Dzięki wysokiej odporności na rozdarcie, niskiemu wydłużeniu i dobrej izolacji papier izolacyjny jest szeroko stosowany jako materiał izolacyjny w silnikach, kablach, kondensatorach i transformatorach, a także jest głównym składnikiem materiałów izolacyjnych, takich jak produkty laminowane, materiały kompozytowe i materiały prepregowe. Kable izolowane na niskie napięcie (LV) Niskonapięciowe kable elektroenergetyczne są stosowane w sieciach o napięciach do 1 kV. Są wykorzystywane w instalacjach elektrycznych wewnątrz budynków, na terenach przemysłowych, a także w sieciach dystrybucyjnych na obszarach zurbanizowanych. Przeważnie mają izolację wykonaną z PVC, PE lub Wybór metali przewodzących do różnych gałęzi przemysłu i zastosowań może stanowić pewnego rodzaju wyzwanie. Na kable i przewody stosowana jest często miedź, ze względu na jej doskonałą przewodność i kowalność. Natomiast jest ona stosunkowo ciężka i droga w porównaniu z aluminium. Przestawienie się na aluminium, które jest lżejsze i znacznie tańsze niż miedź, jest w Tłumaczenia w kontekście hasła "insulating fitting" z angielskiego na polski od Reverso Context: The product is not considered to be an insulating fitting for electrical appliances of heading 8547 as it is not specifically designed for insulating purposes but for protecting the electrical connections. Izolacja pianką poliuretanową nie zmienia swoich parametrów w czasie, nie utlenia się, nie obsuwa i nie obwisa jak wełna. Materiał ma strukturę komórkową, dzięki której bez względu na warunku atmosferyczne czy upływający czas zachowuje swoje pierwotne właściwości. Pianka poliuretanowa doskonale radzi sobie z różnymi warunkami Pianka poliuretanowa to nowoczesny materiał izolacyjny, który zapewniając szczelną izolację termiczną, jest dobrą alternatywą dla wełny mineralnej lub styropianu. Szczególnie świetnie sprawdza się w przypadku problematycznej izolacji poddasza, którą łatwiej można wykonać za pomocą elastycznej pianki. oqDjz. Lista słów najlepiej pasujących do określenia "materiał izolacyjny w elektrotechnice":EBONITBAKELITMIKAPRESZPANSREBROPAPAIGELITAZBESTSTYROPIANPAKUŁYTAŚMAETERNITWEŁNALEPIKWATAIZOLATORPAPIERMUFKAIZOLACJAZWOJNICA Charakterystyka materiałów izolacyjnych Temat: Podział i charakterystyka materiałów izolacyjnych 1. Materiały izolacyjne ze względu na stan skupienia dzieli się na gazowe, ciekłe i stałe. (Innym kryterium podziału może być pochodzenie materiału (tabela. 1). Bardziej szczegółowa klasyfikacja odnosi się do materiałów stałych, gdzie w grupie materiałów syntetycznych rozróżnia się plastomery, elastomery oraz tworzywa złożone i półwyroby. Zakwalifikowanie tworzyw złożonych i półwyrobów do grupy materiałów organicznych syntetycznych jest tylko częściowo słuszne, ponieważ składni Gazy Gazy nieszlachetne występujące w atmosferze, syntetyczne, szlachetne Ciecze Oleje mineralne, oleje syntetyczne, oleje naturalne Materiały stałe Nieorganiczne Szkło, ceramika, mika, azbest Organicznie naturalne Celuloza, asfalt, bituminy, woski, żywice naturalne Organiczne syntetyczne Plastomery Termoplasty, duroplasty Elastomery Kauczuki: naturalne, syntetyczne Półwyroby Emalie i lakiery, żywice lane, materiały warstwowe, tłoczywa, tkaniny sycone, taśmy, koszulki, folie Tabela 1. Podział materiałów elektroizolacyjnych GAZY Do gazów elektroizolacyjnych stosowanych jako izolacja lub czynnik chłodzący należy w pierwszym rzędzie powietrze, a następnie azot, dwutlenek węgla, wodór, hel oraz gazy elektroujemne - dwuchlorodwufluorometan CI2F2C (freon 12) - oraz sześciofluorek siarki SF6. Ponadto w technice oświetleniowej stosuje się gazy szlachetne - argon, neon, krypton i ksenon. Pod względem rezystywności, przenikalności elektrycznej i stratności dielektrycznej, gazy elektroizolacyjne niewiele różnią się między sobą i przy napięciach poniżej progu jonizacji można je traktować jako dielektryki bez strat, gdyż ich rezystywności wynoszą ok. 1018? • cm. Gazy stosowane w elektrotechnice powinny być obojętne chemicznie i niepalne, powinny mieć dostatecznie niską temperaturę skraplania przy dość wysokim ciśnieniu, dużą przewodność cieplną; nie powinny zbyt łatwo rozpuszczać się w olejach i ulegać rozkładowi pod działaniem jonizacji i wyładowań elektrycznych. Oczywiście duża wytrzymałość dielektryczna jest ich najważniejszą właściwością. Ze względu na ujemną rolę, jaką odgrywają zanieczyszczenia, stawia się dość ostre wymagania co do czystości gazu. Tak na przykład zaleca się, aby zawartość wilgoci w gazie przeznaczonym do napełnienia urządzenia elektrycznego (np. wyłącznika) nie przekroczyła wagowo 15 ppm (części na milion). Zwraca się ponadto uwagę na dokładne wysuszenie wnętrza urządzenia przed napełnieniem go SF6. W celu dodatkowej ochrony urządzenia przed oddziaływaniem produktów rozkładu SF6, w jego przestrzeni gazowej umieszcza się zazwyczaj odpowiedni adsorbent (najczęściej tlenek glinu i sito molekularne). MATERIAŁY IZOLACYJNE CIEKŁE Oleje mineralne Ropa naftowa, z której otrzymuje się oleje izolacyjne, jest głównie mieszaniną węglowodorów nasyconych parafinowych o wzorze ogólnym CnH2n+2, naftenowych CnH2n i węglowodorów aromatycznych. Pewne ilości węglowodorów nienasyconych o wzorach ogólnych CnH2n i CnH2n-2 znajdują się w olejach wskutek termicznego rozkładu innych węglowodorów podczas destylacji. W zależności od tego, jaki rodzaj węglowodorów decyduje o własnościach ropy, nosi ona nazwę parafinowej lub parafinowo-naftenowej, naftenowej, parafinowo-naftenowo-aromatycznej, naftenowo-aromatycznej lub aromatycznej. Oleje izolacyjne mogą być wytwarzane ze wszystkich wymienionych rodzajów ropy, z tym że występują dość znaczne różnice w procesie wytwarzania, co znajduje również swoje odbicie w kosztach produkcji oleju. Najłatwiej, a tym samym najtaniej, uzyskuje się dobrej jakości oleje izolacyjne z rop naftenowych. Wzrost zawartości węglowodorów parafinowych w oleju łączy się z podwyższeniem jego temperatury krzepnięcia. Aby uzyskać niską temperaturę krzepnięcia olejów wytwarzanych z rop parafinowych, przeprowadza się podczas ich rafinacji głębokie odparafinowywanie, dodaje się do oleju odpowiednie związki, zwane depresatorami, bądź też stosuje się łącznie obydwa środki. Jakość olejów izolacyjnych sprawdza się badając ich własności chemiczne, fizyczne i dielektryczne. Do ważniejszych wielkości określających te własności należą: - liczba kwasowa, - zawartość osadów, - lepkość, - zawartość wody, - zawartość ciał obcych, - temperatura zapłonu, - temperatura krzepnięcia, - rozpuszczalność gazów, - wytrzymałość dielektryczna, - tangens kąta strat, - rezystywność, Liczba kwasowa, określająca ogólną zawartość kwasów w oleju, charakteryzuje jakość przeprowadzonego procesu rafinacji. Jej wzrost podczas eksploatacji sygnalizuje postępujący proces starzenia oleju. Pod wpływem wyładowań elektrycznych oleje mineralne wydzielają lub absorbują gazy na powierzchni granicznej między fazą gazową i olejem. Cecha ta nosi nazwę własności gazowych olejów. W olejach poddanych działaniu pola elektrycznego węglowodory parafinowe wydzielają wodór H i metan CH4 oraz węglowodory nienasycone np. C2H2. Przy zwiększaniu się zawartości zanieczyszczeń jonowych i wilgoci rezystywność oleju maleje; maleje znacznie także ze wzrostem temperatury. Czynnikami wywierającymi wpływ na pomiar rezystywności oleju są: - wartość natężenia pola elektrycznego - czas od chwili doprowadzenia napięcia do chwili odczytu wielkości mierzonej. Jedną z podstawowych cech określających jakość olejów pracujących przy dostępie powietrza jest ich odporność na utlenianie. Zależy ona przede wszystkim od składu grupowego oleju. Najwyższa dopuszczalna temperatura oleju będącego w kontakcie z powietrzem (tlenem) przy pracy ciągłej nie powinna przekraczać 95C. Przekroczenie 110C powoduje znaczne przyspieszenie starzenia się oleju. Szczególnie silnym katalizatorem procesu utleniania jest miedź. Katalizatorami tego procesu są również inne metale (np. żelazo) oraz wilgoć. W celu zwiększenia odporności na utlenianie dodaje się do oleju niewielkie ilości związków chemicznych (najczęściej typu fenoli) będących inhibitorami utleniania. Efektywność działania inhibitora zwiększa się z głębokością rafinacji. Z tego względu produkowane oleje inhibitowane różnią się składem grupowym od olejów nieinhibitowanych. Podczas procesu starzenia inhibitor ulega stopniowemu zużyciu i z chwilą jego całkowitego wyczerpania następuje raptowne pogorszenie oleju, zwane potocznie załamaniem się własności oleju, którego przejawem jest m. in. wytrącenie osadu. Aby temu zapobiec, należy dokonywać kontroli zawartości inhibitora w używanym oleju. Z chwilą zaobserwowania zużycia inhibitora należy wymienić olej bądź też zwiększyć ilość inhibitora. Do najważniejszych wielkości kontrolowanych regularnie podczas eksploatacji oleju należą: - wytrzymałość dielektryczna, - tangens kąta strat, - rezystywność, - liczba kwasowa - temperatura zapłonu. W przypadku olejów inhibitowanych, jak już wspomniano, jest ponadto niezbędne sprawdzanie stopnia zużycia inhibitora. Pod względem zastosowania oleje dzieli się na transformatorowe, kondensatorowe, kablowe i wyłącznikowe. Oleje transformatorowe, poza transformatorami są stosowane do przekładników i wyłączników. Oleje te, spełniające rolę czynnika chłodzącego, wykazują dość małą lepkość. Z drugiej strony duże wymagania stawiane temperaturze zapłonu olejów stosowanych w transformatorach przeciwstawiają się zbyt daleko idącemu zmniejszeniu lepkości. Oleje