Plàstic sota tensió

Les matèries plàstiques utilitzades en la indústria electrotècnica han de donar resposta a demandes cada vegada més exigents i alhora globalitzades, però al mateix temps poden diferir d'un país a un altre. Entre aquestes demandes, la protecció contra l'incendi és una de les més importants. En aquest article es detallen a més, altres aspectes relacionats amb el medi ambient, les normes per al comportament de la resistència al foc, l'anàlisi del comportament al foc, les possibles vies per aconseguir una protecció al foc eficaç, que s'adapti a cada aplicació i aconseguir les exigències mínimes necessàries i aconseguir una protecció al foc.

Les demandes sobre matèries plàstiques en la indústria electrotècnica augmenten contínuament. El mercat està reglamentat per una multitud de normes per les quals s'han desenvolupat especialment materials polímers amb agents ignífugs. Aquestes normes han de garantir un alt nivell de seguretat, en especial una alta protecció contra l'incendi, quan s'utilitzen aparells electrotècnics. Cal una protecció contra l'incendi que compleixi per igual les diferents normes, en tots els països en els quals el producte és utilitzat.

A causa de la globalització de la indústria electrotècnica, les empreses exportadores han sovint respectar diverses regles alhora. Així, a la part posterior d'articles senzills com són els carregadors o trepants, ens trobem moltes vegades amb diverses marques de control com poden ser IEC, VDE, UL, DIN, GS, CE i d'altres institucions.

Aconseguir la qualificació per a aquestes marques és costós i car.

A més dels aspectes jurídics inherents a les normes, les evolucions normatives en aquest camp juguen també un paper molt important en el tipus de matèries plàstiques ignífugues que poden ser utilitzades. Així, els decrets sobre medi ambient exclouen la utilització de certs components o bé exigeixen que s'utilitzin de manera especial. Els transformadors de matèries plàstiques tenen, pel seu costat, altres criteris com ara el cost, les propietats mecàniques i la seva aplicació d'ús.

Un proveïdor de matèries plàstiques tècniques ha de respondre a demandes de vegades contradictòries i proposar un material ideal per a cada aplicació. Basf proposa una àmplia gamma de matèries plàstiques tècniques que poden utilitzar-se per nombroses aplicacions. Els noms comercials de les diferents gammes de productes de BASF són per a les poliamides (PA) Ultramar, per als polibutilè de tereftalat (PBT) Ultradur, per als polioximetilè (POM) Ultraform i per a les polisulfones / polietersulfonas (PSU / Pesués) Ultrasons.

Segons l'estudi del VKE (Sindicat de productors de matèries plàstiques Alemany) realitzat l'any 2000, a Europa Occidental es van transformar al voltant de 3 milions de tones de plàstic per a la indústria elèctrica. Alemanya acapara la major part del mercat amb un 25 per cent, seguida per Itàlia amb el 20 per cent i França amb el 17 per cent. Els plàstics estàndard representen el 56 per cent de les aplicacions, els plàstics tècnics el 35 per cent i els termoenduribles el 9 per cent. La repartició en funció del tipus de plàstic és la següent: el PVC domina amb un 18 per cent, li segueix el poliestirè amb un 17 per cent, el polietilè amb un 11 per cent i el polipropilè amb un 10 per cent.

Si s'observa la distribució segons la branca d'activitat, es veu per exemple, que els treballs relacionats amb les tècniques d'instal lacions elèctriques han transformat 255.000 t el 2000 és a dir al voltant del 8 per cent de les matèries plàstiques utilitzades en l'Europa Occidental entre les quals trobem un 23 per cent de poliamida i un 16 per cent de PET / PBT. D'altra banda, els PC, PS, ABS / SAN i termoenduribles (veure fig.1), sumen una altra part de dues xifres.

es exigències que han de satisfer els plàstics vénen descrites en les normes per a aparells i instal·lacions elèctriques. En aquest cas, les mesures no fan referència únicament als materials, sinó que contenen també directives per a la construcció de les peces. Així, d'una banda cal preservar la funcionalitat de l'objecte i la vida de l'usuari en cas d'incident utilitzant materials de baixa inflamabilitat que presenten una velocitat lenta de propagació de la flama i d'altra banda cal evitar concentracions de temperatures elevades influenciades pel disseny de la construcció.

A Europa, la Comissió Internacional de Electrotècnica o IEC imposa les normes EN (normes europees). Aquestes últimes es tradueixen al dret nacional. La situació és diferent als Estats Units on es troben vigents les normes UL (Underwriters Laboratories) i al Canadà on els convenis de seguretat es regeixen pel CSA (Canadian Standards Association).

