1
ĆWICZENIE 3
MATERIAA
Y ELEKTROIZOLACYJNE.
IDENTYFIKACJA TWORZYW SZTUCZNYCH
1. WPROWADZENIE
Tworzywa sztuczne oparte o wielkoczÄ…steczkowe zwiÄ…zki organiczne siÄ™ obecnie podstawo-
wymi 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 szkło-epoksydowego 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.
1.1. Wiadomości ogólne
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
 2
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 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 własno-
ściach 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 aminopla-
stów), 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, pa-
piery, 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
zmieniajÄ…c 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 - nadajÄ… tworzywu wymaganÄ… barwÄ™.
W tablicach 3.1, 3.2 i 3.3 podano wybrane własności najczęściej spotykanych w elektrotechnice
tworzyw, których znajomość pomaga w ich identyfikacji
 3
Tablica 3.1. Porównanie gęstości tworzyw sztucznych popularnych w elektrotechnice
Gęstość w [gcm-3] Tworzywo
0,2  0,4 Tworzywa piankowe (styropian)
Polietylen, polipropylen, poliizobutylen, kopolimery poli-
0,9  1,0
styrenu (BS, ABS)
Polistyren, poliamidy, polimetakrylan metylu (plexi), polie-
1,0  1,2
stry nienasycone (żywice lane)
Poliuretany, polichlorek winylu, żywice epoksydowe (żywi-
1,2  1,3
ce lane)
Fenoplasty z napełniaczem drzewnym (bakelity), twardy
1,3  1,4
polichlorek winylu (winidur), poliestry kwasu tereftalowego
(PET)
Laminaty fenolowe z napełniaczem papierowym lub tkaniną
1,4  1,7
bawełnianą (tekstolit), tworzywa aminowe (melamina)
Tworzywa (epoksydowe, poliestrowe, aminowe, fenolowe)
1,7  2,0
wzmacniane włóknem szklanym
Politetrafluoroetylen (teflon), laminaty szklano-
2,0
epoksydowe, -poliestrowe
Tablica 3.2. Wybrane cechy organoleptyczne tworzyw sztucznych popularnych w elektrotechnice
Tworzywo Cecha wyróżniająca
Polialkohol winylowy rozpuszcza siÄ™ w wodzie
Polietylen, polipropylen, tłusta powierzchnia, trudno zwilżalna
pollfluoroetylen
Polistyren kształtki wydają przy upadku metaliczny dz
więk
Folia polistyrenowa szeleszczÄ…cy dz
więk jak blacha metalowa
Poliamidy rozpuszczalne w 60% kwasie solnym
Polimetakrylan metylu zwykle przez
roczysty jak szkło, często barwiony na różne ko-
(szkło organiczne) lory (np. w zastosowaniu na klosze świateł samochodowych).
Gumy silkonowe Wyglądem i elastycznością przypominają klasyczną gumę.
Paląc się świecą jasnym płomieniem, a popiół jest biały.
Tablica 3.3. Zachowanie się w płomieniu oraz inne cechy charakterystyczne tworzyw sztucznych stosowanych w
elektrotechnice
T
Zachowanie Orientacyjny
Barwa Dodatkowe
R
się w pło- płomienia Zapach obserwacje
rodzaj tworzywa
C
mieniu tworzywa
1 2 3 4 5
formalina fenoplasty
R
Nie pali + fenol laminaty z tych żywic
się, mogą się rozwarstwiać i
formalina aminoplasty
nie podsy- częściowo płonąc wy-
R
+ amoniak
ca płomie- dzielają dodatkowo za-
formalina tworzywa
nia, pach spalonego drewna,
R
+ zapach melaminowe
zwęgla się papieru, bawełny
rybi
powoli
ostry flu-
tworzywa
praktycznie nie palÄ… siÄ™
C
orowodoru fluorowe
 4
1 2 3 4 5 6
zielony, polichlorek
ostry
brzegi żółte T mięknie po podgrzaniu winylidenu
zielono- polichlorek winylu,
żółty, w tworzywie plastyfi-
chloro-
błyski zie- wodoru
T szybko mięknie, kowanym może wyróż-
lone płomień kopci niać się zapach plasty-
fikatora
zielony spalonej elastyczny chlorokauczuk
gumy C (polichloropren)
jasny, świe- tworzywa silikonowe
Pali siÄ™, lecz
cący C dużo białego popiołu,
gaśnie po
usunięciu
płomień kopci, żywica epoksydowa
palnika
żółty miodowy C czarny popiół, tworzywo
nie mięknie
żółto- zie- octu T płomień kopci, octan celulozy
lony czarny popiół
blado- palonego T mięknie, iskrzy poliamid
niebieski rogu, wełny
spalonego płynie i pieni się, dają się galalit
żółtawy mleka T wyciągnąć bardzo cienkie
