Gaasilised ja vedelad dielektrilised materjalid (0)

Gaasilised ja vedel dielekrtilised materjalid

REFERAAT
Õppeaines: Elektrimaterjalid
Mehaanikateaduskond
Õpperühm: KTI 11
Juhendaja : Uno Muiste
Tallinn 2011

Sisukord

1
Gaasilised ja vedel dielekrtilised materjalid 1
Sisukord 2
Sisukord 2
Sissejuhatus 3
Sissejuhatus 3
Isoleermaterjalid 4
Isoleermaterjalid 4
2.Tehnoplastide töötlemine ja kasutus 5
2.Tehnoplastide töötlemine ja kasutus 5
Kokkuvõte 12
Kokkuvõte 12
Kasutatud kirjandus 13
Kasutatud kirjandus 13

Sissejuhatus

Elektrimaterjalide all mõistetakse elektriseadmete ehitamisel (tootmisel), hoidmisel, remondi- ja hooldustöödel käsutatavaid materjale. Otstarbest lähtudes võib need liigitada isoleer -, juhtme-, pooljuht -, magnet-, konstruktsiooni- ja abimaterjalideks. Kasutuskoht määrab reeglina ara ka nende vajalikud omadused.Isoleermaterjalidel peab olema eelkõige suur elektritakistus, küllaldane temperatuuri- ja niiskusekindlus, samuti mehaaniline tugevus.
Klassikaliselt jagunevad elektrimaterjalid: dielektrikud (isoleermaterjalid), pooljuhid, elektrijuhid, magnetmaterjalid. Lisaks on tänapäeval lisandunud elektrimaterjale, mis omadustelt kuuluvad mitmesse liiki või ei sobi üldse varasemalt antud klassikalise klassifikatsiooniga.

