СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ОСНОВУ
METHOD OF APPLYING ELECTROINSULATING COATING ON METAL BASE

Изобретение относится к полимерной химии, в частности к получению электроизоляционных термостойких лаков для покрытия металлических подложек, например медных проводов, стальных пластин якорей и статоров электродвигателей, проводников в печатных платах и т.д.
Известен способ нанесения электроизоляционного покрытия лаком на металлическую основу погружением, после чего его механическим путем выравнивают по поверхности металлической основы и изделие с нанесенной на нее пленкой лака перемещают в печь [1].
Недостатком нанесения погружением является то, что он применим только для маловязких масляных лаков, которые имеют высокое содержание пленкообразующих и в значительной степени изменяют вязкость в процессе эмалирования.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ, который заключается в многократном нанесении на металлическую основу пленкообразующего вещества, выравниванием пленки лака по поверхности металлической подложки механическими приспособлениями после каждого последующего нанесенного слоя на металлическую основу, при этом после каждого нанесенного на металлическую основу слоя лака к металлической основе с нанесенным пленкообразующим веществом подводят тепло для его термозапечки, причем тепло к металлической основе подводят в количестве, достаточном для желатинизации пленкообразующего вещества [2].
Недостатком способа-прототипа является то, что пленку эмальизоляции на металлическую основу наносят послойно, и каждый слой выравнивают по поверхности основы механическими приспособлениями. При этом после каждого нанесения и выравнивания пленки ее отверждают, путем воздействия на нее тепловой энергией. Это приводит к неоправданно высокой трудоемкости и высоким затратам энергии.
Задачей изобретения является снижение устранение указанных недостатков, связанных со снижением энергозатрат, упрощения технологии нанесения эмальизоляции на металлическую основу, повышения качества и эксплуатационной надежности изоляции на металлической основе, путем нового способа его нанесения на металлические основы и новых режимов его термообработки.
Для решения поставленной задачи в способе нанесения электроизоляционного покрытия на металлическую подложку, заключающемся в нанесении на металлическую основу пленкообразующего полимера и его полимеризации последующей термообработкой предварительно приготовляют электрофоретический состав на основе лака ПЭ-939 марки B, для чего его смешивают с 1% нашатырным спиртом, этилцеллозольвом и диоксаном при следующих отношениях компонентов электрофоретического состава (в мл/л):
лак ПЭ-939 марки B - (510÷255),
4
1% нашатырный спирт (1% NHOH) - (130÷190),
4
10
2
этилцеллозольв - CHO - (120÷175)
4
8
2
диоксан (CHO) - остальное,
2
затем в приготовленный электрофоретический состав погружают два электрода на расстоянии 10-30 мм, один из которых является электродом-изделием, а другой - вспомогательным электродом, подают на упомянутый электрод-изделие положительный потенциал относительно второго вспомогательного электрода и при плотности тока 2-10 мА/см, в течение 10-20 с, электроосаждают на изделие плотный равномерный электрофоретический осадок пленкообразующего, затем электрод-изделие извлекают из лака, помещают в термошкаф, создают в термошкафу разряжение 40-50 торр и температуру 30-40°C, выдерживают электрод-изделие при такой температуре 20-40 с, затем извлекают упомянутый электрод-изделие из термошкафа и помещают его в печь, внутри которой создают температуру 350-450°C и выдерживают электрод-изделие в течение 60-90 с, после чего электрод-изделие извлекают из печи.
Сущность изобретения заключается в следующем. Лак ПЭ-939 представляет собой раствор полиэфирной смолы, получаемой переэтерификацией полиэтилентерефталата в смеси органических растворителей [3], в исходном состоянии электрофоретическими свойствами не обладает и его наносят на металлическую подложку слоями, с последующим выравниванием каждого слоя механическими устройствами и термообработкой каждого слоя, что усложняет способ и приводит к высоким энерго- и трудозатратам.
Нами же, для устранения недостатков аналогов и способа-прототипа предлагается использовать электрофоретическое осаждение изоляционной пленки на металлическую основу, с последующей термообработкой этой пленки.
