ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЙ ЛАК И СПОСОБ ЕГО НАНЕСЕНИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ ОСНОВУ
ELECTRICALLY INSULATING LACQUER AND METHOD FOR APPLICATION THEREOF 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.
Известны электроизоляционные лаки на основе полиэфирных смол. Так известен электроизоляционный лак ПЭ-939 [1], в состав которого входят полиэфирная смола, органические растворители, полибутилтитанат.
Недостатками этого лака являются низкая термостойкость и низкое содержание сухого остатка, что приводит к выбросам в атмосферу большого объема вредных летучих веществ.
Известен лак УР-9119 УР-9119 [2]. В состав лака УР-9119 входят полиэфирная смола, органические растворители (трикрезол, сольвент, ксилол), отвердитель - блокированный изоцианат, суризон БТТ и катализатор отверждения.
Недостатками лака УР-9119 являются низкая термостойкость и низкая механическая прочность покрытия, а также низкое содержание сухого остатка и, следовательно, большой объем вредных летучих веществ. Кроме того, для получения, используемого в этом составе блокированного триизоцианата, необходимы дефицитные и дорогостоящие компоненты.
Наиболее близким по составу и техническим характеристикам к предлагаемому лаку является лак, описанный в работе [3].
Электроизоляционный лак-прототип включает в себя полиэфир, блокированный изоцианат, органические растворители - трикрезол и сольвент и катализатор отверждения, кроме того, он содержит жидкий или низкоплавкий полиэфир и дополнительно включает эпоксидную смолу, этиленгликоль и глицерин.
Недостатком лака-прототипа является то, что он не обладает электрофоретическими свойствами, поэтому его наносят на металлическую основу, например на медный провод, неравномерными слоями, каждый из которых затем выравнивают по толщине механическими устройствами, например калибрами. Лак наносят послойно (в 8-10 слоев), после каждого из которых его подвергают двойной термообработке: первая термообработка - при относительно невысоких температурах, для удаления растворителей, и последующая высокотемпературная обработка - для запечки (полимеризации лака).
Кроме того, лак-прототип содержит в себе много опасных для здоровья органических растворителей: трикрезол, сольвент, этиленгликоль.
Известен способ нанесения лака 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 [4].
Недостатком изготовления эмалированных проводов 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 [5].
Недостатком способа-прототипа является также 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 высоким затратам энергии. Кроме того, при нанесении на металлическую основу пленки используются лаки с высоким содержанием опасных для здоровья людей растворителей.
Таким образом, лак-прототип и способ-прототип требуют повышенных энергозатрат, и выделяет при их реализации в окружающую среду экологически опасные вещества.
Задачей изобретения является снижение устранение указанных недостатков, связанных со снижением энергозатрат и выбросов вредных летучих веществ в окружающую среду, в результате использования в качестве растворителя дистиллированной воды, упрощения технологии нанесения эмальизоляции на металлическую основу, повышения качества и эксплуатационной надежности изоляции на металлической основе, путем использования заявляемого лака, нового способа его нанесения на металлические основы и новых режимы его термообработки.
