Fizyka

i inżynieria materiałów

dielektryki -

materiały izolacyjne

dr hab. inż. Ryszard Pawlak, prof. PŁ



Szerokość pasma wzbronionego



E > 5 eV



W dielektryku idealnym brak swobodnych ładunków



W dielektryku rzeczywistym b. mała koncentracja

ładunków swobodnych,

(defekty Frenkla i Schottky’ego

oraz zjonizowane atomy zanieczyszczeń)



Właściwości elektryczne dielektryków zdeterminowane

przez ładunki związane

(jony dodatnie i ujemne w

kryształach jonowych, dipole elektryczne – molekuły o

niesymetrycznej budowie)



Występuje „słabe” przewodnictwo dielektryków

rzeczywistych

Materiały izolacyjne (

dielektryki

)

Dielektryki -

parametry

q

q

q

o







U

U

q

q

U

q

C

o

























1

o

o

o

C

C

C

C

C

o

C

C







U

U

q

C

o



0











0

q



0

q



U
























q



q



U












































o

q





q







Podatność elektryczna

Przenikalność elektryczna

Dielektryki -

podział

Z punktu widzenia stanów elektrycznych,
dielektryki można podzielić na trzy grupy:

Dielektryki niepolarne

-

dielektryki, w których nie

występują stałe dipole elektryczne, co wynika z
symetrycznej budowy cząsteczek dielektryka

Dielektryki polarne

- dielektryki o asymetrycznej

budowie cząsteczek - występują w nich trwałe
dipole.

Ferrodielektryki

(segnetodielektryki) - dielektryki, w

których w pewnym przedziale temperatury
następuje polaryzacja spontaniczna.

Dielektryki

–

mechanizmy polaryzacji

Trzy rodzaje polaryzacji wg modelu Debye`a:

1. Polaryzacja elektronowa (atomowa)

–dotyczy

wszystkich rodzajów dielektryków.

2. Polaryzacja jonowa dotyczy kryształów, w których

występują wiązania jonowe.

3. Polaryzacja dipolowa (orientacyjna)

–występuje

kryształach o asymetrycznej budowie molekuł.

Dielektryki

–

polaryzacja elektronowa

2

2

2

2

2

2

4

4

d

r

d

R

q

R

q

F

o

o

C















sin

'

E

q

F

E





e

e

e

o

e

e

o

e

e

o

e

n

E

P

r

E

E

r

qd

p































;

4

4

3

3

:

i

polaryzacj

wektor

a

elektronow

lność

polaryzowa

-

+q

-q



d

r

F

C

R

F

E

= q E

F

’

C

= F

C

sin



E

Pole elektryczne jądra rzędu 10

11

V/m; pola zewnętrzne rzędu 10

5

V/m;

d<<r

s

E

15

10







Dielektryki

–

polaryzacja jonowa











x

F

E

q

F

E









E

x

1

x



2

x



x

x





s

j

13

10







-















2

q

E

x

q

p

j

j

j

polaryzowalność jonowa

Dielektryki

–

polaryzacja dipolowa (orientacyjna)

(dla realnych pól

~ 10

6

V/m

i typowych wartości momentu

rzędu

10

-30

Cm

U

max

=

5

×10

-24

J

, czyli wielokrotnie mniej, niż

energia drgań cieplnych w temp. 300K kT



10

-21

J)

Stopień uporządkowania dipoli w temp. 300K

nieznaczny

!!

p

d

Dipol o momencie

p=qd

znajduje się pod kątem



względem pola zewnętrznego

Energia potencjalna dipola :

U = -p

o

E cos



W zależności od



energia

potencjalna zmienia się od

U

min

= -p

o

E

do

U

max

= p

o

E

;



+q

-q

E

p

p

cos



Dielektryki rzeczywiste -

przewodnictwo

(1)

U

1

U

2

U

x

1

2

a

b



U

U-



U

U

E

a

b



Zewnętrzne pole elektryczne

zmienia obraz studni potencjałów
międzywęzłowych



Zwiększa się prawdopodobieństwo

przeskoków jonów do nowych
położeń międzywęzłowych oraz
rekombinacji z wakansami



„Ułatwienie” ruchu jonów dotyczy

tylko kierunku zewnętrznego pola
elektrycznego (zwrot zależy od
ładunku jonu)



Powstaje dryf ładunków w kierunku

pola, czyli

prąd jonowy

1

– przedział temperatur niskich

2

– przedział temperatur wysokich

kT

W

o

e









Dielektryki rzeczywiste

–

przewodnictwo

(2)

,,

,

,,

,

)

(

''

























o

o

o

C

C

j

j

C

j

U

I

Y

Dielektryk niepolarny-

schemat równoległy

I

r

I

U

r

R

r

C

r

o

o

r

R

C

j

C

C

j

















1

,

,

,

Rzeczywisty dielektryk niepolarny

jest opisany poprawnie za

pomocą schematu równoległego, zawierającego R

r

oraz C

r

zespolonej

ości

przenikaln

urojona

składowa

-

,,

,,

,

,,

,























s

o

o

R

C

C

C

j

1

,



,

,





,,

,

,





s

CR

I

I





















1

,

,

,

o

R

R

I

I

I

tg

I



o

I

U

s

I



tg





Dielektryk niepolarny -

straty mocy

Dielektryki polarne

–

schemat zastępczy

1

C

1

R

2

C

2

R

1

1

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1































R

C

R

C

C

C

j

R

C

C

C

C

C

j

o

o

o

,,

,

Składowe przenikalności są funkcjami częstotliwości !!!

1

2
2

2

























o

'

1

2
2

2

2





















)

(

'

'

o

Dielektryki polarne

–

straty mocy

krytyczna

pulsacja

k









2

1

''

,'







'



''



o

o

o

o

C

C

C

C

C

C

1

2

1

2

0

1

































.

,

.

'

''



















ob

o

oc

s

I

I

I

I

I

tg

I



o

I

U

s

I



orb

I

orc

I

I

Materiały izolacyjne -

parametry





r

– względna przenikalność elektryczna



r

v

-

rezystywność skrośna



r

s

-

rezystywność powierzchniowa



tg



– kąt stratności



K

kr

-

wytrzymałość elektryczna





-

trwałość (klasa izolacji)

Materiały izolacyjne -

przenikalność





r

– zależy od stanu skupienia dielektryka





r



1 dla dielektryków gazowych

(powietrze - 1.0006; HCl

– 1.003)





r

2



6 dla dielektryków ciekłych

(olej mineralny

– 2.4; olej syntetyczny

C

12

H

5

Cl

5

– 5





r

2



6 dla dielektryków stałych

(siarka

– 3.8; wosk synt. – 5; żywice synt. 3.5



6)





r

– zależy od temperatury (dla ciekłych)





r

-

zależy od częstotliwości

Materiały izolacyjne -

rezystywność skrośna



r

v

–

obrazuje uporządkowany przepływ ładunków

swobodnych przez objętość dielektryka, pochodzących z
rozszczepienia nielicznych cząstek dielektryka na jony

(pod

wpływem promieniowania jonizującego albo silniejszego nagrzania)

oraz od wad struktury i zanieczyszczeń



r

v

-

największa

dla dielektryków niepolarnych

(powietrze

– 10

18

W

m; olej min.

