Электроизоляционные свойства полимерных покрытий
Приведены основные электрические характеристики покрытий из отечественных порошковых красок, лакокрасочных материалов (ЛКМ) и компаундов: удельное объемное электрическое сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь, пробивное напряжение, диэлектрическая проницаемость. Рассмотрены свойства покрытий как в исходном состоянии, так и после теплового старения на воздухе и в гидростате.
Технический уровень современных электрических машин, электронной и радиоаппаратуры в значительной степени определяется характеристиками электротехнических материалов. Важнейшие технико-экономические показатели указанного оборудования (масса, габарит, мощность, надежность, технологичность, трудоемкость изготовления и др.) зависят от качества применяемых материалов. Среди материалов электротехнического назначения большой объем принадлежит полимерам и синтетическим смолам. На долю электротехнической промышленности приходится 20% применения этих материалов.
Новым направлением в электротехнике является изоляция различного вида деталей и оборудования покрытиями из полимерных порошковых красок, лакокрасочных материалов и компаундов [1–3]. Материалы для таких покрытий наряду с высокими диэлектрическими и механическими свойствами должны обладать термической стабильностью и влагостойкостью, которые позволят сохранить длительную работоспособность покрытия при заданных силе тока и напряжении, а также выдерживать большие нагрузки и повышенные температуры без изменения своих характеристик [4–8].
Основные электрические свойства покрытий из отечественных порошковых красок, лакокрасочных материалов и компаундов в исходном состоянии, а также после теплового старения на воздухе и в гидростате (при температурах 40-60°С и влажности 98%) приведены в табл. 1 и 2 [9].
Видно, что электрические свойства многих покрытий позволяют использовать их в качестве электроизоляционных материалов.
Малые величины диэлектрических характеристик и их высокая стабильность в широком диапазоне частот (рис. 1 и 2) позволяют применятьпокрытия из полиолефинов в высокочастотной технике. У сополимеров фторопластов с увеличением частоты выше 105-106 Гц диэлектрические потери существенно не возрастают.
При повышении температуры у всех полимеров наблюдается увеличение диэлектрических потерь (рис. 3 и 4).
Величина потерь зависит от материала пленкообразователя. Для компаунда ЭП-49А в области температур 393–413 К наблюдается максимум дипольно-релаксационных потерь. После перехода минимума значений при температуре 413 К покрытие ЭП-49А ведет себя аналогично другим материалам. Наименьшие потери с ростом температуры наблюдаются у фторопластов и эпоксидных компаундов УП-2155 и ЭВН-10.
Тепловое старение сначала, как правило, улучшает электрические характеристики покрытий, что объясняется удалением влаги из низкомолекулярных соединений и структурированием. С накоплением полярных групп в покрытии, связанным с термодеструкцией пленкообразователя, свойства начинают снижаться. Наиболее термостойкими являются покрытия Ф-40ДП, Ф-4МБ и ПДФ-10 (см. табл. 1).
Электрическое старение полимеров ускоряет влага, при поглощении которой растут диэлектрические потери и уменьшается электросопротивление. Гидрофобные полимеры (полиолефины, фторопласты, пентапласты), имеющие низкое водопоглощение, после выдержки в гидростате снижают свои характеристики незначительно, у гидрофильных (поливинилбутираль, компаунды ЭП-49Д и ЭП-49С) ρν снижается на 7–8 порядков, tgd - на 1–2 порядка.
Таблица 1
Электрические свойства покрытий
Покрытие | Условия старения | Темпера- тура испытания, °С | rv, Ом×см | tg d | Диэлектрическая проницаемость e | Пробивное напряжение Е, кВ/см |
ПЭВП+4% (по массе) Cr2О3 | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1015 | 0,0015 | 2,6 | 20-30 |
В гидростате (8 сут) | 20 | 2×1013 | 0,002 | – | 30 | |
ПЭВП+1,5% (по массе) сажи | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 2×1012 | 0,01 | 3,3 | 30 |
В гидростате (8 сут) | 20 | 3×1010 | 0,015 | – | 25 | |
ПЭВП (термостабилизированный)+1,5% (по массе) Cr2О3 | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1015 | 0,0013 | – | 30 |
На воздухе | 100 | 1014 | 0,0013 | – | - | |
ПЭНП (сшитый) | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1014 | 0,0022 | - | 20 |
На воздухе | 100 | 7×1011 | 0,0022 | - | - | |
ПВЛ-212 | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 2×1013 | 0,0045 | 3,8 | 20 |
