Химия и технология лакокрасочных покрытий

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ ПОКРЫТИЯ

Электроизоляционные покрытия. Такие покрытия должны иметь хорошие электроизоляционные свойства, длительно сохраняющиеся в процессе эксплуатации в различных условиях. В зависимости от назначения покрытий преобладает роль тех или иных свойств. На­пример, от покрытий, предназначенных для защиты радиотехниче­ских изделий (магнитопроводы, пьезокерамические элементы, кон­денсаторы и др.), требуются низкая электрическая проводимость и малые диэлектрические потери в широком диапазоне частот; при изоляции кабелей, проводов, трансформаторов, обмоток электриче­ских машин особое внимание наряду с электрическим сопротивле­нием обращается на электрическую прочность.

Поскольку большинство изделий эксплуатируется в условиях пе­ременной влажности или при повышенной температуре, электроизо­ляционные покрытия должны быть водо-, масло - и нагревостойкими. В частности, предельно допустимое значение коэффициента водопро­ницаемости для покрытий на электро - и радиодеталях, работающих в сложных климатических условиях, составляет 2 • 10”14 м/(ч • Па).

Наиболее высокая нагревостойкость электрической изоляции (до 800 °С) обеспечивается применением покрытий на неорганической основе - металлофосфатных, стеклокерамических. Рабочие темпера­туры органических покрытий, как правило, не превышают 300 °С.

Покрытия электротехнического назначения, работающие при по­вышенных температурах, характеризуют температурными индексами. Температурный индекс соответствует температуре (в °С), при кото­рой срок службы материала равен 20 000 ч. Наиболее высокий темпе­ратурный индекс имеют покрытия на основе полиимидов (рабочая температура 220-240 °С), полиамидоимидов (200 °С), полиорганоси - локсанов (180 °С), полиэфироимидов (155-180 °С). Промышленно вы­пускается широкий ассортимент лаков, эмалей и компаундов элек­троизоляционного назначения. Примером могут служить лаки для эмалирования проводов - полиимидный ПАК-1, полиамидоимидный АД-9113, полиэфироимидный ПЭ-955, полиэфирный ПЭ-939, по­лиуретановый УР-973, на основе ацеталей поливинилового спирта ВЛ-941 (лак метальвин); лаки, эмали и компаунды для пропитки и лакирования стекловолокнистой изоляции проводов и пропитки обмоток электрических машин - полиэфирные и кремнийорганиче - ские ПЭ-933, КО-96, КО-964, компаунды КП-18, КП-34, КП-101 и др., для герметизации резисторов, а также деталей и узлов электротехни­ческих машин - органосиликатные ОС-91-26, ОС-92-ОЗ, ОС-92-25. Все более широкое применение для целей электроизоляции находят порошковые краски и компаунды (П-ЭП-91, П-ЭП-971, УП-2191К) на эпоксидной основе, а также эпоксидно-силиконовые - ЭК-901.

Электропроводящие покрытия. Назначение электропроводящих покрытий - обеспечить прохождение электрического тока или отвод с поверхности возникающего статического электричества. Электро­проводящими считаются покрытия, у которых р^< Ю5 Ом • м.

Повышенная электрическая проводимость покрытий достигается:

1) применением пленкообразователей с большой электронной (полу­проводники) или ионной (полиэлектролиты) проводимостью; 2) ис­пользованием электропроводящих наполнителей; 3) введением в со­став покрытий или обработкой их поверхности ПАВ.

К пленкообразователям-полупроводникам относятся соединения с системой сопряженных двойных или тройных связей (полиимиды,

Полибензимидазолы, полибензоксазолы и др.), а также полимерные комплексы с переносом заряда (галогенированные полистирол, по- ли-а-метилстирол, поливинилнафталин и т. д.). Получаемые из них покрытия имеют повышенные значения электро - и фотопроводимо­сти: у У = 103-10"9 См/м.

Из полиэлектролитов (полииономеров) находят применение по- ли-М-винилимидазол, сульфированный полистирол, полиакрила­мид, полиакриловая и полиметакриловая кислоты и их соли, поли - этиленсульфонат натрия и др. В частности, сочетанием сульфиро­ванного полистирола с полиметакриловой кислотой (1:3) получено прозрачное антистатическое покрытие для пластмасс с р5 = 5 • 108 Ом.

