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Materiais Elétricos Isolantes Prof. Msc. Getúlio Teruo Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Definições Dielétricos -Dielétricos ou materiais isolantes caracterizam-se por oferecerem considerável resistência à passagem da corrente, comparativamente aos materiais condutores. Polarização do Dielétrico -É uma propriedade fundamental de todos os isolantes e define o comportamento de suas partículas elementares quando sujeitas à ação de campos elétricos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Polarização do Dielétrico -A polarização consiste no deslocamento reversível de centro de cargas positivas e negativas na direção do campo elétrico aplicado. -Sendo reversível, esta direção acompanha, ou tende a acompanhar, a própria orientação do campo elétrico. -A partir da grandeza constante dielétrica ξ (pronuncia- se “Csi” ou “Xi”) “qualquer pedaço de um isolador ou material isolante submetido à uma diferença de potencial pode ser estudado como um capacitor, pode- se prever o comportamento de um material quanto a sua polarização. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Polarização do Dielétrico -Analogamente, o fator de perdas dielétricas ou fator de perdas do dielétrico tg δ (tangente de delta), a corrente que flui por um material isolante estará defasada de um ângulo ϕ em relação à tensão e, se o dielétrico for puramente capacitivo, esse ângulo valerá 90°. -Como tal condição não é encontrada na prática, pois sempre haverá resistência elétrica, δ é o ângulo resultante da diferença entre 90° e a defasagem real ϕ entre a tensão e corrente no dielétrico. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Polarização do Dielétrico Prof. Msc. Getúlio Tateoki Corrente 90° δ ϕ δ = 90° - ϕ Materiais Elétricos Isolantes Polarização do Dielétrico -Pode-se concluir que quanto maior for o ϕ, menores serão as perdas. -Estas perdas está relacionado com a elevação da temperatura do material, resultante de um consumo de energia, quando o mesmo é polarizado. Isolação dos condutores elétricos Histórico -Os primeiros cabos isolados de que se tem notícia datam de 1795, utilizados em uma linha telegráfica na Espanha e eram isolados em papel. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Histórico -Seguiram os condutores cobertos por guta percha (uma planta nativa da Índia), os cabos de papel impregnado em óleo, os cabos em borracha natural (início do século XX), em borracha sintética (EPR) e PVC (ambos logo após a segunda guerra mundial). -Embora possuíssem excelentes características isolantes, os cabos isolados em papel foram perdendo aplicações ao longo do tempo, principalmente devido à dificuldade de manuseio durante a sua instalação, sobretudo na realização de emendas e terminações. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Histórico -Isso propiciou a popularização dos cabos com isolações sólidas, tais como o PVC. Para que serve a isolação? -A função básica da isolação é confinar o campo elétrico gerado pela tensão aplicada a condutor no seu interior. -Com isso, é reduzido ou eliminado o risco de choques elétricos e curtos-circuitos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Para que serve a isolação? -Pode-se comparar a camada isolante de um cabo com a parede de um tubo de água. -No caso do tubo, a parede impede que a água saia do seu interior e molhe a área ao seu redor. -Da mesma forma, a camada isolante mantém as linhas de campo elétrico (geradas pela tensão aplicada) “presas” sob ela, impedindo que as mesmas estejam presentes no ambiente ao redor do cabo. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Para que serve a isolação? -No caso do tubo, não pode haver nenhum dano à sua parede, tais como furos e trincas, sob pena de haver vazamento de água. -Da mesma forma, não podem haver furos, trincas, rachaduras ou qualquer outro dano à isolação, uma vez que isso poderia significar um “vazamento” de linhas de campo elétrico, com subsequente aumento na corrente de fuga do cabo, o que provocaria aumento no risco de choques e curtos-circuitos e até incêndios. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Principais características das isolações sólidas -De um modo geral, as isolações possuem uma boa resistência ao envelhecimento em serviço, uma reduzida sensibilidade à umidade e, desde que que necessário, podem apresentar um bom comportamento em relação ao fogo. -A seguir, as principais características específicas do composto isolante mais utilizados atualmente : o PVC Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Principais características das isolações sólidas Cloreto de polivinila (PVC) • É na realidade, uma mistura de cloreto de polivinila puro (resina sintética), plastificante, cargas e estabilizantes; • Sua rigidez dielétrica é relativamente elevada, sendo possível utilizar cabos isolados em PVC até a tensão de 6kV; • Sua resistência a agentes químicos em geral e a água é consideravelmente boa; • Possui boa característica de não propagação de chama. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Principais características das isolações sólidas -Todos os materiais isolantes de uso industrial apresentam uma certa quantidade de cargas livres e portanto, deve-se levar em conta a circulação de correntes de uma certa intensidade através de seção transversal do isolante quando o dielétrico é submetido a uma determinada tensão. -A maior ou menor dificuldade que os materiais isolantes oferecem à passagem de corrente é a grandeza rigidez dielétrica (Ed) [kV/cm] Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Principais características das isolações sólidas -Os dielétricos apresentam alguma condutividade que, geralmente, poderá ser desprezada quando o material é utilizados dentro dos limites a que se destina. -Em algumas utilizações, no entanto, é necessário conhecer o valor dessa condutividade que depende não apenas do deslocamento de elétrons como também de íons. -Portanto, um material que apresenta condutividade iônica, não pode ser submetido continuamente a uma corrente contínua, pois a sua característica de condutividade iônica o levará a decomposição eletrolítica. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Principais características das isolações sólidas -A corrente que circula através do material isolante é conhecida como corrente transversal. -Uma outra corrente, reversível, resultante do deslocamento retardado de cargas sob a ação de uma tensão aplicada, é chamada de corrente de polarização. -Esta última corrente pode ser particularmente intensa quando o processo de polarização é lento; seu valor vai decrescendo com a duração da tensão contínua aplicada e depende do “tempo de acomodação” das propriedades físicas e químicas do material. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Principais características das isolações sólidas -Este processo é idêntico aparecimento de cargas no dielétrico de um capacitor quando uma tensão é aplicada; -Terminado o processo de polarização, a correntede polarização se torna nula, permanecendo apenas a corrente transversal. -Por tais fenômenos, as características dos materiais isolantes são estabelecidas pela condutividade transversal e pela grandeza de tensão contínua aplicada. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Principais características das isolações sólidas -Resumindo, a condutividade elétrica de um isolante depende de forma acentuada da estrutura do material, do seu estado físico, da umidade, da temperatura e da natureza da tensão aplicada. -Todos os dielétricos possuem um valor limite de solicitação elétrica, característico de cada material sob condições normalizadas pré-especificadas. -Quando esses valores são ultrapassados ocorrem modificações, geralmente irreversíveis, como: ruptura, deformação permanente, modificação estrutural e, frequentemente, perda das propriedades isolantes iniciais. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes gasosos Ar atmosférico -O mais utilizado é sem dúvida é o ar, por exemplo, em linhas aéreas de transmissão e distribuição de energia elétrica. -De forma prática e simplificada a rigidez dielétrica do ar seco e limpo a 20°C é de 45kV/cm, decrescendo rapidamente para 3kV/cm, sob a ação da umidade, poluição e da elevação de temperatura, fatores estes normais em ambientes externos e que, portanto, devem ser considerados nos projetos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes gasosos SF6 -O outro gás muito utilizado atualmente como meio dielétrico de extinção do arco- elétrico em disjuntores é o Hexafluoreto de Enxofre (SF6). -Sua Tensão de Ruptura é de 125kV a 2 atm para um afastamento de 10 mm. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos -Os isolantes líquidos têm, geralmente na prática, funções de isolamento e de refrigeração. -Como refrigerante, retira o calor gerado internamente ao elemento condutor, transferindo-o a radiadores, mantendo dentro de níveis admissíveis a temperatura de trabalho do equipamento. -Entre os isolantes líquidos destacam-se: • Óleo Mineral • Askarel • Óleos de silicone Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Obtido a partir da decomposição (cracking) do petróleo por destilação e é composto basicamente por: • Metano ou óleos parafinados do qual se extrai de 3% a 8% de parafina sólida; • Nafta; • Mistura dos dois anteriores. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -A temperatura de craking define os subprodutos do petróleo: • 40 a 150°C – benzina; • 150 a 300°C – óleos leves e combustíveis; • 300 a 350°C – óleos diesel; • Acima de 350°C – óleos para aquecimento, matéria prima para óleos lubrificantes, óleos isolantes, o resíduo do processo de destilação é o asfalto. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Os óleos para fins isolantes são processados através de rigorosa purificação e têm seu uso mais comum nos transformadores, cabos, capacitores, disjuntores e chaves a óleo. -Com o desenvolvimento de novos materiais com melhores características elétricas, o óleo vem sendo gradativamente substituído, mas ainda é muito utilizado. -Estes óleos devem ser altamente estáveis e ter baixa viscosidade, pois além de isolar por impregnação, devem transmitir bem o calor. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Este é um problema típico dos transformadores onde o óleo deve transferir para as paredes do tanque o calor gerado nos enrolamentos, caso em que óleos mais densos não se prestariam a esta função. -No caso de dispositivos de manobra e de comando, o óleo deve fluir rapidamente entre os contatos para extinguir o mais rapidamente possível o arco elétrico. -Em cabos e capacitores, o óleo também deve fluir facilmente de forma a impregnar adequadamente os dielétricos e também, por deslocamento, eliminar a presença do ar e umidade, comum em dielétricos fibrosos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -A viscosidade correspondente a cada aplicação é fixada por normas e está sempre relacionada à temperatura, sobretudo a temperatura máxima admissível. -O fator de perdas de óleos isolantes de qualidade a 20°C, deve ser de aproximadamente 0,001 e depende acentuadamente da temperatura. -Por exemplo, óleos para capacitores devem ter um fator de perdas inferir a 0,005 a 100°C, com um ρ = 25x1012 Ω.mm2/m em estado novo admitindo-se uma redução para 1/5 desse valor após um ensaio de envelhecimento de 40 horas. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -A rigidez dielétrica, ou tensão de ruptura, para óleos novos e sem umidade, deve ser de 200kV/cm para temperaturas de -40°C a +50°C, no caso de transformadores e de 120kV/cm para disjuntores. -A rigidez dielétrica mínima também varia com a classe de tensão e o tipo de equipamento. Exemplos: de 80 a 140kV/cm para transformadores de rede ou para instrumentos, na classe de tensão de 34,5 a 220kV; de 40 a 80kV/cm para dispositivos de comando, na classe de tensão de 34,5 a 69kV. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Merece uma atenção especial o problema de envelhecimento dos óleos isolantes, razão pela qual deve ser providência de rotina uma sistemática de verificação da tensão de ruptura ou rigidez dielétrica. -Os sistemas de manutenção preveem a retirada periódica de amostras de óleo dos equipamentos para a verificação de suas características isolantes, pois, num período relativamente curto (em média 2 a 3 anos), nota-se uma sensível redução, da ordem de algumas vezes, da sua rigidez dielétrica. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Dependendo dos valores encontrados, é necessário proceder a purificação ou filtragem ou, em casos críticos, a substituição do óleo envelhecido por óleo novo. -O uso de inibidores de envelhecimento é discutível, pois pode ocorrer ataque a outros componentes do equipamento, tendo ainda o inconveniente do alto custo. -A oxidação do óleo está sempre presente, pois depende da presença do oxigênio do ar e da elevação da temperatura. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Apesar do rigor dos processos de refinação, que elimina as matérias mais facilmente modificáveis, a oxidação via catalítica pode aparecer no equipamento à presença do cobre. -A luz do dia também pode ser um agente do processo de envelhecimento do óleo, motivo pelo qual o mesmo deve ficar protegido dos raios de luz. -Algumas cadeias típicas de carbono que compõe o óleo se oxidam com mais facilidade, dando origem a ácidos orgânicos, água e materiais voláteis. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -A ação do campo elétrico e descargas internas ao equipamento, pode provocar decomposições moleculares progressivas, gerando produtos que irão separar-se do óleo, dando origem às chamadas lamas. -Como as lamas podem se formar em qualquer região do líquido isolante contido no equipamento e são mais densas que o óleo, tendem a se depositar no fundo do tanque, entretanto,em seu caminho descendente, este material pode depositar-se nos enrolamentos, núcleos e outras partes do equipamento. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -As características dielétricas da lama são ruins e, caso venham a impregnar partes isolantes, irão formar pontos de possíveis descargas, levando gradativamente a isolação e deterioração provocando curtos-circuitos (entre espiras, no caso de transformadores), podendo vir a ocorrer a destruição parcial ou total do equipamento. -O calor gerado por efeito Joule, absolvido pelo óleo e transferido para as paredes do tanque do equipamento, provoca a solidificação da lama, a qual assume uma forma muito semelhante à do piche, que tem baixo coeficiente de transferência de calor. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Essa formação prejudica a ação refrigerante do óleo e provoca a elevação da temperatura do equipamento, podendo leva-lo à destruição. -Os óleos minerais têm o grave problema da inflamabilidade, não por contato com chama, mas por combustão espontânea quando é sobreaquecido, o que pode provocar graves acidentes. -Por tal motivo, o óleo mineral utilizado em equipamentos elétricos deve ter sua temperatura permanentemente controlada. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleo Mineral -Para substituir o óleo mineral em algumas aplicações, foi desenvolvido, anteriormente aos óleos a base de silicone, o askarel. Askarel -É um pentaclorodifenil que se destaca por não ser inflamável, mas apresenta uma série de graves problemas: enquanto os óleos minerais são neutros, os askaréis, devido à presença do cloro, atacam o sistema respiratório e visual das pessoas que os manuseavam, e ainda manuseiam. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Askarel -É extremamente agressivo ao meio ambiente quando descartado sem os devidos e onerosos cuidados necessários. -os askaréis podem ainda atacar alguns produtos dos componentes de equipamentos elétricos. Os askaréis tem a vantagem de não formarem subprodutos durante seu uso em serviço. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Askarel -Sua temperatura de trabalho (110°C0 é um pouco superior à do óleo mineral. -O askarel, sendo um difenil associado ao cloro, pode apresentar produtos sólidos, à temperatura ambiente, e produtos líquidos que têm um ponto de solidificação não muito baixo. -Por este último motivo foi bem menos usado em países de invernos mais rigorosos, pois a baixas temperaturas o askarel perde a função de elemento transmissor de calor (motivo mela qual as multinacionais direcionaram as vendas desse óleo sintético1!). Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Askarel -O askarel também não pode ser aplicado quando sujeito a arcos voltaicos expostos, pois, por aquecimento externo, ocorrerá a quebra da cadeia de hidrogênio e cloro, provocando a liberação do cloro. -O emprego do askarel, de forma geral, restringiu-se a cabos e capacitores isolados em papel e tem seu uso proibido no Brasil desde 1980. -Deve ser manuseado e descartado com devidos cuidados, uma vez que ainda existem em operação muitos equipamentos que utilizam como óleo isolante. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Askarel -O custo do askarel era da ordem de 10 vezes superior aos óleos minerais, o que, felizmente, restringiu seu emprego à época em que foi introduzido no mercado. -Alguns nomes comerciais que foram dados ao askarel: Clophen, Inerteen, Aroclor. -Todos os dielétricos líquidos são utilizados para garantir as características isolantes de dielétricos porosos e fibrosos, evitando a penetração de umidade, gases e vapores. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Askarel -O custo do askarel era da ordem de 10 vezes superior aos óleos minerais, o que, felizmente, restringiu seu emprego à época em que foi introduzido no mercado. -Alguns nomes comerciais que foram dados ao askarel: Clophen, Inerteen, Aroclor. Óleos de Silicone -Os óleos de silicone [Si-O-Si] associado a grupos metílicos e fenólicos são incolores e transparentes e disponíveis em uma ampla faixa de viscosidades e pontos de ebulição. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleos de Silicone -Têm ponto de chama elevado [acima de 300°C] e baixo ponto de solidificação [-100°C]. -A faixa de emprego situa-se entre 200°C e -60°C. -Sua viscosidade não varia proporcionalmente com a temperatura, comparativamente aos óleos minerais. -São recomendados para temperaturas de trabalho muito altas ou muito baixas. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleos de Silicone -Devido às características do silício, os silicones permanecem neutros na presença da maioria de elementos, conferindo-lhes elevada estabilidade química e ausência de envelhecimento. -São repelentes à água e, portanto, evitam a perda das suas características isolantes em serviço. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes líquidos Óleos de Silicone -São solúveis em benzol, toluol, éter e álcoois de grau superior, sendo insolúveis em óleos minerais e álcoois de grau inferior. -O preço do óleo de silicone é bastante elevado em comparação ao óleo mineral. -Todos os dielétricos são utilizados para garantir as características isolantes de dielétricos porosos e fibrosos, evitando a penetração de umidade, gases e vapores. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras -As pastas ou ceras usadas eletricamente se caracterizam por um baixo ponto de fusão, baixa resistência mecânica, podendo ter uma estrutura cristalina e baixa higroscopia. Parafina -É o material pastoso mais usado e mais barato. -É obtido do petróleo e, uma parafina de qualidade, tem aparência clara, livre de bolhas, de ácidos e outras impurezas. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Parafina -A constante dielétrica ξ (kse) se reduz com o aumento de temperatura, tendo seu valor bruscamente alterado quando se liquefaz. -É repelente à água, mantendo elevada a sua rigidez elétrica e a resistividade superficial e transversal, o que o recomenda como material de recobrimento de outros isolantes. -A baixa estabilidade térmica – baixo ponto de fusão – é uma vantagem e desvantagem: Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Parafina -Há necessidade de pouco calor para a liquefação em processos de impregnação ou recobrimento, facilitando sua aplicação; -Essa mesma propriedade limita seu uso aos casos em que o aquecimento do componente se mantém a níveis baixos. -Esta última condição só é encontrada, praticamente, em componentes de baixas perdas Joule onde as correntes circulantes são muito baixas, ou seja, em componentes eletrônicos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Parafina -A característica de repelência à água, muito importante para componentes elétricos usados ao tempo, não pode ser resolvida com a parafina. -A parafina é solúvel em óleos minerais, gasolina e benzol, sendo insensível à água e álcoois.Pasta de Silicone -Tem a estrutura molecular semelhante à dos óleos de silicone e, basicamente, as mesmas propriedades. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Pasta de Silicone -As pastas são mais empregadas com finalidades lubrificantes do que elétricas, quando recebem pó de grafite para melhorar suas características antifricção. -São usadas eletricamente em peças de contato, em articulações condutoras e como recobrimento de partes isolantes expostas, que devem manter elevada resistividade superficial, prevalecendo neste caso sua característica de ser repelente à água. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -Um verniz aplicado na forma líquida se solidifica durante o processo de aplicação, ficando no estado sólido em sua forma final. -Portanto, o verniz não é propriamente um isolante líquido, apesar de ser comercializado neste estado físico. -Um verniz é composto de um solvente e uma matéria prima capaz de formar uma película, ou um filme, geralmente na forma de uma resina. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -Quando um solvente é aplicado a uma resina, ocorre a dissolução da resina, ficando as moléculas do solvente retidas pela resina. -Este processo faz com que a resina torne-se mais maleável, devido ao “afofamento molecular”. -Define-se resina como uma família muito grande de matérias primas que, apesar de origens e características diferentes, possuem composição química ou propriedades físicas muito semelhantes. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -São de estrutura molecular complexa e elevado grau de polimerização. -A baixas temperaturas as resinas são massas vitrificadas, amorfas. -As resinas podem ser classificadas como naturais e sintéticas. -Resinas naturais são de origem animal ou vegetal e são obtidas através de processos simples de purificação. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -Resinas sintéticas, existentes em número maior e sempre crescente, são obtidas através de complexos processos químicos, reunindo diversas matérias primas. -Neste grupo destacam-se as resinas polimerizadas (formadas por matérias de baixo peso molecular), as condensadas (resultantes de policondensação, que é um processo de crescimento das moléculas com eliminação das matérias elementares) e as à base de celulose ( a celulose é industrialmente ligada a ésteres e éteres, formando cadeias de elevado peso molecular). Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -No grupo das resinas polimerizadas destacam-se os etilenos e seus derivados, como polietileno, o polistirol e o cloreto de polivinila. -No grupo das condensadas, bastante numerosas, temos o grupo dos fenolformaldeidos, a resina gliptal, o poiamido, e outros. -Da resinas à base de celulose destacam-se nitrocelulose, a acetilcelulose, e etilcelulose e outras. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -As resinas são classificadas como termofixas (termoestáveis) ou termo plásticas. -Esta classificação vem da produção fundamental dos plásticos: -Uma resina, juntamente com outras matérias primas, é aquecida até sua plastificação, estado em que é colocada em moldes que darão a forma desejada ao produto, sendo posteriormente esfriada até a temperatura ambiente, apresentando-se sólida. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -Ambos os tipos, termofixos e termoplásticos, têm comportamento parecido até este ponto. -Se, após a solidificação, aplicarmos novamente a temperatura de plastificação a ambas as resinas, notaremos que a resina termoplástica novamente se amolece, enquanto a termofixa se mantém sólida. -Continuando a aquecer a termofixa, atingiremos uma mudança do seu estado apenas a temperaturas bem mais elevadas, na qual se carboniza sem amolecer. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -De forma geral, as resinas polimerizadas pertencem ao grupo das termoplásticas, sendo que as condensadas podem ser termofixas ou termoplásticas. -As resinas originadas da celulose são termoplásticas. -A moderna tecnologia tem criado, e vêm criando continuamente, uma quantidade muito grande de novas resinas, particularmente as sintéticas. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas -Por tal motivo serão apresentadas a seguir algumas das resinas mais conhecidas. Resinas naturais -Foram empregadas durante muitos anos, com bom resultados, mas vêm sendo substituídas pelas sintéticas que apresentam melhores características. -Entre as naturais destacaremos apenas duas: Goma- laca e Copal. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas naturais: Goma -Laca -É uma resina de origem natural presente nos resíduos de insetos tropicais sobre os galhos de árvores de onde é recolhida e purificada por fusão e filtragem. -No estado sólido apresenta-se em forma de pequenas lâminas (lamelas, sendo bastante quebradiça e de coloração amarelada, avermelhada ou marrom. -É uma resina facilmente solúvel em álcool, caracteriza- se por sua alta aderência a outros isolamentos, como a mica, o vidro, a madeira e certos metais. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas naturais: Goma -Laca -Amolece a 50-60°C e se liquefaz a temperaturas mais elevadas, as quais se aplicadas por muito tempo, tornam a goma- laca rígida e insolúvel, sendo quanto maior a temperatura, menor será o tempo de endurecimento. -A goma-laca, portanto, pertence ao grupo dos termofixos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas naturais: Copal -É uma resina de origem vegetal, obtida de certas árvores e possui elevado ponto de fusão, tem elevada dureza e se dissolve com dificuldade. -Os copais são empregados como aditivos de outras resinas para torná-las mais rígidas, principalmente quando estas são de cobertura. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas Sintéticas Polimerizadas -O radical químico básico das resinas sintéticas é o etileno, formando polímeros de cadeias lineares. -Possuem derivados com comportamento polar e não-polar. -Entre os polares destaca-se o cloreto de polivinila (PVC), usado em grande escala como isolamento de condutores elétricos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolantes Pastosos e Ceras Resinas Sintéticas Polimerizadas -Alguns exemplos dos não polares são o polietileno, o poliisobutileno, o polistirol e o politetrafluoretileno. -Têm um uso em equipamentos e materiais de baixa, média e alta tensão. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Histórico -Os primeiros cabos isolados que se tem notícia datam de 1795, utilizados em uma linha telegráfica na Espanha e eram isolados em papel. -Seguiram-se os condutores cobertos por guta percha (uma planta nativa da Índia), os cabos em papel impregnado em óleo, os cabos em borracha natural (início do séculoXX), em borracha sintética (EPR) e PVC (ambos logo após Segunda Guerra Mundial). Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Histórico -Embora possuíssem excelentes características isolantes, os cabos isolados em papel foram perdendo aplicações ao longo do tempo, principalmente devido à dificuldade de manuseio durante a sua instalação, sobretudo instalação de emendas e terminações. -Isso propiciou a população dos cabos com isolações sólidas, tais como o PVC. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos PVC- cloreto de polivinila -É o resultado de polimerização de cloreto de vinila, cuja molécula de um átomo de hidrogênio foi substituído por um de cloro, o que faz com que o comportamento dessa resina seja polar. -A umidade influi apenas sobre os valores de resistividade superficial não afetando sua rigidez dielétrica e os valores de tg δ variam com a temperatura. -O PVC é resistente a ácidos diluídos, álcool, gasolina e óleos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Poliestireno -É uma das resinas não polares mais usadas. -Sua higroscopia é muito pequena, é resistente à ação de um grande número de produtos químicos e tem elasticidade acima da média dos demais produtos deste grupo, o que é muito importante para a isolação de cabos (polietireno reticulado: XLPE e etileno- propileno:EPR), por exemplo. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Polistirol -É um polímero do estirol obtido mediante destilação do carvão mineral ou por via sintética. -É um líquido leve e incolor, de fácil polimerização, que se transforma lentamente em massa sólida transparente, mesmo na ausência de catalisadores, luz ou calor. -Seus valores de tg δ variam muito pouco com a temperatura. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Polistirol -O polistirol não é higroscópico e é recomendado para uso na área de altas frequências. -Esta resina é encontrada na forma de vernizes e filmes, como principal desvantagem à baixa temperatura de serviço que está entre 50 e 80°C, dependendo do seu peso molecular. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Resinas sintéticas condensadas -Neste grupo destaca-se a baquelite, que é termofixo de alta estabilidade mecânica, dura, pouco elástica e apresenta elevada resistência contra a ação da água. -Apresenta entretanto resistência superficial relativamente baixa, podendo permitir a formação de descargas superficiais. -É utilizada como matéria prima de acessórios e peças isolantes de baixa tensão. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Resinas epóxi -São produtos obtidos da condensação, em solução alcalina, do fenol, benzol e epicloridina, e pode ter diversas formas e aparências: líquida ou sólida, transparente ou opaca; tem ponto de fusão entre 50° e 160°C. -Através da adição de aditivos endurecedores podem ser endurecidas a quente ou frio. -A resina epóxi apresenta elevada aderência a outros materiais sólidos, é inodora, não tem suas características alteradas até 130°C , tem pouquíssima higroscopia e bom comportamento contra ataques químicos. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Resinas epóxi -É encontrada na forma de vernizes para impregnação e colagem ou como massa isolante. -O epóxi tem consistência dura e inflexível. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Ésteres ou éteres de celulose -São resinas termoplásticas com um ponto de fusão entre 50 e 70°C, são solúveis em solvente orgânicos, apresentam menor higroscopia que a celulose pura e são muito usadas em vernizes, massas plásticas de injeção, filmes e fibras. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Vernizes -São produtos resultantes da dissolução de resinas por um solvente, sendo este último eliminado na fase final do processo de aplicação do verniz. -Os vernizes, na sua forma final, mantêm as propriedades da resina e são classificados em três grupos: vernizes de impregnação, vernizes de colagem e vernizes de recobrimento. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Vernizes -Os vernizes de impregnação são geralmente aplicados em papeis, tecidos, cerâmicas porosas e materiais assemelhados. -Têm a função de preencher os vazios deixados internamente a um material, com um isolante de qualidade e características adequadas, evitando a umidade. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Vernizes -Estes vernizes ainda têm a propriedade de elevar a condutividade térmica e a rigidez dielétrica do isolante impregnado, melhorando também suas características mecânicas (a complementação dos vazios por um material sólido, faz com que haja uma transferência das tensões mecânicas para toda a seção onde o verniz foi aplicado, reduzindo a concentração dos esforços). -Os vernizes de recobrimento destinam-se a formar sobre o material sólido de base, uma camada de elevada resistência mecânica, lisa e à prova de umidade. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Vernizes -Uma de suas principais aplicações está na cobertura de seu uso em isolantes porosos ou fibrosos, estes vernizes conferem ao isolante uma maior resistência superficial de descarga e por consequência eleva a tensão de descarga externa. -A elevação da resistência à penetração de umidade, não estará garantida se o isolante não sofreu anteriormente o processo de impregnação, pois, qualquer fissura ou recomendação da camada de verniz de recobrimento pode comprometer o isolamento. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Vernizes -Isolantes recobertos de verniz dificultam a deposição de poeiras e facilitam a limpeza da peça. -Os vernizes de colagem são utilizados quando há necessidade de colar entre as porções de isolantes sólidos, que normalmente não são encontrados ou fabricados na forma compacta. -Dois materiais que requerem o uso de vernizes de colagem podem aqui ser citados: a mica, que quando purificada desmancha-se em pequenas lâminas, sem possibilidade de se formar um corpo com dimensões fixas e definidas; Prof. Msc. Getúlio Tateoki Materiais Elétricos Isolantes Isolação dos condutores elétricos Vernizes -Outro exemplo é a fibras de vidro que são lisas, não sendo industrialmente possível atingir, sem o uso de vernizes, a necessária consistência para que possam ser usadas tecnicamente como isolantes na área elétrica. -Os vernizes de colagem também têm baixa higroscopia e boas características isolantes e são bastante empregados para a fixação de isolantes sobre metais. Massas Compostas -O uso de massas compostas se justifica quando é necessário criar um volume de material isolante maior do que uma película ou para uma impregnação. Prof. Msc. Getúlio Tateoki Fim
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