transformatorowe produkuje się jako nieinhibitowane i inhibitowane. Oleje kondensatorowe cechuje bardzo mała lepkość. Olejów kondensatorowych na ogół nie inhibituje się. Większa odporność oleju mineralnego na wyładowania elektryczne oraz temperatura krzepnięcia niższa niż olejów syntetycznych powodują, że stosuje się go w kondensatorach na wyższe napięcia oraz w kondensatorach pracujących przy niższych temperaturach. Oleje kablowe charakteryzują się różnymi lepkościami, zależnie od przeznaczenia. Do kabli średnich i niskich napięć olej musi mieć dużą lepkość ze względu na konieczność utrzymania go w izolacji papierowej przy różnych położeniach kabla (utrudnienie ściekania). Zagęszczenie oleju kablowego (syciwa) uzyskuje się przez dodanie kalafonii lub poliizobutylenu. Jakość kalafonii ma duży wpływ na stratność dielektryczną syciwa kablowego. Dobry gatunek kalafonii chroni olej przed utlenianiem i zwiększa zdolność pochłaniania gazów. Oleje wyłącznikowe wykazują małą lepkość w niskich temperaturach oraz małą zawartość węglowodorów aromatycznych. Pierwsza własność zapewnia poprawną pracę styków wyłącznika (mały opór hydrodynamiczny) w niskich temperaturach, druga zaś - przyczynia się do zmniejszenia ilości sadzy" tworzącej się podczas gaszenia łuku elektrycznego. Obecność sadzy w oleju w postaci fazy rozproszonej zwiększa niekiedy znacznie jego lepkość, co może się odbić niekorzystnie na pracy wyłącznika, zwłaszcza w niskich temperaturach. Oleje syntetyczne Do najczęściej stosowanych syntetycznych cieczy dielektrycznych - olejów syntetycznych należą chlorowane dwufenyle, znane pod nazwami firmowymi Pyralene, Aroclor, Ineerten, Clophen itp. Stanowią one mieszaniny chloro pochodnych dwufenylu o różnych zawartościach chloru, głównie pięciochlorodwufenyl. W porównaniu z olejami mineralnymi cechuje je: - niepalność, - wyższa odporność cieplna, - brak wytrącania osadu jako produktu starzenia, - niezmienność lepkości i kwasowości podczas eksploatacji - większa przenikalność elektryczna. Chlorowane dwufenyle są o ok. 1,5-krotnie cięższe i znacznie droższe od olejów mineralnych, ponadto większość z nich wykazuje wyższą temperaturę krzepnięcia i większą wartość tangensa kąta strat. Działają drażniąco na skórę, a przy nieostrożnym obchodzeniu się z nimi bywają powodem uczuleń. Ujemną ich cechą z punktu widzenia ochrony środowiska jest zdolność do odkładania się w żywych organizmach, co się wiąże z bardzo powolną ich biodegradacją. Z tego względu stosowanie chlorowanych dwufenyli w elektrotechnice ogranicza się do tych urządzeń, których eksploatacja, a także późniejsze ich złomowanie, są w odpowiedni sposób kontrolowane. Chlorowane dwufenyle stosuje się przede wszystkim jako syciwo do kondensatorów energetycznych; ze względu na niepalność służą także do napełniania transformatorów pracujących wewnątrz budynków. Do rzadziej stosowanych syntetycznych, trudnopalnych cieczy dielektrycznych należą oleje silikonowe (głównie liniowe polimetylo- lub polimetylofenylosiloksany). Istnieje duża rozmaitość tych olejów o szerokim zakresie lepkości. Wykazują one małą zależność lepkości od temperatury; w zakresie temperatur dodatnich odznaczają się natomiast stosunkowo dużą chłonnością wody. Temperatura krzepnięcia jest bardzo niska (ok. -85C), górna zaś graniczna temperatura pracy dochodzi do 200C. Wytrzymałość dielektryczna olejów silikonowych jest mniejsza niż wytrzymałość olejów mineralnych. Starzenie się olejów silikonowych polega na ich polimeryzacji, w której wyniku przechodzą w stan zestalony o cechach kauczuku. Proces polimeryzacji można znacznie opóźnić, hermetyzując olej. Oleje roślinne Z olejów naturalnych pewne zastosowanie jako materiał izolacyjny znajduje olej rycynowy, ze względu na dość dużą przenikalność elektryczną (?50Hz wynosi od 4,2 do 4,5). Pod wpływem wyładowań niezupełnych w mniejszym stopniu ulega rozkładowi niż chlorowane dwufenyle, łatwo natomiast przechodzi w postać żelu. Stosuje się go w kondensatorach pracujących w układach impulsowych. MATERIAŁY IZOLACYJNE STAŁE NIEORGANICZNE Szkła Wytrzymałość dielektryczna szkieł dochodzi do 50 kV/mm i w małym stopniu zależy od składu chemicznego. Na jej wartość wpływają niejednorodności struktury, zwłaszcza zaś wtrąciny gazowe. Odporność szkła przemysłowego na zmiany temperatury wynosi od 50 do 90C; żaroodpornego szkła borowo-krzemowego - od 200 do 250C; szkła kwarcowego do 1000C. W stanie ustalonym, w warunkach normalnych rezystywność skrośna szkieł jest równa od 108 do 1020 ? • cm, przy czym największe wartości wykazuje kwarc topiony od 1017 do 1020 ? • cm. Temperaturę, w której rezystywność skrośna osiąga wartość 108 ? • cm, przyjmuje się za charakterystyczną dla własności izolacyjnych danego gatunku szkła. Rezystywność powierzchniowa w normalnych warunkach atmosferycznych wynosi od 1010 do 1015 ?. Przenikalność elektryczna względna zawiera się w granicach od ok. 3,9 (szkła kwarcowe) do ok. 16,5 (szkła o dużej zawartości ołowiu). Tangens kąta strat przyjmuje wartości od ok. 10-4 (kwarc topiony) do 10-1. Szkła wykazują na ogół dobrą stabilność chemiczną. Wilgoć osadzająca się na szkle powoduje rozpuszczanie zawartych w nim nie związanych tlenków metali oraz hydrolizę krzemianów. Najodporniejsze na działanie kwasów są szkła o dużej zawartości krzemionki, na działanie zaś zasad - szkła z domieszką dwutlenku cyrkonu. W elektrotechnice szkła stosuje się na izolatory i bańki różnego rodzaju lamp; w postaci włókna (bezalkalicznego) służy jako wypełniacze w postaci tkaniny szklanej - jako nośnik do materiałów złożonych. Materiały ceramiczne Gęstość materiałów ceramicznych przyjmuje wartości od 1,8 g/cm3 (ceramika porowata) do ok. 9,7 g/cm3 (tlenek toru). Odporność na zmiany temperatury wynosi średnio od 110 do 160C. Przewodność cieplna wynosi od 1,1 do 1,6 W/m • K (porcelana), aż do ok. 200 W/m • K (tlenek berylu). Najlepsze własności mechaniczne wykazują ceramika cyrkonowa oraz czysty trójtlenek glinu. Pokrycie szkliwem ceramiki krzemianowej i steatytowej może polepszyć jej własności mechaniczne. Porowatość struktury powoduje zmniejszenie wytrzymałości mechanicznej. Rezystywność skrośna zależy przede wszystkim od składu chemicznego i zawiera się w granicach od 1011 do 1016 ? • cm przy 20C. Największą rezystywność mają masy celsjanowe. Rezystywność powierzchniowa zależy zarówno od struktury, jak i stanu powierzchni; dla warunków normalnych wynosi od 1010 do 1012 ? • cm. Wytrzymałość dielektryczna zależy przede wszystkim od mikrostruktury materiału, jego spoistości oraz rodzaju i kształtu występującym w nim porów; wynosi od 10 do 15 kV/mm – korund i od 30 do 40 kV/mm – ceramika celsjanowa. Szczególnie niekorzystny wpływ na wytrzymałość elektryczną wywiera obecność porów otwartych, które są powodem występowania mechanizmu przebicia zapoczątkowanego przez wyładowania niezupełne. Pory te ponadto powodują znaczną nasiąkliwość materiału (do 20%), co pogarsza wszystkie własności elektryczne. Wytrzymałość dielektryczna materiałów ceramicznych maleje ze wzrostem temperatury. Zależność ta ogranicza w wielu przypadkach dopuszczalny zakres temperatury, w którym dany materiał można stosować. Przenikalność elektryczna względna w zależności od składu materiałów ceramicznych zmienia się w bardzo szerokich granicach: od 4...5 (drobnoporowate masy kordierytowe) do kilku tysięcy (ceramika tytanianowa). Ceramika o znacznej przenikalności elektrycznej wykazuje własności ferroelektryczne. Wpływ częstotliwości na przenikalność elektryczną większości materiałów ceramicznych jest mały. Odporność materiałów ceramicznych na łuk jest dobra. Najlepszą odporność chemiczną wykazują tworzywa kwasoodporne z glin ogniotrwałych z dodatkiem porcelany oraz kamionki, najsłabszą - tlenki Si02, Be0 i A1203. Poza pewnymi szczególnymi przypadkami nie obserwuje się w materiałach ceramicznych występowania procesów starzeniowych i zmęczenia mechanicznego. Znaczną wadą materiałów ceramicznych jest ich bardzo trudna obrabialność (szlifowanie) po procesie wypalania końcowego. Mika i materiały mikowe Mika jest praktycznie całkowicie odporna na wpływy chemiczne; odznacza się także znaczną odpornością na wyładowania niezupełne. Oleje izolacyjne powedują jednak rozwarstwienie miki. W elektrotechnice stosuje się dwa gatunki miki: muskowit i flogopit; flogopit jest bardziej elastyczny, ale słabszy mechanicznie. Temperatura robocza miki nie może przekraczać wartości, przy której następuje odparowywanie wody krystalicznej; dla muskowitu wynosi 540C, dla flogopitu 900C. Na rezystywność miki duży wpływ wywiera wilgoć. Przenikalność elektryczna względna wynosi od 6 do 7, a tangens kąta strat (przy 50 Hz i 20C) wynosi ok. 10-4 (muskowit), od 10-3 do 10-2 (flogopit). Obydwie wymienione wielkości w zakresie częstotliwości elektrotechnicznych ulegają niewielkim zmianom. Mały wpływ wywiera na nie również wzrost temperatury. Pochodnym produktem miki (najczęściej muskowitu) jest papier mikowy (Isomika, Mika Mat, Ramika, Romika, Samika); papier ten jest produktem wyjściowym wielu półwyrobów. Zależnie od struktury i składu rozróżnia się następujące półwyroby z miki: mikafolię – płatki miki lub papier mikowy (naklejone na nośniku papierowym lub tkaninie szklanej), mikanity – klejone lepiszczem organicznym płatki miki lub przesycony tym lepiszczem papier mikowy; ew. przyklejony do nośnika, tj. papieru lub tkaniny szklanej. Wyroby mikowe, a zwłaszcza mikanity, odznaczają się dużą wytrzymałością dielektryczną i dużą odpornością