Aisladores de electricidad / aisladores eléctricos.

Las aislantes eléctricos tienen como objetivo, evitar el contacto de las diferentes partes conductoras entre si (aislamiento), y/o  Proteger a las personas frente a las tensiones eléctrica.

Casi todos  los no metales son apropiados para ello, pues tienen resistividades relativamente grandes.

Los materiales aislantes pueden clasificarse según diferentes criterios. Sin embargo, algunos pueden clasificarse en más de un grupo.

Los materiales tratados a continuación representan simplemente una selección, a partir de la cual explicaremos las características típicas de cada grupo. Precisamente en los plásticos el número de variedades es enorme y continuamente aparecen nuevos materiales en el mercado.

Clasificación de los materiales aislantes (ver cuadro siguiente).

Características de los aislantes

Los materiales aislantes deben tener una resistencia muy elevada, requisito del que pueden deducirse las demás características necesarias.

Para ello se han normalizado los siguientes conceptos y se han fijado los procedimientos de medida:

Propiedades eléctricas

• ·         Resistividad de paso

              ρ_D  (Ω cm)

                       Es la resistencia que presenta un cubo de 1cm de arista (fig. 1)

Ejemplos:

PVC:  ρ_D =10¹⁷ Ω ∙ cm  (= 10²¹  µΩ ∙ m)

Porcelana:  ρ_D = 10¹¹ Ω∙ cm  (= 10¹⁵  µΩ ∙ m)

• Resistencia superficial y resistencia a las corrientes de fuga. 
  A altas tensiones pueden aparecer corrientes eléctricas como consecuencia de depósitos sobre la superficie de los aislantes. Al cabo de un cierto tiempo la corriente podría atacar  a estos materiales. Precisamente los plásticos son muy sensibles a ello, pues al ser sustancias orgánicas contienen carbono. Por ello debe comprobarse su resistencia con circuitos semejantes a los de las figuras 2 y 3 )  

Trasformación a la unidad usual en conductores:

1 Ω cm = 1Ω ∙ 10^-2 m = 10^-2 Ω m=10^-2 ∙ 10⁶ µΩ m

1 Ω ∙ cm = 10⁴ µΩ ∙m

• Rigidez dieléctrica Ed en kV/ mm
Se mide la tensión a la que se produce una descarga disruptiva (rotura del aislante)  entre dos polos electricos (fig. 4 )
 

La rigidez dieléctrica no es una magnitud lineal, sino que depende de una serie de factores:
Ejemplo:

PVC: Ed  ≈ 45 kV/mm

porcelana: Ed   ≈ 35 kV/ mm

Permitividad relativa є_r
Es importante que la permitividad relativa de los aislantes sea pequeña, pero por otro lado los aislantes empleados como dieléctricos en los condensadores deberán presentar una gran permitividd. Además para poder valorar las propiedades del  material debe saberse en qué forma  depende є_r de la frecuencia.

Ejemplos:

PVC:  є_r = 3,5…6
Porcelana:  є_r = 6
Dióxido de titanio:  є_r = 100

R resistencias al calor en los aislantes  ( ver cuadro )

• Comportamiento electrostático.
Todos conocemos los fenómenos de carga electrostática de los objetos de plástico. Son perceptibles sobre todo por los ruidos de fondo en los aparatos magnetofónicos y de cine.
Esta carga electroestática es posible debido a las altísimas resistencias de los plásticos.
Junto a las propiedades eléctricas ya citadas los aislantes deben reunir también una serie de requisitos térmicos, mecánicos, químicos y tecnológicos que dependen de los fines para los que se destinen.
Los aislantes se clasifican en clases según las máximas temperaturas de régimen permisibles. Las diferentes clases se caracterizan mediante letras mayúsculas.

Aislantes inorgánicos

En los comienzos de la electrotécnica los materiales aislantes inorgánicos desempeñaron un papel importantísimo. Mientras antiguamente se utilizaron todo tipo de materiales naturales, actualmente sólo se emplean materiales sintéticos. Por ejemplo, el mármol, antaño tan utilizado, casi no se aplica actualmente. Sin embargo, en algunos campos de la técnica moderna son insustituibles los aislantes inorgánicos.
Aislantes inorgánicos: aire, mica, asbesto, cerámica, vidrio.
El aislante más barato, el aire se empleaba antiguamente más que ahora. No obstante, aún no ha perdido toda su importancia (por ejemplo, en las líneas aéreas y en las instalaciones de comunicación) (fig. 5 )

Mediante tensiones suficientemente altas puede lograrse que los gases sean conductores, generando iones al arrancarles los electrones. Por ello en los gases es más importante la rigidez dieléctrica que la resistividad de paso.

