Généralité sur les isolants solides

La conception et le fonctionnement d’un équipement électrique dépend des matériaux disponibles. Ainsi, les propriétés des isolants jouent un rôle crucial dans la construction des appareils électriques. Avant, l’isolation utilisée dans les machines électriques est souvent assurée par du coton ou du papier imprégné de vernis spécial. Aujourd’hui, on utilise de plus en plus des isolants synthétiques pour les machines de moyenne et grande puissance. Les isolants utilisés pour la distribution de l’électricité sont des isolants souples (caoutchouc, papier et produits thermoplastiques). Ces isolants doivent être utilisés à des températures élevées afin de leur assurer une durée de vie très longue [1]. Dans ce présent chapitre, nous examinerons les propriétés des isolants solides.

Définition d’un isolant 

Un isolant est une substance ou un corps dont la conductibilité est nulle ou, en pratique, très faible (résistivité très élevée), utilisé pour séparer des pièces conductrices portées à des potentiels différents [2].

Différents états des isolants 

On peut regrouper les isolants selon leurs états en trois (3) catégories :

Isolants liquides
Les isolants liquides sont souvent utilisés dans l’isolation des machines électriques, car en plus de l’isolation, ils jouent aussi le rôle de refroidissement. L’huile minérale est l’un des isolants le plus utilisé dans les matériels électriques (transformateurs à grande puissance, les condensateurs,…). Mais ils sont inflammables à une température proche de 150 °C. Certaines isolants liquides synthétique (fabriqués a base d’hydrogène chloré) ou à base silicone (obtenus par les huiles organiques) contourne le problème d’inflammabilité, mais ils sont plus chers.

Isolants gazeux
Les gaz constituent l’élément de base de l’isolation à haute tension des appareils électriques.

De tout temps, les bonnes qualités isolantes de l’air ont été utilisées aussi bien dans les applications de l’électricité statique que dans l’isolation des lignes aériennes, car l’air est gratuit et il a la particularité d’être “auto régénérateur“. Dans ces dernières décennies, la nécessite de diminuer sensiblement les dimensions des installations électriques pour des questions d’encombrement et de coût a conduit à l’utilisation des gaz sous pression. En effet, la rigidité des gaz telle que SF6, CO2… est très élevée. Ils sont très utilisés dans les disjoncteurs. L’inconvénient de l’utilisation de ces gaz est la diminution de la rigidité par le rayonnement cosmique [2].

Isolants solides
Les isolants solides sont des éléments de base des isolations à haute tension. En plus de l’isolation électrique, les isolants solides assurent la rigidité mécanique des matériels électriques. De tout temps, des produits naturels tels que le bois sec, le soufre, les résines naturelles, le caoutchouc, …etc., ont été utilisées pour l’isolation. A partir du 18ème siècle on a recouru également à des isolants solides synthétiques tels que le verre, le papier, et de nos jours aux résines phénoliques (comme la bakélite), aux résines synthétiques (époxy, polyester, silicone, etc.), au polyéthylène, au polypropylène… etc., qui sont de la famille des polymères et les plus utilisés actuellement, car ils sont facile a fabriquer [2]. On peut regrouper les isolants solides selon leurs natures en deux catégories principales :

a) Les isolants inorganiques
Les isolants inorganiques sont des corps qui sont dépourvus des minéraux (fer, calcium,…). On peut citer comme exemple ; les verres, les céramiques et les oxydes. Ils peuvent tolérer des températures dépassant parfois les 1000 °C [1].

b) Les isolants organiques
Ils sont composés de langues chaîne moléculaires de carbone et d’hydrogène. Ils ne peuvent pas supporter des températures élevées sans se désagréger [1]. Ils se subdivisent entre matériaux naturels (caoutchouc, papier, laine,…) et synthétiques (élastomères, polymères) [3].

Les polymères synthétiques 

La variété des polymères synthétiques découverts par STAUDINGER est impressionnante. Le nombre des matériaux polymères utilisés couramment de nos jours a été préparé pour la première fois par ce chercheur. En l’an 2000, la production mondiale de plastiques synthétiques à été de cent quatre-vingt millions de tonnes (180 MT), elle était de l’ordre de cent cinquante millions de tonnes (150 MT) par an dans les années 1990-1995 [4]. Des investigations, menées par des chercheurs, ont abouti à des améliorations surprenantes de nombreuses propriétés, et les polymères ont maintenant pénétrés les secteurs les plus avancés de la technologie [5].

Qu’appelle-t-on polymère? 

Définition d’un polymère
C’est un système formé par un ensemble de macromolécules, c’est-a-dire d’entités moléculaires de grande dimensions, issues d’un assemblage covalent d’un grand nombre d’unités répétitives, appelés “unités monomères“. Ou bien d’une réaction dite de « polymérisation » [6]. Les polymères fabriqués à partir d’un seul type de monomère sont désignés par homopolymère (exemples : polyéthylène, polystyrène). Dès qu’au moins deux types de monomère participent à la formation des macromolécules, on parlera de copolymères (exemple : styrèneacrylonitrile (SAN)).

La polymérisation 

Définition
La polymérisation est un processus de transformation d’un monomère, ou d’un mélange de monomères, en polymère. Elle désigne une réaction chimique, fonction du temps et de la température, conduisant la résine à se solidifier de manière irréversible [6].

On distingue deux types de polymérisation :
• La polymérisation en chaine (polyaddition) La polyaddition correspond à une réaction en chaîne avec réunion de molécules simples (ou monomères). C’est l’exemple du polychlorure de vinyle (PVC) [6].

• La polymérisation par étape (polycondensation) Il s’agit de processus réactionnels dans lesquels deux entités moléculaires, interagissent pour unir au moyen d’une liaison covalente [5].

Les procédés de polymérisation
La synthèse de polymérisation, dépend des caractéristiques du produit désiré, des applications envisagées et de considération financière selon ces différents procédés:

◆  Polymérisation en masse
Dans ce cas il n’y a ni solvant, ni diluant. Le monomère est directement polymérisé sous l’action de la chaleur, de radiations ou d’un amorceur [6]. La technique de polymérisation en masse et plus difficile à contrôler, mais la moins contaminante pour le polymère. Dans cette technique, l’initiateur est dissous dans le monomère, les gaz devraient être enlevés, surtout l’oxygène.

◆  Polymérisation en solution
La polymérisation en solution se fait en présence d’un solvant ou d’un diluant. Différentes configurations sont possibles, monomère et polymère peuvent être plus ou moins solubles dans le solvant. Il arrive que le polymère précipite à partir d’un certain degré de polymérisation, comme le PVC dans le benzène.

◆  Polymérisation en émulsion
Pour ce procédé, le milieu dispersant est aussi de l’eau. Le monomère est maintenu en émulsion grâce à un agent émulsifiant, qui est un savon ou un sulfonât d’acide gras. La taille des particules en émulsion est de l’ordre du µm.

◆  Polymérisation en suspension
Dans cette technique, on disperse le monomère sous forme de gouttelettes (0.1 à 0.5 mm) dans l’eau, tout en agitant et en utilisant des stabilisants de suspension comme le polyalcool vinylique (CH2CHOH)n. Dans cette technique, comme pour la polymérisation en masse où l’initiateur est dissous dans le monomère, ici l’amorceur est soluble dans le monomère, mais pas dans l’eau [6].