Для решения поставленной задачи предлагается лак, в состав которого входит эпоксидная смола, полимеры и органические растворители, кроме того, он дополнительно содержит, в качестве полимера полифенилтетраэпоксилоксон, в качестве растворителей ацетон и дистиллированную воду, кроме того, в него входят алкидно-эпоксидная смола марки ВЭП-0179, диановая эпоксидная смола и триэтиламин, при этом соотношение концентраций компонентов лежит в следующем диапазоне значений, мас.%:
алкидно-эпоксидная смола ВЭП-0179
2,4-3,8
триэтиламин
0,16-0,28
диановая эпоксидная смола
7-7,4
полифенилтетраэпоксилоксан
2,4-3
ацетон
20,1-23,6
дистиллированная вода
остальное,
причем упомянутый лак готовят в три этапа: на первом этапе готовят пленкообразователь, для чего смешивают между собой следующие компоненты, мас.%:
алкидно-эпоксидная смола
2,4-3,8
триэтиламин
0,16-0,28
дистиллированная вода
15-20,
полученный состав перемешивают на лабораторной мешалке со скоростью 240-250 об/мин в течение 1-2 мин, при этом параллельно приготовлению упомянутого водорастворимого пленкообразователя реализуют второй этап, при котором в отдельном сосуде приготавливают водную дисперсию полимера, состоящую из следующих компонентов, мас.%:
диановая эпоксидная смола ЭД-20 с эпоксидным числом 20,8%
7-7,4
полифенилтетраэпоксилоксан
2,4-3
ацетон
20,1-23,6
дистиллированная вода
остальное,
полученную смесь также диспергируют в/на лабораторной мешалке при скорости 240-250 об/мин, в течение 1-2 мин, после чего приступают к третьему этапу приготовления лака, который состоит в том, что после указанных процедур обе смеси сливаются в соотношении 1:1 и перемешиваются в мешалке со скоростью вращения 240-250 об/мин в течение 1-2 мин.
2
Заявляемый лак после его приготовления наносят на металлическую подложку, для чего в него погружают два электрода, 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 0,2-1,5 мА/см в течение 5-15 с, электроосаждают на изделие плотный равномерный электрофоретический осадок пленкообразующего, затем электрод-изделие извлекают из лака, помещают в термошкаф, создают в термошкафу разрежение 50-60 Торр и температуру 30-40°С, выдерживают электрод-изделие при такой температуре 30-50 с, затем извлекают упомянутый электрод-изделие из термошкафа и помещают его на 1-1,5 минуты в печь, внутри которой создают температуру 400-500°С и выдерживают электрод-изделие в течение 1-1,5 мин, после чего электрод-изделие извлекают из печи.
Выбор скоростей перемешивания водорастворимого пленкообразователя и водной дисперсии полимера, а также дополнительного перемешивания этих субстанций на финишном этапе, равных соответственно 240-250 об/мин, и времени перемешивания в течение 1-2 мин, обусловлен прагматическими соображениями. При скоростях перемешивания 240 об/мин и времени перемешивания менее 1 минуты в масса лака не обеспечивает равномерной консистенции. При скорости перемешивания 250 об/мин и времени перемешивания около 1 минуты масса лака приобретает однородную консистенцию, поэтому увеличивать число оборотов и время перемешивания за указанные пределы нецелесообразно.
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. Подают на упомянутый электрод-изделие положительный потенциал относительно второго вспомогательного заземленного электрода и при плотности тока 0,2-1,5 мА/см в течение 5-15 с, электроосаждают на электрод-изделие плотный равномерный электрофоретический осадок пленкообразующего вещества.
Для того чтобы снизить энергозатраты и повысить эффективность способа, электрод-изделие после электроосаждения извлекают из ванны, помещают в термошкаф, в котором создают разрежение 50-60 Торр и температуру 30-40°С, выдерживают электрод- изделие при указанной температуре 30-50 с. Затем извлекают электрод-изделие из термошкафа и помещают его в печь, внутри которой создают температуру 400-500°С, и после 1-1,5 мин изделие извлекают из печи. Первый этап сушки изделия при разрежении 50-60 Торр и температуре 30-40°С необходим для того, чтобы из лаковой пленки удалить влагу: воду и растворители, так как, если пленку сразу поместить в печь с высокой температурой, произойдет мгновенное вскипание воды и растворителей, что приведет к многочисленным локальным нарушениям сплошности пленки, к возникновению в ней многочисленных коверен и трещин.