La mica y el asbesto (amianto) son minerales. La mica se encuentra en forma de hojas, mientras que el asbesto se presenta como material fibroso.

Los aislantes cerámicos se forman a partir de silicatos pulverizados (SiO₂) y otros óxidos metálicos, y se cuecen a continuación. Por tanto, se trata de un proceso de sinterización. Finalmente se les suele proveer de un revestimiento vitrificado para evitar la entrada de agua al desgastarse los poros.

La gran multitud de posibles materiales está normalizada según sus materias primas en distintos grupos subdivididos a su vez. Todos tienen determinadas propiedades comunes, más o menos marcadas según los casos.

Los aislantes cerámicos (excepto la esteatita) son:

•        Duros
•        Muy frágiles
•        Resistentes a las roturas por cargas estáticas
•      Resistentes a la tracción (hasta 60 N/mm², excepto los óxidos y muy resistentes  a     las presión(hasta 2100 N/mm² ) 
•                      Resistentes  a los ácidos (excepto al ácido fluorhídrico)
•       Resistentes a las lejías
•       Después de conocerlos sólo se pueden mecanizar por esmerilado en húmedo

La tabla (1 ) indica los grupos principales con algunos representantes típicos, asi como algunos datos importantes.

Los materiales cerámicos se obtienen por sinterización. En cambio el vidrio es una mezcla, siendo sus sustancias de partida arena (dióxido de silicio, sílice o cuarzo), carbonato sódico y carbonato cálcico.

1.- Aislantes cerámicos

El vidrio es

•          Incoloro y trasparente
•          Muy duro
•          Muy frágil
•          Muy poco resistente a los golpes
•          Resistente a los ácidos(excepto el fluorhídrico )
•          Mal conductor del calor
•          Nada higroscópico
•          Mecanizable sólo por esmerilado en húmedo o con herramientas de ultrasonido

El vidrio tiene una gran resistividad de paso (ρ_D = 10¹³ Ω∙m = 10¹⁷ µΩ∙m) pero un coeficiente de temperatura negativo, por lo que conduce cuando está incandescente (aproximadamente a 700°C).

Datos sobre mecanizado

La cerámica y el vidrio son muy duros y frágiles, por lo que únicamente puden mecanizarse por esmerilado o con cuchillas de diamante. Tampoco pueden dividirse por otros métodos, aunque sin embargo pueden partirse con las medidas deseadas después de rayar su superficie («cortavidrio»).

Aislantes orgánicos naturales

Vamos a tratar ahora algunos materiales que son sustancias naturales más o menos elaborados y de origen orgánico. Aunque no son, pues, materias primas se las denomina aún materiales naturales.

Materiales aislantes importantes son: papel, tejidos, goma, alquitrán, aceites, clofeno.

El papel se fabrica a partir de madera molida mediante un «proceso de cocción ». Es combustible e higroscópico, por lo que debe tratarse antes de emplearlo para fines de aislamiento. Este tratamiento suele ser un impregnado. La permitividad relativa y la rigidez dieléctrica son elevadas. Por ello se emplea papel como dieléctrico en los condensadores. También se aplica como aislantes de hilos y bobinados en líneas, cables y bobinas (fig. 6 ), aunque también es este campo se van imponiendo cada vez más las hojas de materiales plásticas.

Los tejidos empleados en electrotecnia se fabrican de diferentes materiales, como algodón, lino, cáñamo, yute y seda. Las diferentes fibras se hilan primero y a continuación se suelen tejer los hilos. Como los tejidos son también higroscópicos, se les suelen impregnar casi siempre.

Campos de aplicación: aislamiento de líneas (actualmente cada vez menos), encintado de bobinados, relleno  de líneas, hilos para caracterización de líneas.

La goma  se obtiene del caucho natural.

La goma

•          Es muy extensible (hasta el 600%)
•          No es higroscópica
•          Es poco resistente a la intemperie (se vuelve frágil y se rompe)
•          Es soluble en gasolina, benzol, aceite y ácidos fuertes
•          Es combustible
•          Es muy poco resistente al calor(temperatura máxima 60°C)

Su resistividad es aproximadamente igual a la de la mica (ρ = 10¹⁶ Ω ∙ cm= 10²⁰  µΩ ∙ m), mientras que su rigidez dieléctrica es ligeramente menor (aproximadamente 25kV/mm²), o sea aproximadamente 2,5 veces mayor que la del papel no tratado.