– 10

12

W

m; parafina 10

14

W

m)



r

v

-

najmniejsza

dla polarnych podatnych na jonizację

(aceton

– 10

4

W

m; woda destylowana 10

3

W

m)



r

v

–

średnia

dla polarnych nie podatnych na jonizację

(olej synt.

– 10

11

W

m; bakelit

– 10

12

W

m;)

Materiały izolacyjne -

rezystywność skrośna



r

v

–

zmniejsza się ze wzrostem temperatury

wskutek wzmożonej jonizacji

(szkła sodowe 20

o

C



200

o

C,

r

v

10

10

W

m



10

5

W

m)



r

v

-

dielektryków ciekłych i stałych porowatych zależy

od zanieczyszczeń i zawilgocenia

Materiały izolacyjne –

rezystywność powierzchniowa



r

s

-

jest cechą dielektryków stałych (10

7



10

20

W

m/m)



r

s

–

zależy od struktury warstwy wierzchniej i

składu materiału oraz oddziaływania ze

środowiskiem

(wilgoć i zanieczyszczenia)

tworzywa niejednorodne

hydrofobizacja (oleje, lakiery i pasty silikonowe)



r

s

-

koniecznie duża

w układach WN, ale także

mikroelektronicznych



r

s

-

jak najmniejsza

, gdy konieczne zapobieganie

elektryzacji: pomieszczenia zagrożone wybuchem

(kopalnie, lakiernie); maszyny włókiennicze; odzież;

Materiały izolacyjne –

kąt stratności



tg



– zależy od rodzaju dielektryka

tg







tg



– zależy w sposób złożony od temperatury

Materiały izolacyjne –

wytrzymałość elektryczna



K

kr

-

wytrzymałość elektryczna –

krytyczne

natężenie pola

, przy którym występuje

przebicie dielektryka

(nieliczne ładunki swobodne uzyskują w polu tak dużą
prędkość i tak dużą energię, że powodują lawinową
jonizację następnych cząstek – gwałtowny przepływ
prądu w postaci iskry lub łuku – trwałe zniszczenie
struktury dielektryka)



K

kr

-

wytrzymałość elektryczna zależy od

rodzaju napięcia



K

kr

-

zależy od kształtu elektrod (kształtu pola)



K

kr

-

zmniejsza się wskutek zawilgocenia



K

kr

-

zmniejsza się (na ogół) ze wzrostem temp.



K

kr

-

ma większą wartość dla cieńszych warstw



K

kr

-

ma

szczególne znaczenie

w układach

WN



K

kr

-

osiąga wartość

1

do

50

kV/mm

Materiały izolacyjne –

wytrzymałość elektryczna

Materiały izolacyjne -

trwałość



we wszystkich dielektrykach zachodzą z biegiem

czasu powolne, nieodwracalne zmiany chemiczne

(reakcje utleniania lub rozkładu),

powodujące

pogorszenie właściwości izolacyjnych –

starzenie

izolacji



starzenie intensywniejsze ze wzrostem temperatury





-

trwałość – czas, po którym w danej temp.

zmniejsza się o 50% wartość pewnej właściwości

(np.:

wytrzymałości mechanicznej, którą łatwo mierzyć, a której
zmiany zachodzą podobnie do zmian właściwości
dielektrycznych)

Materiały izolacyjne -

trwałość



dla określonej trwałości

(np.:



=20 lat

, czyli

przeciętny okres pracy urządzenia)

określa się stałą

temperaturę pracy



, odpowiadającą tej trwałości





-

określa tzw.

klasę izolacji

(czyli dopuszczalną

temperaturę pracy ciągłej, nie powodującą znaczącego
pogorszenia właściwości izolacyjnych materiału w okresie
trwałości)

Najwyższa

temp. pracy

60

75

90 105 120 130 155 180 >180

Znak klasy

Z

X

Y

A

E

B

F

H

C

Materiały izolacyjne -

trwałość

Z

-

guma

X

–

polwinit

Y

–

bawełna, jedwab, papier, winidur

A

–

materiały włókniste nasycone

E

–

papier nasycany bakelitem (płyty, rury), tłoczywa

fenolowo-formaldehydowe i melaminowo-formaldehydowe,
lakiery poliestrowe;

B

–

włókno szklane, azbest, mika – zlepione materiałami

organicznymi

F

-

materiały nieorganiczne zlepione żywicami organicznymi

(materiały epoksydowo – szklane)

H

–

żywica silikonowa oraz materiały nieorganiczne zlepione tą

żywicą

Materiały izolacyjne

lotne

powietrze, azot wodór, SF

6

,

freon

Powietrze



r

v

- 10

18

W

m





- 1.00059



K

kr

- 2-

7 kV/mm dla odstępu elektrod < 5mm

1-

2 kV/mm dla odstępu elektrod > 10mm

Azot



własności fizyczne zbliżone do powietrza,

chemicznie obojętny; do wypełniania powłok

szczelnych WN kabli el-en

(ciśnienie 17 at)

Materiały izolacyjne

lotne

Wodór

duża pojemność cieplna i przewodność cieplna, mała
gęstość

Właściwość

powietrze

wodór

gęstość

kg/m

3

1.3

0.09

przewodność
cieplna

W/mK

0.025

0.17

(7

× )

ciepło właściwe

Ws/kgK

0.73

×10

3

14.3

×10

3

(20

× )

Jako

chłodziwo

w dużych turbogeneratorach,

nie powoduje starzenia izolacji

Materiały izolacyjne

lotne

Sześciofluorek siarki

SF

6



bezbarwny, bezwonny, chemicznie obojętny



gęstość

5



większa od powietrza



wytrzymałość elektryczna

2.5



większa od powietrza



do izolowania WN trafo rtg, kabli teletechnicznych, w

wyłącznikach gazowo – wydmuchowych WN (duża

zdolność gaszenia łuku)

Freon

Nie stosowany ze względu na toksyczny rozkład
w wyładowaniu

(fosgen

– COCl

2

)

Materiały izolacyjne

ciekłe

Olej izolacyjny mineralny



mieszanina węglowodorów naftenowych, parafinowych

i aromatycznych

(z destylacji ropy naftowej)



r

v

- 10

14

W

m





- 2.4



tg



- 0.001

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

-

6 kV/mm dla odstępu elektrod < 5mm



temperatura zapłonu

– 120-140

o

C



temperatura krzepnięcia

- -5

o

C; -35

o

C

Materiały izolacyjne

ciekłe

Olej izolacyjny mineralny

Zastosowanie w transformatorach:



zmniejsza odstępy izolacyjne,



przyczynia się do zmniejszenia wymiarów rdzenia

i uzwojeń;



odprowadza ciepło strat na zewnątrz (c

wł

= 2

×10

3

Ws/kgK)

Zastosowanie w wyłącznikach:



gasi łuk



produkty rozpadu (H

2

– 70%; acetylen C

2

H

2

– 20 %;

reszta metan

– CH

4

; etylen C

2

H

4

; bańka gazowa o ciśn.

