PLASTY V ELEKTROTECHNICE - charakteristika plastů

1. PLASTY V ELEKTROTECHNICE - charakteristika plastů - důležité oblasti využití plastů v elektrotechnice - TEP spojování plastových dílců, druhy spojů - obrábění plastových dílců, specifika - recyklace plastů a plastového odpadu

2. zvýšení užitných vlastností výrobků, nové zpracovatelské TEP ( AVS ) Plasty -makromolekulární látky, M > 10000, polymerační stupeň 100 ÷ n , tvářitelné T , p (nebo současně) - přírodní, syntetické – termoplasty, reaktoplasty - historie > 100 let … 1907 - fenolformaldehyd (bakelit), dnes široký sortiment ve všech oblastech života – elektrotechnika, zásadní posun ( spolehlivost, životnost, bezpečnost, estet. úroveň ) technologičnost konstrukce – náhrada kovů, m , produktivita Plasty v elektrotechnice - nezastupitelné místo izolace,konstrukční materiály, povrchové úpravy, pouzdra , svorkovnice … náhrada klasických materiálů úroveň, sortiment výrobků <=> druh materiálů, TEP zpracování

3. Hlavní výhoda plastů – variabilita vlastností - vlastnost „ na míru“ dle požadavků uživatele výrobku - zpracovatele užitné - velký výběr druhů zákl. struktur ( ~ 100 ), možnosti úprav zpracovatelské - např. dle výchozího stavu ( KF,PF ), možnosti ATP, ATS, cena, ekologie … termoplasty (PVC, PE, PP, PETP, PC …) - druhy - syntetické, přírodní reaktoplasty (EP, UP, PUR , PF, MF …) - úpravy - molekulární ( M, distribuce M ) - homopolymery (PE, PP …) - heteropolymery (PPO, ABS …) - nadmolekulární - amorfní uspořádání - krystalické - izotropní - anizotropní (orientované) - kompozity - plast / plast …např. kevlar (směsi)- plast / jiný mater. (aditivum) …částice, vlákna, fólie - další úpravy např. XPE - tvarové modifikace - vlákna, fólie, desky, laky, prach, licí směs ….. vstupní polotovary

4. Využití plastů v elektrotechnice– funkční prvky, skupiny - příklady: • Kryty, pouzdra - náhrada kovů, m , produktivita , ochrana (koroze, úč. I ), vzhled materiály - tep.odolné amorfní termoplasty …. ABS, PPO, PC - sklem vyztužené semikrystalické termoplasty …. PA6, PA66 … - reaktoplasty …. UP (prepregs), EP (kompozity) • Konstrukční dílce- náhrada kovů - minimalizovat trvalé mech.namáhání (creep) materiály - viz předchozí +POM, PP, ( PF - MF - UF ) kompozity , … • Svorkovnice, konektory- dílce trvale zatížené U, T, mech., nehořlavost, samozhášivost materiály - reaktoplasty - UP, plněné fenoplasty (NN prvky, cena ) – viz výše - termoplasty (samozhášivá úprava) - PPO, PC, PA6, PA66 … výhodné integrované dílce (kryt + svorkovnice) – domácí spotř., elektronika • Izolace VN, VVN- požadavek Ep , nízké diel. ztráty , T odolnost materiály - termoplasty – PVC, PE, XPE – celoplastové kabely ( nf, U ~ 400 kV ) reaktoplasty - zalévací hmoty - (EP, UP) kompozity, SI - izol. syst. vinutí VN strojů (slída,sklo,plast), impregnační laky

5. C/v = ε´. εO/ l2 • Izolace pro vf aplikace- nízké diel. ztráty, ε´ - PCB - požadavek tg δ , ε´ pro nízký útlum signálu materiály - EP kompozity např. FR4, PPO, PTFE - svitkové kondenzátory- fólie – požadavek tg δ , ε´ , tloušťkal , Ep měrná kapacita V = objem materiály - PETP, PS, PC, PTFE, PI …. ε´= 2,1 až 2,6 … 1 MHz ( tenké fólie ~ 1μm) 3,5 … 1 kHz tg δ < 10 –3 Ep = Up / l např. PETP ~ 100 kV / mm - kabely (koax.) - požadavek tg δ , ε´ pro nízký útlum signálu materiály - PE, PP, PTFE (někdy v expandované formě) • Pouzdření součástek- střikolis, polymerace na substrátech, fluidizace materiály - termoplasty - PP, PA, polysulfony - reaktoplasty - EP, SI , fenoplasty • Povrchové úpravy a ochrany- termoplasty, reaktoplasty - KF, PF (viz přednáška)

6. Spojování plastových dílců montážní technologie - klasické TEPmechanických spojů ( kovy ) - specifické vlastnosti plastů ( kontaktní tlak , TKl (2 řády), relaxace pnutí …) trend omezit, vyloučit spoje integrované dílce nerozebíratelné - nýtované - svařované nelze opakovaně spoje- lepené montáž - demontáž - nalisované rozebíratelné - šroubové - rychlouzávěry lze vícekrát opakovat

