Любой материал и изделия из него обладают определенными значениями свойств, которые определяют его возможные области применения и дают преимущества или недостатки перед другими материалами и изделиями. Для расширения областей применения, повышения эффективности использования, усиления преимуществ и уменьшения недостатков проводят модификации материалов с помощью добавок, совершенствуют технологии их получения и производства, создают изделия и конструкции из нескольких слоев, где каждый слой выполняет свои собственные функции.
Последний способ отличается универсальностью, сочетая в себе простоту и широкие возможности по комбинированию слоев, один из которых является основным и в большинстве случаев выполняет функции несущего каркаса для изделия или конструкции. Наносимые на эту основу слои выполняют одну или несколько функций, среди которых наиболее часто присутствуют теплоизоляция, гидроизоляция, пароизоляция, электроизоляция, огнезащита, а также защита от других внешних факторов и придание эстетичного внешнего вида [1–3]. При этом наносимые слои необходимо наносить в определенной последовательности таким образом, чтобы наружные слои выполняли в первую очередь функции защиты от внешних воздействий различного характера и природы, а промежуточные слои, находящиеся между наружным или наружными и основным слоями, придавали дополнительные свойства материалу или конструкции, например снижали теплопроводность.
В зависимости от того, какие функции выполняют наружные или промежуточные защитные слои, их выполняют из различных материалов, среди которых наиболее распространенными являются материалы на полимерной основе, на основе стекла (эмали, глазури и др.), керамики, металлов и их сплавов, а также композиционные материалы, в которых перечисленные материалы являются связующими или наполнителями [4–6].
Одними из самых широких возможностей обладают композиционные материалы на полимерных связующих за счет большого разнообразия полимерных материалов, а также благодаря практически неограниченным сочетаниям как разных полимеров, так и разных наполнителей между собой [7–9].
В последнее время для получения материалов с высокими физико-механическими, в том числе по гидрофобным и адгезионным показателям, диэлектрическими и другими характеристиками, в качестве полимерных связующих часто используют различные кремнийорганические олигомеры и сополимеры [10–12]. Однако полиорганосилоксановые материалы обладают сравнительно невысокими физико-механическими свойствами, поэтому их наполняют различными наполнителями, в том числе оксидами различных металлов, таких как железо, цинк, титан и т.д. [13]. При этом существенно снижаются диэлектрические характеристики получаемых композиционных материалов, так как упомянутые оксиды металлов являются полупроводниками, что не дает использовать данные материалы в качестве электроизоляционных. В связи с этим большой научный и практический интерес представляет подбор составов полимерных композиций с наполнением оксидами других металлов, чтобы при повышении физико-механических свойств сохранялись и высокие диэлектрические характеристики.
Целью данной работы является разработка полиорганосилоксановой композиции с использованием оксидов алюминия и галлия для получения электроизоляционных покрытий с высокими эксплуатационными и технологическими показателями.
Материалы и методы исследования
Основой разрабатываемой полимерной композиции являлся низкомолекулярный диметилсилоксановый каучук СКТН-А по ГОСТ 13835-73. Данное полиорганосилоксановое связующее представляет собой раствор диметилсилоксановой смолы с концентрацией 48–52% в ароматическом растворителе, стабилизировано активной окисью кремния и отверждается катализаторами холодного отверждения. СКТН-А отличается условной вязкостью 90–150 с, потерями массы не более 2%, термостабильностью не более 2%. Материалы и покрытия, полученные при помощи данного связующего, могут эксплуатироваться при температурах от -60 до +250 °С.
В качестве отвердителя холодного отверждения для выбранного полиорганосилоксанового связующего применялся катализатор К-18 по ТУ 6-02-805-75, который представляет собой раствор диэтилдикаприлата олова в этилсиликате при соотношении 1:4 соответственно. В качестве модифицирующих наполнителей применяли активный оксид алюминия Al2O3 марки АОА-2 по ГОСТ 8136-85 для повышения диэлектрических характеристик и оксид галлия Ga2O3 по ТУ 6-09-3729-80 для повышения физико-механических и электрофизических показателей.
Полимерную композицию получали путем первоначального перемешивания диметилсилоксанового каучука с оксидами алюминия и галлия в определенных данным экспериментом пропорциях в течение 25–30 мин. Затем к полученной смеси добавлялось заданное проводимым исследованием количество катализатора К-18 для перемешивания в течение 10 мин. Обе стадии перемешивания проводились без нагревания. Полученная композиция методом полива через фильеру наносилась на предварительно обезжиренные подложки из стали и алюминия. Отверждение композиции с получением покрытия проводилось в течение 72 ч при температуре 20–25 °С.
Адгезия полученных электроизоляционных покрытий к стальной и алюминиевой подложкам определялась при помощи адгезиометра ПСО-МГ4 по ГОСТ28574-90 методом отрыва стального цилиндра диаметром 20 мм, приклеенного к нанесенному и отвержденному покрытию.
Для определения электрической проводимости полученных покрытий использовалась измерительная ячейка, состоящая из подвижного и неподвижного электродов, изготовленных из нержавеющей стали, а также прижимного устройства. Измерения проводились на образцах в виде дисков диаметром 100 мм и толщиной 2 мм, поверхности которых перед контактом с электродами смазывали электропроводящей пастой. Величина электрической проводимости измерялась тераомметром UNI-T в соответствии со стандартной методикой по ГОСТ 20214-74.
Диэлектрическая проницаемость определялась волноводным методом на измерительном комплексе, состоящем из прецизионной измерительной линии Р1-20, перестраиваемого генератора М31102-1 на диоде Ганна (8–11 ГГц), ферритового вентиля и отрезка волновода стандартного сечения 10х23 мм.