100 at; H

2

pod tym ciśnieniem

l

= 48 W/mK

Materiały izolacyjne

ciekłe

Olej izolacyjny syntetyczny

Zastosowanie w transformatorach:



zmniejsza odstępy izolacyjne,



przyczynia się do zmniejszenia wymiarów rdzenia

i uzwojeń;



odprowadza ciepło strat na zewnątrz



niepalny, niehigroskopijny, odporny na starzenie



wada: rozpuszcza lakiery i emalie oraz większość żywic





r

=5 (cząstki niesymetryczne)





r

oraz tg



– zależne od temperatury

Materiały izolacyjne

naturalne -

żywice

Bursztyn

(należy do

kopali

– przeobrażonych żywic drzew, które

rosły w dawnych okresach geologicznych)



r

v

- 10

15

W

m



r

s -

10

19

W

m/m





r

- 8



tg



- 0.001

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 20 kV/mm

temperatura mięknienia

200

o

C

Zastosowanie: jako twardy materiał izolacyjny w
miernikach elektrostatycznych

Materiały izolacyjne

naturalne -

żywice

Kalafonia

(żywica pochodzenia roślinnego, otrzymywana w wyniku
destylacji żywicy sosnowej)



r

v

- 10

13

W

m



r

s -

10

13

W

m/m





r

- 3



tg



- 0.015

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 12 kV/mm,

temperatura mięknienia

– 80

o

C



rozpuszczalna w oleju mineralnym, roślinnym, eterze,

benzynie, acetonie, spirytusie
 termoplastyczna


cząsteczki o charakterze dipolowym

Materiały izolacyjne

naturalne -

żywice

Kalafonia

Zastosowanie:



do zagęszczania oleju mineralnego - nasycanie

izolacji papierowej kabli



jako składnik zalew kablowych i syciw izolacyjnych



jako składnik lakierów olejno - żywicznych

Materiały izolacyjne

naturalne -

żywice

Szelak

(wydzielina pewnego gatunku owadów tropikalnych

(Lac Laccifer)

BULLS EYE SHELLAC

- 1849 r.

Materiały izolacyjne

naturalne -

żywice

Szelak



r

v

- 10

12

W

m





r

- 3



tg



- 0.001

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 25 kV/mm



temperatura mięknienia

80

o

C



długotrwale zapiekany w temp. 120

o

C

utwardza się

Materiały izolacyjne

naturalne -

żywice

Szelak

Zastosowanie:



do sklejania płatków miki

(jako roztwór spirytusowy)



jako szybkoschnący, klejący lakier izolacyjny

Materiały izolacyjne

mineralne

Mika

(minerał o składzie

K

2

O

· 6 MgO · Al

2

O

3

· 6 SiO

2

· 2 H

2

O,

o

charakterystycznej strukturze warstwowej)

Właściwości – prostopadle do warstw



r

v

- 10

11

W

m





r

- 6



tg



- 0.005

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 120 - 140 kV/mm

 dopuszczalna

temperatura pracy

– 1000

o

C

 niepalna, odporna termicznie, chemicznie, na

starzenie, mało nasiąkliwa

Materiały izolacyjne

mineralne

Mika

Zastosowanie:



do produkcji mikanitów, czyli folii lub płyt uzyskanych

poprzez sklejanie płatków miki lepiszczem żywicznym;



mikanity twarde

– przekładkowy (10% lepiszcza), na przekładki

i podkładki w maszynach elektrycznych, lampy

elektronowe, urządzenia półprzewodnikowe

- komutatorowy



mikanit giętki

(0.15

– 0.5 mm) – izolacja żłobkowa

w maszynach WN



mikanit grzejnikowy



mikafolie, mikaleks, samika, mikoceramika

Materiały izolacyjne

nieorganiczne

Szkło



bezpostaciowy materiał topiony; główne składniki:



SiO

2

oraz CaO

–

trudnotopliwe

 topniki - Na

2

CO

3

; K

2

CO

3

, obniżają temp. topnienia, lecz

pogarszają właściwości dielektryczne poprzez obecność

tlenków Na

2

O; K

2

O;

szkło sodowe

 tlenek boru B

2

O

3

–

wzrost rezystywności skrośnej

i zmniejszenie wsp. rozszerzalności liniowej;

szkło pireks



barwa zależna od zawartości tlenków metali (Fe

2

O

3

)

Materiały izolacyjne

nieorganiczne

Zawartość tlenku

Szkło

wapniowo-

alkaliczne

Szkło

półtwarde

borowo-

krzemowe

(wolframowe)

Szkło twarde

(Supremax)

Szkło

kwarcowe

(Corning

7900)

SiO

2

70,3

73,4

56,4

96,3

Al

2

O

3

1,3

0,8

20,1

0,4

B

2

O

3

-

20,0

8,9

2,9

CaO

6,0

-

4,8

-

MgO

3,7

-

8,6

-

BaO

-

3,3

-

-

Na

2

O

16,4

1,0

0,6

0,2

K

2

O

2,2

1,5

0,6

0,2

Własności



L

[K

-1

]

10,2

4,0

3,3

0,8

T

K100

[

o

C]

185

290

581

700



(50Hz...1 MHz)

6...8

5

6

3,9

tg



(20

o

C, 1 MHz)

6·10

-2

2,8·10

-3

1,8·10

-3

6·10

-4

Materiały izolacyjne

nieorganiczne

Szkło sodowo - wapniowe



r

v

- 10

12

W

m



r

s

- 10

13

W

m/m





r

- 6.6



tg



- 0.01

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 12 kV/mm

Zastosowanie:

do wyrobu izolatorów linii energetycznych

Materiały izolacyjne

nieorganiczne

Szkło borokrzemianowe



r

v

- 10

15

W

m



r

s

- 10

14

W

m/m





r

- 4.2



tg



- 0.003

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 30 kV/mm

Zastosowanie:



do wyrobu baniek żarówek



do produkcji włókna szklanego (

f

=0.005 mm)



skręcane nici

(oprzęd drutów nawojowych)



taśmy i tkaniny



laminaty

Materiały izolacyjne

nieorganiczne

Szkło kwarcowe



topienie czystego kwarcu

(kryształu górskiego lub

piasku kwarcowego)



r

v

- 10

16

Wm



r

s

- 10

15

W

m/m





r

- 4.3



tg



- 0.0002

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 40 kV/mm

Zastosowanie:



do wyrobu baniek leczniczych lamp rtęciowych

(UV)



do produkcji włókna kwarcowego

Materiały izolacyjne

nieorganiczne

Ceramika

Elementy formowane z plastycznej masy

(gliny, piasek i

inne minerały),

suszone i wypalane.

Wyroby odporne na utlenianie

(główne składniki to tlenki –

Al

2

O

3

, SiO

2

, MgO)

Porcelana elektrotechniczna



r

v

- 10

10

W

m



r

s

- 10

12

W

m/m





r

- 5;

(100

o

C ok. 7)



tg



- 0.02

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 25 kV/mm

Zastosowanie:



do wyrobu izolatorów liniowych i stacyjnych



do produkcji tulejek, rolek, korpusów, główek bezp.



17.11.2012r.