Campos de aplicación: en electrotecnia la goma se emplea casi exclusivamente como aislamiento de líneas móviles (fig. 7 ). Sin embargo, actualmente se emplea mucho más la goma sintética.

El alquitrán es uno de los productos que se obtienen de la destilación del petróleo, aunque también se encuentra en la naturaleza impregnando determinadas rocas llamadas bituminosas.

Es un líquido viscoso a temperatura ambiente, por lo que se le calienta a temperaturas entre 100 y 200°C para su tratamiento.

Campos de aplicación: Masa impregnante o pez aislante (fig. 8 ).

También el alquitrán se sustituye cada vez más por plásticos.

Los aceites minerales se llaman así porque se obtienen del petróleo.

Los aceites empleados en electrotecnia deben estar exentos de humedad, porque ya unas cantidades mínimas provocan un considerable empeoramiento de la resistividad, la permitividad relativa y la rigidez dieléctrica.

Campos de aplicación: aislamiento y refrigeración de trasformadores, apagado de arcos voltaicos en instalaciones de conmutación, dieléctrico en condensadores grandes.

El clofeno se obtiene a partir del cloro y del benceno, y también es líquido a temperatura ambiente.

El clofeno tiene la misma resistividad que el aceite mineral pero una rigidez dieléctrica mucho mayor. Su estabilidad química es también mucho mejor que la de los aceites, aunque  los arcos voltaicos lo descomponen pero sin quemarlo.

El clofeno tiene los mismos campos de aplicación que los aceites minerales siempre que se tengan en cuenta las características ya citadas.

Plásticos de celulosa

Estos plásticos se forman a partir de la celulosa. Como la celulosa se obtiene de sustancias vegetales como la madera los consideraremos materiales naturales, que se someten a continuación a un tratamiento para dar sustancias de características plásticas.  Por ello clasificaremos estos materiales entre los plásticos  y los materiales naturales.

Entre otros citaremos lo siguientes materiales sintéticos obtenidos a partir  de la celulosa: cartón prespán, papel charol, nitrato de celulosa, acetato de celulosa.

El cartón prespán se fabrica prensando varias capas de papel impregnadas en resina, con lo que aumenta su resistencia mecánica. El prespán se utiliza en los cuerpos de bobinas, placas aislantes y aislamiento de ranuras (fig. 9 ).

El papel charol es un papel impregnado en esmaltes sintéticos que se utiliza para el aislamiento de bobinas.

El acetato de celulosa se obtiene de la celulosa tratada con ácido acético.

Campos de aplicación: hojas de material aislante, piezas moldeadas por inyección para botones de interruptores, etc.

Nombres comerciales: Cellidur, Trolit, Ultrafán

Termoplásticos

Los termoplásticos constituyen un subgrupo de los plásticos. Para empezar vamos

a ocuparnos de todo el conjunto de materiales llamados plásticos.

Los plásticos se diferencian de todas las demás sustancias porque se componen de moléculas enormes (macromoléculas) (fig. 10 )

Ejemplo: las macromoléculas de la resina acrílica pueden tener hasta 30.000 unidades fundamentales iguales. Estas unidades fundamentales o recurrentes, también llamados monómeros, son ya complicados compuestos del carbono con el hidrógeno y el oxígeno, pero también con silicio, nitrógeno, cloro, flúor, calcio y azufre entre otros.  

Los plásticos se componen de macromoléculas, cuyas unidades recurrentes son compuestos orgánicos del carbono

Estas macromoléculas forman cadenas larguísimas, siendo también posible la existencia de ramificaciones (fig. 11 ). Están retorcidas y enmarañadas, con lo que el material es muy rígido.

Si las diferentes cadenas se enlazan unas con otras mediante «puentes» aparecerán redes tridimensionales, que pueden ser de malla gruesa o fina (fig.12 y 13 )

Los plásticos son macromoléculas en forma de cadenas (fibras) sin enlaces entre ellas se llaman termoplásticos.

Los plásticos con macromoléculas formando mallas gruesas se llaman elastómeros

 Los plásticos con macromoléculas formando redes de malla fina de llaman plásticos duros o termoestables.

Cuanto más numerosos sean los enlaces entre las diferentes cadenas menos se podrán desplazar las moléculas unas con respecto a otras. Por tanto, el grao de enmarañamiento será un factor fundamental del comportamiento  y propiedades de los plásticos.