Результаты исследования и их обсуждение
В ходе работы были исследованы характеристики покрытий, полученные на основе составов полимерных композиций, приведенных в табл. 1.
Стоит отметить, что при количествах оксида алюминия свыше 30 мас. ч. происходил избыточный рост вязкости композиции, что затрудняло получение гомогенной смеси при перемешивании и являлось причиной нестабильности и анизотропии свойств получаемых покрытий [14]. В то же время введение менее 10 мас. ч. оксида алюминия не позволяло получить достаточно высокие диэлектрические показатели получаемых покрытий. Добавка менее 5 мас. ч. оксида галлия практически не влияла на свойства получаемых покрытий, а введение 20 мас.ч. и выше практически не изменяло свойства покрытий по сравнению с образцами, полученными при 15 мас. ч. данного компонента смеси.
Физико-технические характеристики образцов покрытий, полученные в результате проведения исследований, представлены в табл. 2.
Из данных табл. 2 видно, что введение используемых в данной работе наполнителей повышает диэлектрические характеристики получаемых покрытий, а введение оксида галлия дополнительно способствует повышению адгезии получаемого покрытия к подложкам из стали и алюминия.
Из полученных результатов также можно сделать вывод о том, что оксид галлия не только повышает объемное электрическое сопротивление, являясь широкозонным полупроводниковым покрытием, но и образует на поверхности покрытия прочную защитную пленку, способствуя защите покрытия и, как следствие, поверхности, на которую это покрытие наносится, от механических воздействий. В свою очередь оксид алюминия, кроме того, что повышает электроизоляционные свойства покрытия, являясь диэлектриком, также способствует улучшению стабильности диэлектрических характеристик.
Таблица 1
Составы композиций для получения образцов покрытий
|
№ состава |
Содержание компонентов, мас. ч. |
|||
|
СКТН-А |
К-18 |
Al2O3 |
Ga2О3 |
|
|
1 |
100 |
6 |
10 |
15 |
|
2 |
100 |
6 |
30 |
10 |
|
3 |
100 |
6 |
20 |
5 |
Таблица 2
Физико-технические характеристики образцов разработанных покрытий
|
№ образца |
Адгезия по методу отрыва R, МПа |
Удельное объемное электрическое сопротивление ρV·1011, Ом·мм |
Диэлектрическая проницаемость, ε |
|
|
Стальная подложка |
Алюминиевая подложка |
|||
|
1 |
0,88 |
0,62 |
1,2·1011 |
4,0 |
|
2 |
0,53 |
0,44 |
1,4·1011 |
3,87 |
|
3 |
0,24 |
0,21 |
1,0·1011 |
3,80 |
Таблица 3
Сравнительная оценка свойств разработанного и известного электроизоляционных покрытий
|
Свойство |
Известное покрытие |
Разработанное покрытие |
|
Адгезия по методу отрыва, МПа: − стальная подложка; − алюминиевая подложка |
0,14–0,26 – |
0,24–0,88 0,21–0,62 |
|
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·мм |
1,0·1010 – 1,0·1012 |
1,0·1011 – 1,4·1011 |
|
Диэлектрическая проницаемость |
3–4 |
3,8–4,0 |
Для дополнительной оценки свойств покрытий, получаемых с использованием исследуемой полимерной композиции, было проведено сравнение их наиболее важных показателей с известным и близким по составу электроизоляционным покрытием, получаемым на основе 15–60 мас. % полиметилфенилсилоксана в роли полиорганосилоксановой основы, 5–20 мас. % оксида металла, в частности хрома, кобальта, меди, титана или цинка, в роли наполнителя, 10–30 мас. % толуола или о-ксилола в роли растворителя и 25–50 мас. % тетраметилсилана или смеси пропан-бутан в роли азеотропного вытеснителя [15]. Сравнение представлено в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что разработанное защитное электроизоляционное покрытие сходно с известным покрытием по диэлектрическим показателям и существенно превосходит его по адгезии к стальным поверхностям, что предполагает повышенные эффективность и долговечность при его применении для электроизоляции.
Заключение
По итогам проведенных в данной работе экспериментальных исследований был разработан состав, включающий диметилсилоксановый каучук в роли полимерной основы и пленкообразующего компонента, оксиды алюминия и галлия в качестве комплексного наполнителя для улучшения характеристик покрытия и катализатор К-18 для холодного отверждения покрытия.
Результаты выполненной работы подтверждают, что применяемые наполнители повышают диэлектрические характеристики получаемого покрытия. При этом оксид галлия дополнительно повышает адгезию к стальным и алюминиевым поверхностям и образует прочную пленку на поверхности покрытия, а оксид алюминия также способствует стабильности диэлектрических характеристик.
По итогам проведенных экспериментов выявлено, что для получения полимерных покрытий с высокими электроизоляционными показателями и повышенной адгезией к стальным и алюминиевым поверхностям на 100 мас. ч. диметилсилоксанового каучука и 6 мас. ч. катализатора К-18 возможно введение 10–30 мас.ч. оксида алюминия и 5–15 мас.ч. оксида галлия в качестве дисперсных наполнителей и модифицирующих добавок.
При сравнительной оценке образцов получаемых в данной работе покрытий с образцами известного и близкого по составу электроизоляционного покрытия на полимерной основе выявлено, что разработанная полимерная композиция позволяет получить материал, сходный с известным по диэлектрическим показателям и существенно превосходящий его по адгезии к стальным поверхностям.
Таким образом, рассмотренная в данной работе полимерная композиция может применяться для нанесения электроизоляционных покрытий на стальные и алюминиевые поверхности электронных, радио- и электротехнических приборов, устройств, оборудования и их отдельных элементы.