Materiały izolacyjne

nieorganiczne

Porcelana kondensatorowa

Materiał ceramiczny o b. dużej przenikalności elektrycznej





r

-

50 - 150;

(gł. składniki : rutyl – TiO

2

lub tytanian

wapnia

– CaTiO

3

)





r

- 10

– 20;

(gł. składniki : tytanian magnezu –

2 MgO

· CaTiO

3

)



r

-

rzędu 8000;

(gł. składniki : tytanian baru –

BaO

· TiO

2

);

ferrodielektryki

Materiały izolacyjne

organiczne - polimery

Polimery

– wielkocząsteczkowe związki

organiczne otrzymywane w wyniku reakcji
chemicznych;



są mało higroskopijne



mają dobre właściwości izolacyjne



mają właściwości klejące, co jest ważne przy

wytwarzaniu kompozytów



rozróżnia się

(wg reakcji otrzymywania):

tworzywa polimeryzacyjne

tworzywa poliaddycyjne

tworzywa polikondensacyjne

Materiały izolacyjne

syntetyczne -

żywice

Żywice polimeryzacyjne

(termoplasty):



powstają w wyniku polimeryzacji, czyli łączenia się cząstek

prostych

(monomerów)

pewnej jednorodnej substancji w cząstki

złożone

(polimery)

pod wpływem nagrzania, ciśnienia i

katalizatorów;



pod wpływem temperatury wielokrotnie miękną i twardnieją po

ostygnięciu, bez zmian właściwości fizycznych i chemicznych

(makrocząsteczki już nie łączą się ze sobą)

Najważniejsze żywice polimeryzacyjne:

 polietylen

 polistyren
 policzterofluoroetylen (teflon)
 polichlorek winylu (PCV)
 polimetakrylan metylu (pleksi)

Materiały izolacyjne

syntetyczne -

żywice

Żywice polikondensacyjne:



powstają w wyniku łączenia się monomerów

dwu

(lub więcej)

substancji, najczęściej z wydzielaniem produktów ubocznych (np.:
wody); rozrost makrocząstek odbywa się zarówno poprzez dołączanie
monomerów, jak i łączenie się makrocząstek

między sobą;



makrocząstki rozrastają się we wszystkich kierunkach, tworząc bryły

przestrzenne; są na ogół kruche



początkowo pod wpływem temperatury miękną, dłużej podgrzewane

twardnieją nieodwracalnie



Najważniejsze żywice polikondensacyjne:



fenolowo-formaldehydowe

 mocznikowe
 melaminowe
 anilinowe
 poliamidowe
 poliestrowe
 epoksydowe

(w wyniku procesu poliaddycji)

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polietylen (C

2

H

4

)

n

Polietylen wysokociśnieniowy (do 2000 at) – dużo odgałęzień
bocznych,
Polietylen nisokociśnieniowy (do 70 at) – mało odgałęzień bocznych,
twardy

Jako materiał izolacyjny stosowany PET wysokociśnieniowy:

elastyczny, białawy, niehigroskopijny, mięknie w temp. 90

o

C,

odporny na kwasy, zasady, olej min., węglowodory aromatyczne
ciekłe.



r

v

- 10

15

W

m





r

- 2.3;



tg



- 0.0002

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 40 kV/mm

Zastosowanie:



powłoki izolacyjne kabli podwodnych telekomunikacyjnych.

 kable w.cz. (TV, radary)


przewody antenowe oraz narażone na działanie benzyny

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polistyren (C

8

H

8

)

n

(C

8

H

8

– ciekły styren)

Stały, bezbarwny, przezroczysty, niehigroskopijny, odporny
na kwasy, zasady, olej min., rozpuszczalny w toluenie i
ksylenie



r

v

- 10

15

W

m





r

- 2.5;



tg



- 0.0005

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 60 kV/mm;

(cienka folia 100 kV/mm)

Zastosowanie:



w postaci cienkiej folii w kondensatorach pracujących

w w.cz.

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Policzterofluoroetylen (C

2

F

4

)

n

Polimeryzacja pod ciśnieniem bez podgrzewania, w wyniku powstaje
PTFE jako proszek
Wyroby z PTFE poprzez spiekanie wstępnie sprasowanego proszku w
temp. ok. 300

o

C i ciśn. 300 at.

Właściwości

:

niepalny, niehigroskopijny, całkowicie odporny

chemicznie; stałe właściwości od -100

o

C do 300

o

C.



r

v

- 10

16

W

m





r

- 2.1;



tg



- 0.0003

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 35 kV/mm

Zastosowanie:



do izolowania przewodów w.cz. oraz uzwojeń maszyn elektr.

narażonych chemicznie i pracujących powyżej 180

o

C.

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polimetakrylan metylu (C

4

H

6

O

2

)

n

Otrzymywanie

– polimeryzacja ciekłego metakrylanu metylu,

formowanie pod ciśnieniem

Właściwości

:

bezbarwny, przezroczysty,

niepalny,

niehigroskopijny, odporny na rozcieńczone kwasy i zasady, olej
mineralny, benzynę, rozpuszczalny w chloroformie i acetonie;



r

v

- 10

10

- 10

13

W

m





r

- 3,5;



tg



- 0.05

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 18-22 kV/mm

Zastosowanie:



wykładziny komór gaszeniowych łuku (przy rozkładzie duże ilości

CO, CO

2

, H

2

, H

2

O)

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polichlorek winylu (C

2

H

3

Cl)n

Polimeryzacja monomeru w temp. ok. 50-55

o

C, surowy biały proszek.

Po przeróbce twardy lub elastyczny ( po dodaniu

plastyfikatorów

–

estry kwasów organicznych,

stabilizatorów, pigmentów i napełniaczy

–

kreda, talk, kaolin, tlenek magnezu, węglan wapnia, mika, celuloza)

Właściwości

:

termoplastyczny, trudnopalny, niehigroskopijny,

odporny na działanie kwasów, zasad, soli, oleju mineralnego i
światła.

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polichlorek winylu (C

2

H

3

Cl)n

Właściwości elektryczne

r

v

- 10

11

W

m





r

- 4,3;



tg



- 0.03

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 30 kV/mm

Zastosowanie:



odmiana elastyczna

nanoszona natryskowo (polwinit, igielit) jako

izolacja przewodów instalacyjnych, giętkich samochodowych,
produkcja koszulek, rur izolacyjnych


Odmiana twarda

– materiał konstrukcyjno – izolacyjny, m.in. W

procesach elektrolizy.

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polipropylen (C

3

H

6

)n

Właściwości elektryczne

r

v

- od 10

17

do 10

19

W

m





r

- 2,1;



tg



-

0.002…..0,0003

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 30 kV/mm



Najlżejszy spośród szeroko stosowanych polimerów – gęstość ok.

900kg/m

3



odporny na działanie

kwasów

,

zasad

i

soli

oraz

rozpuszczalników

organicznych

.