na wyładowania. Materiały na bazie papieru mikowego zastępują obecnie mikanity (wykonane z płatków miki) w izolacji maszyn wysokonapięciowych i aparatów. Rozróżnia się ponadto: mikanity komutatorowe, mikanity do kształtowania oraz mikanity grzejnikowe. Materiały azbestowe Surowcami do produkcji wyrobów azbestowych są odmiany: azbest serpentynitowy chryzotylowy o długim włóknie, nadający się zwłaszcza do wyrobu taśm i tkanin, azbest amfibolowy – termolit o włóknie krótkim, stosowany do produkcji papierów i azbestocementów. Główną zaletą materiałów azbestowych jest znaczna odporność cieplna oraz odporność na łuk; wyroby z czystego azbestu wytrzymują do 400C. Wyroby azbestowe zawierające syciwo nadają się do pracy ciągłej w temperaturze do 220C. Własności mechaniczne i dielektryczne wyrobów azbestowych ustępują wyrobom z włókien organicznych Kompozycje azbestu z innych materiałami, zwłaszcza z syciwem organicznym oraz z nośnikami z tkaniny szklanej, znajdują zastosowanie jako izolacja maszyn i transformatorów suchych. Azbestocementy otrzymuje się w drodze sprasowania włókna azbestowego z cementem. Są produkowane w postaci płyt o grubości od 3 do 40 mm lub w postaci kształtek. Wyroby te są znacznie tańsze niż materiały warstwowe. W celu zmniejszenia higroskopijności wytwarza się odmiany z dodatkiem syciwa organicznego, np. związków silikonowych. MATERIAŁY IZOLACYJNE STAŁE ORGANICZNE NATURALNE Materiały celulozowe Przeciętna celuloza techniczna zawiera od 88 do 96% tzw. ? – celulozy, której stopień polimeryzacji waha się w granicach od 800 do 1400. Pozostałą część stanowi tzw. chemiceluloza o cząsteczkach mniejszych. Jej stopień polimeryzacji wynosi ok. 100. Stosuje się dwa zasadnicze procesy otrzymywania celulozy: kwaśny (sulfitowy) i – ważniejszy – zasadowy (siarczanowy – sulfatowy). W procesie kwaśnym masę drzewną gotuje się w roztworze kwasu siarkowego H2S03 (ściślej - w roztworze siarczynu wapniowego z nadmiarem H2S03). W procesie zasadowym używa się wodorotlenku sodu NaOH, przy czym w procesie zasadowym ubytek NaOH uzupełnia się przez dodawanie innych czynników (np. Na2S). Proces zasadowy w mniejszym stopniu uszkadza chemicznie cząstki celulozy w związku z tym otrzymana tym sposobem celuloza zwana celulozą siarczanową, ma lepsze własności mechaniczne, jest mniej wrażliwa na starzenie i z tych względów stosuje się ją powszechnie do wyrobu papierów izolacyjnych. Papiery izolacyjne mają kolor naturalny żółtawy. Nie bieli się ich ze względu na obecność chloru we wszystkich czynnikach bielących, którego pozostałości zmniejszałyby wytrzymałość mechaniczną i własności dielektryczne. Bardzo ważnym procesem przy wyrobie papieru jest przemiał masy celulozowej, który ma na celu rozdrobnienie włókien. Podczas przemiału następuje zmniejszenie długości włókien oraz ich rozdrobnienie. Gdy włókna celulozy nie są bardzo rozdrobnione, mówi się o przemiale chudym. W przypadku bardzo rozdrobnionych włókien mówi się o przemiale tłustym. Rodzaj mielenia ma bardzo duże znaczenie z punktu widzenia własności mechanicznych i elektrycznych papieru, na równi z doborem surowca. Ze wzrostem tłustości miazgi przepuszczalność powietrza maleje, wzrasta ciężar właściwy, zmniejsza się zdolność nasycania olejami i wzrasta stratność dielektryczna papieru. Papier izolacyjny powinien być wykonany z celulozy świerkowej lub sosnowej, przerobionej przy pomocy procesu zasadowego i długotrwałego mielenia na chudo – taka celuloza, bowiem daje pewność dużej wytrzymałości mechanicznej papieru, dobrą jego nasiąkliwość i dobre własności izolacyjne. Wytrzymałość dielektryczna wyrobów celulozowych jest tym większa, im większy, jest ich ciężar objętościowy, lepsza równomierność rozłożenia włókien (mniejsza przepuszczalność powietrza) oraz większa czystość (mniejsza przewodność wyciągu wodnego). Szczególnej czystości wymaga się od materiałów celulozowych przewidzianych do współpracy z olejami syntetycznymi (chlorowanymi dwufenylami). Wytrzymałość dielektryczna (przy 50 Hz i udarowa) materiałów przesyconych olejem mineralnym, o zawartości wilgoci resztkowej pozostałej z procesu suszenia w granicach od 0,3 do ok. 3% może ulec zmniejszeniu do 10%. Większe zmniejszenie wytrzymałości obserwuje się przy zawartości wilgoci powyżej 3%. W celu zapewnienia odpowiednio małej zawartości wody oraz uniknięcia wtrącin gazowych, izolację papierową (przynajmniej w ostatniej fazie przed nasyceniem) suszy się i zalewa olejem pod próżnią. Parametry procesu suszenia dobiera się w zależności od rodzaju układu izolacyjnego i jego naprężeń roboczych. Do kondensatorów stosuje się ciśnienie końcowe ok. 10?3 Tr, do transformatorów od 10-1 do 10-2 Tr. Materiały celulozowe stosowane w elektrotechnice dzieli się na bibułki, papiery i preszpany. Materiały te są stosowane jako samodzielne elementy układów izolacyjnych pracujących w oleju mineralnym lub syntetycznym bądź też są używane do wytwarzania materiałów złożonych, np. syconych żywicami materiałów warstwowych, bądź jako podłoże, na które jest następnie naklejona folia elektroizolacyjna, płatki miki itp. Rozróżnia się: bibułkę kondensatorową, bibułkę do wyrobów mikowych, papiery nawojowe, papier do kabli elektroenergetycznych (kablowy) i preszpan elektrotechniczny (twardy, normalny, żłobkowy, nasiąkliwy). Do odmian wyrobów celulozowych produkowanych za granicą, różniących się własnościami od krajowych, należą: tzw. preszpan formowalny, umożliwiający formowanie na mokro różnych elementów izolacyjnych, oraz papiery i preszpany modyfikowane (stabilizowane) chemicznie o zmniejszonej chłonności wilgoci i zwiększonej odporności cieplnej. Asfalty Rozróżnia się asfalty (bitumy) naturalne kopalne oraz asfalty ponaftowe i węglowe (paki). Ze względu na dość dobrą elastyczność stosuje się je w elektrotechnice jako składniki zalew mas nasycających, kitów oraz niektórych lakierów. Asfalty węglowe są używane w ogniwach jako zalewy. Do ważniejszych wyrobów należy zaliczyć tzw. zalewy kablowe, stanowiące kompozycje asfaltów i wosków stosowane do zalewania muf i głowic kablowych. Woski Terminem wosk określa się grupę złożonych substancji organicznych pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, których własności fizyczne (rzadziej chemiczne) są podobne do wosku pszczelego. Są to na ogół stałe substancje nieprzezroczyste, błyszczące o temperaturze topnienia od 50 do 100C (rzadko wyższej), charakteryzujące się małą lepkością, a po stopieniu – zdolnością wytwarzania połysku. Po rozpuszczeniu w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych tworzą z nimi pasty lub żele. Wykazują zdolność wzajemnego mieszania się w stanie roztopionym. MATERIAŁY IZOLACYJNE SYNTETYCZNE Charakterystyka ogólna Istnieją trzy podstawowe procesy prowadzące do powstawania związków wielkocząsteczkowych, są to : - Polimeryzacja - proces łączenia się wielu cząsteczek podstawowych tj. monomerów, w związek wielkocząsteczkowy (polimer) bez wydzielania produktów ubocznych. Jeżeli polimeryzacji ulega równocześnie więcej niż jeden rodzaj monomerów proces nosi nazwę kopolimeryzacji powstający zaś produkt - kopolimeru. - Polikondensacja - proces łączenia się cząsteczek monomeru w polimer z jednoczesnym wydzieleniem produktów ubocznych, którymi są zwykle cząsteczki proste (woda, chlorowodór, amoniak). - Poliaddycja - proces łączenia się cząsteczek monomeru w polimer za pośrednictwem grup reaktywnych na przykład w wyniku przegrupowania atomu wodoru. Temu procesowi nie towarzyszy wydzielanie się produktów ubocznych. Związek wielkocząsteczkowy określają dwie podstawowe wielkości: masa cząsteczkowa oraz stopień polimeryzacji. Masa cząsteczkowa, a ściślej biorąc jej wartość średnią, ze względu na występującą dyspersję, określa się jako iloraz masy próbki polimeru przez liczbę lub udział masy obecnych w niej makrocząsteczek. Stopień polimeryzacji informuje o liczbie cząsteczek monomeru występujących w badanym polimerze. W ostatnim dziesięcioleciu opracowano metody otrzymywania polimerów liniowych rozgałęzionych o uporządkowanej budowie przestrzennej – tzw. polimerów stereoregularnych o szczególnie korzystnych własnościach. Ze względu na rozmieszczenie podstawników, tj. odgałęzień łańcucha, rozróżnia się trzy rodzaje polimerów: izotaktyczne, syndiotaktyczne i ataktyczne. Pod względem własności mechanicznych tworzywa sztuczne dzieli się na plastomery (o dużym module sprężystości) i elastomery (o małym module sprężystości i bardzo dużej rozciągliwości); cechą elastomerów w pewnym zakresie temperatur jest zdolność niemal natychmiastowego powrotu do postaci pierwotnej po nawet dużym odkształceniu. Plastomery dzieli się z kolei na termoplasty i duroplasty. Termoplasty (tworzywa termoutwardzalne) są polimerami, które dają się doprowadzić do stanu o zwiększonej plastyczności lub do stanu płynnego przez nagrzanie. Po obniżeniu temperatury przechodzą one z powrotem w stan stały. Procesowi temu nie towarzyszą zmiany struktury chemicznej. Termoplasty mają cząsteczki o budowie łańcuchowej, w szczególnych przypadkach z łańcuchami rozgałęzionymi. W grupie termoplastów można wyróżnić kilka ważniejszych podgrup, są to: - węglowodory alifatyczne bez podstawników lub z podstawnikami alifatycznymi bądź aromatycznymi, np. polietylen, polipropylen, poliizobutylen, polistyren; - chloropochodne, np. polichlorek winylu; - fluoropochodne, np. policzterofluoroetylen (teflon); - tworzywa o łańcuchach mieszanych np. poliamidy, poliwęglany, poliimidy i in.; - tworzywa o łańcuchach z pierścieniami