Relación entre la estructura y las propiedades eléctricas

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Propiedades eléctricas

Los polímeros industriales se consideran que en general se comportan como malos conductores eléctricos, por lo que se emplean masivamente como materiales aislantes en la industria eléctrica y electrónica.

Las baquelitas (resinas fenólicas) sustituyeron a las porcelanas y el vidrio en el aparellaje de baja tensión hace ya muchos años; termoplásticos como el PVC y los PE, entre otros, se utilizan en la fabricación de cables eléctricos, llegando en la actualidad a tensiones de aplicación superiores a los 20 kV (cables secos, sin aceite), y casi todas las carcasas de los equipos electrónicos (ordenadores, estufas, secadores, batidoras...) se construyen en termoplásticos con muy buenas propiedades mecánicas, eléctricas, con gran duración y resistencia al medio ambiente, como son, por ejemplo, las resinas ABS.
Para evitar cargas estáticas en aplicaciones que lo requieran, se ha utilizado antiestáticos que permiten, en la superficie del polímero, una conducción parcial de cargas eléctricas. Los polímeros más susceptibles de acumulación de carga son los nylons, acrílicos.

Los agentes antiestáticos, llamados desestatizadores, se utilizan para reducir la acumulación de cargas electrostáticas en la superficie de los plásticos debido a su inherente mala conductividad eléctrica. Atraen la humedad para aumentar la conductividad superficial y así se reduce la posibilidad de que se produzca una chispa o descarga. Los agentes antiestáticos más comunes son compuestos cuaternarios de amonio, ésteres fosfóricos y ésteres de polietilenglicol.
Evidentemente la principal desventaja de los materiales plásticos en estas aplicaciones está en relación a la pérdida de características mecánicas y geométricas con la temperatura. Sin embargo, ya se dispone de materiales que resisten sin problemas temperaturas relativamente elevadas (superiores a los 200 °C), como por ejemplo: polímeros de poliuretano.
Las propiedades eléctricas de los polímeros industriales están determinadas principalmente, por la naturaleza química del material (enlaces covalentes de mayor o menor polaridad) y son poco sensibles a la microestructura cristalina o amorfa del material, que afecta mucho más a las propiedades mecánicas. Su estudio se acomete mediante ensayos de comportamiento en campos eléctricos de distinta intensidad y frecuencia. Seguidamente se analizan las características eléctricas de estos materiales.

Los polímeros conductores han sido recientemente (1974) desarrollados y sus aplicaciones están siendo estudiadas. Los plásticos conductores tienen un gran futuro en la tecnología de la información.

Resistencia y rigidez dieléctrica

Resistencia eléctrica

Los polímeros industriales siguen la ley de Ohm hasta valores muy altos de campo eléctrico:

                                        J = σ·E

donde J = Densidad de corriente (A/m²), σ = Conductividad eléctrica (1/(Ω·m)) y E = Intensidad de campo eléctrico (V/m). La resistividad eléctrica ρ es la inversa de la conductividad eléctrica y suele estar comprendida entre 10e8 y 10e20 Ω·m. La baja conductividad eléctrica de lo polímeros es debida a la emigración de iones extraños ocluidos en su masa (restos de monómeros o de catalizadores), que se desplazan movidos por el efecto del campo eléctrico. ReaLmente no existe un flujo libre de electrones, como ocurre en los metales. La movilidad de los iones en la masa del polímero es mayor cuando aumenta la temperatura, pudiéndose expresar el aumento de conductividad eléctrica con la temperatura mediante:

                                      log σ = a - b/T

donde a y b son constantes.

En campos alternos la conductividad eléctrica tiene exactamente el mismo valor que en campos continuos, hasta valores muy altos de la frecuencia.

Independientemente de la resistencia que ofrecen los polímeros al paso de la corriente eléctrica a su través, es importante considerar su comportamiento al paso de la corriente por su superficie.

Presencia de iones extraños dentro del material

La presencia de iones extraños, incluso de humedad, puede hacer conductora la superficie de forma que el paso de la corriente eléctrica se produce principalmente por ella. Este fenómeno puede caracterizarse mediante una cierta resistencia (resistividad superficial se le denomina para diferenciarla de la resistividad específica o volumétrica), mediante ohmios. Este puede manifestarse con la aparición de cargas estáticas. Para evitar este inconveniente, en la fabricación del polímero se añaden aditivos antiestáticos (agentes ionizables) que pueden emigrar desde la masa del polímero a su superficie, proporcionando, con la ayuda de la humedad atmosférica, una cierta conductividad superficial que elimina la presencia de las cargas estáticas.