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polipropylen (C

3

H

6

)n

ataktyczny

izotaktyczny

syndiotaktyczny

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Polipropylen (C

3

H

6

)n

przemysł elektrotechniczny i elektroniczny:

obudowy i części różnych

produktów, izolacje, w tym kabli i przewodów

przemysł chemiczny i farmaceutyczny: przewody do wody i cieczy
agresywnych, zbiorniki, wykładziny, strzykawki jednorazowego użytku,
opakowania leków, itp.

przemysł włókienniczy: włókna dywany, tkaniny techniczne, itp.;
włókna polipropylenowe stanowią około 12% ogólnej ilości włókien
syntetycznych

przemysł samochodowy: wiele elementów samochodów, jak np.
zderzaki, elementy wyposażenia wnętrza

budownictwo i meblarstwo:

izolacje piankowe, wykładziny,

wyposażenie łazienek,, przewody gazowe i centralnego ogrzewania
oraz klimatyzacji, niektóre meble i ich elementy

Materiały izolacyjne

polikondensacyjne - duroplasty

Żywice fenolowo - formaldehydowe

(C

6

H

5

OH)

+ HCHO

Nadmiar formaldehydu

– twarde i kruche tworzywo (bakelit)

Właściwości

:

niepalny, niehigroskopijny, słabe właściwości

dielektryczne



r

v

- 10

10

W

m





r

- 4,5;



tg



- 0.04

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 18 kV/mm

Zastosowanie:



składnik wiążący tłoczyw termoutwardzalnych do elem. izol, n.n.

 do produkcji tworzyw warstwowych

Nadmiar fenolu

– nowolak, jako składnik lakierów

izolacyjnych

Materiały izolacyjne

polikondensacyjne - duroplasty

Żywice poliamidowe

Produkt polikondensacji dwuamin

(związki organiczne

zawierajace dwie grupy aminowe czyli NH

2

)

z kwasami

dwukarboksylowymi

(związki organiczne zawierające dwie

grupy karboksylowe COOH)

Właściwości

:

wytrzymała mechanicznie, odporna na działanie

ciekłych węglowodorów

Zastosowanie:



do izolowania drutów: jako emalie – izoperlon, jako oprzęd – nylon

kapron, stylon



Jako osłony izolacyjne aparatów elektrycznych domowego użytku

metodą natryskową

Materiały izolacyjne

polikondensacyjne - duroplasty

Żywice poliamidowe

nylon

kevlar

Materiały izolacyjne

polikondensacyjne - duroplasty

Kevlar



nie koroduje,



niepalny,



w przeliczeniu na jednostkę masy ma pięć-sześć razy

większą odporność na zerwanie niż stal,



mocniejszy niż włókna szklane i węglowe



Topi się w temp. 400

o

C



Nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych

–

niemożliwe przędzenie włókien

Materiały izolacyjne

polikondensacyjne - duroplasty

Kevlar



Rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym,



Rozpuszczony nie skłębia się, jak inne poliamidy,



Wiązania podwójne oddzielone od pojedynczych

(jakby „rozsmarowanie elektronów”), co zapobiega

rotacji fragmentów łańcucha



sztywne pałeczki powiązane siłami van der Walsa,

które w uformowanym strumieniu zachowują się jak

powiązane kłody spławiane rzeką



Zastosowanie

– kamizelki kuloodporne, liny, hełmy,

osłony

Materiały izolacyjne

polikondensacyjne - duroplasty

Poliimidy



Polimery o łańcuchach zbudowanych z merów
zawierających charakterystyczne ugrupowanie
atomów (-CO-N-CO-);



otrzymywane przez polikondensację aromatycznych
kwasów tetrakarboksylowych.



odporne na wysoką temperaturę (400-500

o

C), na

działanie tlenu i rozpuszczalników,



mają dobre własności mechaniczne (znaczną
sprężystość i udarność).



Stosowane są do wyrobu folii elektroizolacyjnych

(Kapton)

, powłok i włókien w przemyśle

elektromaszynowym oraz w technice rakietowej.

Materiały izolacyjne

syntetyczne - termoplasty

Żywice epoksydowe

Fenol + aceton + gliceryna

→ reakcja poliaddycji →

żywica

epoksydowa

(grupa epoksydowa C

2

H

3

O), np.: epidian

araldit

Właściwości

:

twarde, niehigroskopijne, odporne na chemikalia

Właściwości elektryczne



r

v

- 10

15

W

m





r

- 3,8;



tg



- 0.003

(20

o

C; 50Hz)



K

kr

- 24 kV/mm

Zastosowanie:



jako żywice lane do wytwarzania elementów izolacyjnych w

formach (n.p: izolatory ś.n.), do lakierów, jako lepiszcze – laminat
epoksydowo

– szklany, jako zalewy hermetyzujące

Organiczne substancje wielkocząsteczkowe

nieobrabiane cieplnie

Materiał

T

dop



r

v

tg



Kkr

Celuloza
czysta

1400-
1500

60-
100

3.5- 8.0

10

8

-

10

16

0.02-
0.03

30-
50

Preszpan

850-
1350

90

2.5-3.5

10

8

-

10

15

0.01-
0.02

10-
16

Bibułka
kon-
densator
owa

750-
1300

90

1.75-
3.2

10

15

-

10

16

0.02-
0.03

15

Jedwab
naturalny

1370

90

4.5

10

15

0.01

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)



Pierwszy materiał ferroelektryczny: Rochelle

Salt.



Postęp w dziedzinie badań oraz zastosowań w

latach 1950-tych,



Obecnie najszerzej stosowany ferroelektryk to

BaTiO

3

.

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)



Ferroelektryk jest to materiał, który wykazuje

spontaniczną polaryzację elektryczną

(nawet

bez pola elektrycznego).



Nazwa zjawiska została zapożyczona od

ferromagnetyzmu

(jest to mylące, gdyż

ferroelektryki raczej nie zawierają atomów Fe).

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Przykład ferroelektryka: BaTiO

3

Struktura regularna (powyżej

120 ºC). Wiązania Ti-O są

naprężone, > 2.0 Å.

W temp. 120

0

C zachodzi

przemiana fazowa, w której Ti

przemieszcza się ze środka

sześcianu w stronę jednego z
tlenów.

→ Struktura tetragonalna

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Jony baru nic nie wnoszą

W rezultacie, moment dipolowy komórki

elementarnej wynosi:

p =1,06 *10

-29

Cm

Polaryzacja:

P ≈ 1,06 *10

-29

Cm/0,41*10

-9

m

3

=0,16 C/m

2

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Temperatura Curie i przemiany fazowe:



Spontaniczna polaryzacja pojawia się

zazwyczaj poniżej pewnej temperatury.

Temperatura krytyczna nosi nazwę

temperatury Curie.



W ceramikach ferroelektrycznych

spontaniczna polaryzacja wiąże się ze

strukturalnymi przemianami fazowymi ( w

innych materiałach ferroelektrycznych

może to być też przemiana typu porządek-

nieporządek).

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Zastosowania

Najpowszechniej stosowane ferroelektryki;

Jako materiały dielektryczne w kondensatorach;

Detektory;

Tranzystor;

Pamięci ferroelektryczne.