7. Tg < T < Tf , Tm F Nýtování- termoplasty, reaktoplasty nýty – spojovací prvky - kovové …kontaktní tlak pmax = 25 MPa, různé TKl (kov – plast), relaxace napětí Ø hlavy cca 3 x Ø dříku (nebo podložky) zvlášť - plastové … výhodnější, stejné TKl - z termoplastu integrálně (nýt je součástí 1 dílce) formování hlavy - za zvýšené T pracovního nástroje - ultrazvuk plastický stav

8. KF PF E =σ / ε= f ( T ) Stav struktury termoplastu (fáze plastu) E = f ( T )PS semikrystalický - 1, PS amorfní - 2 a - skelný stav b - plastický (kaučukovitý) stav c - vymezení oblastí T pro konstrukční použití teploty fázových přechodů V = fce ( T ) Tk , Tg , Tm , Tf , Tr…určeno měřením vybraných parametrů ( E, cv , TKl , V … ) fce složení, M, distribuce M a nadmolekulárního uspořádání ( podíl krystalické fáze ) Př. Tg /°C / … PE -120, PTFE -97, PP -18, PMMA +120, PS +100, PVC +75

9. Svařování- pouze termoplasty, M = konst. , nízká tep. vodivost (PVC, PE, PP …) tvorba spoje – fyzikální proces ( lokální změny fáze vyvolané T ) postupně –natavení, přiblížení, zatuhnutí ( T >Tm , Tf ) ( T = Tn ) TEP podle způsobu ohřevu v místě spoje: - ohřátý plyn ( Tp) Tp = Tm , Tf+ 100 °C … místní ohřev spojovaných částí + přídavný materiál plyn – vzduch, N2 , CO2 , Ar provedení svarů - na tupo, V, X … - vytápěný nástroj ( Tpjako výše ) - el. odporový ohřev tepelný kontakt ( vedení tepla ) mezi nástrojem - spojovanými díly (oba povrchy současně) nástroj kov ( Cu ) + separační vrstva na povrchu ( PTFE ) např.svařování desek, tyčí, potrubí …

10. - tření natavení povrchů třením - rotační dílce ( 1 rotuje, 2 v klidu nebo protisměrný pohyb ) ( méně částý TEP ) - nerotační dílce ( 1 kmitá, 2 v klidu ), - ultrazvuk generátor kmitů ( magnetostrikční, piezoelektrický ), f = 20 až 50 kHz , fokusace energie, absorpce mechanické energie ve vybraném místě budoucího spoje ( tvarové úpravy ), ohřev na ( T > Tm , Tf ) - přenos energie z generátoru sonotrodou - vhodné pro „tvrdé“ termoplasty E , nízký útlum např. PS, ABS, PMMA, PPO, PC … - rychlý, produktivní TEP ( t ohřevu ~ sec ) bodový svar - vysokofrekvenční ohřev měrné diel. ztráty f =< 100 MHz , spojované materiály - dielekrikum mezi elektrodami - ztráty - lokální ohřev ( T > Tm , Tf ), svary bodové, švové - dle provedení elektrod pro polární termoplasty např. PVC fólie ( obaly ) - pro nepolární nepoužitelné F F p = ω . ε´ . tgδ . E2( W/ m3 )

11. Lepení - pro středně polární plasty ( PS, PPO, PC, ABS ) - kvalitní pevnostní spoje silně polární, nepolární, krystalické ( PVC, PA, PE, PTFE, PP ) - horší stejné materiály - produktivní způsob – termoplasty, reaktoplasty různé materiály - spoje heterogenní (s lepidlem - kapalina, pasta, tmel…), homogenní (rozpouštěním lepených povrchů vhodnou chem. látkou) tvorba spojeTF (zprac. stav) – přiblížení povrchů – PF (funkční stav) heterogenní spoje - lepidlo (adherent) - pevnost a stabilita spoje závisí na : - kvalitě lepidla ( chem. složení - kompatibilita, viskozita , homogenita …) - úpravě lepených ploch ( geometrie, očištění, zdrsnění, odplynění …) - dodržení TEP ( tloušťka vrstvy, přítlak, doba a teplota schnutí…) adheze rozhraní lepidlo – lepené povrchy ( chemická, fyzikální ) koheze ve vrstvě lepidla ( kvalita, množství ) lepidla nereaktivní - nemění strukturu při změně TF - PF (plast v těkavém rozpouštědle) např. nitrát celulózy / aceton, PVC / xylen … požadavek

12. PPO / xylen +metylizobutylenketon (25/75) UP / toluen, xylen, trichloretylen PC / tetrachloretan PA66 / kyselina octová, kyselina mravenčí PMMA / dichloretylen, aceton, kyselina octová reaktivní - mění strukturu při změně TF - PF ( změna M – polymerace ), - většinou vícesložková ( smísení před aplikací, omezená zpracovatelnost ) - různé rychlosti přeměny TF - PF ( sec. - hod. ) např. lepidla na bázi - EP, PF, UF, PU, kyanoakrylátu (sec. , anaerobně tuhnoucí) homogenní spoje (2 stejné plasty) - rozpouštědlové lepení - velmi pevné rozpuštění (naleptání) povrchové vrstvy těkavým rozpouštědlem ( ponor), přítlak částí, schnutí spoje (vytěkání) pro středně polární plasty - PS, PPO, ABS, PMMA, PC nelze nepolární (nerozpustné) - PTFE, PE, PP Př. plast / rozpouštědlo