Entre les normes més importants de la electrotècnica per interruptors seccionadors, aquesta la IEC 60947 a Europa i la UL 508 als Estats Units. El disseny dels interruptors de protecció de la instal lació elèctrica domèstica ve regulat per la IEC 60898 a Europa i segons la UL 1077 als Estats Units. Pel que fa als aparells electrodomèstics, les exigències relatives al comportament al foc s'han endurit amb les noves normes IEC 60335 (amb 85 sub normes) i UL 60335. Per a les aplicacions especials - com els vehicles ferroviaris - algunes normes particulars poden ser importants com ara la NF F 16-101 i 16-102 de la SNCF.

Les regles difereixen segons els objectius, el desenvolupament dels tests i els mètodes d'avaluació del comportament al foc.

En certa manera, els principis d'homologació d'un material poden entrar en conflicte amb els de la peça. Les normes UL es basen en una sèrie de tests del material i en la documentació de les propietats d'aquest material, que es dóna a conèixer mitjançant la "targeta groga". El document de base: UL 746C - que fa a l'avaluació dels polímers utilitzats per als equips elèctrics, resumeix les exigències que s'han de respectar per a les matèries plàstiques. Per a les normes IEC, es posa l'accent en el comportament al foc que depèn tant del comportament en el test del material utilitzat o bé del comportament de les peces fabricades. Si el constructor es conforma únicament amb el test sobre la peça, pot trobar amb una sorpresa desagradable després de la fase de desenvolupament o després de simples canvis mínims en el disseny de la peça. Si la qualificació es realitza segons les característiques del material, totes les peces que formaran la construcció a base d'aquest mateix material respectaran les normes de protecció davant del foc.

Figura 0: L'interruptor seccionador de ABB ha estat especialment desenvolupat per al material ferroviari i consisteix en un PBT ignifugat que no conté ni halògens ni antimoni (Ultradur B4400G5).

Figura 2 A: La norma IEC 60695 avalua la resistència a la temperatura del filament incandescent.

Figura 2B: El resultat determina l'atribució de classificació, V (vertical), V0 és la millor classificació, V1, V2 i HB (horitzontal) la pitjor.

Figura 2C: El test simula la inflamació que pot produir quan els fils estan sobreescalfat.

Independentment que el test es realitzi sobre una mostra o sobre una peça modelada, el punt primordial és el del comportament al foc.

S'utilitzen diferents mètodes d'assaig per mesurar la inflamabilitat: la velocitat de propagació del foc (autoextinguibilidad), la contribució a l'augment de la calor i la formació de gasos de combustió i fums. Totes aquestes proves tenen en comú el fet de mantenir la mostra sobre la font de calor i comprovar el seu efecte sobre la mostra. Un dels mètodes de prova important per a les peces modelades és l'assaig de resistència al fil incandescent. Amb aquest test, es reprodueixen elements de metall sobreescalfat o incandescent. El fil de ferro s'escalfa entre 650 i 960 ° C i es posa a continuació en contacte amb la peça a examinar. S'observa el punt en què la mostra s'inflama. Es mesura el temps que dura la flama i si hi ha matèria fosa que cau de la peça (figura 2A).

Per a les matèries plàstiques tècniques, el test a la flama (UL 94) és molt important. S'aplica la flama d'un encenedor Bunsen dues vegades durant un curt temps sobre la mostra. Cal mesurar el temps d'inflamació i comprovar si cau matèria ardent sobre un indicador de cotó situat sota de la mostra. El resultat d'aquest test és la classificació coneguda segons les classes V (vertical, UL94) i HB (horitzontal, figura 2B). Aquest test de resistència al foc s'hauria de considerar sempre paral·lelament amb el HWI (Hot-Wire-Ignition-Test) i el HAI (High-Current-Arc-Ignition-Test). El HWI simula un encès resultant de filaments sobreescalfats. Per al test, la mostra en forma de barra, situada en posició horitzontal s'embolica amb un fil de resistència elèctrica. El criteri d'avaluació és el temps que triga a encendre la mostra. En el test HAI, la mostra és exposada repetidament a arcs elèctrics entre dos elèctrodes. El HAI ens dóna el nombre d'arcs elèctrics fins l'encesa. La classificació es fa segons una graduació de 0 a 4, 0 sent el millor resultat - (figura 2C i 2D) - La figura 3 indica les combinacions admeses de les classificacions HWI i HAI: (Vermell = admissible segons UL 746C - beix = no admissible).

Figura 2D: La mostra se sotmet de manera regular a arcs elèctrics repetitius.