Sin embargo, todos los plásticos tienen una serie de propiedades comunes, que pueden modificarse considerablemente en cada caso particular mediante procedimientos químicos.

Los plásticos son en general:

•          Químicamente estables
•          Fáciles de colorear
•          Resistentes a la corrosión
•          Poco resistentes a la temperatura (temperatura máxima 120°C)
•          Buenos aislantes térmicos
•          Malos conductores eléctricos
•          No higroscópicos
•          Fáciles de mecanizar sin arranque de virutas
•          Más ligeros que los metales ligeros ρ = 0,9… 2 kg/dm³.

Los plásticos tienen en general:

•          Peores propiedades mecánicas que los metales
•          Grandes dilataciones térmicas

Al calentar las macromoléculas enmarañadas se separan unas de otras debido al movimiento térmico   (fig. 14 ), con lo que el material pierde su rigidez y puede conformarse fácilmente (extrusión, inyección, etc.). Al enfriarse, los movimientos se vuelven a reducir, con lo que el material recobra su rigidez.

Este proceso puede repetirse, aunque los cambios frecuentes de temperatura pueden destruir algunas macromoléculas, con lo que se perderían las propiedades plásticas.

Los termoplásticos son conformables en caliente.

Los termoplásticos no pueden endurecerse (revenirse)

Podemos deducir, pues, que sobre todo las propiedades mecánicas de los termoplásticos se modificarán fuertemente al calentarlos. Esto significa que los termoplásticos sólo podrán aplicarse dentro de determinados márgenes de temperatura. Según cual sea su composición la máxima temperatura de régimen estará entre 80°C y 160°C.

La gran cantidad de plásticos se clasifican por sus propiedades eléctricas, térmicas, ópticas, mecánicas, y de duración, según unos prefijos compuestos por letras, tales como ABS, CA, etc, algunos de los cuales forman parte actualmente del lenguaje corriente, por ejemplo PVC (cloruro de polivinilo) .

Formas comerciales: hojas, placas, barras, hilos, tubos, perfiles, granulados, polvo, líquidos.

Después de estas consideraciones generales vamos a ocuparnos ahora específicamente de los polímeros termoplásticos, plastómeros o simplemente termoplásticos.

Por tanto los termoplásticos son, a temperatura ambiente, elásticos o blandos, aumentando su rigidez y dureza a temperaturas bajas hasta llegar hacer incluso frágiles. Por ello al utilizar termoplásticos no sólo deberán tenerse en cuenta determinadas temperaturas máximas, sino también temperaturas mínimas. La gran variedad y formas de los plásticos  no nos permiten hacer afirmaciones generales sobre las correspondientes magnitudes.

En la tabla (2 ) se encuentran algunos termoplásticos con sus propiedades y campos de aplicación.

Datos sobre su mecanizado

Los termoplásticos se mecanizan principalmente sin arranque de virutas, a temperaturas que van de los 100°C a los 300°C.

No obstante es también fácil cortarlos, serrarlos o perforarlos. Como en los metales blandos el ángulo de filo puede ser pequeño. Los ángulos de ataque y de despullo pueden ser grandes.

De esto resulta que las herramientas para su mecanizado deben reunir los siguientes requisitos:

Limas: Los termoplásticos no suelen limarse. En caso de que fuera necesario se emplearán limas fresadas como las utilizadas para el cobre.

Sierras:El ángulo de ataque debe ser positivo, en los termoplásticos blandos de más de 15 . El número de dientes debe ser pequeño (4 a 15 dientes por cada 25mm) para dejar espacio a la salida de virutas.

Brocas:Como los plásticos disipan mal el calor del rozamiento debe procurarse que haya una refrigeración suficiente. Para ello se emplea primordialmente aire a presión, pues lo refrigerantes líquidos no son apropiados para todos los plásticos.

Las brocas utilizadas tienen ángulos de punta muy pequeños (60°…90°) para que los filos principales sean  muy largos (fig.15 ), con lo que se facilita la disipación del calor a través de la broca.

El ángulo de ataque lateral también es pequeño para que las virutas puedan salir rápidamente.

¡Atención! Los agujeros perforados en plástico deben ser siempre algo mayores (0,05mm…0,01mm).

Debido a la gran dilatación de los plásticos los agujeros resultan algo menores después de perforar.

Los valores que deben emplearse en cada caso particular pueden encontrarse en tablas especiales. A velocidades medias de corte deberá elegirse un avance grande.