Наиболее широко применяют в качестве электропроводящих покрытия с металлическими и углеродными наполнителями: карбо­нилом никеля, серебром, медью, цинком, нержавеющей сталью, сплавами Ре-№, Бе-Мг-Со, Бе—51—А1, арсенидом или фосфатом гал­лия, антимонидом индия, техническим углеродом, графитом, графи - тированным волокном, "керн-пигментами" (посеребренный никель, углеродистое железо). Особенно распространено применение ка­нального и антраценового технического углерода, имеющего высо­кую дисперсность и образующего в пленке цепочечные структуры, а также коллоидного графита.

Электрическая проводимость наполненных покрытий определя­ется составом и электрическими параметрами отдельных компонен­тов (рис. 4.42). При больших степенях наполнения Ру пленок в зави­симости от объемной доли введенного металлического наполнителя ориентировочно может быть вычислено по следующему уравнению:

Ту Ме

Ру - Кру Ху,

Ме ^

Где ри - удельное объемное сопротивле­ние металла; К- постоянная.

Оптимальная степень наполнения покрытий (в зависимости от типа на­полнителя) составляет 25-50 % по объ­ему или 45-85 % по массе. Прово­димость возрастает при применении

Рис. 4.42. Зависимость удельного объем­ного сопротивления полиакрилатного покрытия от объемной доли наполни­телей:

1 - серебро; 2 - карбонил никеля; 3 - медь;

4 - ацетиленовый технический углерод; 5 -

Графит Ху,
Коллоидных металлов, и особенно металлов в состоянии наноча­стиц.

Если использовать ферромагнитные наполнители, например кар­бонил никеля, а формирование покрытий проводить в магнитном поле, то наполнитель распределяется по силовым линиям непрерыв­ными тяжами; в результате получаются покрытия с особенно высо­кими электропроводящими свойствами: р^= КУ^-КГ6 Ом • м.

Для устранения седиментации токопроводящих красок вместо ме­таллов широко применяют керн-пигменты - частицы минеральных наполнителей и стекломикросфер, покрытые тонким слоем металла.

Повышение электропроводности покрытий достигается при при­менении ПАВ, в первую очередь катионоактивных. Особенно полез­но их сочетание с сажей, учитывая положительное влияние ПАВ на ее диспергирование.

Разновидностью токопроводящих покрытий являются антиста­тические. Их основное назначение - снятие статического электриче­ства с поверхности диэлектриков, каковыми являются большинство полимеров и покрытий, и, нередко, обеспечение электропроводности субстратов-диэлектриков при нанесении на них жидких или порош­ковых красок в электрическом поле высокого напряжения. Для антистатических покрытий наиболее важным показателем является удельное поверхностное сопротивление р5, которое должно быть не более Ю10 Ом, а также цвет, особенно при окрашивании помеще­ний. В этом отношении многие электропроводящие составы, в пер­вую очередь с углеродными наполнителями, не всегда оказываются пригодными.

В основном используется три способа получения антистатиче­ских покрытий:

1) обработка поверхности растворами ПАВ;

2) введение ПАВ в состав покрытий;

3) применение электропроводящих наполнителей.

Наименее стабильные результаты дает первый способ. С течени­ем времени из-за испарения и миграции ПАВ внутрь пленки (или субстрата) антистатические свойства утрачиваются, р<> возрастает. Более стабильными получаются покрытия при введении ПАВ в со­став лакокрасочных материалов. Хорошие результаты, в частности, получены при применении катионоактивных ПАВ (соли четвертич­ных аммониевых оснований пиридиния, амидазония, алкамона ДС, алкамона ГН и др.) в количестве 0,3-0,5 %.

Обширную группу антистатиков представляют композиции с электропроводящими наполнителями - оксидами металлов: олова, сурьмы, стронция, индия, представляющими собой высокодисперсные порошки или чешуйки. При их введении в состав пленкообразователей в количестве 0,5-5,0 % образуются прозрачные (лаковые) покрытия с р«> порядка 108 Ом, равно как и пигментированные любого цвета.