Выбор диапазона разрежения в 50÷60 Торр в термошкафу обусловлен следующими соображениями. Известно, что чем ниже величина разрежения, тем меньше температура вскипания воды и других растворителей. Например, при разрежении 10 Торр вода закипает при 18°С. Однако для получения низких температур вскипания воды 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 разрежении в 50 Торр, вода начинает кипеть при сравнительно низкой температуре, равной 30°С. При этом происходит плавное испарение влаги, без образования коверен, пузырьков и трещин в пленке. Получение разрежения 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 воды при давлении в 50 Торр, возможность получения указанного разрежения более дешевыми форвакуумными насосами и исключения завышенных требований к герметичности вакуумного термошкафа указывают на нецелесообразность применения более низкого разрежения, чем 50 Торр. При разрежении в 60 Торр вода, содержащаяся в составе лака, закипает при температуре 40°С. Поэтому при создании разрежения более 60 Торр потребуется для обеспечения вскипания воды для электроосажденной пленки поднимать температуру разогрева, что приводит к повышению энергетических затрат при термообработке изоляционной пленки. После удаления воды из осажденной пленки на электроде-изделии остается сухой плотный равномерный осадок, который необходимо только запечь. Поэтому после удаления воды из осажденной пленки электрод-изделие помещают в печь, внутри которой создают температуру 400-500°С, и после 1-1,5 мин изделие извлекают из печи. Выбор указанного температурного режима в печи обусловлен следующими причинами. При температуре ниже 400°С происходит удлинение временного интервала, необходимого для получения качественной пленки. При температуре, превышающей 500°С, в пленке могут возникать трещины и другие дефекты, приводящие к снижению ее электроизоляционных и механических свойств. В указанном температурном режиме 400-500°С происходит ускоренное затвердевание нанесенной на металлическую основу пленки лака, при сохранении ее качественных показателей.
Пример конкретного выполнения. Был изготовлен состав с концентраций компонентов, лежащих в следующем диапазоне значений, мас.%:
алкидно-эпоксидная смола ВЭП-0179
2,4-3,8
триэтиламин
0,16-0,28
диановая эпоксидная смола
7-7,4
полифенилтетраэпоксилоксан
2,4-3
ацетон
20,1-23,6
дистиллированная вода
остальное.
Упомянутый лак готовили в три этапа. На первом этапе готовили пленкообразователь, для чего смешивали между собой следующие компоненты, мас.%
алкидно-эпоксидная смола
2,4-3,8
триэтиламин
0,16-0,28
дистиллированная вода
15-20.
Полученную часть состава перемешивали на лабораторной мешалке со скоростью 240-250 об/мин в течение 1 мин.
Параллельно приготовлению упомянутого водорастворимого пленкообразователя подготавливали дисперсный полимер в отдельном сосуде. Водная дисперсия полимера состояла из следующих компонентов, мас.%:
диановая эпоксидная смола ЭД-20 с эпоксидным числом 20,8%
7-7,4
полифенилтетраэпоксилоксон
2,4-3
ацетон
20,1-23,6
дистиллированная вода
остальное.
На третьем этапе обе смеси, приготовленные на первых двух этапах, сливались вместе в соотношении 1:1 и перемешивались в мешалке со скоростью вращения 240-250 об/мин в течение 1 мин.
2
Приготовленный состав наносился на металлическую медную подложку методом анофореза, для реализации указанного способа нанесения электроизоляционного состава, погружали в упомянутый состав два электрода, один из которых являлся покрываемым изделием, а другой - вспомогательным, подавали на упомянутый электрод-изделие положительный потенциал относительно второго вспомогательного электрода и при плотности тока 1 мА/см в течение 10 с электроосаждали на электрод-изделие плотный равномерный электрофоретический осадок пленкообразующего вещества.