Электроосаждение как метод получения лакокрасочных покрытий нашел промышленное применение примерно в середине 60-х годов. Быстрое распространение этого метода связано с целым рядом достоинств, из которых наиболее существенными являются:
a) высокая равномерность получаемых покрытий по толщине и ее относительная независимость от конфигурации и габаритов изделия;
б) более высокая коррозионная стойкость осаждаемых пленок по сравнению с пленками, полученными традиционным способом;
с) высокая экономичность при достаточно большой производительности;
д) возможность регулирования толщины пленок с помощью изменения плотности тока или потенциала;
е) быстрота роста покрытий;
ж) возможность автоматизации технологического процесса и проведение его при обычных условиях (комнатной температуре и нормальном давлении).
Электрохимические полимерные покрытия - одно из направлений современного развития лакокрасочной технологии.
Практическое применение электрохимических полимерных покрытий сдерживается недостаточной изученностью процессов формирования пленки на подложке.
Методика нанесения электроизоляционного покрытия на металлическую основу состоит в следующем. В ванну с электрофоретическим составом погружается изделие, к которому подведен один из полюсов источника постоянного тока. Под действием постоянного электрического поля в среде с высокой диэлектрической проницаемостью осуществляется перенос ионов или ионизированных мицелл пленкообразователя в направлении приложенного поля (к изделию). Осаждение пленкообразующего материала начинается на острых кромках и выступах изделия, плотность заряда на которых наиболее высока. По мере увеличения осажденного слоя происходит перераспределение силовых линий поля, и пленка равномерной толщины покрывает все изделие.
Выход осадка зависит от продолжительности электроосаждения и от количества поглощенного электричества и лимитируется электрическим сопротивлением полученного слоя. По мере нарастания толщины покрытия она вначале возрастает линейно от времени осаждения, затем, при достижении некоторой критической толщины пленки, зависящей от свойств состава, происходит уменьшение плотности тока и снижение скорости электроосаждения. Поэтому электроосаждение можно рассматривать как процесс с саморегулирующимися значениями толщины и сплошности покрытий.
Полиион пленкообразующего в составе должен нести заряд, противоположный по знаку заряду изделия. В соответствии с этим различают электроосаждение на аноде, или анодное осаждение (анафорез), и электроосаждение на катоде, или катодное осаждение (катафорез).
Основное достоинство электрофоретического осаждения пленкообразующего, по сравнению с традиционными методами - возможность наложения равномерной изоляции необходимой толщины за один цикл, в том числе и на острых углах изделий, поскольку толщина наносимого покрытия легко регулируется изменением подаваемого на электроды напряжения и времени электроосаждения.
Основными характеристиками электрофоретических систем являются: рассеивающая способность, условный выход по току, удельная электропроводность.
Под рассеивающей способностью понимают свойство лакокрасочного материала проникать в труднодоступные места изделий и образовывать равномерные по толщине покрытия. Рассеивающая способность зависит от режима электроосаждения и от состава материала (пленкообразующего, растворителя, электролита и др.).
Условный выход по току показывает, сколько лакокрасочного материала осаждается на поверхности изделия при протекании определенного количества электричества. Этот показатель важен для оценки энергозатрат.
Удельная электропроводность - величина, показывающая способность лакокрасочного материала проводить электрический ток. Она зависит от природы пленкообразующего, рН (кислотности) и температуры состава. Поскольку единой теории электрофореза нет, то поиск составов, обладающих электрофоретическими свойствами, и отработка режимов электрофореза осуществляется экспериментально.
Для изоляции проводов электродвигателей по нагревостойкости, соответствующей классу F (155°С) или классу Н (180°С), используют наиболее распространенный в отечественной кабельной промышленности лак электроизоляционный ПЭ-939 ТУ 16-504.026-74 [3].
В исходном состоянии лак ПЭ-939 не обладает электрофоретическими свойствами и его наносят на поверхность движущейся проволоки последовательными слоями, пропуская проволоку через узел нанесения эмали и калибры, соответствующего диаметра. Каждый слой нанесенной эмалевой пленки подвергают тепловому воздействию, в процессе которого пленку отверждают.