13. na tupo Vhodná geometrie lepených spojů styčná plocha přeplátováním elektrovodná Elektricky vodivé lepené spoje - alternativa měkkého pájení funkce mechanická - montáž PCB, SMT – ( viz 1. část přednášek )

14. riziko - pouze pružné deformace ( přesah omezen ), relaxace napětí ve spoji Nalisování - využití TKlplastů ( ~ 10-2 K –1 ), méně častý způsob - TEP - přesah rozměrů např. otvor, dřík při Tn - změna T jedné části ( ) - přiblížení částí - vyrovnání T = Tn pevný spoj plast - plast - spojení např. pouzdra s ložisky, ozubená kola s hřídelí …. plast - kov Šroubové spoje - spojovací prvek - šroub - vnější závit (rozebiratelné) - matice - vnitřní závit standardní závit - průchozí otvory v součástech - šrouby - kovové samořezné - jiná geometrie závitu, d > 4 mm, 10 x manipulace ( protizávit vytlačen nebo vyříznut ) - plast ( spec. případy - např. kryty, pouzdra – ochrana dvojí izolací )

15. riziko - kombinace kovový šroub - plastová matice (protizávit) - překročení Mk zničení závitu - momentový klíč - různé TKl uvolňování, praskání - pružicí podložky - deformace tvaru součásti ve spoji - omezení dorazy - samostatná - matice - kov - plast - vylisovaný závit v dílci - náročná výroba častěji vkládané kovové závitové vložky ( do formy, za T termoplasty – např. ultrazvuk ) dělicí rovina deformace dorazy správně špatně

16. σo = Mo / Wo= konst. F Pružné spoje – rychlouzávěry - pro „ tvrdé „ termoplasty ( E ) - pružné deformace při Tn ( tah, tlak, ohyb ) - až 15 %, např. PPO, ABS, PC, PA … - konstrukce - spojovací prvek - „ nosník stálé pevnosti „ tj. po svojí délce Mo ohybový moment Wo průřezový modul - v trvalém stavu nosník odlehčen - namáhání pouze přechodně při manipulaci- manipulační otvor pro nástroj - manipulační záchyty - zrychlení montáže - kryty, pouzdra , konstrukční díly vyšší funkční celky F = 0 stabilní poloha F = 0 při manipulaci F

17. Obrábění plastových dílců TEP - vrtání, soustružení, frézování , řezání … úbytek materiálu ( tříska ) , teplo - pouze v menší míře ( dílce „nahotovo“ ) někdy nutnost např. vrtání PCB - termoplasty, reaktoplasty - čisté , kompozity ( s aditivy - otupení nástroje ) porovnání s třískovým obráběním kovů - specifika plastů: - nízká λ - rozptyl tepla cca 85 % nástroj u kovů opačně 5 % obrobek , 10 % tříska (nejvíce třískou) - malý řezný odpor ( 2 až 3 x ) – menší spotřeba energie - ohřev obrobku - vliv na rozměry ( TKl ), stav struktury - kvalita povrchu - požadavek - spec. geometrie a materiál řezného nástroje ( nástrojová ocel, slinuté karbidy, diamant ) - podle druhu plastu - účinné chlazení ( řezná kapalina ) - malý úběr ( tříska ), vysoká řezná rychlost ( n )

18. recyklace - opakované využití materiálové či energetické podstaty výrobku po skončení jeho životnosti nebo odpadu v průběhu TEP Recyklace plastů - spotřeba > 100 kg / osoba / rok - plastový odpad - druhová skladba ( nejvíce ) - polyolefiny ( PE,PP ), PS, polyestery ( PET ), PVC, PA … surovina - problém ekonomický …. 1 t ( PE, PP… ) ~ 2,5 t ropy energie - ekologický ( zátěž ŽP ) …. v ČR cca 50 % recyklace, zbytek skládka recyklace - opakované využití materiálové či energetické podstaty výrobku po skončení jeho životnosti nebo odpadu v průběhu TEP homogenní plasty - fyzikální metody η = f ( T ) - termoplasty - čistý odpad z výroby ( ne kompozity ) - chemické, termochemické - termoplasty, reaktoplasty - depolymerace - pyroliticky, hydroliticky - směs monomerů ( plyn, KF ) destilace složek - opakovaná syntéza polymeru - jiné využití ( např. syntetická nafta ) - spalování - výše uvedené mater. , spec. kotle ( někdy s uhlím, ZP ) kompozity, netříděné plasty - náročnější – pyrolýza, hydrolýza, spalování, a pryže mechanické úpravy ( drcení …)