Для дальнейшего развития заявляемого способа нанесения изоляционной пленки на электрод-изделие добивались снижения энергозатрат при термообработке осажденной пленки и повышения эффективности способа. Для этой цели электрод-изделие после электроосаждения извлекали из заявляемого состава и помещали его в термошкаф, в котором создавали разрежение 50-60 Торр и температуру 30-40°С. Выдерживали электрод-изделие при указанной температуре в течение 30-50 с. После чего электрод-изделие извлекали из термошкафа и помещали в печь, внутри которой создавали температуру 450-500°С, и при этой температуре осуществляли термообработку осажденной пленки в течение.
Выбор диапазона разрежения в 50÷60 Торр в вакуумном выпарном аппарате обусловлен следующими соображениями. Известно, что чем ниже величина разрежения, тем меньше температура вскипания воды. Например, при разрежении 10 Торр вода закипает при 18°С. Однако для получения низких температур вскипания воды требуется ужесточать требования к герметичности вакуумного выпарного аппарата и к выбору форвакуумного насоса, что усложняет применение способа на практике и приводит к повышению затрат на изготовление вакуумного аппарата. При разрежении в 50 Торр, вода начинает кипеть при сравнительно низкой температуре, равной 30°С. Получение разрежения в 50 Торр достаточно просто осуществляется относительно дешевыми форвакуумными насосами и может быть получено без особо жестких требований к обеспечению герметичности вакуумного выпарного аппарата. Достаточно низкая температура кипения воды при давлении в 50 Торр, возможность получения указанного разрежения более дешевыми форвакуумными насосами, и исключения завышенных требований к герметичности вакуумного выпарного аппарата указывают на нецелесообразность при удалении из пленки воды применения более низкого разрежения, чем 50 Торр. При разрежении в 60 Торр вода закипает при температуре 40°С. Поэтому при создании разрежения более 60 Торр для обеспечения испарения воды из лаковой пленки потребуется поднимать температуру разогрева электроосажденной пленки на первом этапе ее термообработки до более высоких значений, что приводит к повышению энергетических затрат.
После удаления воды из осажденной пленки электрод-изделие помещали в печь, внутри которой создавали температуру 400-500°С, и после 1-1,5 мин изделие извлекали из печи.
2
Было нанесено две пленки лака на медные проволоки диаметром 1 мм с и длиной 100 см. На одну из проводов был нанесен лак-прототип по способу - прототипу. Лак наносился и механически при помощи соответствующих калибров равномерно выравнивался по длине провода. Всего было нанесено 8 слоев. После каждого слоя пленка лака подвергалась термообработке. Итоговая толщина пленки составляла 40 мкм. Аналогичную толщину пленки получали из заявляемого лака по заявляемому способу при плотности тока 1 мА/см, осаждая пленкообразующее на медную проволоку в течение 10 с. После этого пленку, полученную из заявляемого лака, по заявляемому способу, обезвоживали в вакуумном шкафу при давлении 50 Торр и температуре 30°С в течение 40 с. После чего провод помещали в печь и при температуре в 450°С осуществляли термообработку пленки в течение 1 мин. Провод с пленкой, изготовленной из лака-прототипа по способу-прототипу, и пленку, полученную из заявляемого лака по заявляемому способу, подвергали испытаниям, которые показали, что пленка, изготовленная из заявляемого лака по заявляемому способу, имела электрическую прочность 190 кВ/мм, тогда как пленка, приготовленная из лака-прототипа по способу-прототипу - всего 95 кВ/мм. У пленки, изготовленной из заявляемого лака по заявляемому способу, оказались существенно выше и другие характеристики: удельное объемное сопротивление, устойчивость к химическим реагентам, эластичность и механическая прочность.
Для того чтобы сделать вывод о достижении заявляемого технического результата - повышения механической прочности и пробивного напряжения электроизоляции были проведены эксперименты по исследованию указанных параметров в заявляемом диапазоне количественного состава компонентов электроизоляционного лака.
В таблице 1 приведены экспериментальные данные, показывающие получение технического результата, в заявляемом диапазоне количественного состава компонентов электроизоляционного лака, по которым можно сделать вывод о достижении заявляемого технического результата, - повышения механической прочности и пробивного напряжения электроизоляции, которые представлены в таблице.
