezinta si o distributie similara a sarcinilor electrice positive si negative.In acest caz,suma vectoriala a momentelor electrice (corespunzatoare fiecarei perechi de ioni pozitivi si negativi) se anuleaza si molecula nu prezinta moment electric propriu,adica este nepolara.

Daca moleculele au structura nesimetrica (PVC,apa etc),ele prezinta moment electric-nenul, adica sunt polare.

Moleculele care contin un numar mai redus de atomi (pana la 1000) se numesc micromoleculare.Numarul corpurilor micromoleculare este,in general,mai redus,in aceasta grupa intrand gazele si lichidele,iar dintre solide cerurile si asfalturile.

Moleculele ce contin cel putin 1000 de atomi se numesc macromolecule.Grupa corpurilor macromoleculare este mult mai extinsa, ea cuprinzand peste 500000 de combinatii,avand ca elemente de baza siliciu si carbonul Corpurile macromoleculare (polimerii) se obtin din micromolecule – care prezinta anumiti atomi (de obicei C si Si) legaturi duble sau triple numite monomeri.Prin ruperea acestor legaturi , micromoleculele se leaga intre ele formand lanturi moleculare,respectiv macromoleculele.

Daca moleculele monomerilor poseda doar legaturi duble,se obtin macromolecule liniare ,iar daca poseda legaturi triple rezulta macromolecule ramificate,spatiale si retele molecular.Retele moleculare se pot obtine si prin legarea intre ele a macromoleculelor liniare care contin punti reactive neactivate (nedesfacute),cu ajutorul unor atomi (cazul vulcanizarii cauciucului natural cu sulf) sau radicali organici ) cazul vulcanizarii cauciucului siliconic cu peroxid de benzoil). Diverse forme de macromolecule: liniara,ramificata,spatiala,retea molecular.

Macromoleculele se obtin prin reactii de polimerizare,de policondensare si de poliaditie.

REACTIA DE POLIMERIZARE – consta in legarea – sub actiunea caldurii si presiunii si in prezenta unui catalizator a moleculelor monomerului si formarea unor macromolecule liniare,fara eliminare de produse secundare de reactie.Este o reactie in lant,energia necesara initierii lantului (ruperii primelor legaturi) fiind superioara energiei necesara continuarii procesului de reactie.Reactia de polimerizare se compune din trei faze:

-activarea momentului prin absortie de energie;

-procesul de crestere;

- procesul de intrerupere ,cresterea lantului incetand ,fie din lipsa altor molecule de monomeri, fie ca urmare a intalnirii a doua lanturi moleculare, fie prin saturarea valentei libere a lantului cu grupe de atomi ai catalizatorului;

Polimerizarea se poate realiza sub actiunea temperaturii ai presiunii, si de obicei, in prezenta unui catalizator in mai multe feluri:

- in bloc,cand monomerul lichid devine din ce in ce mai vascos sub actiunea caldurii,obtinindu-se la racire un polimer solid;

- in solutie,cind monomerul este dizolvat intr-un solvent inert,polimerizarea producandu-se la adaugarea initiatorului;

- in emulsie,cand monomerul este emulsionat in apa cu ajutorul unui emulgator ;catalizatorul e dizolvat in apa,polimerizarea are loc in faza apoasa,dezvoltandu-se incet molecule lungi,dispersate in apa; acest fel de polimerizare este cel mai utilizat in prezent;

-heteropolimerizarea (sau copolimerizarea),are loc cand se polimerizeaza impreuna mai multi monomeri,putandu-se obtine pe aceasta cale produse cu proprietati diferite;

REACTIA DE POLICONDENSARE – consta in legarea moleculelor mici de monomer –(de obicei, bifunctionali) – sub actiunea caldurii,presiunii si catalizatorilor – si obtinerea unor retele de molecule sau molecule spatiale.Este o reactie in trepte (energia necesara gruparii a doua molecule este aceeasi in orice etapa de desfasurare a reactiei) si cu eliminare de produse secundare:H20 etc. Eliminarea,in procesul de reactie a apei confera policondensatelor porozitate si higroscopicitate mai mari si deci,proprietati dielectrice mai reduse.

Reactiile de policondensare se pot intrerupe in orice stadiu si pot fi continuate la momentul voit, comportare deosebit de interesanta atat pentru studiul formarii acestor polimeri,cat si din punct de vedere tehnologic,reactia putand fi oprita cand policondensatul se gaseste in stare favorabila prelucrarii,ramanand ca policondensarea sa fie terminata ulterior .

Policondensatele pot rezulta cu molecule liniare(ca poliamidele),sau spatiale (cafenoplastele,

aminoplastele etc.).