Elastómeros

Las macromoléculas  de esto plásticos  están enlazadas por algunos «puentes» formando redes de malla gruesa que permiten que las moléculas en forma de cadena lineal puedan moverse dentro de ciertos límites. Sin embargo, debido a los «puentes» no pueden resbalar totalmente unas sobre otras.

Según esto los elastómeros perderán al aumentar la temperatura algo de su rigidez, pero no se volverán totalmente plásticos (fig. 16 ).

Si se someten estos plásticos a una carga mecánica las moléculas se estirarán, pero no se romperán por que los «puentes» entre las diferentes cadenas lo impedirán. Aparecerán tensiones mecánicas que al desaparecer la carga harán que el material recupere su estado y forma originales (fig. 16 ). Estos plásticos presentan, pues, un  comportamiento similar a la goma, razón por la que reciben el nombre de elastómeros o cauchos sintéticos.

Los elastómeros son muy extensibles.    

 Esta afirmación sólo es válida naturalmente dentro de un determinado margen de temperaturas. En algunos materiales (los verdaderos elastómeros) empieza por debajo de 0°C. Los valores máximos de este margen dependen del material, y vienen dados por las temperaturas  a las que las macromoléculas empiezan a descomponerse, con lo que se perderán las propiedades plásticas.

Campos de aplicación:

Los mismos que la goma, o sea para aislamiento de cables y líneas, etc.

Algunos nombres comerciales conocidos son: buna o caucho buna, perbunán, neopreno, vulcolán, silastic.

Datos sobre su mecanizado

Los elastómeros se mecanizan casi exclusivamente sin arranque de virutas.

Para el electricista posee gran interés la separación con un cuchillo o unos alicates. Como el material es muy blando deberán utilizarse ángulos de filo pequeños, o sea que las cuchillas de las herramientas deberán ser muy agudas.

Plásticos duros o termoestables

Las macromoléculas de las cadenas de los plásticos duros, también llamados durómetros, plásticos termofijos o termoestables, forman una red de malla fina gracias a multitud de «puentes» entre ellos. Prácticamente toda la pieza es una sola molécula gigante (fig. 17 ).  

Como consecuencia de esto, las diferentes cadenas de moléculas ya no podrán moverse ni a causa de un aumento de la temperatura ni de una tracción.

Esto significa que los plásticos duros tendrán las siguientes propiedades:

•          Las variaciones de la temperatura apenas modifican la resistencia mecánica. Los plásticos duros no se vuelven  ni elásticos ni líquidos. Naturalmente, a temperaturas muy elevadas quedarán también destruidas las macromoléculas, con lo que se perderán las propiedades plásticas.
•          Los plásticos duros no se pueden estirar, dilatar ni deformar.

Existen dos métodos principales para la fabricación de este tipo  de plásticos.

El primer grupo de plásticos duros (por ejemplo, resina de melamina) se fabricaron en liquido, impregnado luego con ellos papel, tejidos, madera, etc. A continuación se prensaban estos materiales en caliente, con lo que se obtienen la forma deseada apareciendo simultáneamente las macromoléculas enmarañadas.

Ambos tipos de enmarañados se denominan templado. Este proceso es irreversible.

Los plásticos duros están templados

En la tabla ( 3 ) se encuentran algunos plásticos duros junto con sus propiedades y campos de aplicación.

Datos sobre su mecanizado

 En los plásticos duros el mecanizado por arranque de virutas es más frecuente que en los demás plásticos. Los ángulos de las cuchillas deben ser como para los metales duros, o sea ángulo de ataque pequeño y ángulo de filo grande.

Por tanto, para las herramientas especiales resultan los siguientes requisitos:

 Limas: Hay que emplear limas de surcos cruzados con ángulo de ataque negativo. Deben utilizarse limas nuevas al contrario que con el acero.

Sierras: También aquí se emplean sierras de metal, o sea con gran número de dientes (aproximadamente 30). El ángulo de ataque puede valer 5°.

¡Atención! Los materiales prensados se astillan fácilmente, por lo que debe presentarse un cuidado especial al serrar.

Brocas: debido a la disipación del calor se prefieren pequeños ángulos de punta (6090°). En agujeros planos se emplean pequeños ángulos de ataque lateral (10°…15°), y en agujeros profundos, mayores (35°… 40°).

Para evitar que los bordes se rompan deberían perforarse sobre madera (fig. 18 )

2 .- Propiedades y aplicaciones de algunos termoplásticos

3.-Propiedades y aplicaciones de algunos plásticos duros (termoestables).