I Laminat Techniczny – pewny materiał konstrukcyjny i elektroizolacyjny

Laminat Techniczny – pewny materiał konstrukcyjny i elektroizolacyjny 
      W przemyśle elektroenergetycznym i elektrotechnicznym często spotyka się tworzywa w postaci laminatów. Są one stosowane zarówno jako materiał elektroizolacyjny jak i konstrukcyjny. Niejednokrotnie łączą one obie funkcje w urządzeniu.

    Postać i budowa

        Laminat – to trwałe połączenie dwóch materiałów o różnych właściwościach mechanicznych
i technologicznych, nośnika i spoiwa.
        Nośnikami mogą być:
- papiery – laminaty papierowo-fenolowe PCF, 
- tkaniny bawełniane – laminaty bawełniano-fenolowe TCF , tekstolity
- tkaniny szklane lub maty szklane – laminaty szklano-epoksydowe TSE
       Laminaty mogą być także produkowane na innych nośnikach np. papierze mikowym -  mikanity o odporności termicznej  700ºC,  włókien węglowych , grafitowych, para-aramidowych  lub poliestrowych.
Spoiwami w laminatach są żywice termoutwardzalne tzw. duroplastyczne, głównie epoksydowe,  fenolowe i poliestrowe, ale także silikonowe i melaminowe, które po utwardzeniu cechują się przestrzenną strukturą cząsteczkowa (siecią). Spoiwa można łatwo poddawać modyfikacji uzyskując przez to dodatkowe cechy użytkowe laminatów. Specyficzne własności np. polepszenie właściwości trybologicznych uzyskuje się poprzez dodatek PTFE lub MoS2  ,  natomiast dodatek sadzy lub grafitu powoduje antystatyczność laminatów.
            Na rynku obecne są również laminaty z różnymi dodatkowymi warstwami funkcjonalnymi np.:
- z warstwą papieru dekoracyjnego i melaminy – laminaty dekoracyjne tzw. Unilam, lub ich odmiana elektroizolacyjna Elektrolam – warstwa melaminy podwyższa odporność materiału na prądy pełzające i łuk elektryczny ,
- z warstwą miedzi -  laminaty szklano-epoksydowe  na obwody drukowane,
- z warstwą grafitową i teflonową -  laminaty szklano-epoksydowe na elementy ślizgowe ,
- z warstwą gumy - laminaty bakelitowe do kondensatorów elektrolitycznych.
        Warstwowy układ laminatów daje możliwości ich różnicowania - kosztowna warstwa zewnętrzna o określonych właściwościach jest połączona z tańszą warstwą nośną.

         Laminaty są produkowane w postaci płyt, rur , prętów , a także gotowych elementów wytwarzanych w formach i na modelach „kopytach”.

Normalizacja

     Podstawową polska normą opisująca typy i wymagania stawiane laminatom technicznym jest PN-EN-60893 , natomiast w dokumentacjach spotyka się jeszcze stare normy DIN 7735 oraz PN , popularna jest także zwłaszcza w dokumentacjach amerykańskich norma NEMA.
Można pokusić się o wykonanie tabeli przejścia dla poszczególnych norm , ale należy pamiętać  że niejednokrotnie nie jest to dopasowanie dokładne, gdyż wymagania w poszczególnych normach różnią się sposobem badania.

płyty papierowo-fenolowe PCF
PN-EN-60893 PFCP202 PFCP201 PFCP203 PFCP204 PFCP205 EPCP201
DIN 7735 Hp2061.5 Hp2061 Hp2061.6 Hp2063 HP2062.9 Hp2361.1
NEMA XX X , XP XXXPC   FR-2 FR-3
PN 1988r. PCF-1 PCF-2 PCF-3     PCE

płyty bawełniano-fenolowe TCF (tekstolit , rezotekst , tekstit)
PN-EN-60893 PFCC202 PFCC201 PFCC203 PFCC204 PFCC305 MFCC201
DIN 7735 Hgw2082.5 Hgw2082 Hgw2083 Hgw2083.5   Hgw2282.5
NEMA CE C L LE    
PN 1988r. TCF-1 TCF-2 , TCF-5 TCF-4     TCM

płyty szklano-epoksydowe TSE
PN-EN-60893 EPGC201 EPGC203 EPGC202 EPGC204 EPGC306 EPGC308 EPGC205
DIN 7735 Hgw2372 Hgw2372.4 Hgw2372.1 Hgw2372.2      
NEMA G-10 G-11 FR-4 FR-5      
PN 1988r. TSE-2 TSE-3 TSE-5/130 TSE-5/155   TSE-6 TSE-9

