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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE QUERÉTARO Ingeniería Eléctrica

INVESTIGACIÓN POLIMEROS AISLANTES Profesora: Dulce María Ventura Ovalle Elaborado por: Juan Pablo Rodríguez Zamora 2-A

Resumen

En esta investigación se van a clarificar puntos yacidos en el desinterés público, se tratan puntos cruciales a cerca de la propiedad aislante de los polímeros, los cuales están fundamentados en la ciencia, haciendo esta investigación posible. En el documento se van a poder encontrar la explicación y diversas pruebas realizadas a materiales con las características requeridas, a su ves se va a ver el aislamiento térmico por parte de los plásticos sus condiciones, etc.

Índice

1. Introducción 2. Aislamiento térmico 3. Factores que influyen en el aislamiento térmico 4. Pruebas de diseño 5. Conclusión 6. Apéndice 7. Referencias

Introducción . Los Materiales poliméricos están basados en grandes moléculas con enlaces covalentes y formados por la unión de muchas unidades simples (monómero). Sus antecesores se pueden considerar que son las macromoléculas presentes en organismos, y se pueden enumerar ejemplos como el caucho, lana, algodón, etc. Los cuatro tipos de biomoléculas/biopolímeros (naturales) son los ácidos nucleicos, proteínas, lípidos y polisacáridos. Las unidades de construcción de esos polímeros naturales son los nucleótidos, aminoácidos, ácidos grasos y los azúcares. En este tema nos vamos a referir principalmente a los polímeros artificiales, aunque se hará referencia a polímeros naturales. Los monómeros son las unidades básicas para la formación de materiales plásticos, y según la forma en que se unan pueden dar estructuras lineales o no lineales. El proceso de polimerización es una condensación de monómeros. Por ejemplo, el eteno polimeriza para dar el polieteno (opolietileno) y el proceso se denomina polimerización por adición. Inicialmente, los polímeros eran muy sencillos como el derivado del aldehído fenólico para dar la bakelita. Cuando en la polimerización solo interviene un único monómero se denomina homopolímero y cuando polimeriza una mezcla de dos o más monómeros se denomina copolimerización. La gran utilidad de los polímeros actuales se debe a que se puede sintetizar el polímero que cumpla una serie de propiedades que se necesiten (dureza, plasticidad, densidad, etc.). Esto se

consigue mediante la elección del monómero, pero principalmente controlando: a) Grado de polimerización, según las condiciones de síntesis se pueden obtener longitudes de las cadenas moleculares de diferente tamaño y por tanto con propiedades ligeramente diferentes. b) Entramado "branching", consiste en crear uniones entre diferentes cadenas del mismo polímero para aumentar su dureza y punto de fusión. Por ejemplo, en el polietileno. c) Uniones puente "cross-linking". Un ejemplo clásico la vulcanización del caucho usando azufre. El caucho natural es el cis-poliisopreno (que es un polímero insaturado) y cuando se añade azufre entre 1-5 % se producen puentes de azufre entre diferentes cadenas poliméricas lo que se conoce como vulcanizado y aumenta mucho la dureza y resistencia al desgaste. El producto de vulcanización completa (40 %) es la ebonita y es un sólido duro y rígido.

Aislamiento térmico Aislamiento térmico de plásticos: propiedades técnicas ¿Por qué el plástico es un buen aislante? Los plásticos son malos conductores de calor, porque prácticamente no tienen electrones libres disponibles para mecanismos de conducción como los metales. La capacidad de aislamiento térmico de los plásticos se mide midiendo la conductividad térmica. La conducción térmica es la transferencia de calor de una parte del cuerpo a otra con la que está en contacto. Para plásticos amorfos a 0-200 ° C, la conductividad térmica se encuentra entre 0.125-0.2 Wm-1K-1 Los termoplásticos parcialmente cristalinos han ordenado regiones cristalinas y, por lo tanto, una mejor conductividad El aislamiento térmico de un polímero (termoplástico, espuma o termoestable) es esencial para: Comprender el procesamiento del material en producto final Establecer aplicaciones apropiadas del material, p. espumas poliméricas para aislamiento, Por ejemplo, PUR y PIR pueden moldearse como material de tablero y usarse como espumas aislantes en techos, paredes enlucidas, paredes sándwich y pisos.

