Determinació de la vida útil dels materials d'aïllament i coberta emprats en el disseny de cables elèctrics

Abstract

El departament R+D de l’empresa del sector metal·lúrgic General Cable, es troba en recerca constant de nous materials d’aïllament i coberta, destinats a recobrir els conductors del cablejat elèctric, amb la finalitat de trobar nous materials que millorin als utilitzats actualment. L’estudi es centra en determinar el temps de vida útil dels nous materials d’aïllament i coberta, mitjançant l’acceleració del procés de degradació d’aquests materials amb la temperatura, i determinant posteriorment l’estat de degradació dels materials mitjançant assaigs de tracció. Aquest estudi es duu a terme en els laboratoris d’ R+D i laboratori de planta de la mateixa empresa General Cable, ubicada a la població de Manlleu. En aquest treball hi consta la presentació de l’empresa General Cable on s’ha realitzat l’estudi, coneixements sobre el món dels polímers i entre d’altres, coneixements sobre els cables elèctrics, des dels seus components fins al seu procés de fabricació a nivell industrial. Per altra banda, s’explica detalladament el procés d’elaboració realitzat en la planta pilot, dels materials d’aïllament i coberta A, B, C, D i E, que s’estudiaran en aquest projecte. Tenint en compte que l’estudi per a determinar el temps de vida útil dels materials, és laboriós i requereix de molt temps, és important assegurar que els materials d’aïllament i coberta han estat ben elaborats. Per assegurar que aquest procés d’elaboració dels materials a estudiar ha estat el correcte, s’han de validar els diferents materials mitjançant els següents assajos: allargaments en calent, densitats, propietats mecàniques, reometries, viscositats i espectroscòpies d’infraroig (FTIR). Una vegada superats aquests assaigs de caracterització es comencen els envelliments tèrmics accelerats dels materials d’aïllament i coberta. Degut a que l’envelliment accelerat dels materials en estufes d’aire calent, és un procés llarg i limitat per l’espai que ocupen les provetes a dins les estufes, és convenient cercar mètodes d’envelliments tèrmics més ràpids, amb l’objectiu d’obtenir una primera impressió sobre les cinètiques de descomposició dels materials a estudiar i poder d’aquesta manera, descartar materials i agilitzar els envelliments tèrmics en estufes. Els mètodes d’envelliments tèrmics accelerats estudiats com a possible agilització dels envelliments dels materials en estufes, han estat l’anàlisi termogravimètric (TGA) i l’anàlisi de calorimetria diferencial d’escombrat (DSC). Els resultats, però, obtinguts en ambdós equips no han estat els desitjats, assolint uns resultats insuficients i incoherents. Per aquest motiu, serà convenient continuar cercant noves tècniques d’envelliments tèrmics accelerats, amb la finalitat de trobar un nou mètode per agilitzar els envelliments tèrmics en estufes d’aire calent. L’envelliment tèrmic en estufes és descrit i realitzat segons la norma UNE EN 60216-1 i 2. Els nous materials d’aïllament i coberta a estudiar entren en grups de 5 provetes dins les estufes, a diferents temperatures i diferents temps d’exposició per a cada material. Una vegada les provetes es treuen de l’estufa es sotmeten a assaigs de tracció amb la finalitat de quantificar-ne la seva degradació. Tractant el conjunt de resultats d’allargament a la ruptura obtinguts, es pot determinar, mitjançant la metodologia d’Arrhenius, l’eina de treball per a determinar la vida útil de cada material. Una vegada s’obté l’eina de treball per a determinar la vida útil dels materials d’aïllament i coberta estudiats, es pot determinar el temps de vida útil dels nous materials per a qualsevol aplicació que se li vulgui donar al material que formarà part d’un cable elèctric. Així doncs, depenent de la temperatura de servei que se li exigeixi al material, aquest serà o no vàlid. Les temperatures de servei poden venir exigides per una norma o bé, per un client. Si algun dels materials d’aïllament o coberta estudiats compleix el temps de vida útil que se li exigeix per a una determinada aplicació, després s’haurà de verificar mitjançant els assaigs corresponents, que aquest material compleix també amb la resta d’especificacions que se li exigeixin, ja que depenent de l’aplicació que se li vulgui donar al cable elèctric, que poden ser moltes, a més a més de complir amb el temps de vida útil exigit, haurà de complir uns paràmetres o altres. En aquest estudi, s’ha determinat, que el material de coberta A, té un temps de vida útil a 50 ºC de 796,92 anys, al tractar-se d’un material destinat a les cobertes dels cables elèctrics, en la gran majoria d’aplicacions no se li exigiran temperatures de servei gaire més elevades de 50 ºC, per tant, no se’l considera un mal material, tot i que, se’l podria intentar de millorar amb la finalitat d’obtenir un rang més gran de possibles aplicacions. Per altra banda, el material de coberta B, té un temps de vida útil a 50 ºC de 95719,65 anys, per tractar-se d’un material destinat a les cobertes dels cables elèctrics, es tracta d’un material amb un temps de vida útil molt bo, dependrà de les seves altres propietats que se’l pugui utilitzar o no en un gran nombre d’aplicacions. En canvi, el material d’aïllament C, té un temps de vida útil a 90 ºC de 11,11 anys, per tractar-se d’un material d’aïllament el seu temps de vida útil és molt baix, ja que en la gran majoria d’aplicacions haurà d’aguantar temperatures similars als 90 ºC, per tant, aquest material C s’ha de millorar per obtenir un temps de vida útil més elevat. Els materials d’aïllament D i E, tenen un temps de vida útil a 90 ºC molt similar, sent de 20,54 anys el primer i de 20,04 anys el segon. Depenent de la resta de propietats de cadascun, podran utilitzar-se com a recobriments dels conductors elèctrics en més o menys aplicacions, no obstant, se’ls podria intentar millorar amb la finalitat d’obtenir un rang més gran d’aplicacions.