IZO-ERG S.A. produkuje jeszcze typy: TSE-7 klasa 200 i TSE-8 klasa 220 oraz EPGC308CTI600V0
 

Inne płyty szklane (szklano-fenolowe TSF , szklano-melaminowe TSM , szklano-silikonowe TSS
PN-EN-60893 PFGC201 MFGC201 SIGGC202
DIN 7735 Hgw2072 Hgw2272 Hgw2572
NEMA G-3 G-5 G-7
PN 1988r. TSF TSM TSS


Produkcja

   Technologia wytwarzania laminatów składa się z dwóch procesów: powlekania i prasowania. Proces powlekania odbywa się na urządzeniu zwanym powlekarką.
Powlekarka służy do przesycenia nośnika odpowiednią kompozycją żywicy z rozpuszczalnikiem i wstępnemu utwardzeniu układu nośnik-żywica. Powstaje tzw. preimpregnat (prepreg) w którym żywica znajduje się w stanie „B”, to znaczy jest częściowo usieciowana i gotowa do dalszego, końcowego sieciowania. Preimpregnat jest produktem bazowym do prasowania różnych postaci wyrobu.
Poprzez prasowanie pod dużym ciśnieniem i w wysokiej temperaturze określonej ilości warstw preimpregnatu w prasach otwartych, najczęściej wielopółkowych, otrzymujemy płyty, poprzez nawijanie na rdzeń i utwardzanie otrzymujemy rury zwijane, poprzez prasowanie w formach zamkniętych lub półzamkniętych otrzymujemy pręty , panewki i inne wypraski. Proces prasowania powoduje dokończenie i utrwalenie procesu sieciowania materiału. 
Znane są również  inne procesy produkcji laminatów np. laminowanie na zimno, pultruzja itp.


Właściwości

       Laminaty techniczne cechują się bardzo duża stabilnością kształtu i wymiarów przy długotrwałych i krótkotrwałych działaniach podwyższonej temperatury oraz znacznym obciążeniu.  Marginalne i pomijalne jest w laminatach zjawisko mięknięcia w temperaturze,  nie występuje topienie się materiału, ani tzw. „pełzanie” , co jest głównym mankamentem tworzyw termoplastycznych.  Odpowiedzialna za to jest usieciowana struktura cząsteczkowa z trwałymi wiązaniami utwardzonej żywicy duroplastycznej  i dodatkowe wzmocnienie nośnikiem. Właściwości takich nie może zagwarantować splot jednowymiarowych  łańcuchów cząsteczkowych połączonych ze sobą jedynie siłami  Van der Waals’a w  typowych tworzywach termoplastycznych.
Laminaty, zwłaszcza na bazie żywic epoksydowych, posiadają bardzo dobrą odporność na czynniki chemiczne i doskonałe właściwości dielektryczne. Laminat o grubości 3mm w temp. 90ºC wytrzymuje próbę napięciową 40kV.
Istotnym parametrem laminatów jest klasa odporności termicznej która charakteryzuje przydatność materiału do pracy ciągłej w temperaturze.
Materiał uważa się za spełniający wymagania kwalifikacji do danej klasy jeśli może pracować ciągle przez 20tys. godzin w określonej przez klasę  temperaturze, a jego właściwości mechaniczne nie obniżą się więcej niż 50% wartości początkowej. Naturalnie materiał wyższej klasy spełnia wymagania klas niższych.