Пентапласт А-2 | -«- | 20 | 2,5×1016 | 0,0011 | 3,1 | 36-45 |
Фторопласт Ф-30П | -«- | 20 | 1016 | 0,002 | 2,7-2,9 | > 20 |
Фторопласт Ф-40ДП | -«- | 20 | 1016 | 0,0014 | 3,1 | > 20 |
Фторопласт Ф-4МБ | -«- | 20 | 0,6×1016 | 0,001 | 2,1–2,2 | 37 |
П-ЭП-91 (серая) | -«- | 20 | 3×1014 | 0,006 | 4,8 | - |
П-ЭП-177: серая |
-«- |
20 |
3,8×1016 |
0,004 |
4,2–4,5 |
35 |
| На воздухе | 150 | 3×109 | 0,31 | 6,49 | 17–19 |
| В гидростате (30 сут) | 20 | 1,9×1014 | 0,03 | 5,6 | – |
зеленая | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 3,1×1016 | - | - | 40–45 |
П-ЭП-534 (серая) | -«- | 20 | 3,1×1016 | – | 4,0–4,5 | 30–35 |
В гидростате (30 сут) | 20 | 6×1015 | – | 5,5 | – | |
П-ЭП-971: серая
|
Без старения (в исходном состоянии) |
20 |
1,5×1015 |
0,049 |
3,9 |
95 |
красно-коричневая | В гидростате (30 сут) | 20 | 1,7×1015 | 0,04 | 3,4 | 65 |
ЭП-49А
| Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1016 | 0,005 | 3,5 | 60-80 |
На воздухе | 130 | 1010 | 0,25 | 4,5 | 40-44 | |
В гидростате (56 сут) | 20 | 1012 | 0,05 | 5,0 | 31-43 | |
ЭП-49Д
| Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1016 | 0,006 | 4,0 | 55-70 |
На воздухе | 130 | 109 | 0,8 | 5,5 | 25-35 | |
В гидростате (56 сут) | 20 | 107 | 0,8 | 6,0 | 19-22 | |
ЭП-49С | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1015 | 0,02 | 4,3 | 30 |
В гидростате (56 сут) | 20 | 6×108 | 0,5 | 16,0 | 7,5 | |
УП-2155 | Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 8×1015 | 0,002* | 3,05 | 40 |
В гидростате (56 сут) | 20 | 4×1015 | 0,034* | 3,8 | 40 | |
ЭВН-10
| Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1013 | 0,01 | 3,5 | 54-64 |
На воздухе | 130 | 1011 | 0,05 | 3,8 | 30-35 | |
В гидростате (56 сут) | 20 | 1012 | 0,14 | 3,6 | 18-20 | |
ПДФ-10
| Без старения (в исходном состоянии) | 20 | 1015 | 0,01 | 3,0 | 50-60 |
На воздухе | 250 | 1012 | 0,03 | 3,5 | 15-20 | |
В гидростате (56 сут) | 20 | 1014 | 0,01 | 3,5 | 20-25 |
* Характеристики определены при частоте 106 Гц, в остальных случаях – при 103 Гц.
Таблица 2
Влияние теплового старения на электроизоляционные свойства покрытий
Покрытие | Условия старения | rv, Ом×см | tg d | Электри- ческая прочность U, кВ/мм | Диэлектрическая проницаемость e | |
температура, °С | продолжительность, ч | |||||
ПЭВП+4% (по массе) Cr2О3 | 70 | 200 | 1015 | 0,001 | – | 3,1 |
| 500 | 1015 | 0,0009 | – | 3,0 | |
ПЭВП+1,5% (по массе) сажи | 70 | 500 | 1012 | 0,022 | – | 3,9 |
ПВЛ-212 | 70 | 500 | 1015 | 0,0018 | – | 3,9 |
Пентапласт А-2 | 120 | 1000 | 2,5×1016 | 0,0011 | 35–40 | 3,1 |
Фторопласт Ф-30П | 130 | 500 | 1016 | 0,0015 | >20 | 2,7-2,9 |
Фторопласт Ф-4МБ | 200 | 1000 | 5,4×1017 | 0,0015 | 20 | 2,1 |
П-ЭП-91 (серая) | 120 | 1000 | 2,8×1013 | 0,004 | – | 4,5 |
П-ЭП-177 (серая) | 130 | 1000 | 4,5×1016 | 0,003 | 40 | 3,8 |
180 | 100 | 2,0×1016 | – | 20 | – | |
ЭП-49А | 180 | 500 | 2,5×1015 | – | 25 | – |
| 100 | 9,6×1016 | – | 17 | – | |
УП-2155 | 200 | 100 | (4,5-6,8)×1016 | – | 34 | – |
| 1000 | 5,5×1015 | – | 28 | – | |
Рисунок 1. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь покрытий от частоты f:
1 – ПЭВП (сшитый); 2 – ПЭВП (сшитый; после старения в воздушной среде при 100°С, 500 ч); 3 – ПЭВП (термостабилизированный); 4 – фторопласт Ф-40ДП; 5 – фторопласт Ф-30П
Рисунок 2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь покрытия из фторопласта Ф-3 от температуры при частоте 103 (1) и 106 Гц (2)
Рисунок 3. Влияние температуры на тангенс угла диэлектрических потерь покрытий из термопластичных (а) и термореактивных полимеров (б)
Рисунок 4. Зависимость удельного объемного сопротивления ρv покрытий от температуры
Рисунок 5. Зависимость электрической прочности напыленных покрытий ЭП-49А (1) и ЭВН-10 (2) от их толщины
В целом по электрическим свойствам порошковые покрытия лучше покрытий на основелакокрасочных изоляционных материалов и несколько уступают пленочным, которые характеризуются высокой однородностью и сплошностью [10]. Известно, что из порошковых полимеров чрезвычайно трудно получать сплошные, без точечных несквозных пор, покрытия толщиной менее 100 мкм [11], поэтому в отличие от лакокрасочных и полимерных пленок электрическая прочность порошковых покрытий проходит через максимум значений (рис. 5). Оптимальная толщина электроизоляционных покрытий составляет 200-400 мкм. С увеличением толщины вероятность образования пор и других включений возрастает, и электрическая прочность любых полимерных диэлектриков, в том числе покрытий, снижается [12–14].