¿Cómo medir la conductividad térmica de los polímeros? Hay varias formas de medir la conductividad térmica. La conductividad térmica de los plásticos generalmente se mide mediante ASTM C177 e ISO 8302, utilizando un aparato de placa caliente protegida. El aparato de placa caliente protegida se reconoce generalmente como el método absoluto primario para la medición de las propiedades de transmisión térmica de materiales de aislamiento homogéneos en forma de losas planas. Placa caliente protegida: se coloca una muestra sólida de material entre dos placas. Una placa se calienta y la otra se enfría o calienta en menor medida. La temperatura de las placas se controla hasta que son constantes. Las temperaturas de estado estable, el grosor de la muestra y la entrada de calor a la placa caliente se utilizan para calcular la conductividad térmica.

Factores que influyen en el aislamiento térmico Los plásticos orgánicos son muy buenos aislantes. La conductividad térmica de los polímeros aumenta con el aumento del contenido de relleno volumétrico (o contenido de fibra de hasta 20% en fracción de volumen). La mayor conductividad térmica de las cargas inorgánicas aumenta la conductividad térmica de los polímeros rellenos. Las espumas poliméricas exhiben una marcada disminución en la conducción de calor debido a la incorporación de cargas gaseosas en la estructura. El aumento del número de celdas cerradas en la espuma minimiza la conducción de calor por convección mejorando aún más el carácter aislante La conductividad térmica de los fundidos aumenta con la presión hidrostática. La compresión de los plásticos impone un efecto opuesto sobre el aislamiento térmico, ya que aumenta la densidad de empaquetamiento de las moléculas. Los otros factores que afectan la conductividad térmica son la densidad del material, la humedad del material y la temperatura ambiente. Al aumentar la densidad, la humedad y la temperatura, la conductividad térmica también aumenta.

Los compuestos poliméricos térmicamente conductores, pero eléctricamente aislantes se requieren con urgencia para aplicaciones de gestión térmica de sistemas eléctricos y dispositivos electrónicos modernos debido a su multifuncionalidad y facilidad de procesamiento. Sin embargo, la mejora de la conductividad térmica de los compuestos de polímeros suele ser al precio de la pérdida de peso ligero, el deterioro de la flexibilidad y el aislamiento eléctrico. Aquí presentamos nanocompuestos poliméricos avanzados que contienen nanohojas de nitruro de boro orientadas (BNNS), que exhiben simultáneamente una alta mejora de la conductividad térmica, un excelente aislamiento eléctrico y una flexibilidad excepcional. Estas películas de nanocompuestos pueden construirse fácilmente mediante fibras de nanocompuesto de polímero / BNNS electrohiladoras, plegando verticalmente las fibras de nanocompuesto electrohiladas y el posterior prensado. Las películas de nanocompuestos exhiben conductividad térmica en el plano dependiente del grosor, que puede alcanzar 16,3 W / (m · K) en la película de nanocompuestos de 18 μm de espesor con 33% en peso de BNNS. Además, las películas de nanocompuestos tienen propiedades de aislamiento eléctrico superiores en comparación con el polímero prístino, como pérdida dieléctrica reducida, mayor resistividad eléctrica y mayor resistencia a la ruptura. La fuerte capacidad de gestión térmica de la película de nanocompuestos se demostró en la fuente de alimentación conmutada, lo que demostró la importancia de una alta conductividad térmica en el plano en la gestión térmica de dispositivos electrónicos de alta densidad de potencia.

Pruebas de diseño Si bien hay varias pruebas estandarizadas (por ejemplo, ASTM, ANSI, CEA CSAN, IEC) para evaluar materiales aislantes, pocas de ellas son particularmente adecuadas para una evaluación adecuada de las características requerido para aislamiento de alto voltaje en exteriores. Como consecuencia, Ohio Brass desarrolló un avance especializado. pruebas para evaluar materiales para sus productos aislantes de polímeros. La idoneidad de un compuesto polimérico para uso a largo plazo en aisladores de alto voltaje se evalúa por medios de pruebas de diseño por necesidad, dado que la vida útil de un aislante se mide en décadas, el diseño Las pruebas incluyen acondicionamiento acelerado.