mieszanymi np. pochodne celulozy. Termoplasty są dielektrykami małopolarnymi. Duroplasty (tworzywa termoutwardzalne) są to związki wielkocząsteczkowe, które pod wpływem podwyższonej temperatury lub odpowiednich dodatków (utwardzaczy) podlegają nieodwracalnym zmianom (utwardzaniu). W stanie utwardzonym produkt mimo nagrzewania nie ulega uplastycznieniu. Proces utwardzania polega na utworzeniu między łańcuchami tworzywa wyjściowego trwałych wiązań poprzecznych. Usieciowanie takie obejmuje praktycznie całą masę tworzywa, tworząc w pewnym sensie jedną cząsteczkę. Pod względem chemicznym duroplasty dzieli się na: - fenoplasty (żywice fenolowo- i krezolowoformaldehydowe); - aminoplasty (żywice mocznikowo- i melaminowoformaldehydowe); - poliestry (żywice alkidowe termoutwardzalne, w tym gliftale, oraz poliestry nienasycone); - poliuretany; - żywice epoksydowe dianowe i cykloalifatyczne; - żywice silikonowe; - żywice poliimidowe. Duroplasty - w porównaniu z termoplastami - zawierają zazwyczaj w cząsteczkach bardziej skomplikowane rodniki organiczne. Ich duża różnorodność stwarza możliwości wytwarzania wyrobów o szerokiej skali własności. Duroplasty stosuje się pod postacią półwyrobów, tj. tłoczyw, lakierów, klejów i żywic lanych (żywice epoksydowe i poliestrowe) oraz jako materiały wyjściowe przy produkcji kształtek i materiałów warstwowych, tkanin syconych i taśm. Elastomery są to polimery organiczne wykazujące wybitne własności elastoplastyczne. Odpowiedni proces technologiczny (wulkanizacja) umożliwia uzyskanie z nich wyrobów o pożądanych własnościach mechanicznych. Tworzywa sztuczne i półwyroby z tworzyw sztucznych stosowane w elektrotechnice. Elastomery (kauczuki i gumy) Dużą wydłużalność przy rozciąganiu i inne cechy elastyczne zawdzięczają elastomery konfiguracji makrocząsteczek, które w materiale nie poddanym działaniu naprężeń mechanicznych są zwinięte w spirale bądź tworzą zygzak. Elastomery zawierające cząsteczki o dużej liczbie nienasyconych wiązań i charakteryzujące się bardzo małym stopniem usieciowania noszą nazwę kauczuków. Brak wiązań poprzecznych między cząsteczkami powoduje, że kauczuki są materiałami o małej spoistości. Pod działaniem czynników chemicznych, zwanych wulkanizatorami, do których należy siarka, tlenki metali i niektóre związki organiczne, a także czynników fizycznych, takich jak podwyższona temperatura i promieniowanie jonizujące, następuje usieciowanie makrocząsteczek elastomeru. Proces ten nazywa się wulkanizacją, a powstały dzięki niemu produkt – wulkanizatem. Daleko posunięty proces wulkanizacji kauczuku prowadzi do uzyskania wyrobu twardego, zwanego ebonitem. Do wytworzenia gumy są niezbędne dwa procesy – wykonanie mieszanki gumowej, a następnie jej wulkanizacja. W skład mieszanki gumowej - oprócz kauczuku (niekiedy dwóch lub więcej rodzajów) i wulkanizatora - wchodzą jeszcze dodatkowe substancje: zmiękczacze, antyutleniacze, napełniacze, przyspieszacze wulkanizacji, barwniki i in. Wytrzymałość dielektryczna gumy zależy w dużym stopniu od jednorodności mieszanki; gumy o dużej, zawartości kauczuku i bardziej jednorodne wykazują, większą wytrzymałość dielektryczną. Gumy stosuje się do produkcji kabli i przewodów oraz do wyrobu przeciwporażeniowego sprzętu ochronnego, a także uszczelek wielu urządzeń elektrycznych. Z ebonitów wykonuje się obudowy izolacyjne, od których nie jest wymagana duża wytrzymałość dielektryczna. Elastomery – pod względem własności dielektrycznych, odporności na starzenie, a także własności przetwórczych – ustępują zazwyczaj plastyfikowanym termoplastom. Dlatego też w przemyśle elektrotechnicznym nastąpiło znaczne ograniczenie zakresu zastosowań elastomerów. Kauczuki są produktami pochodzenia naturalnego lub syntetecznego. Produktem wyjściowym otrzymywania kauczuku naturalnego jest sok mleczny (latex) z drzew kauczukowych (np. Hevea brasiliensis) rosnących w strefie podzwrotnikowej, i a także niektórych roślin występujących w klimacie umiarkowanym. Sok ten jest koloidalną zawiesiną kauczuku w wodzie. Podstawowym składnikiem kauczuku naturalnego jest nienasycony polimer poliizopropylen (poliizopren). Na czysty kauczuk bardzo intensywnie działają czynniki utleniające, przetwarzając go w twardą lub smolistą masę. W temperaturach poniżej 0C kauczuk naturalny ma konsystencję stałą, jest twardy i kruchy. W miarę podwyższania temperatury staje się coraz bardziej plastyczny i ok. 120C zaczyna płynąć. W temperaturze powyżej 200C ulega nieodwracalnemu rozkładowi, przekształcając się w lepką masę, zachowującą cechy smoły nawet po oziębieniu. Kauczuki syntetyczne są najczęściej produktami polimeryzacji lub kopolimeryzacji, rzadziej – polikondensacji związków organicznych charakteryzujących się podwójnymi wiązaniami w układzie sprzężonym. Do najważniejszych kauczuków syntetycznych stosowanych w elektrotechnice należą: - kauczuk butadienowo-styrenowy (kopolimer butadienu ze styrenem); - kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy (kopolimer butadienu z akrylonitrylem); - kauczuk chloroprenowy, nazywany także neoprenowym (polimer chloroprenu); - kauczuk butylowy (kopolimer izobutylenu z izoprenem lub butadienem); - kauczuk etylenowo-propylenowy; - kauczuki polisiarczkowe, nazywane także tiokolami; - kauczuk silikonowy; - kauczuk uretanowy; - kauczuk butadienowy (polimer butadienu), obecnie rzadko stosowany. Kauczuk butadienowo-styrenowy używany jako materiał elektroizolacyjny zawiera zazwyczaj dodatek kauczuku naturalnego. Gumy z tego kauczuku mają podobne własności chemiczne jak kauczuk naturalny, są jednak bardziej odporne na starzenie. Pod wpływem działania izolacyjnych olejów mineralnych pęcznieją i ulegają rozpuszczeniu; są materiałem palnym. Kauczuk butadienowo-akrylonitrylowy jest bardziej odporny na starzenie i działanie podwyższonej temperatury niż kauczuk naturalny. Jego dużą zaletą jest odporność na działanie olejów mineralnych i wielu rozpuszczalników organiczny b29b ch, która wzrasta ze zwiększeniem udziału akrylonitrylu. Kauczuk chloroprenowy charakteryzuje się dobrą elastycznością i małym odkształceniem trwałym. Jest materiałem trudnopalnym. Jest odporny na działanie ozonu oraz olejów mineralnych. Kauczuk butylowy, dzięki całkowitemu wysyceniu podwójnych wiązań, które następuje w procesie wulkanizacji, jest odporny na starzenie w warunkach atmosferycznych (działanie tlenu, ozonu, promieniowania słonecznego itp.). Wykazuje bardzo małą przepuszczalność gazów (ok. 10-krotnie mniejszą niż kauczuk naturalny). Jest odporny na działanie wielu substancji chemicznych, wielu kwasów, ługów, alkoholi i ketonów; jest jednak nieodporny na działanie olejów mineralnych. Zalicza się go do materiałów palnych. Kauczuk etylenowo-propylenowy otrzymywany przez polimeryzację mieszaniny 55-60% etylenu z 40-45% propylenu, nie zawiera podwójnych wiązań i nie może być z tego względu wulkanizowany siarką. Wulkanizacja siarką jest możliwa dopiero po dodaniu do mieszanki odpowiednich monomerów dienowych. Najczęściej do wulkanizacji tego kauczuku stosuje się nadtlenki. Wulkanizowane kauczuki etyleno-propylenowe są sztywniejsze niż kauczuk naturalny; wykazują dużą odporność na działanie czynników atmosferycznych i chemicznych. Ich zaletą jest niska temperatura kruchości (ok. -95C). Własności mechaniczne wulkanizatu etyleno-propylenowego są pośrednie między wulkanizatami kauczuku naturalnego i kauczuku butadienowego. Wulkanizacja kauczuków polisiarczkowych (tiokoli) następuje w wyniku utleniania wiązań siarczkowych pod wpływem ogrzewania np. z tlenkiem cynku lub nadtlenkiem benzoilu. Wulkanizaty są odporne na działanie olejów, rozpuszczalników oraz czynników atmosferycznych. Wykazują małą przepuszczalność par i gazów. Ich wadą jest mała wytrzymałość na rozciąganie, duża ścieralność oraz przykry, drażniący zapach. Kauczuki silikonowe dzieli się na wulkanizowane na gorąco (dwualkiloarylopolisiloksan) i wulkanizowane na zimno (dwumetylopolisiloksan) pod wpływem utwardzaczy z grupy związków metaloorganicznych (np. organicznych związków cyny), amin i in. Kauczuki silikonowe wulkanizowane na gorąco mają lepsze własności niż wulkanizowane na zimno. Charakteryzują się one dużą, trwałą elastycznością i są odporne na wiele czynników chemicznych np. na słabe kwasy i zasady, oleje mineralne nie zawierające aromatów i freon. Pęcznieją natomiast pod wpływem węglowodorów aromatycznych i chlorowcopochodnych. Do ich zalet należy mała wartość tangensa kąta strat, zależna w niewielkim stopniu od temperatury (do 200C) i częstotliwości oraz znacznie większa (ok. ośmiokrotnie) przewodność cieplna w porównaniu z innymi kauczukami, a także hydrofobowość, odporność na utlenianie oraz odporność na działanie pleśni i mikroorganizmów. Zakres temperatur roboczych, w których stosuje się kauczuki silikonowe, wynosi od -90 do +320C, z tym że dla większości wyrobów ogranicza się on do temperatur od -55 do +250C. Kauczuki silikonowe należą do materiałów trudnopalnych. Kauczuki uretanowe otrzymuje się w wyniku reakcji łańcuchowego poliuretanu o niezbyt dużej masie cząsteczkowej, nazywanego potocznie prepolimerem, ze związkami dwufunkcyjnymi o czynnych atomach wodoru (zazwyczaj glikoli lub dwuamin). Kauczuki uretanowe odznaczają się bardzo dobrą elastycznością, wytrzymałością na rozdzieranie oraz odpornością na działanie olejów. Wykonuje się z nich najczęściej wkładki amortyzujące i uszczelki. Zmiękczacze (plastyfikatory) nadają kauczukowi cechy ułatwiające jego przetwarzanie oraz ułatwiają rozproszenie