Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

České varianty konstrukčních metakrylových kopolymerů

Elektro 1/2000

doc. Ing. Eva Kučerová, CSc.,Ing. Jan Drobílek,
ZU – FEL, Plzeň

České varianty konstrukčních metakrylových kopolymerů

Vývoj a využití polymerních látek zaznamenal v posledních desetiletích velký rozmach. Důvodem je zejména potřeba nových materiálů se specifickými vlastnostmi.

Právě elektrotechnika a elektronika jsou obory, kde se makromolekulární látky v hojné míře využívají. Společnými parametry pro využití plastů pro elektrotechniku a elektroniku jsou jejich velká odolnost proti stárnutí a dlouhodobé zachování stability požadovaných parametrů. Používají se zde především jako elektroizolační materiály.

Tento příspěvek je věnován posouzení aplikovatelnosti dvou variant českého materiálu Umacryl K a Umacryl M na základě zjištění a zhodnocení jejich základních elektrických a mechanických vlastností. Je třeba dodat, že práce samotná vznikla na základě kooperace s Výzkumným ústavem organických syntéz Pardubice.

Oba typy materiálu Umacryl patří do skupiny konstrukčních makromolekulárních termoplastických materiálů na bázi metylmetakrylátu (MMA). Makromolekuly těchto látek jsou zpravidla lineární a nevětvené. Celá skupina těchto materiálů se vyznačuje především zajímavými optickými vlastnostmi. Jsou čiré, bezbarvé, mají velmi dobrou světelnou stabilitu, nepropouští UV záření a ani vlivem dlouhodobého klimatického namáhání netmavnou či nežloutnou. Nejrozšířenějším představitelem této velké skupiny termoplastů je homopolymer MMA polymetylmetakrylát (PMMA). Kromě PMMA se vyrábí i celá řada kopolymerů MMA. Jejich základní stavební jednotkou je opět MMA, je však kombinován s menším množstvím dalších komonomerů. Jejich obsah v základní bázi bývá do 20 %. Účelem kopolymerací je vždy modifikace vlastností PMMA, popř. snížení výrobní ceny finálního produktu. Estery kyseliny metakrylové jsou z hlediska své kopolymerační schopnosti ojedinělým případem, protože kopolymerují s téměř většinou běžných monomerů.

PMMA a kopolymery na bázi MMA bývají pro svůj vzhled nazývány organickými, někdy také bezpečnostními skly. Dříve se jako organická skla označovaly materiály vyráběné výhradně na bázi odlévaných polymetakrylátů. V současné době do této skupiny řadíme i výrobky zhotovené dalšími technologickými postupy (vstřikované, popř. vytlačované trubky, tyče a jiné profily). Sem řadíme i materiály na bázi některých dalších amorfních polymerních materiálů (polykarbonátů, polystyrenu), které se také vyznačují dobrými optickými vlastnostmi.

Firma Aliachem, závod Synthesia a. s., vyrábí dva základní druhy kopolymerů metylmetakrylátu (MMA), jež se od sebe liší především druhem přídavné komonomerní složky. Jde o materiály Umacryl K a Umacryl M. Některé jejich základní vlastnosti jsou uvedeny v  tab. 1.

Umacryl K je suspenzní technikou vyráběný kopolymer metylmetakrylátu (MMA) se styrénem. V Synthesii a. s. se vyrábí již od 70. let. Umacryl K si zachovává typické vlastnosti metakrylátových polymerů, má tedy dobré mechanické i elektrické vlastnosti, zejména však výborné optické vlastnosti a velkou odolnost vůči povětrnostním vlivům.

Jeho hustota je 1 120 kg/m3, nasákavost nejvýše 0,3 % a tepelná odolnost podle Vicata minimálně 100 °C. Odolává studené i horké vodě do 80 °C, včetně tekutých potravin (víno, káva, čaj, jedlé oleje), dále hydroxidům a zředěným kyselinám. Rozpustný je v ketonech, esterech a aromatických uhlovodících.

Je určen zejména pro výrobu vytlačovaných deskových materiálů. Ty lze zpracovávat nejrůznějšími způsoby mechanického obrábění, jako je např. soustružení, vrtání, řezání, frézování, broušení. Desky se mohou zpracovávat též tvářením za tepla (v rozmezí teplot 120 až 135 °C).

Umacryl K je možné použít k výrobě různých krytů, konstrukčních dílů, součástí přístrojů, lékařských pomůcek, signalizačních zařízení, ovládacích tlačítek, krytů osvětlovacích těles, rýsovacích pomůcek atd.