Isoleermaterjalid

Isoleermaterjalide liigitus

Isoleermaterjalideks ehk dielektrikuteks nimetatakse materjale, mida käsuta­takse elektriseadmeis erineva potentsiaaliga osade eraldamiseks (isoleerimiseks). Agregaatoleku (olekuvormi) järgi tehakse vahet gaasiliste, vedelate ja tahkete isoleer­materjalide vahel. Mõned autorid eristavad veel tahkuvaid isoleermaterjale, mis kasutu-selevõtu ajal on vedelas olekus, seadmete normaaltööl aga tahked . Selliste materjalide hulka kuuluvad näiteks immutuslakid, valukomponendid jne. Keemilisest koosseisust lähtudes eristatakse anorgaanilisi, orgaanilisi ja elementorgaanilisi materjale. Orgaa­nilisteks nimetatakse C-C ja C-H sidemeid sisaldavaid süsinikuühendeid, mille molekulid võivad sisaldada veel hapniku, väävli, lämmastiku, kloori, kroomi ja joodi aatomeid. Elementorgaanilised ühendid sisaldavad peale süsiniku, vesiniku ja eelnimetatud halogeenide aatomite veel mõne muu elemendi, näiteks räni (räniorgaanilised materjalid), fluori (fluororgaanilised materjalid), fosfori (fosfororgaanilised materjalid) jne. Tootmise seisukohast võib eristada looduslikke ja sünteesmaterjale.
Isoleermaterjalide polarisatsioon ja dielektriline läbitavus
Isoleermaterjalide üheks olulisemaks omaduseks on võime elektriväljas polari­seeruda, mis seisneb aatomite või molekulide positiivsete ja negatiivsete laengukeskmete nihkumises või polaarsete molekulide (dipoolide) orienteerumises välja sihis. Polariseerumise tulemusena tekivad isoleermaterjali vastaspindadel erinimelised laengud (joon. 2).
Joon. 2. Dielektriku polariseerumine elektriväljas
Rakendatud elektrivälja sihis dielektriku väljaga ristioleva pinna ühiku läbi nihkunud laengu hulka iseloomustab nn. elektrinihe ehk elektriline induktsioon D, mida mõõdetakse kulonites ruutmeetri kohta [C/m2]. Antud keskkonda (isoleermaterjali) iseloomustab dielektriline läbitavus £a - elektrinihke D suhe seda esilekutsuva elektrivälja tugevus E [V/m] £a - D/E, mille ühikuks on:
C'm
F m
Vaakumi dielektriline läbitavus ehk elektriline konstant bq = 8,85 • l O"12 F/m (C/V-m kulonit voldi ja meetri kohta), st. iga voldi ja meetri kohta nihkub vaakumis 8,85 • 10~12 kulonit, s.o. 55,3 • 106 = 55300000 elementaarlaengut. Järelikult need laengud on seal olemas (ilmselt virtuaalsetena).
Enamasti iseloomustatakse isoleermaterjale suhtelise dielektrilise läbitavusega,
mis näitab, mitu korda on antud materjali dielektriline läbitavus suurem vaakumi
dielektrilisest läbitayusest.
Kaks dielektrikuga eraldatud juhti moodustavad kondensaatori, mille mahtuvus on
c S'£*
L = T"
m-m
Laetud kondensaatoris on salvestunud elektrivälja
-U C-U2
r
[V-A-S-J]
Polarisatsiooniprotsess võib toimuda suurema või väiksema kiirusega. Vaakumis toimub see elektromagnetvälja leviku kiirusega. Väga kure on elektronpolarisatsioon, mis seisneb aatomi elektronide nihkumises tuuma suhtes (toimub "10"1 sekundi jook ­sul). Tahketes ioonvõrega dielektrikutes toimub ioonide nihkumine - ioonpolari-satsioon "10"lj sekundi jooksul. Dipoolpolarisatsiooni korral (10"6...10~10 sekundi jooksul) toimub dipoolide orienteerumine välja sihis. Struktuurpolarisatsiooni iseloo­mustab aine suuremate struktuuriüksuste pöördumine.
Mõnedel dielektrikutel (senjettelektrikutel) tekib polarisatsioon iseeneslikult, mõnedel (piesoelektrikutel) mehaanilise deformatsiooni toimel.
Mõnedel tugevasti polaarsetel isoleermaterjalidel esineb nn. elektreetpolari-satsioon. Taolised materjalid jäävad pärast välise, polarisatsiooni esilekutsuva mõju eemaldamist polariseerituks. Neid materjale nimetatakse elektreetideks (püsimagnetite elektrilised analoogid).

• 
  
• 
  

uid laiema leviku saavutasid nad pärast II maailmasõda. Kui veel 50 aastat tagasi oli plastide kasutus praktiliselt olematu siis tänapäeval läheneb tarbeplastide (polüetüleen, polüvinüülkloriid, polüpropüleen jt.) kogukasutus metallide omale ning plastide kasutusalad laienevad pidevalt.
Põhjuseid, miks plaste kasutatakse on mitmeid:

• madalam töötlemistemperatuur kui metallidel ja keraamikal, seega madalm energiakulu ,
  
• nad on kergemad (mahu ja massi suhe on polümeermaterjalide kasuks),
  
• viimistlemise minimaalne vajadus, toote odavus ,
  
• hea töödeldavus,
  
• korrosioonikindlus,
  
• hea tugevuse ja tiheduse suhe (eritugevus),
  
• plastid tagavad ühtlaselt vaikse töö ja müra summutuse,
  
• nad on head elektri- ja soojusisolaatorid.
  

Plastid on painduvad, lihtsalt töödeldavad ja suurepärased isolatsioonimaterjalid. Enamik polümeere on suurepärased isolaatorid. Neid kasutatakse elektrikaablite isolatsiooniks, elektripistikute korpustes, ühenduspesades ja elektriliste aparaatide ehitusel (Ashby, Shercliff, Cebon 2007: 319).

Plastide liigitus ja omadused

Erinevate plastide peamised omadused määrab temas sisalduv, põhikomponendiks olev polümeer. Molekulidevaheliste sidemete iseloomust ja nende kuumutamisel toimuvatest muutustest lähtuvalt liigitatakse plaste:

• termoplastseteks ( termoplastid ),
  
• termoreaktiivseteks (reaktoplastid).
  

