मोटर के इन्सुलेशन में लचीलापन: क्या रबर की मदद से प्लास्टिक की कमजोरी दूर हो सकती है।

आसान शब्दों में

इलेक्ट्रिक कार की मोटर में लगा इन्सुलेशन गर्मी, बिजली और बार-बार मुड़ने का दबाव सहता है। शोधकर्ताओं ने खास रबर को गर्मी सहने वाले प्लास्टिक के साथ मिलाकर ऐसी पतली परत बनाई, जो मोड़ने पर कम टूटती है और बिजली से बचाव का गुण भी बनाए रखती है। शुरुआती नतीजे अच्छे हैं, लेकिन लंबे समय तक इस्तेमाल की कसौटी अभी बाकी है।

मोटर के इन्सुलेशन को और लचीला क्यों होना चाहिए?

आज की इलेक्ट्रिक गाड़ियों की मोटरों और बिजली पहुँचाने वाली प्रणालियों में इस्तेमाल होने वाली सामग्री पर एक साथ गर्मी, यांत्रिक दबाव और बिजली का असर पड़ता है। इलेक्ट्रिक कार की मोटर में बिजली को नियंत्रित करने वाला इन्वर्टर बहुत तेजी से चालू-बंद होता है, जिससे वोल्टेज बार-बार बदलता है। ये तेज बदलाव इन्सुलेशन की छोटी-छोटी खाली जगहों में स्थानीय विद्युत डिस्चार्ज पैदा कर सकते हैं। समय के साथ ऐसा नुकसान बढ़े, तो इन्सुलेशन कमजोर पड़ सकता है या काम करना बंद कर सकता है।

इसलिए किसी सामग्री का साधारण परीक्षण में बिजली रोक लेना ही काफी नहीं है। एक जरूरी माप है आंशिक डिस्चार्ज शुरू होने का वोल्टेज, जिसे पीडीआईवी कहा जाता है। इसका मतलब है वह वोल्टेज, जिस पर इन्सुलेशन के भीतर छोटे स्थानीय डिस्चार्ज शुरू होते हैं। सामग्री में बिजली के प्रभाव को जमा करने की क्षमता भी कम होनी चाहिए और उसे कामकाज के दौरान पैदा होने वाली गर्मी भी सहनी चाहिए। इन गुणों के साथ बार-बार मोड़े जाने पर टिकने वाली पतली परत बनाना अपने-आप आसान नहीं होता।

ताकेनाका, कोबुयामा और ओगीज़ावा की टीम ने मिश्रण का आधार पॉलीफेनिलीन सल्फाइड यानी पीपीएस चुना। यह प्लास्टिक गर्मी में स्थिर रहता है और इसकी विद्युत परमिटिविटी कम होती है। साथ ही, इसके प्रदर्शन और लागत के बीच व्यावहारिक संतुलन है। लेकिन इसकी आणविक बनावट कड़ी होने के कारण यह अपेक्षाकृत भंगुर है। निर्माण के दौरान या बार-बार मोड़ने पर इसमें बारीक दरारें आ सकती हैं।

इसमें लचीला रबर मिला देना सीधा समाधान लग सकता है, पर दोनों पदार्थों का आपस में अच्छी तरह न घुलना बड़ी अड़चन है। पीपीएस और एफईपीएम नाम का फ्लोरोइलास्टोमर स्वाभाविक रूप से आसानी से एकसार नहीं होते। वे अलग-अलग बड़े हिस्सों में बँट सकते हैं और उनके बीच का जुड़ाव कमजोर रह सकता है। तब रबर पूरी सामग्री का एकसार हिस्सा बनने के बजाय, दोनों पदार्थों के मिलने की जगह ही कमजोर हो सकती है। इससे रबर के लचीलेपन का पूरा फायदा नहीं मिलता।