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Zastosowania

Jako materiały dielektryczne w kondensatorach;

PZT

– roztwór stały dwu kryształów:

(PbTiO

3

)

oraz

(PbZrO

3

)

Pożądana duża wartość



Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Dielektryki specjalne

– ferroelektryki

(5)

Dielektryki „specjalne” – piezoelektryczność

Inne dielektryki o wyróżniającej się polaryzacji:



Elektrety

(ferroelektryki o bardzo dużej

wypadkowej polaryzacji, utrzymującej się po
usunięciu pola zewnętrznego)



Piroelektryki

– zmiana polaryzacji pod wpływem

zmiany temperatury

Dielektryki „specjalne” – piezoelektryczność

Piezoelektryki



Zmiana polaryzacji (wytwarzanie pola

elektrycznego) pod wpływem przyłożonego
naprężenia mechanicznego -

efekt

piezoelektryczny prosty



Powstawanie odkształceń (deformacja) pod

wpływem przyłożonego pola elektrycznego -

efekt piezoelektryczny odwrotny

Dielektryki „specjalne” – piezoelektryczność

Piezoelektryki



Efekt piezoelektryczny wykazuje bardzo wiele

kryształów; praktycznie do piezoelektryków zalicza
się te, które wykazują silne zjawisko
piezoelektryczne



Cecha szczególna piezoelektryków – struktura

krystalograficzna nie wykazuje środka symetrii

(dla

dowolnie wybranego układu współrzędnych
węzłowi

określonemu przez wektor

R

nie

odpowiada identyczny węzeł w położeniu

-R)

Dielektryki „specjalne” – piezoelektryczność

Anion

Kation

A

B

C

F

E

D

X

1

X

2

Środki ciężkości anionów i kationów pokrywają się

Dielektryki „specjalne” – piezoelektryczność

A

B

C

F

E

X

1

X

2

+q

-q

a

Polaryzacja proporcjonalna do odkształcenia

(w granicach słuszności prawa Hooke’a) do naprężenia

Dielektryki „specjalne” – piezoelektryczność



W zmiennym polu elektrycznym kryształ pobudzany
do drgań



Maximum amplitudy przy rezonansie częstotliwości
wymuszającej z częstotliwością drgań własnych
kryształu



Występowanie zjawiska piezoelektrycznego prostego
i odwrotnego umożliwia wykorzystanie elementów
piezoelektrycznych jako przetworników energii
elektrycznej w mechaniczną i odwrotnie:



mikrofony,



defektoskopy ultradźwiękowe,



rezonatory do stabilizacji częstotliwości w
generatorach

Techniczne formy materiałów izolacyjnych



„czyste” - w formie odlewanej, natryskiwanej, tłoczonej,



folie



Tłoczywa złożone



Laminaty stałe, włókniste, oprzęd



Tworzywa warstwowe



Lakiery i emalie

Techniczne formy materiałów izolacyjnych



Płyty BAKELITOWE PCF - wysokociśnieniowy laminat złożony ze

specjalnego

papieru elektroizolacyjnnego nasyconego żywicami

fenolowymi.
Charakteryzuje się wyjątkową stabilnością właściwości mechanicznych w
szerokim zakresie temperatur.



Doskonale nadaje się do wykrawania zarówno na zimno jak i na

gorąco.



Bardzo wysokie właściowości dielektryczne.



W czasie pożaru płyta nie topi się , ale zwęgla do końca utrzymując

swój kształt. Bardzo dobrze pracuje w oleju transformatorowym.

Płyty papierowo-fenolowe i papierowo-epoksydowe

Techniczne formy materiałów izolacyjnych



występują także odmiany o podwyższonej odporności na szok
termiczny np. 10min/200stC oraz z warstwami melaminy
podwyższającej odporność na prądy pełzające i łuk elektryczny.
•Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej 120

0

C



•Do pracy w oleju i w powietrzu o normalnej wilgotności



•Dobra obrabialność mechaniczna



POTOCZNE NAZWY PŁYTY PAPIEROWO-FENOLOWEJ:

BAKELIT - REZOKARD

Płyty papierowo-fenolowe i papierowo-epoksydowe

Techniczne formy materiałów izolacyjnych



Zastosowania elektryczne i konstrukcyjne



Do pracy w powietrzu i oleju w urządzeniach wysokiego napięcia



Bardzo dobre właściwości dielektryczne i mechaniczne



Niska chłonność wody



Klasa izolacji od

E

(120

o

C)

do

C

(200

o

C),

a nawet

powyżej 220

o

C

Płyty szklano - epoksydowe

Techniczne formy materiałów izolacyjnych

Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej 180

0

C

Do pracy w powietrzu i oleju

Bardzo dobra odporność na łuk elektryczny i prądy pełzające

Kategoria palności FVO

Niska chłonność wody

Zastosowania elektryczne średnionapięciowe i elektroniczne.

Dobre właściwości dielektryczne przy wysokich częstotliwościach.

Płyty szklano - silikonowe

Techniczne formy materiałów izolacyjnych



wysokociśnieniowy laminat zbrojony tkaniną bawełnianą ,



wyjątkowa stabilność właściwości mechanicznych w szerokim

zakresie temperatur.



doskonały i uniwersalny materiał konstrukcyjny o wyjątkowej

stabilności wymiarowej przy dużych obciążeniach i w

podywższonych temperaturach.



Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej

120

0

C



Do pracy w oleju i w powietrzu o normalnej wilgotności



Bardzo dobra obrabialność mechaniczna



Zastosowania elektryczne średnionapięciowe



Dobre właściwości dielektryczne i obniżona chłonność wody

Płyty bawełniano – fenolowe

TEKSTOLIT

,

REZOTEKS - TURBAX - TEXTOLIT

Techniczne formy materiałów izolacyjnych



Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej

130

0

C



Do pracy w powietrzu i oleju



Bardzo dobra odporność na łuk elektryczny i prądy pełzające



Kategoria palności FVO



Płyty bawełniano-melaminowe. - zastosowania elektryczne

niskonapięciowe



Płyty szkano-melaminowe. - zastosowania elektryczne

średnionapięciowe i konstrukcyjne, lepsze właściwości
dielektryczne

Płyty bawełniano-melaminowe i szklano-melaminowe

Techniczne formy materiałów izolacyjnych

Rury

warstwowe zwijane, rury i pręty prasowane:



papierowo-fenolowe,



Bawełniano – fenolowe,



szklano

– epoksydowe



Szklano

– silikonowe

Techniczne formy materiałów izolacyjnych



Mikanity



Taśmy mikowe



Ceratki i taśmy izolacyjne



Folie



Preimpregnaty

Techniczne formy materiałów izolacyjnych

Laminaty szklano-epoksydowe

foliiowane miedzią FR-4



Grubość: 0,5; 0,8; 1,0; 1,5; 2,0 mm.



Grubość folii miedzianej: 18; 35; 70

m

m



Temperatura pracy ciągłej to 130

0

C

Przetwórstwo tworzyw sztucznych

Polimery

konstrukcyjne - metody przetwarzania:



Wtryskiwanie



Wytłaczanie



Prasowanie



Laminowanie

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Wtryskiwanie

to proces cykliczny, w którym materiał

wyjściowy w postaci granulek lub krajanki, podany z

pojemnika do ogrzewanego cylindra, uplastycznia się i

następnie jest wtryskiwany przez dyszę i tuleję

wtryskową do gniazd formujących. Tworzywo zestala się

w nich, a następnie jest usuwane z formy w postaci

gotowej wypraski, po czym cykl procesu rozpoczyna się

od nowa. Proces ten przeznaczony jest głównie do

przetwórstwa tworzyw termoplastycznych, lecz

stosowany również do przetwórstwa tworzyw termo - i

chemo - utwardzalnych. Wtryskiwanie jest podstawowym

procesem wytwarzania z tworzyw sztucznych gotowych

wyrobów o masie od 0,01g do 70 kg .