Termoplastsete polümeeride molekulid on lineaarse ahela kujulised ning kuumutamisel lähevad need polümeerid voolavasse olekusse. Jahtudes omandavad nad jälle esialgsed omadused. Termoplastsetele materjalidele täiteainete lisamisega saadud materjale nimetatakse termoplastideks.
Termoreaktiivsete polümeeride molekulidel on ruumiline struktuur, mis kuumutades ei lagune ning seetõttu ei muutu termoreaktiivne polümeer ei pehmeks ega voolavaks. Termoreaktiivsetele polümeeridele täiteainete lisamisega saadud aineid nimetatakse termoreaktiivideks ehk reaktoplastideks (Angelstok 2002: 42).
Lõppomaduste ja otstarbe järgi liigitatakse termoplastid ja termoreaktiivid :

• tarbeplastideks – need on polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP), polüvinüülkloriid (PVC), polüstüreen (PS), fenoplast (PF) jt.
  
• konstruktsioonplastideks – need on polükarbo- naat (PC), polüamiid (PA), orgklaas ( PMMA ), epoksüplast (EP) jt.
  
• eriplastideks – fluorplast ( PTFE ), polüsulfoon (PSU), polüeetersulfoon (PES) jt.
  

Plastist toodete talitlusomadused, mis ilmnevad ekspluatatsioonis, on:

Mehaanilised:

vastupanu mehaanilistele mõjudele (tõmbele, survele, paindele, löögile),

kõvadus,

hõõrdekulumiskindlus;

Füüsikalis-keemilised:
soojus -/ külmakindlus, tulekindlus ,

soojusjuhtivus,

soojuspaisumine ,

keemiline vastupidavus;

Elektrilised:
vastupanu elektrivälja toimele,

dielektriline läbitavus;

Optilised:
läbipaistvus,

valguse neeldumine /peegeldumine;

Tervisekaitse ja ohutusega seotud omadused.

Tehnoplastide töötlemine ja kasutus

Plastide töötlemine

Plastide töötlemisviis oleneb tema liigist ja toote konstruktsioonist. Tehnoloogiliselt olulised omadused, mis määravad plastide töödeldavuse on sulavusvoolavus, niiskusesisaldus , termostabiilsus, kahanemine ja plasti koostis. Enamik plastide töötlemise protsesse koosneb järgnevatest operatsioonidest:

• soojendamine pehmenemiseni,
  
• vormimine ,
  
• jahutamine ( tardumine ),
  
• toote eraldamine.
  

Termoplaste peamiselt valatakse, vormitakse ja töödeldakse ekstrusiooni teel. Reaktoplaste pressitakse, valatakse ja vormitakse (Kulu, Nava 1999: 42).
Plastide valamisel kuumutatakse vedeliku või graanulite kujul olev plast ja surutakse tootekujulisse vormi. Plast võtab vormi kuju ja pärast jahtumist ja tardumist lükatakse valmis toode vormist välja. Kuna enamik plaste on isegi kuumutatuna valamiseks liiga viskoossed viiakse tööstuses valamist läbi surve all. Termoplastide valamisel on temperatuur tavaliselt 100 – 280 ˚C ja rõhk 57 – 400 Mpa. Reaktoplastide puhul on temperatuur 80 – 95 ˚C.
Pressimisel viiakse vormi asetatud materjal rõhu ja kuumuse toimel plastsesse olekusse nii, et ta täidab kogu vormi.Vormi pandud plasti pulber või graanulid muutuvad temperatuuril 170 – 200 ˚C ja rõhul 15 – 75 Mpa voolavaks, täidavad vormi ja muutuvad keemiliste reaktsioonide tulemusena kõvaks ja lahustumatuks. Levinuim pressimisskeem on otsepressimine, mis toimub analoogselt metallidele.
Ekstrusioon toimub plastide puhul analoogselt metallide töötlemisele. Termoplastid muudetakse ekstruuderi kuumas (140 – 240 ˚C) silindris pöörleva teo toimel plastseks ja see võimaldab suruda neid läbi vormiva kanali, misjärel toode jahutatakse.
Lehtmaterjalide vormimine on ainult plastidele omane töötlemisviis. Termoplastse lehtmaterjali vormimisel soojendatakse see temperatuurini 100 – 200 ˚C ja surutakse või imetakse kuni 2,5 Mpa rõhu juures vaakumi abil vastu vormi, mille kuju ta jahtudes omandab (Angelstok 2002: 44-46).

