CC BY
15
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
УДК 65.07 67.03
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-6-254-260
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЛАКОКРАСОЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ
С.Б. Скобелев, Д.А. Ерофеев, Е.А. Ерофеев, Л.В. Кононенко
В статье приведены результаты экспериментальных исследований свойств диэлектрических покрытий на основе нитроуретановых, полиуретановых и акриловых лаков на прозрачность и на время сушки. Представлены изменения в рецептурной схеме акрилового покрытия, позволяющие снизить время сушки при температуре 3° С. Полученное диэлектрическое покрытие использовано для защиты электрощитка, работающего в условиях повышенной влажности до 80% и низкой температуры в пределах 5-8 °С, при напряжении 220 В и силе тока 13 А.
Ключевые слова: защитное покрытие, синтетический материал, композитные материалы, диэлектрическое покрытие, электрический ток, композитный материал
В состав композитных материалов, полученных в работе [1], входят различные компоненты на основе лакокрасочных покрытий:
Барьерный грунт полиуретановый С50: основа (100) в.ч. (весовых частей), отвердитель С 50 (40 в.ч.), разбавитель: S 40 (30 в.ч.). Такой грунт применяется для нанесения (получения защитного слоя) на плиты МДФ, деревянную и металлическую поверхности, а также на пластик, стекло и т.д. Покрытия на основе данного грунта обладают хорошей укрывистостью, большим сухим остатком, требуют нанесение финишного (защитного) слоя. [2, 3]
Грунт полиуретановый: основа (100 в.ч. (весовых частей)), отвердитель С 20 (40 в.ч.), разбавитель: S 30 (30 в.ч.).
Полиуретановый грунт обладает хорошими агдезионными свойствами, большим сухим остатком и хорошей укрывистостью. Грунт, нанесенный на детали, способен выдерживать небольшую деформацию (на кручение и изгиб).
Свойства: живучесть рабочей смеси при объеме 1 литр составляет не более 2 часов. Способность возврата к живучести добавление разбавителя до 20%, но при этом сильно сокращается сухой остаток поверхностного слоя. [4].
Полиуретановые эмали калорированные: эмаль матовая (основа (100 в.ч.)), отвердитель: С 20 (50 в.ч.), разбавитель: S 50 (20, 30 в.ч.)). Эмаль глянцевая (основа (100, в.ч.), отвердитель: С 200, (50, 100 в.ч.), разбавитель: S 80,100, (30, 40 в.ч.). Эмали применяются для нанесения финишного (защитного) покрытия при нанесении на различные поверхности, такие как: дерево, металл, пластик, панели МДФ и т.д. Эмали
имеют небольшой сухой остаток, повышенную термо- и гидро- устойчивость, обладают хорошей ударопрочностью. Из недостатков можно отметить низкую способность выдерживать деформацию. Эмаль требует глубокого шлифования (матирования). [4]
Полиуретановые и акриловые лаки прозрачные: основа (100 в.ч.), отвердитель: С 20 (30 в.ч.), разбавитель: S 30 (20 в.ч.) - применяются в качестве защитного и базового слоя. При использовании в качестве защитного слоя такие покрытия обладают повышенной термогидроустойчивостью, а также повышенной ударопрочностью. Короткий промежуток полимеризации (время сушки), средний сухой остаток 30%, возможность коллорирования и добавления различных примесей до 10%. Поверхность является финишном слоем. [5]
Из представленных компонентов необходимо получить покрытие для защиты электрощита, который работает в агрессивной среде с повышенной влажностью и большим перепадом температур. При работе электрощита происходит постоянный пробой и короткое замыкание, а увеличение герметичности корпуса не привело к ожидаемым результатам. Полученное покрытие должно обладать высокими диэлектрическими свойствами, а также возможностью использования в окружающей среде с низкой температурой и повышенной влажностью.