Druhou variantou materiálu Umacryl je modifikace M, což je nově vyvinutý, suspenzní technikou připravený kopolymer metylmetakrylátu (MMA) s butylakrylátem. Sériově se však doposud nevyrábí.

Co se týče vlastností, řadí se ke standardním typům polymetylmetakrylátů (PMMA), resp. kopolymerů MMA. Jednotlivé typy mohou být zpracovávány vytlačováním nebo vstřikováním.

Na rozdíl od Umacrylu K neobsahuje styrén. Materiál je určen k obdobnému použití jako Umacryl K.

Jak již bylo uvedeno, aplikovatelnost obou variant Umacrylu jsme posuzovali na základě měření a následného porovnání elektrických a mechanických vlastností. Z elektrických veličin to byla vnitřní rezistivita r, polarizační index pi (minutový a desetiminutový), směrnice náhrady redukovaných resorpčních křivek k (to vše voltampérovou metodou podle ČSN IEC 93), relativní permitivita er a ztrátový činitel tg d pro frekvence 100 Hz (modifikovaným Scheringovým můstkem podle ČSN IEC 250) a 1 MHz (Q-metrem podle ČSN IEC 250), v neposlední řadě průrazné napětí Up a elektrická pevnost Ep (krátkodobou zkouškou s rychlým nárůstem napětí pro průmyslovou frekvenci 50 Hz podle ČSN EN 60243-1). Z mechanických vlastností jsme určili mez pevnosti v tahu sM, jmenovité poměrné prodloužení et (ČSN EN ISO 527-2), pevnost v ohybu sfM, deformaci ohybem v okamžiku lomu efB (ČSN EN ISO 178) a rázovou houževnatost metodou Charpy acU (rázem na širší stranu zkušebního tělíska „flatwise“ podle ČSN EN ISO 179).

Obr. 1.

Jak je z výčtu jednotlivých metod vidět, podrobný komentář a kompletní tabulky jednotlivých měření přesahují rozsahem rámec tohoto příspěvku a jsou uvedeny v [1].

Při souhrnném posouzení výsledků zjišťovaných elektrických veličin je patrné, že oba materiály projevily dobré elektroizolační schopnosti (tab. 2), tedy poměrně velkou elektrickou pevnost Ep, velkou vnitřní rezistivitu r20, vysokou hodnotu polarizačního indexu pi, nízkou hodnotu relativní permitivity er. Při vzájemném porovnání obou materiálů se zdá být celkově lepší Umacryl M. Přesto však má Umacryl K dvojnásobnou vnitřní rezistivitu r20 (viz obr.) a zhruba poloviční ztrátový činitel tg d pro 100 Hz než Umacryl M.

Obecně lze říci, že Umacryl K má z hlediska posuzovaných elektrických vlastností větší rozptyl hodnot [1], a to v některých případech až několikanásobně (např. elektrická pevnost Ep přibližně 2,7krát, vnitřní rezistivita r20 asi 2,7krát, minutový polarizační index pi1 přibližně 2krát, ztrátový činitel tg d pro 1 MHz asi 1,56krát).

Výsledné hodnocení naznačuje, že v posuzovaných mechanických vlastnostech se zdá být naopak lepší Umacryl K, a to především díky menšímu rozptylu hodnot jednotlivých zjištěných veličin [1]. Umacryl M má v některých případech až několikanásobně větší rozptyl hodnot než Umacryl K (např. pevnost v ohybu sfM přibližně 6,5krát, deformace ohybem v okamžiku lomu efB asi 4krát a rázová houževnatost acU přibližně 2krát). Výsledky měření mechanických vlastností jsou uvedeny v tab. 3.

Výsledky jednotlivých zkoušek naznačují, že obsah styrénu nemá zásadní vliv na elektrické či mechanické vlastnosti materiálu Umacryl K. Z přibližně poloviční deformace ohybem v okamžiku lomu efB lze snad vyvodit větší křehkost tohoto materiálu.

Pro uplatnění Umacrylu K je obsah komonomerní styrenové složky nevýhodou. Styren je poměrně levný, má však velmi nepříznivé účinky na lidský organismus. Vzhledem k této skutečnosti je materiál použitelný pouze v aplikacích, kde nepřipadá v úvahu namáhání (zejména tepelné), které by způsobilo uvolnění styrenu. Vyloženě nevhodný je tam, kde by takový rozklad a následné vysoké koncentrace styrenu ohrozily zdraví a životy lidí (použití v metru, při výstavbě tunelů a aplikacích, které umožňují při tepelném namáhání, zejména při hoření, vzniknout velkým koncentracím styrénu). Umacryl M je nový moderní ekologicky nezávadný materiál, jehož nevýhodou je pouze vyšší cena.