प्लास्टिक और रबर के जोड़ को बदलने की कोशिश

दोनों पदार्थों को बस मिलाने के बजाय शोधकर्ताओं ने यह जाँचा कि उनके मिलने की जगह को अधिक अनुकूल बनाया जा सकता है या नहीं। उन्होंने सामान्य एफईपीएम की तुलना ऐसे ही रबर से की, जिसकी आणविक श्रृंखलाओं के सिरों पर आयोडीन परमाणु जोड़े गए थे। इस बदले हुए रबर को एमएफईपीएम नाम दिया गया। विचार यह था कि गर्म करके सामग्री तैयार करने के दौरान यह बदलाव रासायनिक प्रतिक्रिया में मदद कर सकता है और रबर तथा पीपीएस के बीच का जुड़ाव मजबूत हो सकता है।

इस परिकल्पना के मुताबिक, कार्बन और आयोडीन के बीच के बंधन 270 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर टूट सकते हैं। इससे सक्रिय कण बन सकते हैं, जो सैद्धांतिक रूप से पीपीएस की सुगंधित आणविक रिंगों के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं। संभव है कि दोनों पदार्थों को जोड़ने वाली पीपीएस-जी-एमएफईपीएम प्रकार की श्रृंखलाएँ उनके मिलने की सतह पर बनें। हालांकि, अध्ययन इस प्रक्रिया को पक्के तौर पर साबित हुआ तथ्य नहीं बताता। सक्रिय कण दूसरी प्रतिक्रियाओं में भी शामिल हो सकते हैं, और यह प्रमाणित नहीं किया गया कि जोड़ी गई सामग्री बनना ही देखे गए बदलावों की अकेली वजह थी।

मिश्रण बनाने के लिए 30 मिलीमीटर व्यास वाले दो स्क्रू की एक्सट्रूज़न मशीन इस्तेमाल की गई, जो 200 चक्कर प्रति मिनट की गति से चलती थी। पीपीएस और इन दोनों में से एक रबर को अलग-अलग हॉपर से मशीन में डाला गया। मिश्रण में वजन के हिसाब से 70 हिस्से पीपीएस और 30 हिस्से रबर रखे गए। मिश्रण मशीन के चार तापमान वाले हिस्सों से गुजरा, जिनका तापमान 270 से 290 डिग्री सेल्सियस के बीच रखा गया।

मिश्रण से बने दानों को फिर से संसाधित करके एकसमान, 150 माइक्रोमीटर मोटी परतें बनाई गईं। इसके लिए एक स्क्रू वाली एक्सट्रूज़न मशीन और 250 मिलीमीटर चौड़ा, सपाट और हैंगर के आकार का साँचा इस्तेमाल किया गया। इस चरण में तापमान 300 से 330 डिग्री सेल्सियस के बीच रखा गया। यह प्रक्रिया इसलिए अहम है कि शोधकर्ताओं ने केवल प्रयोगशाला में दोनों पदार्थ मिलाकर उनकी जाँच नहीं की, बल्कि पतली परतें भी बनाईं—ऐसी परतें, जिनका आकार मोटर के पुर्जों में लगने वाले इन्सुलेशन के करीब है।

बड़ी बूंदों से ज्यादा महीन बनावट तक

सामग्री के भीतर की तस्वीरों में दोनों मिश्रणों के बीच साफ अंतर दिखाई दिया। बिना बदले एफईपीएम वाले नमूने में रबर के हिस्से बड़े और खुरदरे थे। वे समुद्र में बिखरे द्वीपों की तरह पीपीएस के भीतर दिखाई दिए और दोनों पदार्थों के बीच का जुड़ाव कमजोर था। इसके उलट, एमएफईपीएम वाले मिश्रण में रबर के हिस्से छोटे और अधिक नियमित आकार में फैले थे। इन हिस्सों का औसत आकार करीब 0.38 माइक्रोमीटर था।