Poniżej przedstawiono tabelkę z klasyfikacją ciepłoodporności i typy wg oznaczeń „IZO-ERG” S.A.

tabela 2. klasyfikacja ciepłoodporności laminatów

Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej Klasa ciepłoodporności
 
Laminat w tej klasie
105ºC A -
120ºC E papierowo-fenolowy PCF , bawełniano-fenolowy TCF
130ºC B szklano-fenolowy TSF , szklano-epoksydowy TSE-2, szklano-melaminowy TSM , bawełniano-melaminowy TCM
155ºC F szklano-epoksydowy TSE-3
180ºC H szklano-epoksydowy TSE-6 , szklano-silikonowy TSS
200ºC 200 Szklano-epoksydowy TSE-7
220ºC 220 Szklano-epoksydowy TSE-8
   
  Oczywiście chwilowo i nie ciągle laminaty wytrzymują znacznie wyższe temperatury niż ich klasa ciepłoodporności. Chwilowa temperatura pracy laminatów jest trudna do określenia i zależy od wielu czynników m.in. od  grubości laminatu i rodzaju żywicy – im grubszy tym wolniej następuje degradacja materiału , laminaty na bazie żywic silikonowych i tkaniny szklanej mogą chwilowo wytrzymywać temperatury nawet powyżej 400ºC. Generalnie przyjmuje się, że chwilowa temperatura pracy laminatów może wynosić od 50-100ºC wyżej niż ich temperatura pracy ciągłej.
Laminaty ze względu na swą złożoną budowę cechują się pewną anizotropią właściwości mechanicznych i dielektrycznych ,dlatego istotne jest położenie elementu względem działających na niego sił. Najlepsze właściwości posiada laminat przy siłach działających prostopadle do jego warstw , a najgorsze równolegle (tzw. siła rozwarstwiająca).

   Ze względu na usieciowaną i trwałą strukturę cząsteczkową laminaty raz uformowane nie nadają się do ponownego przetwórstwa. Dlatego pożądany element uzyskuje się poprzez obróbkę skrawaniem płyt, rur i prętów lub formowanie nieskomplikowanych kształtów poprzez prasowanie w formie lub nanoszenie poszczególnych warstw na modele tzw. „kopyta”. 

   Poniżej przedstawiona została tabela porównawcza różnych laminatów i termoplastu (poliamid PA6). Oczywiście różne firmy modyfikują swoje produkty dlatego właściwości materiałów mogą odbiegać od  danych katalogowych poszczególnych producentów.

tabela 3 Porównanie właściwości płyt z laminatu i z termoplastu PA6


Właściwości
Jedn. miary Laminat bawełniano-fenolowy TCF (Tekstolit) Laminat papierowo-fenolowy PCF  Laminat szklano-epoksydowy TSE Termoplast Poliamid PA6
Oznaczenie wg EN-PN 893   PFCC PFCP EPGC  
Gęstość g/cm3 1,3-1,4 1,3-1,4 1,9-2,0 1,14
Temperatura ugięcia pod obciążeniem met. A  1,8MPa ºC 130 - - 80
Temperatura pracy krótkotrwałej ºC 160 160 180-300* 150
Temperatura pracy ciągła (20000h) ºC 120 120 130-220* 70

Temperatura topnienia

ºC

nie topi się nie topi się nie topi się 220
Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej 20-100 M/(m*K) ~20x10-6 10-6 10-6 105x10-6
Przewodnictwo cieplne w temperaturze W/m*K 0,2 0,2 0,25 0,28
Absorpcja wody 96h w wodzie 230C mg 249 123 10 168
Wytrzymałość na zginanie MPa 90-180*   135-230* 400-560* ~80
Wytrzymałość na rozciąganie MPa 80-120* 120-160* 300-430* 78
Wydłużenie przy rozciąganiu % <5 <5 <5 50
Wytrzymałość na ściskanie MPa 270 160-380* 350-640* 82
Dopuszczalny nacisk jednostkowy MPa 62 - - ~25
Moduł elastyczności MPa 7x10³ 9x10³ 24x10³ 3100
Badanie pełzania – naprężenie powodujące wydłuż. 1% w 1000h MPa ~70 - - 18
Udarność wg Charpy z karbem KJ/mm2 8 - 100

4

Twardość wg Rockwella metoda M

-

120

-

-

85

Współczynnik tarcia stal/tworzywo na sucho 2-20MPa

m

0,17-0,3

-

-

0,2-0,3

Ścieralność przy: obc.30N, obroty 700min-1, 100h

mm

6

-

-

25

Wytrzymałość dielektryczna I  do warstw w 90stC.

kV/mm

16,7

5

18

15

Napięcie II do warstw

kV

20

75

60

-

Współczynnik strat dielektrycznych tg
Dla 50Hz

 