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Zalety procesu wtryskiwania

- wytwarzanie nawet najbardziej skomplikowanych
wyrobów w jednym procesie technologicznym;
-

mały bądź żaden udział obróbek wykańczających;

-

wysoka jakość i powtarzalność własności i wymiarów;

-

możliwość pełnego zautomatyzowania, komputerowego

sterowania i kontroli procesu;

-

w porównaniu z obróbką metali, znaczne zmniejszenie

liczby operacji technologicznych, mniejsze zużycie
energii bezpośredniej i wody, niewielka pracochłonność,
niska emisja związków szkodliwych dla otoczenia.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Wady procesu wtryskiwania

- wysoki koszt maszyn (wtryskarek) i niejednokrotnie
dorównujący mu koszt oprzyrządowania (form),
powodujący wydłużenia czasu amortyzacji i wysokie
koszty uruchamiania produkcji;

-

ze względu na powyższe, technologia wtrysku opłacalna

tylko przy produkcji wielkoseryjnej i masowej;

-

konieczność wysokich kwalifikacji pracowników nadzoru

technicznego, którzy muszą znać specyfikę przetwórstwa
tworzyw sztucznych;

-

konieczność zachowania wąskich tolerancji parametrów

przetwórstwa;
-

długi czas przygotowania produkcji ze względu na

pracochłonność wykonawstwa form wtryskowych.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Charakterystyka procesu wtryskiwania



bardzo złożony proces technologiczny o charakterze

mechaniczno- fizycznym

(w odróżnieniu od pozornie

pokrewnego procesu odlewania ciśnieniowego metali,
które jest w zasadzie procesem mechanicznym)



Efekt -

wypraska charakteryzująca się nie tylko

określonym kształtem, lecz także specyficzną strukturą,
wynikającą ze sposobu płynięcia uplastycznionego
tworzywa w formie oraz przebiegu jego krzepnięcia.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Charakterystyka procesu wtryskiwania c.d.



Ponieważ procesy te zachodzą w formie wtryskowej,

konstruktor formy musi uwzględniać, prócz zagadnień
typowo mechanicznych, również zagadnienia związane z
fizycznym charakterem przemian tworzywa

(skurcz).



Skonstruowanie racjonalnie pracującej formy wymaga

równocześnie od konstruktora gruntownej znajomości
możliwości technicznych wtryskarki, ponieważ jest to
maszyna o wyjątkowo bogatych możliwościach.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Fazy procesu wtryskiwania

1.

zamykanie formy,

2.

dosuwanie układu uplastyczniającego do formy tak aby

dysza wtryskowa zetknęła się z tuleją wtryskową,

3.

wtryśnięcie uplastycznionego tworzywa przez dyszę do

gniazda formy i jego wypełnienie (faza wtrysku)

4.

uzupełnienie tworzywa w gnieździe poprzez nieduże

dociśnięcie ślimaka w celu wyrównania zmniejszenia
objętości wywołanej skurczem zestalającego się tworzywa
(

faza docisku

),

5.

chłodzenie wypraski;

6.

odsunięcie układu uplastyczniającego i wprawienie

ślimaka w ruch obrotowy, co powoduje ponowne pobranie
tworzywa z leja zasypowego i jego uplastycznienie,

7.

otwarcie formy i wyjęcie wypraski,

8.

przygotowanie formy do następnego cyklu.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Rodzaje procesów wtryskiwania:

1.

Wtryskiwanie tworzyw termoutwardzalnych

-

w czasie

nagrzewania których zachodzą dwa przeciwdziałające
sobie zjawiska: uplastycznianie i następnie stapianie oraz
polimeryzacja, której skutkiem jest utwardzanie tworzywa.
Tworzywo w układzie uplastyczniającym ulega
niecałkowitemu uplastycznieniu. Utwardzanie tworzywa
zachodzi w gnieździe formy, która jest ogrzewana.

2. Wtryskiwanie wielokomponentowe

-

może być

prowadzone w różnych wariantach. Wypraska może
składać się z różnych tworzyw lub z tych samych tworzyw
o różnych kolorach (wtryskiwanie wielokolorowe).

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Rodzaje procesów wtryskiwania c.d.:

3. Wtryskiwanie wyprasek porowatych

-

uzyskuje się

przede wszystkim dzięki wprowadzeniu do tworzywa
wejściowego poroforu rozkładającego się w procesie
przetwórstwa. Wypraska porowata ma litą warstwę
zewnętrzną - naskórek różnej grubości, a rdzeń porowaty.

4. Wtryskiwanie niskociśnieniowe

-

wypełnianie gniazda

formy wtryskowej odbywa się przez obracający się ślimak
o stożkowym i uzwojonym zakończeniu, utrzymywanym w
poprzednim położeniu bezpośrednio przy dyszy
wtryskowej -

szybkie doprowadzanie tworzywa do żądanej

temperatury i ułatwienie wypełniania gniazda formującego;
do wytwarzania przedmiotów grubościennych o dużych
wymaganiach co do wymiarów, kształtu i położenia.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Rodzaje procesów wtryskiwania:

5.

Wtryskiwanie wspomagane gazem obojętnym

- po

wprowadzeniu do formy niewielkiej porcji tworzywa zostaje
wprowadzony sprężony azot (ok. 30 MPa), który je
rozdmuchuje. Stosowane przy produkcji wyrobów o
przekroju zamkniętym, czego nie można uzyskać w innych
procesach. Stosowane również dla uzyskania dużej
sztywności przekroju przy zachowaniu cienkościenności
wypraski.

6.

Wtryskiwanie z doprasowaniem

- gniazda formy

zamykają się teleskopowo; tworzywo jest ściskane przez
cały czas ochładzania;

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Rodzaje procesów wtryskiwania c.d.:

7.

Wtryskiwanie z rozdmuchiwaniem

-

po wtryśnięciu część

stemplowa formy z niezastygniętym tworzywem zostaje
przesunięte do innej formy o kształcie np.; butelki. W
wyniku rozdmuchu i ochłodzenia kształt zostaje utrwalony.

8.

Wtryskiwanie termoutwardzalnych elastomerów

-

usieciowanie tworzywa lub gumy następuje dopiero w
gorącej formie wtryskowej o temperaturze ok. 180°C.

9. Wtryskiwanie żywic i kauczuków dwuskładnikowych

-

dwa komponenty żywicy lub np. kauczuku silikonowego
doprowadzane są przez małe pompy i urządzenia
mieszające do cylindra wtryskowego. Przyśpieszone
sieciowanie odbywa się w gorącej formie wtryskowej.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Wtryskiwanie trójkomponentowe

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie



Duża rola doświadczenia zarówno technologa

ustalającego proces, jak i wtryskiwacza przestrzegającego
ustaleń założonych w warunkach produkcyjnych.



Najważniejsze parametry procesu wtryskiwania :

temperatura, ciśnienie i czas wtrysku.