Приведенные результаты подтверждают возможность использования порошковых материалов в качестве изоляции в электроизоляционной технике. Наиболее эффективно применение порошковых красок, лакокрасочных материалов и компаундов для изоляции пазов и полюсов малогабаритных электрических машин переменного и постоянного тока, изолирования шин распределительных устройств и инструмента, корпусной изоляции приборов и аппаратов, влагозащиты и электроизоляции плат печатного монтажа, герметизации обмоток малогабаритных трансформаторов, дросселей, сопротивлений, конденсаторов, резисторов и многих других деталей электротехнического и радиоэлектронного оборудования, а также комплексной защиты изделий, работающих в контакте с жидкими или газообразными агрессивными средами, например аккумуляторов, топливо- и маслоизмерительной аппаратуры и др. [15–20].
- Чеботаревский В.В., Кондрашов Э.К. Технология лакокрасочных покрытий в машиностроении. М.: Машиностроение. 1978. С. 214–220.
- Варденбург А.К., Пилипосян П.М. Электрическая напыленная изоляция. М.: Энергоатомиздат. 1984. С. 43–45.
- Каблов Е.Н. Коррозия или жизнь //Наука и жизнь. 2012. №11. С. 16–21.
- Каблов Е.Н. Химия в авиационном материаловедении //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 3–4.
- Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7–17.
- Лакокрасочные покрытия /В кн. История авиационного материаловедения: ВИАМ – 75 лет поиска, творчества, открытий; Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: Наука. 2007. С. 152–158, 326.
- Лакокрасочные покрытия /В кн. История авиационного материаловедения. ВИАМ – 80 лет: годы и люди /Под общ. ред. Е.Н. Каблова. М.: ВИАМ. 2012. C. 319–329.
- Кондрашов Э.К., Кузнецова В.А., Семенова Л.В., Лебедева Т.А., Малова Н.Е. Развитие авиационных лакокрасочных материалов //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2012. №5. С. 49–54.
- Кондрашов Э.К., Кузнецова В.А., Семенова Л.В., Лебедева Т.А. Основные направления повышения эксплуатационных, технологических и экологических характеристик лакокрасочных покрытий для авиационной техники //Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. №1. С. 96–102.
- Бейдер Э.Я., Петрова Г.Н. Свойства покрытий из порошковых красок //Авиационные материалы и технологии. 2003. №2. С. 61–73.
- Бейдер Э.Я., Петрова Г.Н. Электроизоляционные свойства порошковых покрытий /В сб. Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ. 2003. №2. С. 73–78.
- Бейдер Э.Я., Петрова Г.Н., Кондрашов Э.К. Покрытия из порошковых фторопластов //Пластические массы. 2013. №1. С. 50–52.
- Семенова Л.В., Малова Н.Е., Кузнецова В.А., Пожога А.А. Лакокрасочные материалы и покрытия //Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 315–327.
- Семенова Л.В., Родина Н.Д., Нефедов Н.И. Влияние шероховатости систем лакокрасочных покрытий на эксплуатационные свойства самолетов //Авиационные материалы и технологии. 2013. №2. С. 37–40.
- Бейдер Э.Я., Донской А.А., Железина Г.Ф., Кондрашов Э.К., Сытый Ю.В., Сурнин Е.Г. Опыт применения фторполимерных материалов в авиационной технике //Российский химический журнал. 2008. Т. LII. №3. С. 30–44.
- Нефедов Н.И., Семенова Л.В. Тенденции развития в области конформных покрытий для влагозащиты и электроизоляции плат печатного монтажа и элементов радиоэлектронной аппаратуры //Авиационные материалы и технологии. 2013. №1. С. 50–52.
- Нефедов Н.И., Семенова Л.В. Нанесение лакокрасочных покрытий методом «сырой по сырому» //Авиационные материалы и технологии. 2013. №4. С. 39–42.
- Нефедов Н.И., Семенова Л.В., Оносова Л.А. Исследование процессов отверждения фторполимерных композиций //Все материалы. Энциклопедический справочник. 2013. №11. С. 23–27.
- Ларионов С.А., Деев И.С., Петрова Г.Н., Бейдер Э.Я. Влияние углеродных наполнителей на электрофизические, механические и реологические свойства полиэтилена //Труды ВИАМ. 2013. №9. Ст. 04 (viam-works.ru).
- Бейдер Э.Я., Петрова Г.Н. Влияние полимерных покрытий на усталостно-коррозионную прочность металлов /В сб. Авиационные материалы и технологии. Вып. «Термопластичные материалы». М.: ВИАМ. 2004. С. 23–28.