włókna
żółtawy spalonego - pochodne celulozy:
papieru preszpan , fibra
niebiesko- landrynkowy, T tryskający i skwierczący szkło organiczne
Pali się po biały owocowy płomień
wyjęciu z
żółty żółta T poliuretan
płomienia
żółty jak gumy T poiizobutylen
ciemno- octu T roztopione krople palÄ… siÄ™ polioctan-
żółty dalej winylu
żółty octu T mięknie polioctan winylu
niebieski u Po zgaszeniu T roztopione tworzywo jest
podstawy, ognia biały przez
roczyste polietylen
jasny szczyt dym o zapa-
chu parafiny
niebieski u parafiny i T roztopione tworzywo jest polipropylen
podstawy, smoły przez
roczyste
Pali siÄ™ Å‚a-
żółty szczyt
two, niekiedy
hiacyntów T czarny, silnie kopcący polistyren
z rozbłyskami
hiacyntów, czarny, silnie kopcący poliestry nienasycone
ciemno-
ostry C
żółty
słodkawy T czarny kopcący, polietyleno-
tereftalan
palonej gumy silnie kopci czarnym dymem guma z kauczuku na-
C turalnego
żółty płonącej kauczuk polisiarczko-
siarki C wy,tiokol
żółty, bar- kamfory T spalanie prawie wybuchowe! Celuloid (azotan celu-
Pali się gwał- dzo jasny lozy stabilizowany
townie! kamforÄ…)
żółto- octu i papie- T spalanie spokojniejsze niż octan celulozy
niebieska ru, ostry celuloidu
Objaśnienie: T - tworzywo termoplastyczne, C - tworzywo chemoutwardzalne,
R - tworzywo termoreaktywne.
 5
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Każdy ze studentów w grupie przygotowuje na zajęcia dwie kartki papieru formatu A4 z nanie-
sioną tablicą według niżej podanego wzoru.
Imię i Nazwisko studenta: Data zajęć:..............
Tablica 3.4. Wyniki badań tworzyw sztucznych
Cechy organoleptyczne: Zachowanie się w płomieniu Inne Nazwa
Lp. barwa, wrażenie przy dotyku. ce- tworzywa
termoplast palność,
Co wykonano z badanego chy
czy kolor dymu
tworzywa?
duroplast ? zapach nagrzanej
próbki
1.
2.
Badając zachowanie się próbki w płomieniu należy zaobserwować, czy:
a) materiał pali się po wyjęciu z płomienia,
b) pali się w płomieniu a gaśnie po jego odjęciu,
c) nie pali siÄ™ wcale,
d) jeżeli płonie, jaka jest barwa obrzeża a jaka środka płomienia,
e) jaki zapach ma dym po zgaszeniu promienia lub po cieplnym zniszczeniu materiału,
f) jaki charakter ma pozostałość, popiół,
g) czy topi siÄ™ i jak zachowuje siÄ™ w stanie roztopionym.
Uwaga:
Nie należy dopuszczać do silnego rozpalenia się próbki, dlatego zaleca się wybierać do
palenia niewielkie próbki uchwycone w szczypce. Nie należy nachylać się nad płonącą lub
zgaszoną próbką i wciągać bezpośrednio nosem produkty spalania próbki lecz tylko
ruchem dłoni skierować te produkty w stronę twarzy, tak aby stężenie ulatniających się
substancji było dostatecznie silne aby móc ocenić ich zapach lecz na tyle osłabione, aby nie
powodowało podrażnienia błon śluzowych nosa.
W celu sprawdzenia termoplastycznoÅ›ci nagrzewa siÄ™ do temperatury ok. 300°C prÄ™t stalowy
(np. gwóz
dz
) i przykłada z naciskiem do badanej próbki obserwując wystąpienie odkształcenia
plastycznego lub topnienia. Wyboru kolejnych próbek do identyfikacji dokonuje prowadzący
zajęcia.
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Świadectwem uczestnictwa studenta w zajęciach i podstawą do oceny udziału w zajęciach są
oddane i starannie wypełnione przez członków grupy tablice 3.4.
4. ZAGADNIENIA
1. Polietylen i jego rola w elektrotechnice.
2. Polichlorek winylu i jego rola w elektrotechnice.
3. Metody wytwarzania tworzyw sztucznych.
 6
4. Podaj przykłady zastosowania żywic lanych w elektrotechnice.
5. Porównaj własności tworzyw termoplastycznych i termoutwardzalnych.
6. Metody przetwórstwa tworzyw termoplastycznych.
7. Tworzywa elektroizolacyjne wzmocnione włóknem szklanym. Rodzaje, własności, zastoso-
wanie.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Siciński Z.: Badanie materiałów elektroizolacyjnych. Warszawa, 1968. WNT
2. Celiński Z.: Materiały elektrotechniczne. Warszawa, 2000. Wydawnictwo PW