Dobór tych parametrów zależy od:

-

kształtu i wielkości wypraski

-

rodzaju i własności użytego tworzywa

-

sprawności pracy wtryskarki

- konstrukcji formy.

Dodatkowo temperatura wtrysku zależy jeszcze od: temperatury

formy, ciśnienia tłoka wtryskowego i szybkości wtrysku. Natomiast
czas wtrysku zależy jeszcze od: wydajności uplastyczniania, ciśnienia i
temperatury wtrysku, oraz szybkości wtrysku. Parametry te decydują o
wydajności procesu, jakości wyprasek, własności mechanicznych
wyrobu i jego zastosowania.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Parametry procesu wtrysku:

-

Ciśnienie wtrysku

P

w

-

największe ciśnienie tworzywa

panujące w cylindrze wtryskowym na czole ślimaka lub
tłoka podczas wypełniania formy.

-

Ciśnienie docisku

P

d

-

ciśnienie tworzywa na czole

ślimaka lub tłoka wtryskowego podczas uzupełniania
ubytków skurczowych tworzywa w formie.

-

Ciśnienie spiętrzenia (przeciwciśnienie) Ps - ciśnienie

tworzywa w przedniej części cylindra podczas
pobierania surowca przez obracający się ślimak.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Parametry procesu wtrysku c.d.

- Temperatura wtrysku Tw - temperatura cylindra
niezbędna do właściwego uplastyczniania tworzywa,
podawana dla ostatniej (przedniej) strefy cylindra.
- Temperatura stref formy Tf1, Tf2
-

Temperatura formy

Tf -

średnia temperatura na

powierzchni gniazda formy.
-

Czas cyklu

tc

-

Czas wtrysku

tw -

czas wypełniania formy tworzywem,

wynikający z prędkości wtrysku.
-

Czas docisku

td -

czas trwania ciśnienia docisku.

-

Czas chłodzenia

tch -

czas zamknięcia formy do

momentu zakończenia wtrysku.
-

Czas przerwy

tp -

czas obejmujący otwieranie formy,

usuwanie wypraski i inne manipulacje, zamykanie formy

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Parametry procesu wtrysku c.d.:

-

Objętość wtryskiwania Vw

-

Objętość docisku Vd

-

Objętość dekompresji Vdk

-

Prędkość wtryskiwania vw

-

Prędkość zamykania formy vz

-

Prędkość otwierania formy vo

-

Prędkość wypychania wypraski vu

-

Prędkość dosuwania i odsuwania cylindra vcyl

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Parametry procesu wtrysku c.d. :

-

Siła zamykania formy

Fz

-

Siła otwierania formy Fo

-

Siła wypychania wypraski Fu

-

Siła docisku dyszy Fcyl

Na ogół należy ustalić takie warunki procesu
wtryskiwania, aby uzyskać wypraski o odpowiedniej
jakości przy jak największej wydajności. Dla
sprawniejszego wypychania wyprasek z gniazd formy
wtryskowej stosuje się powłoki środków
przeciwprzyczepnych, którymi powleka się
powierzchnie gniazda.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

1-

siłownik napędu stołu, 2- kolumny prowadzące stół, 3- nakrętki do

nastawiania wysokości formy, 4- stół tylny nieruchomy przestawny, 5-
zespół kolumnowo- dźwigniowy, 6- stół ruchomy, 7- zderzak wtryskarki, 8-
stół przedni nieruchomy, 9- cylinder wtryskowy, 10- dysza wtryskarki, 11-
ślimak, 12- grzejnik, 13- chłodzenie strefy zasypowej cylindra, 14- lej
zasypowy, 15-

silnik napędu ruchu obrotowego ślimaka, 16- siłownik

przesuwu ślimaka, 17- prowadnice agregatu wtryskowego, 18- zbiornik oleju
układu hydraulicznego, 19- siłownik przesuwu cylindra, 20- dławik, 21-
regulator ciśnienia oleju układu hydraulicznego.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Dysze wtryskowe

Zależnie od lepkości i odporności tworzywa na
ścieranie stosowane są różnego rodzaju dysze
wkręcane w końcówkę cylindra.

- dysze otwarte

zapewniające najlepszy przepływ,

lecz równocześnie nie zabezpieczające przed
niekontrolowanym wyciskiem tworzywa,

-

dysze zamykane tłoczkowe

zabezpieczające

przed wyciekami tworzywa z cylindra, lecz
powodujące zaleganie tworzywa i duże straty
ciśnienia,

-

dysze zamykane igłą

działającą na zasadzie

zaworu bezpieczeństwa; szczególnie zalecane do
wtryskiwania tworzyw, takich jak PA,POM, w
przypadku których gazy powstające przy
rozkładzie źle przetwarzanego tworzywa mogą
nawet spowodować wypadek,

-

dysze zamykane igłą sterowaną siłownikiem

hydraulicznym, niezbędne przy wtryskiwaniu np.
tworzyw spienianych.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Budowa i działanie formy wtryskowej.

Narzędzie o budowie podobnej do form prasowniczych,
form do wtrysku metali pod ciśnieniem.

Narzędzie

precyzyjne

-

dokładność wykonania formy, odpowiadająca

0,3-

0,1 tolerancji wyrobu. Stopień skomplikowania,

konieczność udziału pracy ręcznej do 40% powoduje, że

koszt formy produkcyjnej jest b. wysoki.

W

formie wtryskowej

wyróżnia się

dwie jej połówki:

-

nieruchomą, zwaną również matrycową lub wtryskową,

związaną z nieruchomym stołem wtryskarki,
-

ruchomą, zwaną także stemplową lub wypychaczową,

związaną z ruchomym stołem wtryskarki.
Granicą podziału jest powierzchnia, w której styka się płyta
stemplowa z matrycową.

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Budowa i działanie formy wtryskowej c.d.:

Forma posiada następujące układy funkcjonalne:

-

gniazdo formujące,

-

układ wlewowy,

-

układ chłodzenia,

-

układ wypychania wypraski,

-

układ usuwania wlewka,

-

elementy prowadzące i ustalające połówki formy,

-

napędy płyt i segmentów,

-

obudowę,

Przetwórstwo tworzyw - wtryskiwanie

Schemat formy wtryskowej
dwugniazdowej, zimnokanałowej:

1-Tuleja wtryskowa, 2-

Układ

wlewowy, 3-Matryca, 4-Gniazdo
formujące, 5-Stempel, 6-
Wypychacz wypraski, 7-
Wypychacz wlewka, 8-

Pierścień

centrujący tylny, 9-Płyta mocująca
stempla, 10-

Płyta oporowa

wypychaczy, 11-

Tuleja prowadząca

wypychaczy, 12-

Płyta wypychaczy,

13-

Słup prowadzący wypychaczy,

14-Listwa podporowa stempla, 15-
Płyta podporowa stempla, 16-
Tuleja prowadząca, 17-Płyta
stempla, 18-

Słup prowadzący, 19-

Płyta matrycy, 20-Płyta mocująca
matrycy, 21-

Pierścień centrujący

przedni.

Ochrona środowiskowa urządzeń

elektrycznych

Dobór materiałów

(przeznaczenie, warunki eksploatacji, czas użytkowania)

Obudowy i osłony zewnętrzne

Lakierowanie

Impregnacja

Hermetyzacja