После анализа нескольких диэлектрических покрытий и рассмотрения методов нанесения был сделан вывод, что для защиты электрощита не каждое диэлектрическое покрытие будет работать эффективно. Для хорошей работы покрытие должно обладать некоторыми свойствами:
1) Устойчивость от внешних факторов. Например, при температуре в 10°С, все однокомпонентные материалы (нитроуритановые и синтетические каучуки) не могут достичь качественной сушки это может привести к отслаиванию поверхности. Для акриловых материалов данную проблему можно решить с помощью ускорителя сушки (добавляется в отвердитель или использовать агрессивный растворитель). При высоких температурах около 70 — 90°С покрытия на основе синтетических каучуков (жидкие изоленты) при нанесении на вертикальную поверхность будут стекать с контакта из-за своей тяжёлой основы и низкой тексотропности. Акриловые покрытия, в отличие от синтетических, хорошо наносятся на разогретую поверхность. Поэтому для нанесения качественного покрытия большое влияние оказывает температурный диапазон. [6]
2) Толщина покрытия. Чем она меньше, тем больше вероятность пробоя покрытия электрическим током. Такие покрытия как грунты, эмали, жидкие изоленты обладают достаточной толщиной, чтобы выдержать пробой электричества до 10 А. [7]
3) Качество поверхностного слоя (шероховатость поверхности). При низкой шероховатости поверхности влага задерживается на поверхности в форме водяных шариков, при высокой шероховатости влага не задерживается на покрытии и стекает. [8]
4) Экологичность материала. Материалы на акриловой основе обладают практически нулевой токсичностью, они считаться более оптимальными для внутренних работ и практически не обладают испарением. Акриловые материалы практически не оставляют продуктов горения.
Диэлектрическое покрытие должно соответствовать следующим требованиям:
1. Малый сухой остаток - необходим для неполного заполнения мелких отверстий конструкции электрощита (обволакивание пленкой).
2. Быстрое время сушки.
3. Тиксотропность - возможность удерживать слой на вертикальных поверхностях (нестекаемость).
4. Способность сохранения рабочих свойств при низких температурах.
5. Прозрачность диэлектрического слоя - необходимо для исключения воздушных пузырей, для контроля качества нанесения, а также для визуального контроля деталей электрощита.
К покрытиям, отвечающим таким требованиям, можно отнести полиуретано-вые, нитроуретановые и акриловые прозрачные лаки.
Для исследования прозрачности покрытий проведен следующий эксперимент: на поверхность МДФ, покрытую барьерным грунтом, были нанесены три различных вида лака (акриловый А, полиуретановый Б, нитроуретановый В) (рис. 1), после чего исследуемая поверхность была помещена под ультрафиолетовое излучение (солнечный свет) на 2500 часов.
Рис. 1. Исследование прозрачности покрытий: А — акриловый лак; Б — полиуретановый лак; В — нитроуретановый лак
Исследования образцов, проведенное при помощи растрового электронного микроскопа Jeol JCM-5700, показало следующие результаты (рис. 2):
1) Образец «А» сохранил свои свойства прозрачности до 1700 ч, после поверхностный слой подвергся легкому разрушению поверхности на микроскопическом уровне (рис. 2, а).
2) Образец «Б» после 800 ч. эксперимента, на поверхностном слое начал протекать процесс разрушения покрытия (рис. 2, б).
3) Образец «В» после 800 ч. эксперимента поверхность подверглась сильному разрушению (растрескивание поверхности) и отслаиванию поверхностного защитного слоя (рис. 2, в).
а б в
Рис. 2. Поверхности образцов, покрытых различными видами лака под воздействием ультрафиолетового излучения: а — образец, покрытый акриловым лаком; б — образец, покрытый полиуретановым лаком; в — образец, покрытый нитрополиуретановым лаком
На рис. 3 представлена зависимость светового коэффициента пропускания покрытий (в %), нанесенных на стеклянную поверхность, измеренного с помощью прибора «Блик-Н», от времени нахождения образцов под ультрафиолетовым излучением (солнечным светом). Наилучшую прозрачность после 2500 часов нахождения под ультрафиолетовым излучением показах трехкомпонентный прозрачный акриловый лак (около 50%).