envejecimiento

o

Los buenos compuestos de polímeros utilizados para el aislamiento de alto voltaje deben ser probados para la capacidad de resistir seguimiento, erosión, corona, oxidación y exposición a la radiación ultravioleta (UV). Prueba de seguimiento La resistencia de seguimiento de un compuesto es una medida de su capacidad para soportar fugas intensas. corrientes combinadas con arcos de banda seca. El arco de banda seca genera ozono, alta temperatura y exposición a la radiación UV en la superficie del polímero. Las condiciones de prueba varían entre laboratorios, pero típicamente las muestras del compuesto se humedecen con una solución conductora y luego se energizan en un

circuito con corriente controlada. Las muestras luego se evalúan en términos del número de ciclos o tiempo al fracaso. El rendimiento aceptable depende de los materiales y los métodos de prueba. Bueno los compuestos sobrevivirán por decenas de miles de ciclos. Un compuesto polimérico debe exhibir una excelente resistencia al rastreo y la erosión. Los polímeros se degradan por erosión y seguimiento debido al calor generado por las corrientes de fuga y el arco de banda seca. Ya que cada polímero difiere en términos de resistencia de rastreo, una de las formas de diferenciar varios compuestos es someterlos a una prueba de rastreo. La prueba de seguimiento de Ohio Brass fue diseñada para evaluar compuestos de esmalte para aisladores de porcelana. A continuación, se utilizó para evaluar el seguimiento y la resistencia a la erosión de los materiales aislantes poliméricos. Esta prueba evalúa la capacidad relativa de un material aislante para resistir descargas eléctricas en la superficie que son similares a las que pueden ocurrir en servicio bajo la influencia de suciedad, humedad y sales conductoras condensadas de la atmósfera. Las muestras se montan en una inclinación de 30 grados con electrodos unidos a cada lado. Los electrodos se colocan a 35 mm de distancia. Las muestras se rocían cíclicamente con una solución conductora y luego

energizado. Cada ciclo es de 90 segundos. El líquido conductor tiene una resistividad de aproximadamente 400 ohm-cm y está formulado para no dejar residuos en la superficie de la muestra. Un voltaje de 10 kV es aplicado con una corriente controlada de 20 mA. La corriente de fuga y el posterior arco de banda seca secar la superficie de la muestra. Los resultados de la prueba obtenidos de la prueba de seguimiento proporcionan un medio de clasificación comparativa de la resistencia de seguimiento de los materiales. La falla se juzga por uno de tres criterios: 1. carbonización o seguimiento de la superficie de la muestra; 2. la muestra permanece conductora al final de los 90 segundo ciclo; o 3. La erosión crea un agujero en la muestra. Material Porcelana Caucho etilenopropileno (EPM) EPM / aleación de silicona Poliestireno Caucho de silicona Caucho etilenopropileno-dieno (EPDM)

ciclo 50,000 50,000

comentarios Sin falla Sin falla

22,700

falló

50,000 16,000

Sin falla falla

1,800

falla

Conclusión En esta investigación aprendimos que los plásticos orgánicos son muy buenos aislantes. La conductividad térmica de los polímeros aumenta con el aumento del contenido de relleno volumétrico y que los compuestos poliméricos son térmicamente conductores, pero eléctricamente aislantes se requieren con urgencia para gestión térmica de sistemas eléctricos y dispositivos electrónicos modernos debido a su facilidad de procesamiento. La capacidad de aislamiento térmico de los polímeros se mide midiendo la conductividad térmica. La conducción térmica es la transferencia de calor de una parte del cuerpo a otra con la que está en contacto. Tenemos también tener en cuenta que la compresión de los plásticos impone un efecto opuesto sobre el aislamiento térmico, ya que aumenta la densidad de empaquetamiento de las moléculas. Y para finalizar nos dimos cuenta que Ohio Brass desarrolló un avance especializado. pruebas para evaluar materiales para sus productos aislantes de polímeros. La idoneidad de un compuesto polimérico para uso a largo plazo en aisladores de alto voltaje se evalúa por medios de pruebas de diseño por necesidad, dado que la vida útil de un aislante se mide en décadas, Siendo estos puntos la información más relevante y conclusiva de mi investigación

Apéndice El plástico en la industria eléctricoelectrónica Adolfo Benedito, responsable del Grupo de Materiales de Aimplas14/09/2012 20754

La gran versatilidad de los materiales plásticos tanto en diseño como en acabados, junto al potencial de los diferentes procesos de transformación ha contribuido a que estos materiales hayan cobrado un gran protagonismo en determinados sectores como el eléctrico-electrónico. Además, no hay que olvidar una importante cualidad de los plásticos: sus elevadas propiedades dieléctricas. Estas características aislantes han sido esenciales en aplicaciones como fundas protectoras de cables eléctricos, elementos eléctricos diversos como enchufes, regletas, conmutadores, etc.