Rozhodujeme-li se při návrhu výrobku mezi Umacrylem K a Umacrylem M, je třeba přihlédnout k předešlým doporučením. Finální rozhodnutí musí být podloženo ekonomickou rozvahou.

Tab. 1. Základní vlastnosti kopolymerů firmy Aliachem

Vlastnost Jednotka Zkušební norma Umacryl M Umacryl K
hustota g/cm3 ČSN 64 0111 1,14 až 1,18 1,14 až 1,18
index toku taveniny (38 kg 230 °C) g/10 min ČSN 64 0861 1,5 až 3,5 pro vytl. pro vstř.1,5 až 3,5 3,5 až 6,0
odolnost za tepla dle Vicata (postup A 120) °C ČSN ISO 306 105 až 108 100 až 105
pevnost v tahu MPa ČSN EN ISO 527 65 až 70 60 až 65
protažení při přetržení % ČSN EN ISO 527 >4 >3
pevnost v ohybu MPa ČSN EN ISO 178 100 až 115 100 až 110
modul pružnosti v ohybu MPa ČSN EN ISO 178 3000 až 3300 3000 až 3300
rázová houževnatost kJ/m2 ČSN EN ISO 179 20 až 25 17 až 20

Tab. 2. Zjištěné elektrické vlastnosti

Vlastnost Jednotka Zkušební norma Umacryl K Umacryl M
vnitřní rezistivita r20 W.m ČSN IEC 93 5,80E+15 2,66E+15
polarizační index (minutový) pi1 3,78 4,35
polarizační index (desetimin.) pi1 7,75 9,91
elektrická pevnost Ep kV/mm ČSN EN 60243-1 19,53 19,83
ztrátový činitel tg d
při 100 Hz
při 1 MHz
ČSN IEC 250 0,0241
0,0182
0,0504
0,0193
relativní permitivita et
při 100 Hz
při 1 MHz
ČSN IEC 250 3,039
2,626
3,127
2,557

Tab. 3. Zjištěné mechanické vlasmosti

Vlastnost Jednotka Zkušební norma Umacryl K Umacryl M
mez pevnosti v tahu sM MPa ČSN EN ISO 527- 2 64,04 62,09
jmenovité poměrné prodloužení et % 5,09 5,19
pevnost v ohybu sfM MPa ČSN EN ISO 178 100,05 105,26
def. ohybem v okamž. lomu efB % 4,88 9,04
rázová houževnatost acU kJ/m2 ČSN EN ISO 179 16,112 14,435
Literatura:

[1] DROBÍLEK, J.: Posouzení elektrických vlastností Umastyru. [Diplomová práce.] Plzeň, 1999.

[2] MENTLÍK, V.: Diagnostika izolantů. Plzeň, VŠSE 1986.

[3] ŠKEŘÍK, J.: Plasty v elektrotechnice. Praha, SNTL 1991.

[4] HOLZMÜLLER, W. – ALTENBURG, K.: Fyzika polymerů. Praha, SNTL 1966.

[5] MLEZIVA, J.: Výroba polymerů. Pardubice, VŠCHT 1990.

[6] HASSDENTEUFEL, J. – RAPOŠ, M.: Elektrotechnické materiály. Praha, SNTL 1978.

[7] MENTLÍK, V. a kol.: Elektrotechnické materiály. Plzeň, ZČU 1995.

[8] ŠEBÍK, P.: Charakter resorpčních křivek jako parametr pro určení obsahu vody ve fóliových izolantech v nevytvrzeném stavu. In: Diagnostika ’93. Plzeň, ZČU 1993.

[9] ČSN IEC 250 Doporučené postupy ke stanovení permitivity a ztrátového činitele elektroizolačních materiálů při průmyslových, akustických a rozhlasových kmitočtech včetně metrových vlnových délek. Leden 1998.

[10] ČSN EN 60243-1 Elektrická pevnost izolačních materiálů – Zkušební metody – Část 1: Zkoušky při průmyslových frekvencích. Leden 1999.

[11] ČSN IEC 93 Metódy merania vnútornej rezistivity a povrchovej rezistivity tuhých elektroizolačných materiálov. Říjen 1993.

[12] ČSN EN ISO 527-1 Plasty – Stanovení tahových vlastností – Část 1: Základní principy. Srpen 1997.

[13] ČSN EN ISO 527-2 Plasty – Stanovení tahových vlastností – Část 2: Zkušební podmínky pro tvářené plasty. Duben 1998.

[14] ČSN EN ISO 178 Plasty – Stanovení ohybových vlastností. Srpen 1998.

[15] ČSN EN 179 Plasty – Stanovení rázové houževnatosti metodou Charpy. Červen 1998.