Для испытания на электрическую прочность получаемых из заявляемого состава при помощи заявляемого способа изоляционных покрытий наносились упомянутые покрытия на медные пластины длиной 50 мм и шириной 10 мм. Толщина медных пластин была равна 1 мм. После нанесения пленки на упомянутые медные пластины и ее полимеризации микрометром измерялась толщина пленки, после чего при помощи пробивной УПУ-10 устраивали пробой пленки в 3-х точках. Пробой осуществляли с использованием сферического электрода, диаметром 2 мм. Электрическую прочность (пробивную напряженность электрического поля Е) определяли по формуле
,
где U - усредненное по трем точкам пробивное напряжение пленки, кВ,
d - толщина пленки, мм.
Для испытания на адгезионную прочность получаемых из заявляемого состава при помощи заявляемого способа изоляционных покрытий наносилась упомянутые покрытия на медный провод диаметром 1,5 мм.
Адгезия отражает способность изоляции провода выдерживать растяжение, намотку, изгибание или скручивание без образования трещин на изоляции.
Для испытания пленок на адгезионную прочность образец провода в виде прямого отрезка наматывали десятью плотными соприкасающимися друг с другом витками на полированный стержень, диаметром 16 мм. Частота вращения стержня равнялась 2 Гц. Натяжение провода обеспечивало постоянный контакт провода со стержнем. После навивки провода на стержень под микроскопом при 5-кратном увеличении проверялось наличие или отсутствие трещин на пленке.
Испытание проводили на трех образцах, при этом на каждом из образцов фиксировали наличие или отсутствие трещин.
Таблица 1
Композиты
Состав композитов, мас.%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1. Диановая эпоксидная смола
6,097
6,167
6,0
7,39
7,39
7
6,93
7,08
7,14
2. Полифенилтетра-эноксисилоксан
2,438
2,57
2,4
3,0
2,96
2,8
3,08
3,15
3,17
3. Алкидноэпоксидная смола
0,002
0,039
2,3
2,86
2,96
2,68
2,98
1,05
0,24
4. Три этиламин
0,0004
0,0026
0,18
0,17
0,22
0,28
0,31
0,1
0,016
5. Ацетон
26,422
32,12
25
23,53
23,6
20,13
20,0
20,45
20,64
6. Вода
65,04
59,11
64,12
63,5
62,87
67,1
66,7
68,17
68,79
Электрическая прочность, кВ/мм
55
65
150
190
190
180
160
100
80
Механическая (адгезионная) прочность, наличие трещин
трещины
трещины
трещины
нет
нет
нет
трещины
трещины
трещины
Вес всех компонентов
49,2012
77,832
99,88
119
135,3
178,8
194,9
190,69
188,98
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 с 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 состав и заявляемый способ позволяют получить более высококачественные пленки, в частности при одинаковой толщине пленки, приготовленной из заявляемого состава по заявляемому способу, электрическая прочность указанной пленки более чем в 2 раза выше аналогичной по толщине пленки, приготовленной из состава-прототипа по способу-прототипу.
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).
Используемые источники
1. Лак электроизоляционный ПЭ-939 ТУ 16-504.026-74.
2. Лак электроизоляционный УР-9119 ТУ 16-504.032-75.
3. Патент РФ №2111994. / Федосеев М.С.; Спиридонов А.А.; Сурков В.Д.; Рябчевских Ю.В.; Осипова Г.Ф.; Сунцова О.Н./ Электроизоляционный лак для эмаль-проводов./ Заявка: 95122362/04. Дата подачи заявки: 1995.12.26. Опубликовано: 1998.05.27 (Прототип).
4. 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. - c.314-319.
5. Пешков И.К. Обмоточные провода. М.: Энергоиздат, 1988, с.113 (прототип).