napełniacza w mieszance gumowej. Większość – zmiękczaczy wpływa korzystnie na własności dielektryczne gum. Istnieje wiele odmian zmiękczaczy; do częściej stosowanych należą: wazelina techniczna, parafina, kwas stearynowy i kalafonia. Termoplasty Polietylen Polietylen (PE) otrzymuje się przez polimeryzację etylenu, którego głównym źródłem są produkty krakingu gazu ziemnego lub ropy naftowej. Wyróżnia się dwie metody polimeryzaeji etylenu: - wysokocisnieniową (od 1500 do 3000 at lub 105 Pa); - niskociśnieniową (1 at lub 105 Pa lub nieco wyższe). W temperaturze otoczenia (20-5C) zawartość fazy krystalicznej polietylenu niskociśnieniowego wynosi ok. 75% i zmniejsza się ze wzrostem temperatury. Przypuszcza się, że zmiany struktury - z amorficznej na krystaliczną, zachodzące w różnych warunkach, mogą powodować tworzenie mikroskopijnych szczelin, w których pod wpływem dużych natężeń pola elektrycznego powstają wyładowania niezupełne. Polimer wysokociśnieniowy ma w ponad 60% strukturę krystaliczną. Amorficznokrystaliczna struktura polietylenu decyduje o jego giętkości i twardości. Wysokie temperatury, w których przeprowadza się polimeryzację wysokociśnieniową, sprzyjają przebiegowi procesów powodujących tworzenie rozgałęzień w makrocząsteczce polietylenu, co narusza regularną budowę polimeru. Przy polimeryzacji niskociśnieniowej prowadzonej w niższych temperaturach wystąpienie reakcji tworzenia rozgałęzień jest mniej prawdopodobne. W konsekwencji polietylen niskociśnieniowy odznacza się strukturą znacznie bardziej regularną (złożoną wyłącznie z łańcuchów) niż wysokociśnieniowy. Umożliwia to lepsze upakowanie" cząsteczek polimeru, a więc większą krystaliczność oraz gęstość. Różnice te powodują wyraźny podział polimerów na polietylen o małej, średniej i dużej gęstości. Polietylen wykazuje skłonność do utleniania się. Powyżej 120C proces ten prowadzi do utworzenia grup polarnych, które wywierają wpływ na własności dielektryczne. Można przypuszczać, że katalizatory polimeryzacji (aktywatory), zawierające tlen, reagują z węglowodorami, tworząc polarne grupy (OH lub O-OH). Zjawisko to zaobserwowano zwłaszcza przy walcowaniu polietylenu. Dodatek stabilizatorów (np. poliizobutylenu) wpływa korzystnie na stabilizację własności polietylenu w warunkach narażeń cieplnych; dotyczy to zwłaszcza takich własności, jak stratność dielektryczna i rezystywność. Polietylen - jako materiał niepalny - wykazuje dużą odporność na działanie silnych kwasów i zasad. Istnieją jednak różnice w zachowaniu się polietylenu w zależności od gęstości. Dotyczy to przede wszystkim wrażliwości na działanie rozpuszczalników polarnych (np. acetonu i alkoholi). O ile polietylen o małej gęstości ulega działaniu tych związków, o tyle polietylen o dużej gęstości jest na nie całkowicie odporny. Ze względu na tendencję polietylenu do pękania pod wpływem naprężeń mechanicznych oraz działania rozpuszczalników, stosuje się w elektrotechnice dwie odmiany polietylenu modyfikowanego: kopolimer z 5% 1-butenu (CH= CH-CH2 -CH3) oraz polietylen sieciowany, stosowany przede wszystkim w kablach. Sieciowanie polietylenu polega na wytwarzaniu poprzecznych wiązań między łańcuchami polimeru w dwojaki sposób: - W drodze napromieniowania dużą energią (promieniowanie elektronowe o energii 1 MV na 1 cm grubości polimeru); - W drodze chemicznej, dzięki działaniu nadtlenków organicznych. W tym drugim przypadku zostaje wykorzystana zdolność nadtlenków organicznych do tworzenia rodników. Rodniki te wbudowywują się w ogniwa łańcuchów polimeru. Wprowadzenie obcych" związków chemicznych do polimeru powoduje jego zanieczyszczenie, co z kolei wpływa niekorzystnie na własności dielektryczne wyrobu. Pierwsza z wymienionych metod sieciowania pozwala uzyskać wyrób o lepszych własnościach dielektrycznych. Mimo niewątpliwych zalet, ma jednak ograniczone zastosowanie. Jest kosztowna i nie nadaje się do elementów o większych rozmiarach i grubości. Wyroby z polietylenu sieciowanego wykazują większą odporność na temperaturę, większą odporność chemiczną na działanie kwasów, zasad i rozpuszczalników organicznych. Wyroby te, jak już nadmieniono, nie wykazują tendencji do pękania pod wpływem naprężeń i środowisk ciekłych, mają jednak nieco gorsze wartości mechaniczne. Do ważniejszych zastosowań polietylenu w elektrotechnice należy zaliczyć izolację kabli, folie kondensatorowe oraz kształtki. W tych odmianach polietylenu, od których nie wymaga się dobrych własności dielektrycznych, stosuje się wypełniacze zmniejszające koszt mieszanki, a polepszające charakterystyki mechaniczne. Do najczęściej stosowanych wypełniaczy należą sadze. Polietyleny z domieszką sadzy są stosowane jako materiał półprzewodzący, np. na ekrany kabli elektroenergetycznych. Innym wypełniaczem jest węglan wapnia, który nie nadaje jednak polietylenowi tak dobrych własności mechanicznych jak sadza. Poliproprlen Polipropylen (PP) otrzymuje się przez polimeryzację wysokociśnieniową propylenu. Najlepsze własności ma polimer o budowie sferycznej izotaktycznej, charakteryzujący się wysokim stopniem krystaliczności. Jego ciężar cząsteczkowy wynosi od 80 000 do 500 000; własności elektryczne są zbliżone do polietylenu. Cechą szczególną polipropylenu jest jego mała masa właściwa (od 0,90 do 0,91 g/cm3). Polipropylen utlenia się dość łatwo w wyższych temperaturach (poniżej 90C), ale jest mniej palny niż polietylen. Temperatura topnienia polipropylenu wynosi od 165 do 170C, maksymalna temperatura pracy od 120 do 140C. Kopolimer złożony z 60% etylenu i 40% propylenu, sieciowany chemicznie (w obecności nadtlenku), ma własności zbliżone do kauczuku naturalnego. Jego szczególnie korzystne cechy elastoplastyczne wykorzystuje się przy produkcji cienkich folii (o grubości począwszy od 8 pm) i włókien. Potrójny kopolimer - etylenu, propylenu: 1,4 heksadienu daje kauczuk. Poliizobutylen Poliizobutylen (PIB) otrzymuje się w drodze polimeryzacji izobutylenu (syntetycznego lub otrzymywanego z ropy naftowej). W zależności od czasu trwania reakcji otrzymuje się produkty o różnym ciężarze cząsteczkowym M - od konsystencji cieczy do ciała stałego o dużej elastyczności (M > 80 000). Rozpuszczalność, elastyczność i odporność na niskie temperatury poliizobutylenu są lepsze niż polietylenu i polipropylenu. Polimer zachowuje elastyczność do -70C. Jest odporny na działanie środowisk utleniających. W temperaturze pokojowej wytrzymuje długotrwałe działanie kwasu azotowego, ozonu i tlenu. Nie ulega destrukcji w powietrzu o temperaturze do 120C. Kopolimeryzacja poliizobutylenu z izoprenem prowadzi do otrzymania kauczuku butylowego. Polistyren Styren otrzymuje się w wyniku reakcji benzenu i etylenu. Łatwo dostępne surowce oraz wysoki stopień technologicznego opanowania przytoczonej syntezy sprawiają, że styren jest jednym z najtańszych monomerów. Polistyren jest odporny na działanie wielu czynników chemicznych. Jako polimer niepolarny wykazuje bardzo dobre własności elektryczne. jego budowa strukturalna (charakter wiązań elementów łańcucha) ma decydujący wpływ na własności mechaniczne. W makrocząsteczce polimeru występują pierścienie benzenowe. Zbudowany z nich łańcuch jest sztywny, na skutek działania dużych sił międzycząsteczkowych. Ułożenie elementów łańcucha polimeru przy nieregularnym rozkładzie pierścieni benzenowych uniemożliwia tworzenie form krystalicznych. W konsekwencji więc własności mechaniczne polistyrenu nie są zbyt dobre. Duża twardość i kruchość jest powodem małej wytrzymałości na udar oraz małej odporności na korozję naprężeniową. Wydatną poprawę własności mechanicznych uzyskuje się przez kopolimeryzację z innymi monomerami. Polichlorek winylu i jego kopolimery Zastąpienie jednego atomu wodoru w etylenie przez atom chloru prowadzi do otrzymania chlorku winylu. Wykorzystywaną w tym celu reakcją jest zazwyczaj reakcja acetylenu z chlorowodorem Otrzymany dzięki tej reakcji monomer w stanie gazowym o temperaturze wrzenia -14C polimeryzuje w ośrodku wodnym. Polimeryzację prowadzi się dwiema metodami: emulsyjną i suspensyjną. Metodą emulsyjną otrzymuje się polichlorek winylu (PCV) w postaci miałkiego proszku, metodą suspensyjną - w postaci ziarenek. Polichlorek winylu otrzymany metodą emulsyjną bywa bardziej zanieczyszczony, co sprawia, że wytwarzane z niego tworzywa charakteryzują się gorszymi własnościami dielektrycznymi i znacznie większą chłonnością wody niż tworzywa z polichlorku winylu uzyskanego metodą suspensyjną. Jedną z najbardziej charakterystycznych cech polichlorku winylu jest jego duża odporność chemiczna na ługi, kwasy i liczne związki organiczne. Polichlorek winylu mięknie w temperaturze przekraczającej 85C i można go formować przez prasowanie w temperaturze ok. 145C. Wyrób prasowany jest sztywny i dość kruchy, wobec czego wszędzie tam, gdzie jest wymagana przede wszystkim elastyczność (np. izolacja przewodów), używa się go w postaci uplastycznionej. Własności dielektryczne uplastycznionego polichlorku winylu zależą w znacznym stopniu od użytego plastyfikatora (najczęściej estrów wyższych alkoholi), a także innych dodatków i są zazwyczaj gorsze niż własności dielektryczne czystego polichlorku winylu. Obserwuje się także dość duże różnice wartości wytrzymałości dielektrycznej. Stwierdzono, iż bardzo niewielki dodatek dwufenyli powoduje pogorszenie własności dielektrycznych tworzywa, lecz czyni je bardziej odpornym na działanie niskich temperatur. Dodatkowym czynnikiem, który może mieć wpływ na własności elektryczne polichlorku winylu są