Лак ПЭ-939 выпускают трех марок А, Б и В, отличающихся по вязкости, которая определяется количеством пленкообразующего в нем. Наиболее вязким является лак ПЭ-939 марки В.
Выявление оптимального компонентного соотношения в электрофоретическом составе осуществляли экспериментальным путем, с применением теории планирования эксперимента. Было выявлено, что процесс электроосаждения эмальизоляции можно реализовать при следующих отношениях компонентов электрофоретического состава (в мл/л):
лак ПЭ-939 марки В - (510÷255),
4
1% нашатырный спирт (1% NHOH) - (130÷190),
4
10
2
этилцеллозольв - СНО - (120÷175)
4
8
2
диоксан (СНО) - остальное.
Электрофоретическое осаждение пленкообразующего происходит при всех указанных соотношениях компонентов. Выход концентрации компонентов электрофоретического состава за указанные диапазоны приводит к снижению качественных показателей эмальизоляции (равномерность пленки, электрическая и механическая прочность и др.).
2
2
2
2
При указанном соотношении компонентов электрофоретического состава величина получаемой толщины электрофоретической пленки зависит от плотности тока электрофореза и времени проведения электроосаждения. Было установлено, что качественные пленки получаются в диапазоне плотностей тока от 2 мА/см до 10 мА/см. При плотностях тока с величиной меньше 2 мА/см пленка становится рыхлой, и качество эмальизоляции ухудшается. Увеличение плотностей тока за 10 мА/см приводит к повышенному растворению материала проволоки, к дефектообразованию в осажденной пленке, что также ухудшает качество электроизоляционного покрытия.
Время проведения электроосаждения пленкообразующего зависит от плотности тока и требуемой толщины пленки. Рассмотрим процесс нанесения эмальизоляции более подробно.
2
Приготовленный состав обладает электрофоретическими свойствами и его можно наносить на металлическую основу методом анофореза. Для реализации покрытия металлической основы пленкой указанного лака путем электроосаждения погружают в упомянутый состав два электрода, один из которых является покрываемым изделием, а другой вспомогательным. Расстояние между электродами устанавливают в диапазоне 10-30 мм. Подают на упомянутый электрод-изделие положительный потенциал относительно второго вспомогательного заземленного электрода и при плотности тока 2-10 мА/см, в течение 10-20 с, электроосаждают на электрод-изделие плотный равномерный электрофоретический осадок пленкообразующего вещества.
Выбор диапазона времен 10-20 с электроосаждения обусловлен наиболее распространенными на практике толщинами изоляционных покрытий на металлической подложке, который колеблется в диапазоне от 10 до 50 мкм. Время, необходимое для получения толщины покрытий, лежащих в указанном диапазоне, должно лежать в диапазоне 10-20 с. Указанный нами в заявляемом способе диапазон охватывает наиболее распространенные толщины изоляционных покрытий на металлических подложках, хотя следует отметить, что изоляционные пленки, получаемые при помощи заявляемого способа, можно варьировать от 1 мкм до 150 мкм, что, естественно, определяется плотностью тока и временем электроосаждения.
Выбор расстояния между электродами 10-30 мм обусловлен следующими обстоятельствами. Качество электроизоляционного покрытия на металлическую основу зависит от ряда факторов, одним из которых является рассеивающая способность электрофоретического состава, которая связана также и с межэлектродным расстоянием. При расстояниях меньше 10 мм рассеивающая способность снижается, что влияет на равномерность покрытия. При расстоянии между электродами более 30 мм возрастает электрическое сопротивление электрофоретического состава между электродами, что приводит к необходимости повышения напряжения для того, чтобы попасть в оптимальный диапазон плотностей тока электрофореза. Данное обстоятельство приводит, в свою очередь, к неоправданному повышению энергозатрат.