(Font: Underwriter Laboratories Inc)

El comportament davant del foc dels plàstics tècnics és molt variat. La informació sobre el valor del punt de fusió no constitueix una indicació significativa. Però és però important des del punt de vista de la seva aplicació. Un criteri molt més important és el de l'índex límit d'oxigen (LOI) que especifica en percentatge el contingut en oxigen en l'atmosfera en què la matèria deixa de cremar.

Per als PA i PBT, el LOI és aproximadament 24. En ambdós casos, un retardant de flama adequat pot servir per augmentar el LOI. Amb un LOI de 15 per exemple, el POM (poliacetal) és relativament inflamable. Per tant el POM s'utilitza per a peces funcionals que han de complir certs requisits en termes de fregament dinàmic i d'efectes ressort, però no en aplicacions sota tensió elèctrica. Les formulacions de POM que inclouen retardants de flama presenten nombrosos inconvenients ia més no han tingut fins ara èxit comercial. Els polímers amb alts rendiments com el PSU (polisulfona) o el Pesués (polietersulfona) tenen valors de LOI d'entre 30 a 38. No són inflamables en atmosfera normal i poden utilitzar-se de manera general sense necessitat d'afegir una protecció al foc suplementària.

L'objectiu de modificar amb agents retardants de flama o ignifugants és interferir o diferir cada etapa del procés de combustió amb l'ajuda d'additius apropiats i reduir el retorn tèrmic. Hi ha diverses maneres d'aconseguir aquest objectiu, però només poden utilitzar additius que tinguin un impacte menyspreable sobre la seva aplicació d'ús, des del punt de vista de les propietats mecàniques i de l'esgrogueïment.

Entre els ignífugs utilitzats de manera generalitzada, es troben els ingnifugantes que contenen substàncies halogenades inclosos els compostos bromats. No obstant això, la directiva europea sobre residus d'equips procedents del material elèctric i electrònic (WEEE) especifica que les peces plàstiques que contenen aquestes substàncies han de reciclar per separat. Avui en dia la posada en pràctica d'aquesta directiva no ha estat descrita exactament.

Però els costos addicionals associats a aquesta operació haurien de fer que el mercat evolucioni en la direcció de solucions ignifugants sense substàncies halogenades.

Aquestes solucions ignífugs alternatives són generalment tan eficaços com les halogenades però no tan fàcils d'utilitzar de forma generalitzada. En certa manera, resulta que les solucions sense halògens s'han d'adequar al plàstic mateix en funció del seu tipus i del seu contingut en càrrega. Aquests agents tenen l'avantatge de no disminuir les propietats elèctriques i únicament augmenten lleugerament la densitat en proporció.

Dins de la família de les poliamides (PA) carregades, els ignífugs a base de fòsfor vermell són els més utilitzats.

El fet que la utilització de PA fòsfor en la indústria elèctrica (especialment per als components aïllants i els recobriments per al transport d'energia) sigui cada vegada més important, es deu als seus excel lents propietats aïllants (resistivitat volumètrica i transversal) acompanyades per una bona rigidesa dielèctrica, un bon comportament pel que fa a resistència al corrent d'avanç, així com l'envelliment tèrmic combinat amb un preu per litre interessant.

El bon equilibri entre rigidesa i tenacitat del PA es deu al baix contingut en fòsfor vermell. A causa del color original d'aquest ignifugant, el nombre de colors possible es limita al vermell (color natural), al negre i en alguns casos al gris fosc. En particular, el gris clar, color molt utilitzat en el camp de la instal·lació elèctrica no pot obtenir amb aquest tipus d'ignifugant.

Com a alternativa al fòsfor vermell, es pot aconseguir la protecció al foc mitjançant un compost nitrogenat o un hidròxid de magnesi. Un mètode més recent utilitza un sistema a base de fòsfor orgànic. L'avantatge d'aquest nou sistema és que fa possible la producció de peces en colors clars, tot i ser conscients que aquesta novetat és cara de moment. Recentment les possibilitats de desenvolupar el mercat per aquest producte han augmentat. La taula (Fig 4) mostra algunes de les propietats dels plàstics ignifugats del catàleg de productes de Basf.

Figura 5: Interruptor seccionador de protecció (petit) i contactor (gran): L'empresa Siemens utilitza per al recobriment negre de l'interruptor una poliamida PA 66 amb un ignifugant de fòsfor vermell. En el cas del contactor gran el PA 66 es combina amb una resina termoendurible - els recobriments clars són de PA 6 amb fibra de vidre ignifugat o de PBT que es marca amb làser

Per a la utilització en interruptors de motors, es combinen dos tipus diferents de PA.

Per a la part inferior negra, un PA reforçat amb fibra de vidre i amb fòsfor vermell, que admet fins i tot alts nivells de tensió i de temperatura.