mechaniczne zjawiska relaksacyjne. Materiał trwale naprężany może w ciągu pewnego czasu od chwili zdjęcia naprężenia wykazywać zwiększenie przenikalności elektrycznej. Pod działaniem ciepła i światła słonecznego polichlorek winylu ulega rozkładowi z równoczesnym wydzielaniem chlorowodoru. Proces ten ogranicza dodatek stabilizatorów. Starzenie polichlorku winylu plastyfikowanego jest dwuetapowe; występuje ono podczas produkcji, pod wpływem obróbki mechanicznej, oraz - później - podczas użytkowania. W wyniku działania podwyższonej temperatury jest możliwa zmiana własności mieszaniny wskutek stopniowej utraty plastyfikatora. Obserwuje się wówczas poprawę własności elektrycznych i pogorszenie własności mechanicznych (twardnienie, kruchość), przy równoczesnym zmniejszeniu się masy właściwej tworzywa. Polichlorek winylu ulega rozkładowi przy temperaturze 140C. Szybkość rozkładu potęguje się z dalszym wzrostem temperatury i przy 400C dochodzi do rozkładu 52% masy. Oprócz chlorowodoru powstają wówczas nienasycone węglowodory podatne na utlenianie. Własności mechaniczne i odporność na temperaturę zależą od stopnia polimeryzacji. Przy zwiększonym stopniu polimeryzacji zwiększa się wytrzymałość mechaniczna, twardość i odporność cieplna. Po dodatkowym chlorowaniu (zastąpieniu atomów wodoru atomami chloru z 55 do 65% wagowo) własności te polepszają się jeszcze bardziej. Obecność dużej ilości chloru czyni polichlorek winylu materiałem trudnopalnym. Kopolimeryzacja chlorku winylu prowadzi do uzyskania tworzyw o zmodyfikowanych własnościach. I tak na przykład kopolimer z chlorkiem winylidenu (Vinylit) ma lepsze własności elektryczne, mniejszą przenikalność i mniejszą stratność dielektryczną. Kopolimer z nitrylem jest bardziej miękki, ma natomiast gorszą elastyczność. Ważniejsze wyroby z polichlorku winylu stosowane w elektrotechnice - to izolacja niskonapięciowa (do 10 kV) przewodów i kabli oraz powłoki kabli zarówno ziemnych, jak i w wykonaniu morskim. Policzterofluoroetylen Policzterofluoroetylen (PTFE) otrzymuje się w wyniku wymiany atomów wodoru w etylenię na atomy fluoru. Produktem jest czterofluoroetylen - gaz skraplający się w ? i polimeryzujący przy podwyższonym ciśnieniu. Policzterofluoroetylen stosuje się w elektrotechnice jako tworzywo izolacyjne i konstrukcyjne odporne na niskie i wysokie temperatury (od -160 do 250C). Najbardziej znaną, nazwą handlową policzterofluoroetylenu jest Teflon. Politereftalan etylenu Politereftalan etvlenu (PET) otrzymuje się z kwasu tereftalowego i glikolu etylenowego. Polimer stanowi mieszaninę fazy bezpostaciowej i fazy krystalicznej w różnym stosunku w zależności od technologii wytwarzania i obróbki. Dzięki bardzo dobrym własnościom mechanicznym, cieplnym i elektrycznym politereftalan etylenu znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach elektrotechniki, a także często w elektronice (kształtki, folie i włókna). Politlenek fenylenu Politlenek fenylenu (PPO) jest tworzywem o dużych zaletach przetwórczych i dobrych własnościach elektrycznych w zakresie temperatur od -60 do ok. 190C. Poliwęglan Poliwęglan (PC) otrzymuje się w drodze kondensacji dwuwodorotlenowych fenoli z fosgenem. Ze względu na to, że poliwęglan łączy w sobie własności tworzyw termoutwardzalnych i termoplastycznych, wyodrębnia się go zazwyczaj spośród pozostałych związków wielkocząsteczkowych typu poliestrowego. Do ciekawszych cech tego tworzywa zalicza się wysokie temperatury topnienia fazy krystalicznej i zeszklenia (co jest korzystne przy przetwarzaniu), bardzo dużą odporność na działanie promieni świetlnych (min. nadfioletowych), promieniowania jonizującego i czynników atmosferycznych. Odporność cieplna polimeru w zależności od rodzaju podstawników mieści się w zakresie od 130 do 140C. Poliwęglan jest odporny na działanie oleju mineralnego i wykazuje małą absorbcję wody; nie jest odporny na rozpuszczalniki aromatyczne, a także na działanie alkaliów i stężonych kwasów. Poliwęglany można łatwo formować metodą wtrysku na kształtki, rury oraz i folie. Duroplasty Tworzywa fenolowo-formaldehydowe Żywice fenolowo-formaldehydowe otrzymuje się w wyniku polikondensacji formaldehydu z fenolami. Jeżeli proces polikondensacji jest prowadzony w temperaturze ok. 100C w środowisku alkalicznym przy nadmiarze formaldehydu, otrzymuje się żywice typu rezoli (o budowie liniowej). Żywice te są rozpuszezalne i topliwe. Pod wpływem dalszego ogrzewania (utwardzania) przy wyższych temperaturach rezole przechodzą (poprzez stadium pośrednie - rezitole) w rezity. Inny typ żywic fenolowo-formaldehydowych otrzymuje się w wyniku polikondensacji fenoli z formaldehydem przy niedomiarze formaldehydu w środowisku kwaśnym. Żywice te noszą nazwę nowolaków; są pozbawione grup reaktywnych (hydroksymetylowych) i w związku z tym nie zachodzi w nich proces sieciowania w podwyższonej temperaturze. Przejście nowolaku w rezol, a następnie w rezit, następuje pod wpływem ogrzewania go w obecności aldehydu lub aminy (najczęściej urotropiny tj. sześciometylenoczteroaminy). Żywice fenelowo-formaldehydowe stosuje się do wyrobu klejów i lepiszcz lub, po dodaniu utwardzacza i wypełniaczy, do wyrobu tłoczyw. Otrzymywane wyroby wykazują mierne własności elektryczne oraz brak odporności na łuk i prądy pełzające. Charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami mechanicznymi. Ich dodatkową zaletą jest niska cena. Tworzywa melaminowo-formaldehydowe Żywice te otrzymuje się przez polikondensację melaminy i formaldehydu. W stanie utwardzonym wykazują dobrą stabilność chemiczną, dużą odporność na działanie płomienia; tworzywa na ich osnowie z napełniaczami nieorganicznymi można uważać za niepalne. Są bardzo odporne na działanie łuku i wyładowania powierzchniowe. Pozostałe własności elektryczne są korzystniejsze niż żywic fenolowo-formaldehydowych, zwłaszcza przy zwiększonej wilgotności. Przedstawione zalety tych tworzyw przesądziły o ich stosowaniu na elementy izolacyjne pracujące w atmosferze dużej wilgotności, w atmosferze zapylonej lub zawierającej aktywne chemicznie zanieczyszczenia. Tworzywa z napełniaczem azbestowym lub łupkiem mielonym są stosowane na komory łukowe. Tworzywa epoksydowe Związki epoksydowe należą do klasy połączeń heterocyklicznych. Charakterystyczną cechą ich budowy jest obecność trójczłonowego pierścienia oksycyklopropanowego (epoksydowego) złożonego z dwu atomów węgla i jednego atomu tlenu. Trójczłonowy pierścień odznacza się znacznym napięciem spowodowanym deformacją kierunków wiązań tlenu. Jest to przyczyną dużej reaktywności związków epoksydowych. Bardzo istotną własnością żywic epoksydowych jest dobra przyczepność do materiałów, m. in. do metali, co wykorzystuje się podczas łączenia elementów konstrukcyjnych lub izolacji (klejenie lub zalewanie). Własności żywic epoksydowych można modyfikować dodając zmiękczacze i wypełniacze: ich ilości w stosunku do & Nowoczesne izolacje Skuteczna izolacja termiczna to przede wszystkim dobry materiał izolacyjny. Jednak to nie tylko styropian czy wełna mineralna. Producenci wciąż udoskonalają swoją ofertę, dając nam możliwość większego wyboru. Prezentujemy nowe materiały izolacyjne, które można zastosować podczas planowania ocieplenia domu. Autor: archiwum muratordom Płyty z polistyrenu ekstrudowanego są odporne na wodę, uszkodzenia mechaniczne, korozję biologiczną i nie żółkną pod wpływem promieniowania UV. Poleca się je głównie na strefy przyziemia. Ich λ wynosi 0,036-0,033 W/(m·K). Mogą też mieć wytłaczaną powierzchnię, która zwiększa przyczepność zapraw klejowych Nowoczesne izolacje termiczne mają lepsze parametry cieplne niż tradycyjne materiały. Ich współczynnik przewodzenia ciepła λ osiąga wartość od 0,040 (jak w standardowych ociepleniach) do nawet 0,031 W/(m·K). Zawdzięczają to równomiernemu zwiększeniu gęstości – grubsze płyty mają strukturę zwartą, podobnie jak cienkie, więc ich parametry są zbliżone (dotąd grubsze płyty miały zdecydowanie gorszą izolacyjność). Taka zwarta budowa sprawia też, że izolacja jest mniej nasiąkliwa i bardziej odporna na czynniki zewnętrzne. Dzięki temu można się nie obawiać jej zamoknięcia, gdyby po przyklejeniu ocieplenia do ściany trzeba było na jakiś czas przerwać prace. Nienasiąkliwy materiał nadaje się także do stosowania w podziemnych częściach budynku lub fragmentach narażonych na bezpośredni kontakt z wodą lub ze śniegiem – na ścianach piwnicy czy cokołach. Styropian z domieszką, czyli neopor Izolacyjność płyt styropianowych poprawiło też zastosowanie domieszki grafitu. Z małych grafitowych cząstek powstaje granulat (neopor), który się przetwarza w srebrnoszare płyty. Można również łączyć go z tradycyjnym granulatem styropianowym, tworząc płyty w szare kropki. Płyty z neoporu mają mniejszą gęstość i są lżejsze niż styropianowe, ale ich parametry cieplne są lepsze. Można więc stosować cieńszą warstwę izolacji, oszczędzając surowiec, przy zachowaniu wymaganej izolacyjności przegród. Dodatkowo grafitowe cząstki odbijają promieniowanie cieplne, co jeszcze bardziej ogranicza ucieczkę ciepła z wnętrza domu, i zwiększają odporność styropianu na promieniowanie UV, dzięki czemu wolniej się starzeje. Srebrnoszary kolor płyt sprawia też, że podczas układania ocieplenia domu w słoneczny dzień wykonawcy nie są narażeni na uciążliwe zjawisko odblasku. Autor: archiwum muratordom Płyty z polistyrenu ekstrudowanego są odporne na wodę, uszkodzenia mechaniczne, korozję biologiczną i nie żółkną pod wpływem promieniowania UV. Poleca się je głównie na