Tuntumad tehnoplastid ja nende kasutus

Polüetüleen (PE)
Polüetüleen on kõige levinum plast, mida on erinevaid liike:

• HDPE (PE-HD) - kõrgtihe polüetüleen,
  
• LLDPE (PE-LLD) - lineaarne madaltihe polüetüleen,
  
• LDPE (PE-LD) - madaltihe polüetüleen.
  

Polüetüleen on madala hinna ja mitmekülgsete omadustega ( sitke , tugev, veniv , keemiliselt inertne). See sulab vahemikus 100 ˚C - 140 ˚C.
Peamiselt kasutatakse polüetüleeni veel ja rasval põhineva toidu ning jookide pakendamisel madalatel temperatuuridel, kaasa arvatud miinuskraadides. Polüetüleeni kasutatakse palju toidu (pagaritoodete, puuviljade) pakendamisel. Kõrgtihedast polüetüleenist (HDPE) saadakse termovormimisel või puhumisel plastnõusid (näiteks ketšupi, majoneesi pudelid ). Madaltihedast polüetüleenist (LDPE) ja lineaarsest madaltihedast polüetüleenist (LLDPE) saadakse pakkekilesid.
Polüetüleeni leidub ka mitmetes toidupakendina kasutatavates laminaatides. Näiteks tetrapakend, mida kasutatakse mahla pikaajalisel säilitamisel, koosneb alumiiniumist ja kartongist, kus pakend on kaetud nii seest kui ka väljast polüetüleeniga. Kartong teeb pakendi jäigaks, polüetüleen vähendab vee ning alumiinium hapniku permeatsiooni ja sellega toote kvaliteeti. Polüetüleenist korgi abil on toode kergesti avatav ja suletav. Tetrapakendid, mida kasutatakse toidu lühemaajalisel hoidmisel (näiteks piim), võivad mitte sisaldada alumiiniumist kihti.

Polüpropüleen (PP)
Polüpropüleeni on maailmas toodangult teine plast polüetüleeni järel, kuid tema osakaal kasvab kõige kiiremini. PP-l on hea hinna ja omaduste suhe. Polüpropüleen on natuke kõvem ja jäigem kui polüetüleen ning tema kasutustemperatuur on ka kõrgem, umbes 100 ْ C. PP on vastupidav õlile ja rasvale . Orienteeritud polüpropüleenil (O-PP, OPP) on väiksem permeatsioonivõime1 ning seda on võimalik valmistada kile kahesuunalise või ühesuunalise venitamisega. On olemas ka vahustatud polüpropüleeni (PP-E).
Polüpropüleeni peamised kasutusalad:

• Suuremad survevalutooted ( toolid , lauad, kohvrid , autoosad , akud , konteinerid jne.).
  
• Hingedega tooted.
  
• Steriliseeritav meditsiiniaparatuur.
  
• Kiled.
  
• Fibrilleeritud kiud (köied, võrgud, vaibaalused, kotimaterjal).
  
• Traadiisolatsioon.
  
• Torud.
  

Polüvinüülkloriid (PVC)
Polüvinüülkloriid on plast, mis on madala termilise stabiilsusega ja mille lagunemisel (>70 ˚C) eraldub tervisele ohtlik HCl. Orienteeritud PVC sarnaneb välimuselt klaasiga kuid on tunduvalt kergem ja purunemiskindlam. Sel on head organoleptilised omadused, nt ei jää talle plekke ega anna ta kõrvalmaitset. Lisaks on selle materjali eeliseks madal hind ja väikesed permeatsiooniomadused1 toidu säilitamisel. Vastavalt lisaainete sisaldusele esineb kahte liiki polüvinüülkloriidi: UPVC, PVC-U (plastifitseerimata) ja PPVC, PVC-P ( plastifitseeritud ). Kuna PVC valmistamisel kasutatav koostisaine (vinüülkloriid) on toksiline, siis on rangelt reguleeritud selle sisaldus toiduga kokkupuutuvas materjalis.
Polüvinüülkloriidi peamised kasutusalad:

• Torud.
  