Ejemplo: las películas que se adhieren fuertemente entre sí, dificultando su manipulación. Solución: en la fabricación del polímero se añaden aditivos antiestáticos (agentes ionizables) que pueden emigrar desde la masa del polímero a su superficie, proporcionando, con la ayuda de la humedad atmosférica, una cierta conductividad superficial que elimina la presencia de las cargas estáticas.

Polímeros semiconductores:[1]

Debido a su baja conductividad eléctrica los plásticos se han utilizado tradicionalmente como aislantes en la industria eléctrica y en la electrónica. Sin embargo, en la actualidad se están desarrollando nuevos polímeros semiconductores, cuya particular estructura molecular les proporciona una gran movilidad electrónica. Estos plásticos están constituidos, fundamentalmente, por cadenas de átomos de carbono con dobles enlaces conjugados que entran en resonancia, solapándose sus orbitales a lo largo de la cadena macromolecular (como ocurre en los anillos bencénicos); de esta forma se originan anchas bandas de energía, en lugar de en los orbitales específicos con niveles discretos de energía en los que quedan fijados los electrones de los polímeros aislantes. La presencia de determinadas impurezas (dopantes) altera la distribución electrónica, vaciando parcialmente las bandas energéticas con lo que se potencia considerablemente la conductividad del material.

Así resulta que algunos polímeros lineales derivados del poliacetileno (-C=C=C=C=C=C-) y otros, cuyas cadenas principales son totalmente aromáticas (como el poliparafenileno y la polianilina), resultan casi tan buenos conductores como algunos metales a la temperatura ambiente.

Limitación: en aplicaciones industriales (en baterías y circuitos impresos, por ejemplo) debido a que los unos se oxidan muy fácilmente y no pueden estar en contacto con soluciones acuosas, mientras que los otros son excesivamente rígidos y frágiles y, por ser infusibles e insolubles, no se pueden procesar mediante las técnicas convencionales de transformación. Tan pronto se superen estas dificultades, se espera encuentren una aplicación mucho más extensa en esta y otras industrias.

Rigidez dieléctrica

Se entiende por rigidez dieléctrica el valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aisladora y pasa a ser conductor. También podemos definirla como la máxima tensión que puede soportar un aislante sin perforarse.

Se realiza en motores eléctricos después de ser bobinados. La tension del ensayo es de = 1000 + 2 Tension nominal. La rigidez dieléctrica, expresada en kV/cm, designa los resultados de un ensayo realizado según un procedimiento normalizado, en el que se provoca la perforación de un espesor del dieléctrico con una cierta diferencia de potencial producida por la intensidad de campo eléctrico en unas determinadas condiciones (humedad, temperatura, forma de los electrodos, espesor del material, etc). Un dieléctrico es una sustancia que es mala conductora de la electricidad y que amortiguará la fuerza de un campo eléctrico que la atraviese, como podría ser un polímero.

Evidentemente la capacidad de adsorción de agua que presentan los polímeros con grupos polares en sus macromoléculas, influyen notablemente en su resistividad y en su rigidez dieléctrica. Este efecto también tiene importancia a altos valores del campo eléctrico en la superficie.

La rigidez de fuga define la resistencia del material a acciones destructivas de las corrientes superficiales, de la misma forma que la rigidez dieléctrica lo hace para las que se producen a su través.

Resinas ureicas que son parecidas a la baquelita tienen una alta rigidez de fuga, lo mismo ocurre con las resinas de melanina, las resinas de poliéster.

Constante dieléctrica y factor de pérdida

La influencia de un dieléctrico particular sobra la capacidad eléctrica de un condensador viene determinada por la constante dieléctrica y se define como la relación entre la capacidad de un condensador, empleando este material como dieléctrico y la capacidad del mismo condensador sin dieléctrico, es decir, en vacío (o, para todos los efectos prácticos, en el aire).

El efecto de la polarización depende de la estructura de las moléculas. Las pequeñas y simétricas se polarizan, desplazándose al centro de gravedad de los electrones con respecto a los núcleos atómicos (polarización electrónica). Si las moléculas son asimétricas (polares), el centro de gravedad de sus cargas eléctricas no coincide, aunque no exista campo eléctrico. El efecto de la polarización, en este caso, consiste en un giro de las moléculas que se orientan en la dirección del campo eléctrico (polarización de orientación o bipolar). Existe un tercer tipo de polarización: polarización iónica, inexistente en la mayoría de los polímeros.