strefy przyziemia. Ich λ wynosi 0,036-0,033 W/(m·K). Mogą też mieć wytłaczaną powierzchnię, która zwiększa przyczepność zapraw klejowych Autor: archiwum muratordom Szare płyty mają współczynnik przewodzenia ciepła λ=0,035-0,032 W/(m·K), są łatwew obróbce i odporne na starzenie. Dzięki temu, że zawierają domieszki grafitu, odbijają promieniowanie cieplne pochodzące z wnętrza domu, co jeszcze polepsza ich izolacyjność Materiał izolacyjny szybki w montażu? To możliwe Coraz częściej inwestorom zależy na jak najszybszym zakończeniu budowy. Zwracają więc uwagę na czas prowadzenia prac i przerw technologicznych – na przykład wymagany okres schnięcia ścian. Niektóre materiały można układać na podłożach wilgotnych – są to wyroby nienasiąkliwe, które jednocześnie umożliwiają odprowadzanie pary wodnej na zewnątrz budynku. Do niedawna takie rozwiązanie było możliwe tylko przy użyciu twardych płyt z wełny mineralnej. Obecnie można stosować również płyty styropianowe – perforowane albo z podłużnymi rowkami na wewnętrznej stronie, którymi powietrze odprowadza wilgoć na zewnątrz. Ponieważ są lekkie, nadają się nawet do starych budynków. Mówiąc o bezspoinowych systemach ociepleń ścian, nie można też zapomnieć o fundamentach, cokołach czy ścianach piwnic. Tam izolacja powinna być nienasiąkliwa i wytrzymała. W newralgicznych strefach można więc układać płyty ze styropianu o obniżonej nasiąkliwości albo z polistyrenu ekstrudowanego. Dzięki ich zamkniętokomórkowej strukturze są odporne nie tylko na wodę i na uderzenia, ale również na korozję biologiczną. Są przy tym łatwe w obróbce i bardzo trwałe. Ocieplenie domu bez spoin Bezspoinowy system ociepleń dotyczy również domów szkieletowych. Tam najczęściej jako izolację wykorzystuje się elastyczne płyty z włókien drzewnych. Mogą też mieć rdzeń ze styropianu lub wełny kamiennej osłonięty z obu stron warstwami wełny drzewnej. Takie płyty mają współczynnik przewodzenia ciepła λ na poziomie 0,035-0,050 W/(m·K). Ściany można także izolować litymi, pozbawionymi włókien płytami mineralnymi, bardzo wytrzymałymi i odpornymi na wilgoć. Są nieszkodliwe dla zdrowia i środowiska, ale wymagają innych zapraw klejowych niż tradycyjne materiały, dlatego aby uniknąć błędów, powinno się skorzystać z pełnego systemu ociepleniowego oferowanego przez ich producenta. Zwiększające się potrzeby dotyczące efektywności energetycznej budynków stymulują doskonalenie dotychczas stosowanych wyrobów do izolacji cieplnej oraz wykorzystanie nowych materiałów (np. aerożeli) i wyrobów (np. izolacji próżniowych). Ze względu na charakterystykę energetyczną wyrobów do izolacji cieplnej istotną właściwością techniczną jest opór cieplny (lub współczynnik przewodzenia ciepła). Jego wartość, deklarowana przez producenta, powinna być zapewniona w czasie przewidywanego okresu prawidłowej eksploatacji danego wyrobu budowlanego (na ogół jest to nie mniej niż 25 lat). Większość wyrobów do izolacji cieplnej – zarówno produkowanych fabrycznie w formie płyt, mat itp., jak i materiałów sypkich do formowania na budowie – jest objęta normami europejskimi. Te wyroby to – z wełny mineralnej (wgPN-EN 13162); – ze styropianu (wg PN-EN 13163); – z polistyrenu ekstrudowanego (wg PN-EN 13164); – z pianki poliuretanowej i poliizocyjanurowej (wg PN-EN 13165); – z pianki fenolowej (wg PN-EN 13166); – ze szkła piankowego (wg PN-EN 13167); – z wełny drzewnej (wg PN-EN 13168); – z ekspandowanego perlitu (wg PN-EN 13169); – z ekspandowanego korka (wg PN-EN 13170); – z włókien drzewnych (wg PN-EN 13171); – formowane in situ z zastosowaniem: – ekspandowanego perlitu (wg PN-EN 14316-1); – lekkiego kruszywa z pęczniejących surowców ilastych (wg PN-EN 14063); – wermikulitu eksfoliowanego (wg PN-EN 14317); – wełny mineralnej w postaci niezwiązanej (wg PN-EN 14064); – pianek poliuretanowych (wg PN-EN 14315). Rys. 1 Orientacyjne wartości współczynnika przewodzenia ciepła różnych rodzajów izolacji cieplnych Na inne wyroby (w tym innowacyjne, np. maty z izolacją cieplną na bazie aerożeli oraz tzw. izolacje refleksyjne) wydane były krajowe lub europejskie aprobaty techniczne (obecnie oceny techniczne). Na rys. 1 podano orientacyjne wartości współczynnika przewodzenia ciepła w odniesieniu do ww. rodzajów izolacji cieplnej stosowanej w budownictwie. Zwiększające się wymagania i potrzeby dotyczące efektywności energetycznej budynków wytyczyły jeden z najważniejszych kierunków rozwoju nowych technologii budowlanych. Jest on związany z termoizolacjami i ich stosowaniem w przegrodach zewnętrznych budynków oraz w instalacjach grzewczych. Postęp w tej dziedzinie techniki budowlanej realizuje się obecnie głównie przez: – doskonalenie najczęściej stosowanych rodzajów wyrobów do izolacji cieplnej, takich jak wełna mineralna, styropian oraz różne rodzaje pianek polimerowych; – wykorzystanie nowych materiałów dotychczas niestosowanych w budownictwie (np. aerożeli) oraz nowych rodzajów wyrobów (np. izolacji próżniowych). Podejmuje się również próby zastosowania tzw. transparentnych izolacji cieplnych. Dzięki nim zyski słoneczne mogą być pozyskiwane przez całą obudowę budynku. Rys. 2 Grubość izolacji cieplnej odpowiadająca wybranym wartościom współczynnika przenikania ciepła, w zależności od współczynnika przewodzenia ciepła Podstawowym celem pozostaje jednak uzyskanie wyrobów izolacyjnych o jak najniższej wartości współczynnika przewodzenia ciepła. Jest to konieczne, aby efektywnie ograniczyć straty spowodowane przenikaniem ciepła przez obudowę. Zwiększenie zapotrzebowania na takie wyroby wynika z obecnie obowiązujących wymagań dotyczących izolacyjności cieplnej przegród oraz przewidywanego zaostrzenia tych wymagań, które jest związane z wdrożeniem postanowień dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2010/31/ UE z dnia 19 maja 2010 r w sprawie charakterystyki energetycznej budynków Stosowanie się do tych postanowień pozwala spełnić wymagania związane z maksymalną dopuszczalną wartością współczynnika przenikania ciepła U przez przegrody (przy małych grubościach warstwy izolacji cieplnej). Również w tzw. budynkach pasywnych, w których przegrody muszą mieć współczynnik przenikania ciepła mniejszy niż 0,15 W/(m2K), użycie termoizolacji o współczynniku X 0,04 W/(mK) wymaga warstwy o grubości przekraczającej 25 cm. Tradycyjne wyroby do izolacji cieplnej dostępne obecnie na rynku (takie jak wełna mineralna, styropian EPS oraz polistyren ekstrudowany XPS) charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła od ok. 0,03 W/(mK). Płyty z pianek uzyskują natomiast wartości od 0,02 W/(mK). Najniższe wartości współczynnika X uzyskuje się obecnie w wyrobach zawierających aerożele krzemionkowe: od ok. 0,015 W/(mK) w matach oraz od ok. 0,007 W/(mK) w panelach próżniowych. Zastosowanie izolacji cieplnej z paneli próżniowych umożliwia uzyskać współczynnik przenikania ciepła równy 0,15 W/(m2K), przy zaledwie kilkucentymetrowej warstwie. Rys. 3 Zdjęcie mikroskopowe maty wypełnionej granulatem aerożelowym [2] Rys. 4 Fragment maty z granulatem aerożelowym Szczególną grupę wyrobów stanowią izolacje cieplne z aerożelem krzemionkowym – porowatym materiałem powstającym w wyniku usunięcia ciekłego składnika żelu. Faza stała tworząca strukturę aerożelu stanowi mniej niż 10%. Pierwsze badania nad tym materiałem prowadzono już w latach 30. XX w., przy czym w długotrwałym i żmudnym procesie uzyskiwano wówczas niewielkie ilości aerożelu. Brak konkretnych zastosowań tego materiału spowodował, że został on praktycznie zapomniany aż do lat 80. XX w. Wtedy opracowano nowy wydajny sposób wytwarzania go na drodze chemicznej metodą zol-żel. Obecnie znanych jest kilkadziesiąt rodzajów aerożeli. Na ogół są to materiały odporne na ściskanie, jednak zwykle są też kruche oraz nieodporne na uderzenia, skręcanie i ścinanie. Najbardziej popularny w zastosowaniach praktycznych jest aerożel krzemionkowy, który w postaci granulatu (o wielkości ziaren od ok. 0,01 do 4 mm) stosuje się w różnych rodzajach wyrobów do izolacji cieplnej. Nanometryczny rozmiar większości porów aerożelu krzemionkowego (przeciętnie o rozmiarze ok. 20 x 10'9 m) znacznie utrudnia przenoszenie ciepła przez powietrze znajdujące się w tym materiale. Dzięki temu charakteryzuje się on najniższą przewodnością cieplną wśród materiałów stałych. Granulaty aerożelu krzemionkowego stosuje się np. jako wypełnienie w matach z włókien szklanych lub polimerowych, które są wykonane z naskórkiem i umożliwiają utrzymanie w nich ziaren (rys. 3). Maty charakteryzują się współczynnikiem przewodzenia ciepła od ok. 0,014 do 0,020 W/(mK). Ponieważ mają one grubość od 3 do 10 mm (rys. 4), stosuje się również układy wielowarstwowe. W warstwie izolacji cieplnej wykonanej z granulatu aerożelowego występuje promieniowanie cieplne oraz jego przewodzenie: przez krzemionkę w stykających się ziarnach, przez powietrze w porach i między ziarnami. Rys. 5 Charakterystyka zależności współczynnika przewodzenia ciepła granulatów aerożelowych od ciśnienia [1] Aby zmniejszyć przenoszenie ciepła przez powietrze, granulat można umieścić w panelach lub szybach zespolonych, w których się wytwarza podciśnienie. Zmiany współczynnika przewodzenia ciepła przez granulat aerożelowy (w zależności od ciśnienia) pokazano na rys. 5. Do znacznego spadku przewodnictwa cieplnego w porach dochodzi przy zredukowaniu ciśnienia do ok. 100 hPa. Aby zmniejszyć wymianę ciepła przez promieniowanie, stosuje się dodatki zmniejszające jego przepuszczalność, np. grafit (podobnie jak w