Propiedades eléctricas
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Propiedades eléctricas de los plásticos
Las propiedades eléctricas de los polímeros son un tema de naturaleza intrínsecamente interdisciplinaria. El desarrollo de polímeros intrínsecamente conductores se ha beneficiado enormemente de las contribuciones de los químicos sintéticos. Las propiedades eléctricas están estrechamente relacionadas con las propiedades mecánicas de los polímeros estudiados tanto por físicos como por ingenieros. Los modelos establecidos de las propiedades semiconductoras de las sustancias inorgánicas y los metales proporcionan un punto de partida para comprender propiedades similares de los polímeros, aunque la información crítica posterior de todas las disciplinas finalmente llevó a la opinión de que la física subyacente es claramente diferente. Por lo tanto, un objetivo primordial fue recopilar los aspectos relevantes de estos sujetos contingentes para formar un tratamiento más unificado que el que generalmente está disponible. Desde los primeros días de la tecnología de los plásticos, cuando dichos materiales se consideraban eléctricamente simplemente como buenos aislantes, las observaciones de sutilezas en la respuesta eléctrica han arrojado mucha luz sobre la estructura microscópica subyacente y la dinámica molecular.
Aunque unificado por la preocupación directa por los efectos producidos por los campos eléctricos, el tema de las propiedades eléctricas de los polímeros cubre una amplia gama de fenómenos moleculares. Hasta la última parte del siglo XX, los polímeros conocidos generalmente mostraban una respuesta eléctrica mucho menos llamativa que los materiales inorgánicos. Mientras que los sólidos inorgánicos se comportan como semiconductores y metales (donde la respuesta eléctrica es abrumadoramente de conducción electrónica), o como aislantes, los polímeros comunes estaban claramente confinados a la última categoría. A partir de 1950 esta situación cambió con la aparición de polímeros con propiedades semiconductoras y el descubrimiento en la década de 1970 de polímeros que incluso tenían niveles metálicos de conductividad. Desde entonces ha habido una explosión en la investigación fundamental y aplicada y se han producido y estudiado numerosos polímeros conductores. Si bien las propiedades macroscópicas de estos materiales se asemejan a las de sus homólogos inorgánicos, su comportamiento microscópico es marcadamente diferente y refleja diferencias fundamentales entre las redes cristalinas rígidas de los materiales inorgánicos y la estructura molecular deformable de los polímeros.
La ausencia de conducción en los polímeros aislantes permite observar fácilmente un conjunto completo de efectos eléctricos más sutiles. Por ejemplo, la polarización resultante de la distorsión y alineación de moléculas bajo la influencia de un campo aplicado se hace evidente. El examen de dicha polarización no solo proporciona una valiosa información sobre la naturaleza de la respuesta eléctrica en sí, sino que también proporciona un medio poderoso para sondear la dinámica molecular. En los polímeros conductores, la presencia de portadores de carga produce una deformación local pronunciada de la estructura molecular, significativamente mayor que la que se encuentra en los semiconductores inorgánicos. La interacción de Coulomb de los portadores de carga se filtra con menos eficacia en los polímeros conductores. Por tanto, las interacciones electrón-fonón y electrón-electrón tienen efectos más profundos en los polímeros conductores. También debe tenerse en cuenta que los polímeros monocristalinos son raros y la morfología compleja de los polímeros parcialmente cristalinos tiene un impacto en sus propiedades eléctricas. Por todas estas razones, los estudios eléctricos constituyen un complemento deseable de los estudios de propiedades mecánicas y térmicas destinados a comprender el comportamiento de los polímeros a nivel molecular. En el resto de este capítulo describimos las principales características de la estructura del polímero y su relación con las propiedades eléctricas, como base para la explicación y discusión más detallada subsiguiente del comportamiento eléctrico.