• Profiilitooted.
  
• Aknad.
  
• Seinaplaadid.
  
• Krediitkaardid.
  
• Kaabli- ja traadiisolatsioonid, voolikud .
  
• Kileriided, jalanõud.
  
• Kardinad, kaustad .
  
• Täispuhutavad esemed.
  
• Tapeedid, pinnakatted, kunstnahk.
  
• Põrandakatted.
  
• Pehmed pudelid.
  

Polüstüreen (PS)
Polüstüreenil põhinevaid plaste on mitut liiki. Puhas polüstüreen on ideaalselt läbipaistev, kõva, kuid rabe ja väikese löögitugevusega. Levinum on vahtpolüstüreen (EPS, PS-E), mida saadakse kui lisada tootmisel stüreenile vahustavaid lisandeid, näiteks CO2. Vahtpolüstüreenil on väike tihedus ja head soojusisolatsiooniomadused. Kahes suunas venitatud polüstüreenist kile on läbipaistev ja laseb hästi õhku läbi. Selleks, et vähendada polüstüreeni rabedust, lisatakse materjali sünteesil reaktorisse ka elastomeere ehk kummi. Sel viisil saadakse löögikindel polüstüreen (HIPS, PS-HI), mis on tunduvalt sitkem, parema vastupanuga orgaaniliste lahustitele, õlidele ja rasvadele. Võrreldes puhta polüstüreeniga väheneb materjali tõmbetugevus ja läbipaistvus. PS ja HIPSi iseloomustab hea gaaside (näiteks CO2, veeauru) permeatsioonivõime.
Polüstüreeni peamised kasutusalad:

• Survevalutooted (majapidamistarbed, kassetid, mänguasjad, korgid).
  
• Survevalu -puhumisvormimisel õõnsad tooted (pudelid jm.).
  
• Pakkimiskiled ja lehtmaterjalid.
  
• Arvutite ja kodumasinate korpused.
  
• Akud, meditsiiniaparatuur, autoosad.
  
• Kingatallad, spordijalatsid, käepidemed.
  
• Kaabliisolatsioon.
  
• Liimid, hermeetikud , tihendid .
  

Polütetrafluoroetüleen (PTFE)
Polütetrafluoroetüleen ehk kaubandusliku nimetusega teflon on plast, millel on hea keemiline vastupidavus, kuumuskindlus , väike permeatsioonivõime1. Teflonist valmistatud küpsetusnõudele ei jää toit nii lihtsalt kinni, sest neil on madal pinnaenergia. Tefloniga on kaetud paljude küpsetusnõude pinnad, näiteks pannid , koogivormid, sest tefloni kasutustemperatuur on kuni 260 ˚C. Enamasti on tefloniga kaetud pinnad musta värvi ning vähenakkuvad. Teflon võib lagunemisel (mõningatel andmetel alates 200 ˚C) eraldada toksilisi fluoriühendeid, mis kuhjuvad organismi ja tekitavad terviseprobleeme (näiteks seda seostakse raseduse katkemise, sünnidefektidega jm).
Polütetrafluoroetüleeni peamised kasutusalad:

• Tihendid.
  
• Hermeetikud.
  
• Elektriisolatsioon.
  
• Isemäärivad laagrid .
  
• Suusatallad.
  
• Kööginõud (ei nakku).
  
• Riided.
  