szarych płytach styropianowych). Granulaty aerożelowe w warunkach podciśnienia stosuje się w tzw. panelach próżniowych, nazywanych również panelami VIP (Vacuum Insulation Panel). Są to wyroby termoizolacyjne składające się z rdzenia wykonanego z materiału sypkiego umieszczonego w szczelnej osłonie, która umożliwia wytworzenie i utrzymanie znacznego podciśnienia we wnętrzu paneli po usunięciu z nich powietrza (rys. 6). Wyroby te początkowo stosowano w izolacjach w chłodnictwie, obecnie zaś dostępne są również w postaci płyt do izolacji cieplnej przegród budowlanych o grubości do ok. 50 mm. Rys. 6 Schemat budowy panelu VIP: 1 – osłona, 2 – włóknina, 3 – granulat aerożelowy [1] Rys. 7 Schemat ocieplenia przegród od wewnątrz Wartość współczynnika przewodzenia ciepła w centralnej części panelu (poza zasięgiem mostków cieplnych na krawędziach), przy ciśnieniu wewnętrznym poniżej 5 hPa, zawiera się na ogół w zakresie od 0,0035 do 0,0048 W/ (mK). Jest to wartość początkowa, która z czasem się pogarsza w wyniku przenikania powietrza przez osłonę i zwiększania się ciśnienia w panelu, zwykle o ok. 1 hPa rocznie. Najszczelniejsze dyfuzyjnie osłony wykonane są z powłoki metalowej: przeważnie aluminiowej o grubości od 8 do 12 pm lub stalowej nierdzewnej o grubości 5075 pm. Ewentualnie stosuje się osłony z wielowarstwowych folii metalizowanych. Warstwa metalowa chroni przed stratami ciśnienia we wnętrzu paneli, ale przez swoją wysoką przewodność cieplną tworzy mostki cieplne na ich krawędziach. Do określania izolacyjności cieplnej przegród budowlanych służy projektowa wartość współczynnika przewodzenia ciepła paneli VIP Jest ona miarodajna, ponieważ uwzględnia zarówno efekt starzenia, jak i straty krawędziowe. Zwykle zawiera się od ok. 0,007 do 0,008 W/(mK). Jeśli dojdzie do uszkodzenia osłony panelu, ciśnienie w jego wnętrzu wyrówna się do wartości ciśnienia atmosferycznego. Współczynnik przewodzenia ciepła w części centralnej panelu wzrośnie wtedy do ok. 0,02 W/(mK), czyli do wartości w odniesieniu do samego granulatu. Oznacza to, że nawet w takim stanie wymienione wyroby termoizolacyjne zachowują niską przewodność cieplną. Rys. 8 Najniższe wymagane wartości współczynnika przenikania ciepła ścian w kolejnych wydaniach Polskich Norm i przepisów Zastosowanie aerożelowych izolacji cieplnych w budynkach Wyroby do izolacji cieplnej na bazie aerożeli krzemionkowych (maty, płyty, panele próżniowe) są stosowane w budownictwie od blisko dziesięciu lat, przy czym ich cena jest wysoka w porównaniu z tradycyjnymi termoizolacjami. Ponadto panele próżniowe wymagają bardzo ostrożnego transportu, składowania i postępowania z nimi w czasie wbudowywania ich w przegrodę. Nie dopuszcza się również jakiegokolwiek mocowania przez warstwę izolacji cieplnej. Panele próżniowe nie mogą być przycinane, w związku z czym rozkład i wymiary elementów izolacji przegrody muszą być ustalone w projekcie i przygotowane przez odpowiednie programy komputerowe. Podstawową zaletą tych wyrobów jest mały współczynnik przewodzenia ciepła. Decyduje on o tym, że aerożele stosuje się przede wszystkim w miejscach, w których istnieje konieczność ograniczenia grubości izolacji cieplnej, np.: – w ociepleniach od wewnątrz – w budynkach użytkowanych, w których istnieje konieczność zachowania oryginalnego wyglądu elewacji (zabytki, budynki ze ścianami w postaci fugowanego muru z cegły, z okładziną kamienną, znaczną liczbą detali elewacyjnych); – na ościeżach otworów okiennych i drzwiowych; – płytach tarasowych nad ogrzewanymi pomieszczeniami; – nad lub pod stropem najniższej kondygnacji ogrzewanej; – w konstrukcjach szkieletowych; – w części nieprzezroczystej metalowo-szklanych ścian osłonowych. Ponadto elastyczne maty z wypełnieniem aerożelowym stosuje się w ramach okiennych i słupach, w ryglach ścian osłonowych z kształtowników metalowych mających przekładki termiczne, a także w płycinach drzwi zewnętrznych. Maty mogą być również stosowane jako cienkowarstwowa izolacja cieplna elementów instalacji grzewczych. W systemach ociepleń, które stosuje się na wewnętrznej powierzchni przegród, dostępne są również płyty klinowe do obwodowej izolacji cieplnej na przegrodach wewnętrznych. Płyty te zapewniają ochronę przed powierzchniową kondensacją pary wodnej na powierzchniach stropów i ścian wewnętrznych, a także w połączeniach ze ścianami zewnętrznymi (rys. 7). Aby zapewnić ochronę paneli próżniowych przed uszkodzeniami, produkuje się wyroby wielowarstwowe. Składają się one z rdzenia, którym jest panel VIP, i są stosowane w okładzinach płyt różnego rodzaju, np.: MDF, gipsowo-kartonowych, cementowych, styropianowych EPS lub z ekstrudowanej pianki polistyrenowej. Możliwe jest jednoczesne zastosowanie np. tynkowania oraz tradycyjnych sposobów mocowania na zaprawy klejące. Asortyment wymienionych wyrobów oferowanych na rynku europejskim i opartych na nich systemów izolacji cieplnej stale się poszerza. Można przypuszczać, że w najbliższych latach – wraz ze zwiększaniem się liczby budynków o niemal zerowym zapotrzebowaniu na energię – aerożelowe izolacje cieplne staną się jedną z głównych technologii termoizolacji przegród. Tab. Maksymalne dopuszczalne wartości współczynnika przenikania ciepła przez przegrody Temperatura ogrzewanego Współczynnik przenikania ciepła przez ściany, W/(m2K) pomieszczenia od 1 stycznia 2014 r. od 1 stycznia 2017 r. od 1 stycznia 2021 r.* > 16°C 0,25 0,23 0,20 > 8°C, <16°C 0,45 0,45 0,45 < 8°C 0,90 0,90 0,90 * Od 1 stycznia 2019 r. w przypadku budynków zajmowanych przez władze publiczne oraz będących ich własnością. Ściany zewnętrzne Współczesne wymagania stawiane budynkom w zakresie izolacyjności cieplnej przegród są znacznie ostrzejsze niż w przeszłości. Historię zmian dopuszczalnych wartości współczynników przenikania ciepła przez ściany pokazano na rys. 8. Ostatecznie w 2021 r. dopuszczalne wartości tych współczynników mają być ok. sześciokrotnie niższe niż pierwotnie. Ściany zarówno nowych budynków, jak i tych podlegających przebudowie muszą się charakteryzować współczynnikiem przenikania ciepła nieprzekraczającym maksymalnych dopuszczalnych wartości, które podano w tabeli. dr inż. Robert Geryło Instytut Techniki Budowlanej Uwaga: Artykuł ukazał się w nr. 4/2016 czasopisma „Budownictwo i Prawo”. Jest fragmentem książki Nowoczesny standard energetyczny budynków, Oficyna Wydawnicza POLCEN, Warszawa 2015 (więcej informacji o książce: www. Bibliografia 1. R. Geryło, Nowe technologie w termoizolacjibudynków, „Inżynier Budownictwa” nr 11/2013. 2. B. Pietruszka, R. Geryło, Materiały izolacyjne na bazie aerożeli, „Materiały Budowlane” nr 1/2011. S. Mańkowski et al., Opracowaniekońcowestrategicznego projektubadawczego pt. „Zintegrowany system zmniejszania eksploatacyjnej energochłonności budynków”, Zadanie badawcze nr 2 pt. „Opracowanie optymalnych energetycznie typowych rozwiązań strukturalno-materiałowych i instalacyjnych budynków”, NCBiR: SP/B/2/76638/10. Obecnie na rynku dostępnych jest kilka rodzajów materiałów izolacyjnych, różniących się od siebie nie tylko ceną czy właściwościami, ale również zastosowaniem. Najpopularniejszym materiałem, stosowanym nie tylko w ociepleniach murów, ale również dachów, jest wełna mineralna, skalna lub szklana. Jest to materiał ogniotrwały i odporny na działanie chemikaliów (na przykład klejów lub zapraw), elastyczny i paroprzepuszczalny, dodatkowo dobrze chroni przed hałasem. Wełna mineralna posiada dość dobry współczynnik przewodzenia ciepła λ (od ok. do W/m·K), poza tym może przyjąć kształt płyty, maty lub granulatu. Płyty są najczęstszym wyborem wśród inwestorów, nie tylko ze względu na różnorodność zastosowania, ale także przez wygodę w użytkowaniu i stosunkowo niską cenę. Ostatnimi czasy coraz większą popularność zdobywa granulat, głównie ze względu na możliwość izolowania trudno dostępnych miejsc dzięki metodzie blow-in. Innym rodzajem granulatu, używanego jako materiał izolacyjny, jest celulozowy Ekofiber, doskonały do izolacji trudno dostępnych miejsc, takich jak przestrzenie pomiędzy legarami, krokwiami czy w ścianie warstwowej. Jest to materiał naturalny oraz ekologiczny, chroniący zarówno przed wilgocią, jak i przed pleśnią, posiadający dość dobrą izolacyjność akustyczną oraz zabezpieczony przed ogniem. Materiałem izolacyjnym, wciąż bardzo popularnym w Polsce, jest polistyren, czyli styropian. Tani, lekki, ognioodporny, zazwyczaj sztywny (chociaż zdarzają się również sprężyste gatunki), o niezłym współczynniku λ (0,031 – 0,045 W/m·K), uznawany jest za bardzo dobrą izolację zewnętrzną. Droższym, ale zdecydowanie wytrzymalszym gatunkiem styropianu, jest polistyren ekstrudowany, zwany również styrodurem lub XPS. Używa się go najczęściej do ścian fundamentowych, piwnicznych lub posadowionych bezpośrednio na gruncie podłóg – czyli wszędzie tam, gdzie istnieje ryzyko uszkodzeń mechanicznych lub obecności znacznej ilości wilgoci. Niestety, styropiany są nieodporne na działanie organicznych olejów, smarów czy chociażby smoły węglowej, pod wpływem których rozpuszczają się. Warto także wspomnieć o poliuretanowych płytach PIR. Są one stosunkowo drogie, lecz ich współczynnik λ jest wyjątkowo niski (maksymalnie 0,029 W/m·K), dzięki czemu stosowane są najczęściej jako izolacja dachów, stropodachów oraz ścian zewnętrznych. Odporne na wodę, ogień i niezbyt grube – do 14 cm – płyty PIR są doskonałym rozwiązaniem wszędzie tam, gdzie liczy się możliwie cienka warstwa izolacji.

materiał izolacyjny stosowany w elektrotechnice