यह फर्क मायने रख सकता है, क्योंकि रबर के हिस्सों का आकार और प्लास्टिक के मुख्य ढाँचे से उनका जुड़ाव यह तय करने में भूमिका निभा सकता है कि दबाव सामग्री में कैसे फैलेगा। अगर रबर के हिस्से बड़े हों या उनकी सीमाएँ कमजोर हों, तो बल कुछ खास जगहों पर जमा हो सकता है। ज्यादा महीन बनावट से निर्माण के दौरान रबर के हिस्सों के आपस में जुड़कर बड़े होने की संभावना घट सकती है और दोनों पदार्थों की सीमा पर तनाव कम हो सकता है। शोधकर्ताओं के अनुसार, नतीजे दोनों पदार्थों के बीच साझा रासायनिक बंध बनने की संभावना से मेल खाते हैं। फिर भी, यह एक संभावित व्याख्या है, प्रतिक्रिया की प्रक्रिया का अंतिम प्रमाण नहीं।

शोध में यह भी देखा गया कि ठंडा होने पर पीपीएस में क्रिस्टल कैसे बनते हैं। गर्मी से जुड़े परीक्षणों के नतीजे बताते हैं कि एमएफईपीएम के छोटे हिस्सों के आसपास की महीन सीमाएँ क्रिस्टल बनने की शुरुआत के बिंदु बन सकती हैं। इसे विषम नाभिकण कहते हैं। इसके उलट, ऐसा लगा कि बिना बदला हुआ रबर क्रिस्टलों की बढ़त रोकता है, जिससे ठंडा होने के बाद प्लास्टिक का बड़ा हिस्सा बिना क्रिस्टल वाली अवस्था में रहा। अध्ययन यह तय नहीं कर पाया कि ऐसा क्यों हुआ।

प्रतिक्रियाशील मिश्रण में क्रिस्टल बनने की गति का माप बढ़ा। यह माप आधा क्रिस्टलीकरण पूरा होने में लगे समय के उलट अनुपात पर आधारित था और बिना प्रतिक्रिया वाले मिश्रण से अधिक था। ध्रुवीकृत प्रकाश वाले सूक्ष्मदर्शी से ली गई तस्वीरों में बड़े, साफ गोलाकार क्रिस्टल नहीं दिखे। शोधकर्ताओं ने इसे इस बात के अनुरूप माना कि बड़े और साफ पहचाने जा सकने वाले ढाँचों के बजाय छोटे क्रिस्टल बने होंगे। ये बारीकियाँ उपयोगी हो सकती हैं, क्योंकि क्रिस्टलों का आकार और उनका जमाव सामग्री की कठोरता पर असर डाल सकते हैं। फिर भी, अध्ययन किसी एक बनावट को यांत्रिक मजबूती में सुधार की अकेली वजह नहीं ठहराता।

बार-बार मोड़ने की जाँच में सबसे बड़ा अंतर

बार-बार मोड़ने के परीक्षण में सबसे साफ फर्क सामने आया। एमएफईपीएम वाला मिश्रण पीपीएस के शुद्ध नमूने और बिना बदले रबर वाले मिश्रण—दोनों की तुलना में करीब 4 गुना ज्यादा बार मोड़ा जा सका। इससे पता चलता है कि केवल लचीला रबर मिला देने से प्रदर्शन बेहतर होना तय नहीं है। रबर किस तरह फैलता है और प्लास्टिक के मुख्य ढाँचे से कितना जुड़ता है, यह बात उसके मौजूद होने जितनी ही अहम हो सकती है।