Existe una diferencia fundamental entre ambos tipos de polarización: la primera es instantánea, por implicar el desplazamiento de electrones; la segunda requiere tiempo, puesto que la molécula entera debe girar desplazándose con respecto a las que le rodean. Si el campo eléctrico es alterno, la polarización bipolar se produce con un retraso de fase δ, denominado ángulo de pérdida, y si la frecuencia de cambio de dirección del campo eléctrico es muy grande el efecto de la polarización disminuye. El desfase entre la tensión aplicada y la intensidad de corriente en un dieléctrico real será: Ф = 90 - δ.

Se denomina factor de disipación a tg δ, factor de potencia a cos Ф = Sen δ y factor de pérdida al producto de la constante dieléctrica por el factor de disipación ε · tg δ.

La variación de la constante dieléctrica (ε) y del factor de pérdida (ε·tgδ) con la frecuencia, para un material bipolar constituido por moléculas pequeñas (metanol por ejemplo), siendo característica la presencia de un "pico" en el diagrama del factor de pérdida.

El efecto de la temperatura es importante por disminuir la viscosidad interna del material, con lo que se facilita el movimiento de los dipolos cuando esta aumenta.

En el caso de los materiales poliméricos apolares (como PE y PTFE) la polarización es, exclusivamente, electrónica y, dado que es instantánea, la constante dieléctrica ε varía muy poco con la frecuencia; el factor de disipación ε·tgδ es bajo y no aparecen picos de pérdida. En consecuencia los polímeros apolares resultan adecuados para su uso en dispositivos y elementos electrónicos de alta frecuencia. En polímeros polares (como PVC y PVA) el factor de disipación es, generalmente, más elevado que en los apolares y suelen aparecer picos de pérdida a determinadas frecuencias, que pueden correlacionarse con las temperaturas de transición vítrea Tg y de fusión .

Factor de potencia para diversos polímeros.

El comportamiento de los polímeros polares es muy diferente según los grupos polares estén situados en las cadenas principales de las macromoléctulas (como en los policarbonatos, poliésteres saturados PET y PVC, por ejemplo) o en las cadenas laterales (como el PVA y los poliacrilatos). En el primer caso, la movilidad de estos grupos está condicionada a la propia cadena, por la que el efecto de la polarización es mucho menos acusado por debajo de la temperatura de transición vítrea, que por encima de ella.

El PVC es buen aislante a bajas frecuencias, pero en campos eléctricos de alta frecuencia se calienta en exceso y puede alcanzar fácilmente la temperatura de reblandecimiento.

Puede observarse en la figura como el polietilentereftalato (PET, poliéster saturado), que tiene un amplio margen entre la temperatura de transición (70 °C) y la de fusión (255 °C), reblandeciéndose notablemente a partir de los 200 °C, presentan un pico del factor de potencia a una temperatura intermedia. La temperatura a la que se produce este pico y el factor de pérdida correspondiente aumenta con la frecuencia.

La presencia de plastificante, que reducen la temperatura de transición vítrea, tendrá como consecuencia un aumento en la polarización, y, por lo tanto, del valor de la constante dieléctrica ε.

Efecto del plastificante en el PVC.

En el segundo caso, de moléculas poliméricas en las que los dipolos no están en las cadenas principales, su orientación resulta mucho más fácil, incluso a temperaturas inferiores a la de la transicián vítrea y, por lo tanto, no se producirá esa variación brusca en los valores de la constante dieléctrica y del factor de potencia que se pone de manifiesto para los que tienen los grupos polares en la cadena principal. En consecuencia no se utilizan como aislantes.

Finalmente, se debe tener en cuenta que la capacidad de absorción de humedad de algunos polímeros (como poliamidas, por ejemplo) influye en sus propiedades eléctricas por diversos motivos:

La mayor conductividad eléctrica del agua origina una disminución en la resistividad del material.
La acusada polaridad del agua y su pequeño tamaño molecular eleva notablemente los valores de la constante dieléctrica y de las pérdida en el conjunto.
El agua puede actuar como plastificante, aumentando la movilidad de las cadenas moleculares de algunos polímeros, por lo que se incrementa el valor del factor de pérdida propio del material.

Véase también

Bibliografía

Ingeniería de los materiales plásticos Autor: M.A. Ramos Carpio, M.R. de María Ruíz