La inmejorable combinación de características tales como facilidad de fabricación, bajo costo, peso ligero y excelentes propiedades de aislamiento han hecho de los plásticos uno de los materiales más deseables para aplicaciones eléctricas. Aunque la mayoría de las aplicaciones que involucran plásticos están relacionadas con el aislamiento, se puede hacer que los plásticos conduzcan electricidad simplemente modificando el material base con los aditivos adecuados, como el negro de carbón. Hasta hace poco, los plásticos se consideraban un material relativamente más débil en términos de propiedades de soporte de carga a temperaturas elevadas. Por lo tanto, el uso de plásticos en aplicaciones eléctricas se limitó a aplicaciones de uso general sin carga. La llegada de nuevos materiales de ingeniería de alto rendimiento ha alterado todo el panorama. Los plásticos ahora se especifican en la mayoría de las aplicaciones que requieren resistencia a temperaturas extremas, productos químicos, humedad y tensiones. La función principal de los plásticos en aplicaciones eléctricas ha sido la de aislante. Este aislante o dieléctrico separa dos conductores portadores de campo. Esta función puede cumplirse igualmente bien con aire o con vacío. Sin embargo, ni el aire ni el vacío pueden proporcionar soporte mecánico a los conductores. Los plásticos no solo actúan como aislantes eficaces, sino que también proporcionan soporte mecánico a los conductores de campo. Por esta misma razón, las propiedades mecánicas de los materiales plásticos utilizados como aislantes se vuelven muy importantes. Las aplicaciones eléctricas típicas del material plástico incluyen cables, terminales, conectores, enchufes industriales y domésticos, interruptores y placas de circuitos impresos revestidos de plástico. Los siguientes son los requisitos típicos de un aislante:
- Un aislante debe tener una rigidez dieléctrica lo suficientemente alta como para soportar un campo eléctrico entre los conductores
- Un aislador debe poseer una buena resistencia al arco para evitar daños en caso de arco
- Un aislante debe mantener la integridad bajo una amplia variedad de peligros ambientales como la humedad, la temperatura y la radiación
- Los materiales aislantes deben ser lo suficientemente fuertes mecánicamente para resistir los golpes de vibración y otras fuerzas mecánicas
- Un aislante debe tener una alta resistencia de aislamiento para evitar fugas de corriente a través de los conductores
Las propiedades eléctricas clave de interés son la rigidez dieléctrica, la constante dieléctrica, el factor de disipación, la resistividad de volumen y superficie y la resistencia al arco. Los plásticos también son aislantes eléctricos a menos que estén especialmente diseñados para la conductividad. Además de la conductividad, las propiedades eléctricas importantes incluyen la rigidez dieléctrica (resistencia a la ruptura a altos voltajes) y la pérdida dieléctrica (una medida de la energía disipada como calor cuando se aplica una corriente alterna ). Durante más de un siglo, los materiales eléctricamente aislantes se han vuelto cada vez más importantes para poder utilizar la electricidad. Al comienzo de la ingeniería eléctrica, antes de que se inventaran los plásticos, por necesidad, los cables que transportaban corriente, por ejemplo, se enrutaban a través de canales llenos de aceites no conductores. Las propiedades aislantes de los componentes plásticos en combinación con la variedad de métodos de formación de bajo costo allanaron el camino para la ingeniería eléctrica y la electrónica. Los polímeros en sí mismos generalmente no son conductores de electricidad, ya que los enlaces covalentes significan que no hay portadores de carga de movimiento libre disponibles. La resistencia eléctrica de los polímeros puros está típicamente en el rango de 1016 Ω. Propiedades eléctricas de plásticos y materiales poliméricos probados según estándares específicos para industrias como la industria aeroespacial y productos de construcción. Las propiedades eléctricas de los polímeros, elastómeros, materiales compuestos y películas plásticas son muy importantes para una amplia gama de industrias como la automotriz, aeroespacial, productos para la construcción, productos marinos, envases y bienes de consumo. Las pruebas eléctricas, en general, son mediciones de la resistencia, la conductividad o el almacenamiento de carga en la superficie o a través del material plástico. Varios factores, como la resistencia dieléctrica más el volumen y la resistividad de la superficie, son cruciales para medir la naturaleza del material polímero, específicamente con respecto a su eficiencia y conductividad.
Las capacidades de prueba de propiedades eléctricas para polímeros incluyen:
- Constante dieléctrica / factor de disipación ASTM D150, IEC 60250
- Resistencia dieléctrica ASTM D149, IEC 243-1, IEC 60243
- Resistividad de volumen ASTM D257, IEC 60093
- Resistividad de superficie ASTM D257, IEC 60093
Además de las pruebas eléctricas estándar, Intertek también realiza muchas variaciones específicas de estas pruebas eléctricas según lo requieren las complejas aplicaciones de ingeniería de las industrias de plásticos, elastómeros, compuestos y películas.
Los polímeros han servido como materiales importantes en la industria electrónica. Generalmente, han servido como revestimiento y recipientes por su falta de conductividad; es decir, no son conductores. Más recientemente, los polímeros se han convertido en materiales principales como conductores. Algunas propiedades importantes del comportamiento dieléctrico son la pérdida dieléctrica, el factor de pérdida, la constante dieléctrica, la conductividad de la corriente continua (CC), la conductividad de la corriente alterna (CA) y la resistencia a la ruptura eléctrica. El término "comportamiento dieléctrico" generalmente se refiere a la variación de estas propiedades en función de la frecuencia, composición, voltaje, presión y temperatura. El comportamiento dieléctrico se estudia a menudo empleando corrientes de carga o de polarización.