टीम ने गर्मी देकर सामग्री को कुछ समय तक रखने की प्रक्रिया का असर भी जाँचा। इस प्रक्रिया को एनीलिंग कहते हैं। नमूनों को 200 डिग्री सेल्सियस पर 1 घंटे तक गर्म किया गया। इस उपचार के बाद प्रतिक्रियाशील मिश्रण की मोड़ सहने की क्षमता बनी रही, जबकि शुद्ध पीपीएस और बिना प्रतिक्रिया वाले मिश्रण की क्षमता काफी घट गई। शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि जिन नमूनों का प्रदर्शन गिरा, उनमें क्रिस्टल बनने से जुड़ी भंगुरता आ सकती है—शायद इसलिए कि बड़े गोलाकार क्रिस्टल बढ़े। लेकिन यह संबंध साबित नहीं करता कि गिरावट की वजह सिर्फ क्रिस्टलों का आकार था। दोनों पदार्थों के बीच पकड़ या बनावट से जुड़े दूसरे कारण भी असर डाल सकते हैं।

इस नतीजे का व्यावहारिक महत्व हो सकता है। मोटर की कुंडलियों पर लपेटी जाने वाली इन्सुलेशन परतों या कुंडलियों के खाँचों की भीतरी परतों को आकार देते और लगाते समय मोड़ा जा सकता है। गर्मी झेलने के बाद भी मोड़ सह सकने वाली सामग्री निर्माण के इस चरण में ज्यादा उपयोगी साबित हो सकती है। लेकिन मोड़ने का परीक्षण उन सभी बलों और हालात की नकल नहीं करता, जिनका सामना मोटर के भीतर लगी इन्सुलेशन परत को सालों तक करना पड़ सकता है।

बिजली से बचाव में सुधार, पर वजह सिर्फ क्रिस्टल नहीं

बिजली से जुड़े माप में सुधार केवल प्रतिक्रियाशील मिश्रण तक सीमित नहीं था। बिना बदले एफईपीएम और एमएफईपीएम—दोनों वाले मिश्रणों में आंशिक डिस्चार्ज शुरू होने का वोल्टेज शुद्ध पीपीएस से अधिक था। परीक्षण में शामिल अलग-अलग तापमानों पर यह अंतर दिखा। इसमें 150 डिग्री सेल्सियस पर किया गया माप भी शामिल था, हालांकि इस तापमान पर सभी नमूनों में पीडीआईवी कम हो गया।

फ्लोरोइलास्टोमर वाले मिश्रणों में पीडीआईवी बढ़ने के लिए शोधकर्ताओं ने दो संभावित वजहें सुझाईं। फ्लोरीन के परमाणु कुछ इलेक्ट्रॉनों को रोकने में मदद कर सकते हैं। इसके अलावा, एफईपीएम के हिस्सों की कम विद्युत परमिटिविटी से डिस्चार्ज शुरू करने के लिए जरूरी वोल्टेज बढ़ सकता है। ये संभावित व्याख्याएँ हैं, किसी एक प्रक्रिया की निर्णायक पुष्टि नहीं।

गर्मी से उपचार के बाद तीनों सामग्रियों में क्रिस्टलीकरण की मात्रा बढ़ी, लेकिन पीडीआईवी में बहुत थोड़ा बदलाव हुआ। इससे संकेत मिलता है कि परीक्षण की स्थितियों में क्रिस्टलीकरण बढ़ना, डिस्चार्ज शुरू होने के वोल्टेज में मिले लाभ की मुख्य वजह नहीं था। यहाँ एक अहम बात यह है कि सामग्री की यांत्रिक और विद्युत खूबियाँ उसकी बनावट के अलग-अलग पहलुओं से प्रभावित हो सकती हैं। इसलिए यह मान लेना ठीक नहीं होगा कि किसी एक गुण में सुधार अपने-आप दूसरे गुण में सुधार की वजह भी है।

नतीजे अभी किन बातों को साबित नहीं करते?