El desarrollo de los materiales plásticos está abriendo muchas posibilidades en el sector eléctrico-electrónico.

En los últimos años se han producido grandes avances. Con el desarrollo de polímeros conductores el abanico de opciones se ha multiplicado de manera evidente. Los polímeros intrínsecamente conductores como los polipirroles, polianilina, u otros de reciente factura, se están barajando como sustitutos del silicio en chips, manteniendo como elemento distintivo un carácter flexible. Sin llegar a elevados niveles de conductividad eléctricas, los polímeros cargados con partículas conductoras (grafito, nanocargas) son especialmente atractivos para usos como carcasas de equipos electrónicos con propiedades de descarga electrostática (ESD) y apantallamiento electromagnético (EMI). Habitualmente, el empleo de materiales plásticos en estas disciplinas se basa en la aplicación de pinturas o tratamientos metálicos superficiales. Sin embargo, cualquier incisión o rayado superficial puede convertir la carcasa en una perfecta antena y perder totalmente la funcionalidad protectora requerida. Es uno de los puntos negativos de los recubrimientos metálicos, a los que hay que añadir el gasto energético suplementario del tratamiento, precio, etc.

Otras aplicaciones atractivas y de gran impacto tecnológico de los plásticos conductores son sus posibilidades como sensores electrónicos, los cuales reaccionan frente a un estímulo externo. En este caso, una deformación (piezorresistivos). El rango de conductividades o resistividades de estos materiales acota la posible aplicación para el plástico conductor, ya sea como ESD, EMI o dieléctrico. Por tanto, la caracterización de las propiedades conductoras del material es un aspecto crítico a tener en cuenta. Aimplas dispone de un completo equipamiento para determinar las resistividades eléctricas de los materiales plásticos en diferentes rangos. Dicho equipamiento incluye un multímetro y un picoamperímetro. Este último permite trabajar con materiales que presentan bajos niveles de conductividad. Para evitar cualquier tipo de interferencia externa, así como mejorar el contacto entre los electrodos, es recomendable usar una caja de Faraday. Dicha caja confiere medidas más precisas, sobre todo en el caso de materiales altamente dieléctricos. Otra característica importante de esta técnica de caracterización es la posibilidad de determinar conductividades superficiales o volumétricas, dependiendo de la aplicación final.

Aimplas dispone de un completo equipamiento para determinar las resistividades eléctricas de los materiales plásticos en diferentes rangos.

En el terreno de los materiales inteligentes, y más concretamente de la sensorización, es posible caracterizar la respuesta eléctrica de un material plástico cuando es sometido a una deformación. Es decir, un comportamiento piezorresistivo. La respuesta puede ser caracterizada mediante un montaje específico, combinando una máquina universal de ensayos, u otro equipamiento de caracterización mecánica, y un multímetro. Sucesivos ciclos de deformación sobre el material se traducen en cambios sobre la conductividad/resistividad volumétrica, convirtiéndolo en un sensor. De aquí es posible determinar la rapidez de respuesta, su variabilidad, sensibilidad, incluyendo efectos ambientales como la humedad y la temperatura. En el ámbito del apantallamiento electromagnético no sólo el rango de conductividad eléctrica es determinante. El diseño, la presencia de fugas y sellado de la carcasa, sobre todo en agujeros y aperturas, son también aspectos críticos. La caracterización del apantallamiento electromagnético es una técnica delicada. La necesidad de cámaras anecoicas, la

determinación del rango del campo electromagnético adecuado, el tipo y orientación del mismo, son aspectos a tener en cuenta en la puesta a punto de esta metodología de caracterización. Actualmente Aimplas trabaja en la optimización de estas técnicas de caracterización, ofreciendo un completo y amplio espectro de posibilidades para el estudio de las propiedades eléctricas de los materiales plásticos. Más información: [email protected]

Referencias  1.5.Materiales conductores, aislantes y semiconductores. www.edu.xunta.es  https://www.parker.com/literature/ORing%20Division%20Literature/Static%20Files/EPRvs EPDM.pdf  https://www.mexpolimeros.com/diferencias%20entr e%20epm%20y%20epdm.html  https://www.researchgate.net/publication/215461838_Insulating_Polymers_and_ their_industrial_applications

 pdfs.semanticscholar.org