-

0,035

0,02

0,03

Rezystancja izolacji po zanurzeniu w wodzie

MOhm

10

3x10²

104 – 107*

-

                                                                                                    Źródło: katalogi, normy i własne badania

*) w zależności od typu laminatu ,   
-)  oznacza brak danych  


Aplikacje
        W dobie dynamicznego rozwoju konstrukcyjnych tworzyw termoplastycznych nadal jednak duże znaczenie mają laminaty. W aplikacjach gdzie występują duże obciążenia i temperatury pracy ciągłej znacznie przekraczające 100ºC laminaty techniczne są materiałem pewniejszym , bardziej niezawodnym i  dającym gwarancje swoich właściwości nawet w najcięższych warunkach pracy. Dlatego laminaty najwięcej zastosowań posiadają w przemyśle elektrotechnicznym, maszynowym , metalurgicznym , a także zbrojeniowym. Doskonałe właściwości dielektryczne i dużo wyższa odporność na łuk elektryczny i prądy pełzające niż tworzywa termoplastyczne spowodowały ich powszechne stosowanie w technologiach wysokich napięć. 
Poniżej przedstawiono kilka typowych zastosowań laminatów technicznych.
W przemyśle elektrotechnicznym i elektronice dziś nikt nie może sobie wyobrazić urządzenia elektronicznego bez obwodów drukowanych. Materiałem bazowym do wykonywania obwodów drukowanych jest laminat z warstwą miedzi np.: szklano-epoksydowy FR-4 , FR-5 lub rzadziej laminat papierowo-fenolowy FR-2 i złożony CEM-1.
Duże maszyny wirujące – generatory i silniki posiadają sporą ilość elementów wykonanych z laminatów najczęściej szklano-epoksydowych które pełnią zarówno funkcje elektroizolacyjną jak i konstrukcyjną. W średniej wielkości generatorze znajduje się ponad  tona różnego rodzaju laminatów. W dużych  transformatorach zwłaszcza typu „suchego” gdzie występują wysokie przyrosty temperatury oraz w aparaturze rozdzielczej wysokiego napięcia także są stosowane  laminaty szklano-epoksydowe klas F , H a nawet 200.
W przemyśle maszynowym laminaty znajdują zastosowanie w konstrukcjach bardzo odpowiedzialnych elementów nośnych , osłon, zbiorników o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i wyjątkowej odporności chemicznej , prowadnic i łożysk ślizgowych pracujących pod dużymi obciążeniami dynamicznymi, a także elementów trudnościeralnych i ślizgowych.
W środkach transportu publicznego laminatami dekoracyjnymi wykłada się wnętrza  wagonów kolejowych, autobusów i tramwajów , wykonuje się z nich także elementy siedzeń i półek.
W budownictwie laminatami dekoracyjnymi są wykładane windy , wykonuje się z nich podłogi , parapety, blaty robocze oraz ścianki działowe, drzwi , a nawet elewacje zewnętrzne i dachowe.
Laminaty coraz szerzej wkraczają w aplikacje zastrzeżone do tej pory tylko dla stali i innych metali, wszędzie tam gdzie istotne jest obniżenie ciężaru elementów i zabezpieczenie przed warunkami atmosferycznymi i agresywnym środowiskiem. Dla przykładu ciężar właściwy stali to ok. 6,8g/cm³  natomiast ciężar właściwy płyty szklano-epoksydowej TSE wynosi 1,8-2,0g/cm³ , przy wytrzymałości mechanicznej na zginanie wynoszącej ponad 400MPa.       
Na rynek tworzyw sztucznych konstrukcyjnych od kilku lat mocno wkraczają tworzywa termoplastyczne. Są łatwiejsze w przetwórstwie , ale nie można zapominać , że ich zastosowanie jest ograniczone przede wszystkim niską ciepłoodpornością i niestabilnością wymiarową w wyższych temperaturach.  Tworzywa termoplastyczne najnowszych generacji powoli pokonują te ograniczenia , ale ich cena jest bardzo wysoka. Są aplikacje gdzie nadal są i będą stosowane laminaty właśnie ze względu na swoje specyficzne właściwości , które trudno będzie uzyskać tworzywom termoplastycznym nawet z różnego rodzaju wypełniaczami i modyfikatorami. 

mgr inż. Marek Gnaty
Gł. Specjalista
ds. Badań Marketingowych i Promocji
IZO-ERG S.A. Gliwice