Таким образом, в качестве компонента для диэлектрического покрытия был выбран акриловый лак, поскольку полиуретановый лак подвержен разрушению - при воздействии ультрафиолетовых лучей (солнечный свет) происходит УФ деструкция (отслаивание и растрескивание поверхности). Такой процесс происходит из-за того, что полиуретановый лак хоть и считается прозрачным, однако имеет в своем составе различные примеси. Акриловый лак, напротив, более прозрачен, и при необходимости допускается разбавление водой до 10%, что снижает процент примесей в лаке.
80
Время, ч
в Полиуретановый лак гп^/кштгтор/ер/гп^ь^ прозрачный ш Акриловый пак трехкомпонентный прозрачный
Нитроуретанавыы/тк двухкомпонентный прозрачный
Рис. 3. Зависимость прозрачности покрытий от времени нахождения образцов
под ультрафиолетовым излучением
Одним из требований для диэлектрического покрытия является быстрое время сушки. На рис. 4 представлены диаграммы времени сушки различных покрытий (грунт полиуретановый, лак акриловый, эмаль полиуретановая) при температурах 20 и 3° С.
0 50 100 150 200 250 300 350 400
2D "С 1 120 150 Грунт полиуретан овый
20 "С 1 40 ВО 150 ■
Лак акриловый
^ 20 "С | 90 150 ■■ Эмаль полиуретановая
ГО а. (L' с
t 3-е | 50 90 150 ■■ Грунт полиуретановый
3-е 30 70 150
| Лак акриловый |
3 "С 20 60 150 ш - Эмаль полиуретановая
яЗонаотлипа ш За™ когапактг™ я Зона складирования
работоспособност и
Рис. 4. Диаграммы времени сушки покрытий при температурах 20° С и 3° С
Из представленных диаграмм видно, что покрытие на основе акрилового лака имеет наименьшее время сушки при температуре 20° С - 270 минут. Однако, при температуре 3° С акриловое покрытие уступает по времени сушки покрытию на основе эмали полиуретановой (250 минут против 230 минут).
Поэтому для снижения времени сушки в рецептурную схему акрилового лака были внесены следующие изменения:
1. Замена компонента «С20» отвердителя на более агрессивный отвердитель «^СМ072» (для ускоренной сушки), что позволило при температуре в 3°С, сократить время на отлип до 30 минут.
2. Замена компонента S30 (разбавитель), на S80 сократили время сушки на 20
минут.
С помощью такой схемы получаем покрытие с более низким сухим остатком, но с повышенной твердостью и низкой адгезией, что в дальнейшем позволяет использовать такое покрытие при демонтаже отдельных элементах электрощита (низкая сцепка, легкость удаления).
Полученное диэлектрическое покрытие было нанесено на стендовый электрощит с открытыми контактами, с токопроводимостью 220 В. Электрощит работает в условиях повышенной влажности до 80% и низкой температуры в пределах 5-8 °С. Покрытие наносилось методом распыления с краскопульта при давлении 2 Bar. После технологической сушки в течение 250 минут на контакты электрощита был подан электрический ток напряжением 220 В и силой тока 13 А. При дальнейшем увеличении силы тока, произошел пробой электричества и последовало короткое замыкание в результате срабатывания защитных автоматических устройств. Таким образом установлено, что полученное диэлектрическое покрытие справляется с поставленной задачей при работе в агрессивной среде.
Выводы и заключения:
1. Для получения диэлектрического покрытия наиболее эффективными являются покрытия на основе полиуретановых, нитроуретановых и акриловых лаков, обладающие малым сухим остатком, быстрым временем сушки, тиксотропностью и способностью сохранения свойств при низких температурах.