Для того, чтобы снизить энергозатраты и повысить эффективность способа, электрод-изделие после электроосаждения извлекают из ванны, помещают в термошкаф, в котором создают разряжение 50-60 торр и температуру 30-40°С, выдерживают электрод-изделие при указанной температуре 10-20 с. Затем извлекают электрод-изделие из термошкафа и помещают его в печь, внутри которой создают температуру 350-450°С, и после 60-90 с изделие извлекают из печи. Первый этап сушки изделия при разряжении 50-60 торр и температуре 30-40°С необходим для того, чтобы из осажденной на металлическую основу пленки удалить растворители, так как если пленку сразу поместить в печь с высокой температурой, произойдет мгновенное вскипание растворителей, что приведет к многочисленным локальным нарушениям сплошности пленки, к возникновению в ней многочисленных коверен и трещин.
Выбор диапазона разряжения в 50-60 торр в термошкафу обусловлен следующими соображениями. Известно, что чем ниже величина разряжения, тем меньше температура вскипания воды и других растворителей. Например, температура кипения диоксана при нормальном давлении составляет 101°С. При разряжении 10 торр диоксан закипает при 18°С. Однако для получения низких температур вскипания диоксана требуется ужесточать требования к герметичности вакуумного термошкафа и к выбору форвакуумного насоса, что усложняет применение способа на практике и приводит к повышению затрат на изготовление вакуумного термошкафа. При разряжении в 50 торр, растворители начинает кипеть при сравнительно низкой температуре, равной 30°С. При этом происходит плавное испарение влаги, без образования коверен, пузырьков и трещин в пленке. Получение разряжения в 50 торр достаточно просто осуществляется относительно дешевыми форвакуумными насосами и может быть получено без особо жестких требований к обеспечению герметичности вакуумного термошкафа. Достаточно низкая температура кипения растворителей при давлении в 50 торр, возможность получения указанного разряжения более дешевыми форвакуумными насосами и исключения завышенных требований к герметичности вакуумного термошкафа указывают на нецелесообразность применения более низкого разряжения, чем 50 торр. При разряжении в 60 торр растворители, содержащиеся в электрофоретическом составе, закипают при температуре 40°С. Поэтому при создании разряжения более 60 торр потребуется для обеспечения вскипания растворителей в электроосажденной пленке поднимать температуру разогрева, что приводит к повышению энергетических затрат при термообработке изоляционной пленки. После удаления растворителей из осажденной пленки на электроде-изделии остается сухой плотный равномерный осадок, который необходимо только запечь. Поэтому после удаления растворителей из осажденной пленки электрод-изделие помещают в печь, внутри которой создают температуру 350-450°С, и после 60-90 с изделие извлекают из печи. Выбор указанного температурного режима в печи обусловлен следующими причинами. При температуре ниже 350°С происходит удлинение временного интервала, необходимого для получения качественной пленки. При температуре, превышающей 450°С, в пленке могут возникать трещины и другие дефекты, приводящие к снижению ее электроизоляционных и механических свойств. В указанном температурном режиме 350-450°С происходит ускоренное затвердевание нанесенной на металлическую основу пленки лака, при сохранении ее качественных показателей.
Пример конкретного выполнения. Предварительно приготовляли электрофоретический состав на основе лака ПЭ-939 марки В, для чего его смешивали с 1% нашатырным спиртом, этилцеллозольвом и диоксаном при следующих соотношениях компонентов электрофоретического состава (в мл/л):
лак ПЭ-939 марки В - 382,
4
1% нашатырный спирт (1% NHOH) - 160,
4
10
2
этилцеллозольв - СНО - 147,
4
8
2
диоксан (CHO) - остальное.
2
Приготовленный состав наносился на металлическую медную подложку, методом анафореза. Для реализации указанного способа нанесения электроизоляционного состава погружали в упомянутый состав два медных электрода, установленных на расстоянии 15 мм друг от друга. Электроды представляли собой медные пластины, толщина которых была равна 1 мм, ширина - 20 мм и длина 40 мм. Один из электродов (анод) являлся покрываемым изделием, а другой электрод (катод) являлся вспомогательным электродом. На электрод-изделие (анод) подавали положительный потенциал относительно второго вспомогательного электрода (катода) и при плотности тока 5 мА/см, в течение 15 с, электроосаждали на электрод-изделие плотный равномерный электрофоретический осадок пленкообразующего вещества, что обеспечивало толщину изоляционного покрытия 40 мкм.