A més, aquest PA té d'altra banda una alta resistència a la flexió sota temperatura i bones propietats mecàniques. La part superior visible de color gris clar de l'interruptor motor no necessita, per la seva banda, un nivell tan alt en la classificació al foc, ja que no hi ha contacte amb les parts actives del conjunt. Per tant, aquesta peça superior pot fer amb un PA reforçat amb fibra de vidre modificat amb un sistema ignifugant nitrogenat o amb un PBT (fig.5)

Una altra aplicació inclou els blocs de connexions com els que poden observar-se en els armaris elèctrics industrials. Per al sistema d'enganxament que facilita el muntatge d'aquestes peces, la tenacitat és més important que la robustesa. En aquest tipus d'aplicacions, una co-poliamida (de PA6 i PA66) no reforçada amb una base no halogenat - el producte es diu Ultraman C3U, els ignífugs nitrogenats han demostrat la seva eficàcia. (Fig. 6).

Per als interruptors en línia (fig.7), els termoenduribles igual que les poliamides modificades amb ignifugants halogenats han estat substituïts ara per productes sense halògens. Dins de la família dels PA6, la qualitat Ultramar B3UG4 amb un 20 per cent de fibra de vidre presenta una bona combinació entre tenacitat i rigidesa. En les aplicacions en què només es necessita alrdededor d'un 80 per cent del perfil d'aquestes propietats mecàniques, hi ha dins de la varietat de productes de Basf una variant més econòmica anomenada Ulramid B3UM4. Basf desenvolupa igualment materials a base de PA66 per als interruptors que han de suportar una major intensitat de corrent i una alta resistència en cas de curtcircuit.

Figura 6: Els borns de connexió (de l'empresa Weidmüller) es basen en un material Copolyamid PA 6 i PA 66 (Ultramar C3U). Compleix els requisits de la classificació VO segons la norma UL 94 i inclou un ignifugant sense halògens.

Figura 7: Aquest interruptor de seguretat en línia de l'empresa Moeller té com a base una poliamida gris clar amb ignifugant.

Figura 8: Les peces vermelles de l'interruptor commutador de programa fabricat per Diehl-Ako consisteixen en PA 66 amb fòsfor vermell i les blanques en PA 66.

Per als interruptors en línia (Fig.7), els termoenduribles igual que les poliamides modificades amb ignífugs halogenats han estat substituïts ara per productes sense halògens. Dins de la família dels PA6, la qualitat Ultramar B3UG4 amb un 20 per cent de fibra de vidre presenta una bona combinació entre tenacitat i rigidesa. En les aplicacions en les que només es necessita alrdededor d'un 80 per cent del perfil d'aquestes propietats mecàniques, existeix dins de la varietat de productes de Basf una variant més econòmica anomenada Ulramid B3UM4. Basf desenvolupa igualment materials a base de PA66 per als interruptors que han de suportar una major intensitat de corrent i una alta resistència en cas de curtcircuit.

Per als contactors del sector del petit electrodomèstic, s'utilitzen les PA 66 a base de fòsfor vermell (Fig.8).

Per complir amb els requisits de la norma IEC 60335, BASF ha desenvolupat un nou producte amb aquesta base amb una càrrega del 35% de fibra de vidre: la Ultramar A3X4G7.

L'alt nivell d'exigència de la SNCF per als seus aparells elèctrics descrit a la norma NF 16-101 pot respectar utilitzant un PBT sense halogen. ABB utilitza la qualitat Ultradur B4400G5 per a aquesta aplicació (fig 0). Aquest producte té també una gran resistència a la corrent de transport o CTI (Current tracking index) i pot fabricar-se en colors clars.

La innovació més important integrada recentment per BASF dins de la gamma dels PBT, coneguda amb l'extensió Ultradur High-Speed, que augmenta considerablement la fluïdesa gràcies a la introducció de nanopartícules, s'ha pogut aplicar igualment al Ultradur amb ignífugs. L'addició al producte Ultradur B4400G5 així com al Ultradur B4406G6 d'aquests additius han demostrat la seva eficàcia.

En l'àmbit econòmic de la indústria electrotècnica, la guerra als costos constitueix un factor important per mantenir la competitivitat tant per als productors de materials plàstics com per als transformadors, igual que per als dissenyadors de peces plàstiques.

Per tant, la gran quantitat de normes i la complexitat de l'entramat que envolta a la regla han de ser estudiades amb molta atenció per poder triar la matèria plàstica més apropiada a les exigències que compleixen les propietats exigides només per a una aplicació concreta. Seguir aquest enfocament és la manera que tots els actors implicats puguin participar en el desenvolupament a llarg termini de la millor solució tècnica i econòmica.