Polümetüülmetakrülaat (PMMA)
Polümetüülakrülaat on kõva jäik ja kõrge löökisitkusega termoplast, mis on hea läbipaistvusega ning kergesti vormitav kõigi kasutatavate vormimistehnoloogiatega. Pleksiklaasina tuntud polümetüülakrülaat on vastupidav kõikidele majapidamiskemikaalidele, kuid ei kannata petrooli ega orgaanilisi lahusteid. Polümetüülakrülaat on üks enamkasutatavaid optilisi materjale, kuna tal on hea läbipaistvus võrreldes teiste optiliste klaasidega.
Polümetüülakrülaadi peamised kasutusalad:

• Reklaamtahvlid, teemärgid, valgustid.
  
• Aknad, tuuleklaasid, kabiinid, kuplid ja muud läbipaistvad tooted.
  
• Hamba- ja muud proteesid.
  
• Lehtede vaakumvormimisel saadakse vanne, valamuid jne.
  

Polüamiid (PA)
Polüamiid ehk nailon on väga tugev ja kõva materjal mida iseloomustab hea abrasiivkulumiskindlus. Nad on elastsed ja kõrge löögisitkusega. Üldjuhul on polüamiid kemikaali- ja lahustikindel, kuid vettimav materjal. Polüamiidi puhul on probleemiks ka suur kristallumisest tingitud mahukahanemine ja järelkahanemine toatemperatuuril.
Polüamiidi peamised kasutusalad:

• Tekstiilitööstus.
  
• Survevalutooted – ajamid , laagrid, hammasrattad , rullikud.
  
• Kilepakendid ja keetmiskotid.
  
• Monokiud – harjad, vaibad, parukad, kirurgilised niidid , võrgud.
  
• Torud, pihustatavad pinnakatted.
  
• Kodumasinate korpused, autoosad.
  

Kokkuvõte

Plastid on polümeermaterjalid, mille põhikomponent on polümeerid. Mitmekomponentse süsteemina sisaldavad need põhipolümeerile lisaks mitmeid lisandeid ja abiaineid, mille ülesanne on polümeeride tehnoloogiliste ja talitlusomaduste mitmekesistamine. Polümeerid kui plastide põhikomponendid on kõrgmolekulaarsed ühendid, milles makromolekul on ehitatud madalamolekulaarsetest ühenditest – monomeeridest, mis on ühendatud keemilise sidemega.
Plastid on painduvad, lihtsalt töödeldavad ja suurepärased isolatsioonimaterjalid. Enamik polümeere on suurepärased isolaatorid. Neid kasutatakse elektrikaablite isolatsiooniks, elektripistikute korpustes, ühenduspesades ja elektriliste aparaatide ehitusel.
Polümeerid võivad olla termoplastsed või termoreaktiivsed . Termoplastsed ained pehmenevad ja muutuvad temperatuuri tõustes voolavaks ning temperatuuri langedes tahkuvad taas, ilma, et nende omadused muutuksid. Termoreaktiivsed polümeerid on tootmisprotsessis tavaliselt pehmed, kuid pärast tahkumist enam ei pehmene .
Lõppomaduste ja otstarbe järgi liigitatakse termoplastid ja termoreaktiivid:

• tarbeplastideks – need on polüetüleen (PE), polüpropüleen (PP), polüvinüülkloriid (PVC), polüstüreen (PS), fenoplast (PF) jt.
  
• konstruktsioonplastideks – need on polükarbo- naat (PC), polüamiid (PA), orgklaas (PMMA), epoksüplast (EP) jt.
  
• eriplastideks – fluorplast (PTFE), polüsulfoon (PSU), polüeetersulfoon (PES) jt.
  

Kasutatud kirjandus

Angelstok, F. (2002). Materjalid ja tehnoloogiad. Tallinn: Sisekaitseakadeemia kirjastus, 56 lk.

Ashby, M., Cebon, D., Shercliff, H. (2007). Materials Engineering , Science , Processing and Design. Oxford: Butterworth -Heinemann, 514 lk.

Kozlov , J. (1988). Materjaliõpetus. Tallinn: Valgus, 184 lk.

Kulu, P., Nava, R.-B. (1999). Insenerimaterjalid IV. Tehnoplastid . Tallinn: 1999