Электрод-изделие после электроосаждения извлекали из электрофоретического состава и помещали его в термошкаф, в котором создавали разряжение 55 торр и температуру 35°С. Выдерживали электрод-изделие при указанной температуре в течение 40 с. После чего электрод-изделие извлекали из термошкафа и помещали в печь, внутри которой создавали температуру 400°С, и при этой температуре осуществляли термообработку осажденной пленки в течение 80 с, после чего изделие-электрод извлекали из печи. Для сравнения заявляемого способа со способом-прототипом на одну из медных пластин, размеры которой были полностью идентичны размерам указанных выше электродов в заявляемом способе, наносили изоляционное покрытие по способу-прототипу. Лак ПЭ-933 марки В наносился путем окунания, после чего механически равномерно выравнивался по поверхности пластины. Всего было нанесено 8 слоев. После нанесения каждого слоя пленка лака подвергалась термообработке в течение 90 с. Итоговая толщина пленки составляла 40 мкм. Электроизоляционное покрытие, изготовленное по способу-прототипу, и пленку, полученную по заявляемому способу, подвергали испытаниям, которые показали, что пленка, изготовленная по заявляемому способу, имела электрическую прочность 210 кВ/мм, тогда как пленка приготовленная из лака-прототипа по способу-прототипу, - всего 85 кВ/мм. У пленки, изготовленной по заявляемому способу, оказались существенно выше и другие характеристики: удельное объемное сопротивление, устойчивость к химическим реагентам, эластичность и механическая прочность.
Таким образом, заявляемый состав и способ, имеют следующие преимущества перед составом-прототипом и способом-прототипом:
- заявляемый состав обладает электрофоретическими свойствами и его, по сравнению, с лаком-прототипом, можно осаждать на металлические основы путем электроосаждения;
- способ-прототип позволяет наносить изоляционную пленку требуемой толщины только механически, путем многократных послойных нанесений, с последующим механическим выравниванием каждого слоя и его термообработкой, тогда как заявляемый способ позволяет получать равномерную пленку заданной толщины без применения выравнивающих механических приспособлений всего за один проход, с минимальными затратами тепла на нее термообработку;
- заявляемый способ позволяет получить более высококачественные пленки, в частности, при одинаковой толщине пленки, приготовленной по заявляемому способу, электрическая прочность указанной пленки более чем в 2 раза выше аналогичной по толщине пленки, приготовленной по способу-прототипу;
- трудоемкость и энергозатраты для нанесения электроизоляционных покрытий на металлическую основу по заявляемому способу в несколько раз ниже, чем по способу-прототипу, так в приводимом выше примере оба указанных выше показателя в заявляемом способе ниже в 8-10 раз.
Дополнительные преимущества электроосаждения перед типовыми способами нанесения изоляционных покрытий на металлические основы, как это следует из литературных источников, следующие:
а) высокая равномерность получаемых покрытий по толщине и ее относительная независимость от конфигурации и габаритов изделия;
б) более высокая коррозионная стойкость осаждаемых пленок по сравнению с пленками, полученными традиционным способом;
с) высокая экономичность при достаточно большой производительности;
д) возможность регулирования толщины пленок с помощью изменения плотности тока или потенциала;
е) быстрота роста покрытий;
ж) возможность автоматизации технологического процесса и проведение его при обычных условиях (комнатной температуре и нормальном давлении).
Источники информации
1. Производство кабелей и проводов: Учебник для техникумов / Н.И.Белоусов, P.M.Лакерник, Э.Т.Ларина и др.; Под ред. Н.И.Белоусова и И.Б.Пешкова. - М.: Энергоиздат, 1981. - С.314-319.
2. Пешков И.К. Обмоточные провода. М.: Энергоиздат, 1988, с.113 (прототип).
3. Лак электроизоляционный ПЭ-939 ТУ 16-504.026-74.