Пленкообразователями для получения электропроводящих (в том числе и антистатических) покрытий могут служить разные полиме­ры и олигомеры - полиакрилатные, виниловые, эпоксидные, крем - нийорганические, полиэфирные, полиуретановые. В частности, полу­чили распространение электропроводящие эмали АК-5260, АС-588, ХВ-5211, ХВ-5235, В-АС-980 и др.

Электропроводящие покрытия нашли применение для изготовле­ния печатных плат, в производстве термоэлементов (для обогревае­мой одежды, спальных принадлежностей, стеновых панелей и др.), в качестве подслоя при металлизации пластмасс, для экранирования аппаратуры и конструкций от действия электромагнитных полей и защиты от излучений сверхвысоких частот. Детали с электропроводя­щими покрытиями легко свариваются. Но основное назначение анти­статических покрытий - защита пластмасс и других токонепроводящих материалов от возникновения статического электричества (покрытия на топливных стеклопластиковых цистернах, пластмассовых трубо­проводах для перекачивания нефтепродуктов и прочих изделиях).

Трекингостойкие покрытия. Под Трекингостойкостъю пони­мают способность изолятора противостоять воздействию поверхно­стных частичных электрических разрядов. С явлением трекинга часто сталкиваются при эксплуатации полимерной (например, стеклопла­стиковой) электроизоляции высоковольтного оборудования, рабо­тающего при сверх - и ультравысоких напряжениях. При низкой тре - кингостойкости изоляция нарушается, на поверхности образуется науглероженный след (трек). Чем больше время до образования тре­ка, тем выше трекингостойкость.

Применение лакокрасочных покрытий - один из путей повыше­ния трекингостойкости изоляции. Эффективность их действия, од­нако, избирательна. Наилучшими являются покрытия, обладающие высокой адгезией к подложке и низкими значениями водопоглоще - ния и электрической проводимости (ру = 1016-1017 Ом • м). Так, по стеклопластику и стеклотекстолиту применяются покрытия на основе полиуретановых лаков (УР-293, УР-1161), циклоалифатических эпок­сидных олигомеров и полиорганосилоксанов. Трекингостойкость повышается при введении некоторых наполнителей (например, кар­боната бария) и с увеличением толщины покрытий. При толщине 100 мкм трекингостойкость покрытий из лака УР-1161 - 14 ч, из лака УР-293 (с наполнителями) - 22-24 ч; трекингостойкость стеклопла­стика без покрытий - не более 1,5 ч.

4.6.1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Для определения электрических свойств лакокрасочных покры­тий существуют тестированные методы и приборы. В частности, удельное объемное сопротивление определяют по ГОСТ 6433.2-71, диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических по­терь в зависимости от частоты - по ГОСТ 6433.4-71 или ГОСТ 22372- 77, а электрическую прочность - по ГОСТ 6433.3-71. Для определения пользуются приборами типа ПУС-1, М-218, ИТН-6 или тераомметром Е6-3 (МОМ-4). Принцип измерения основан на оценке напряжения и силы тока, который проходит через образец, находящийся между двумя электродами. В случае порошковых красок применяют табле - тированные образцы. Значение р У рассчитывают по формуле:

Pv — KRx>

Где К - постоянная, определяемая геометрическими размерами электродов; Rx - значение сопротивления по показаниям прибора.

Диэлектрическую проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь определяют с помощью высокочастотного измерителя индук­тивности и емкости Е-7-5А, моста Р-571, куметров типа КВ-1, Е4-7, измерителей добротности типа Е-9-4, Е-9-5 и других приборов. Значе­ние в находят путем сопоставления емкости конденсатора с образцом между обкладками Сд с емкостью воздушного конденсатора Q:

8= Сд/Св.

Тангенс угла диэлектрических потерь рассчитывают по формуле:

Tg 5 = со ДСК,

Где со = 2л/ If - частота, обычно /= 50 Гц); R - сопротивление; Ск - емкость конденсатора.

Электрическую прочность определяют на установке АИИ-70 и др. путем кратковременного воздействия электрическим током высокого напряжения на покрытие, находящееся на медной подложке (фольга, пластинка). Отмечают значение напряжения, при котором происхо­дит пробой, и относят его к толщине покрытия в месте пробоя.