नतीजे इस मिश्रण पर आगे ध्यान देने की वजह जरूर देते हैं, लेकिन उनसे यह पता नहीं चलता कि इलेक्ट्रिक कार में लगे इन्सुलेशन की उम्र कितनी होगी। अध्ययन में आंशिक डिस्चार्ज शुरू होने का वोल्टेज मापा गया, पर समय के साथ ऐसे डिस्चार्ज से होने वाली टूट-फूट, लंबे समय तक बिजली सहने की क्षमता या इन्सुलेशन फेल होने में लगने वाला समय सीधे नहीं जाँचा गया। इसी तरह, केवल मोड़ सहने का नतीजा यह बताने के लिए पर्याप्त नहीं कि चलती मोटर में होने वाले हर तरह के कंपन, दबाव और गर्मी के बीच सामग्री कैसा प्रदर्शन करेगी।

परीक्षण यह भी तय नहीं करते कि मोड़ सहने की क्षमता में बड़ी बढ़त के पीछे कौन-सा बदलाव था। पीपीएस और रबर के बीच बेहतर जुड़ाव की भूमिका हो सकती है। रबर के छोटे हिस्से, क्रिस्टल बनने की गति में अंतर या क्रिस्टलों की अलग व्यवस्था भी योगदान दे सकती है। संभव है कि इनमें से कई बातें एक साथ असर कर रही हों। हर कारण का अलग-अलग महत्व जानने के लिए ऐसे परीक्षण जरूरी होंगे, जिनमें इन कारकों को अलग करके देखा जाए—सभी बदलावों वाले मिश्रण को एक ही पैकेज की तरह जाँचने भर से यह पता नहीं चल सकता।

यह भी साबित नहीं हुआ कि यही तरीका दूसरे इंजीनियरिंग प्लास्टिक के साथ भी काम करेगा। अलग-अलग सामग्रियों में रासायनिक मेल, क्रिस्टल बनने का तरीका और उन्हें संसाधित करने के लिए जरूरी तापमान अलग होते हैं। दूसरे विद्युत उपकरणों या कठोर रासायनिक माहौल में इस्तेमाल से पहले अलग परीक्षण करने होंगे। इसलिए फिलहाल इस नतीजे को एक खास इन्सुलेशन सामग्री बेहतर बनाने का आशाजनक रास्ता मानना चाहिए, हर उद्योग के लिए तैयार नुस्खा नहीं।

यह अध्ययन 2026 में पॉलीमर जर्नल में प्रकाशित हुआ था। इसे ताकेनाका, कोबुयामा और ओगीज़ावा ने तैयार किया। इसकी अहम बात यह है कि किसी बहु-पदार्थ मिश्रण में अलग-अलग घटकों के मिलने की सीमाओं को नियंत्रित करके ऐसे गुण एक साथ पाने की संभावना खुलती है, जो किसी एक पदार्थ से हासिल करना कठिन हो सकता है। यहाँ लक्ष्य है बेहतर लचीलापन पाना और साथ ही फ्लोरोइलास्टोमर मिलाने से मिलने वाला बिजली से बचाव का लाभ बनाए रखना।

निष्कर्ष

पीपीएस और आयोडीन वाले सिरों के साथ बदले गए फ्लोरोइलास्टोमर का प्रतिक्रियाशील मिश्रण भंगुर इन्सुलेशन परतों को मजबूत बनाने का एक संभावित तरीका दिखाता है। इसकी भीतरी बनावट ज्यादा महीन थी और इसे तुलना के नमूनों के मुकाबले करीब 4 गुना ज्यादा बार मोड़ा जा सका। दोनों तरह के फ्लोरोइलास्टोमर ने शुद्ध पीपीएस की तुलना में आंशिक डिस्चार्ज शुरू होने का वोल्टेज बढ़ाया। इसमें 150 डिग्री सेल्सियस पर किया गया परीक्षण भी शामिल था, हालाँकि इस तापमान पर सभी सामग्रियों के मान घटे। अब लंबे समय तक बिजली और यांत्रिक दबाव सहने की जाँच करनी होगी और यह समझना होगा कि बनावट के कौन-से बदलाव सुधार के लिए जिम्मेदार हैं। उसके बाद ही इसे इलेक्ट्रिक कार की मोटरों के लिए प्रमाणित इन्सुलेशन विकल्प माना जा सकेगा।