2. Установлено, что акриловый лак сохраняет свойства прозрачности под воздействием солнечного света до 1700 часов, что больше по сравнению с нитроуретано-вым и полиуретановым лаками (до 800 часов).
3. Покрытие на основе акрилового лака имеет наименьшее время сушки при температуре 20° С - 270 минут. Однако при температуре 3° С акриловое покрытие уступает по времени сушки покрытию на основе эмали полиуретановой (250 минут против 230 минут).
4. Внесение изменений в рецептурную схему акрилового лака позволяет сократить время сушки акрилового лака на отлип до 30 минут, а время сушки - на 20 минут.
5. Получено покрытие с более низким сухим остатком, но с повышенной твердостью и с низкой адгезией, что в дальнейшем позволяет использовать такое покрытие при демонтаже отдельных элементах электрощита.
6. Полученное диэлектрическое покрытие использовано для защиты электрощитка, работающего в условиях повышенной влажности до 80% и низкой температуры в пределах 5-8 °С, при напряжении 220 В и силе тока 13 А.
Список литературы
1. Ерофеев Д.А., Чуприн В.В., Аверичев И.Л., Ерофеев Е.А. Получение композитного материала на основе лакокрасочных составляющих // Приоритетные направления развития науки и образования: сборник статей XV Международной научно-практической конференции. Пенза: «Наука и Просвещение» (ИП Гуляев Г.Ю.), 2020. С. 30-38.
2. Пегов И.Л. Сравнительный анализ современных лакокрасочных материалов // Вестник НГИЭИ. 2014. № 10(41). С. 98-103.
3. Добавка-модификатор для получения антикоррозионных лакокрасочных материалов барьерного типа / Н.А. Апанович, Е. Ю. Максимова, Н.Е. Шерстнева и др. // Успехи в химии и химической технологии. 2017. Т. XXXI. №15. С. 63 - 65.
4. Липатова Е.А., Долинская Р.М. Физико-механические свойства двухкомпо-нентных полиуретановых лакокрасочных материалов // Труды БГТУ. 2021. Серия 2. №1. С. 182 - 185.
5. Семенова Л.В., Новикова Т.А., Нефедов Н.И. Климатическая стойкость и старение лакокрасочного покрытия // Авиационные материалы и технологии. 2014. № S3. С. 31-34.
6. Медведев М.С. Современные способы нанесения лакокрасочного покрытия // Эпоха науки. 2020. № 24. С. 100-103. DOI 10.24411/2409-3203-2020-12420.
7. Голубков П.Е. Анализ применимости методов измерения толщины диэлектрических слоев при управляемом синтезе защитных покрытий методом микродугового оксидирования // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2020. № 1(31). С. 8192. DOI 10.21685/2307-5538-2020-1-11.
8. Пегашкин В.Ф., Боршова Л.В. Шероховатость поверхности после окраски // Наука - образование - производство: опыт и перспективы развития : материалы XIV Международной научно-технической конференции: в 2 т., Нижний Тагил, 08-09 февраля 2018 года // Министерство образования и науки РФ, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Нижнетагильский технологический институт (филиал); Ответственные редакторы: М.В. Миронова, А.А. Пысто-гов. Нижний Тагил: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, 2018. С. 185-188.
Скобелев Станислав Борисович, канд. техн. наук, доцент, skohelew@ramhler.rH, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ерофеев Денис Александрович, аспирант, denis.erofeev. 77@mail.rH, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Ерофеев Евгений Александрович, магистрант, ewgen 7 7 @,mail. ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Кононенко Лаврентий Вячеславович, магистрант, lavr1121@mail.rH, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
INVESTIGATION OF THE PROPERTIES OF DIELECTRIC COATINGS BASED ON PAINT
AND VARNISH COMPONENTS
S.B. Skohelev, D.A. Erofeev, E.A. Erofeev, L.V. Kononenko
The article presents the results of experimental studies of the properties of dielectric coatings based on nitrourethane, polyurethane and acrylic varnishes for transparency and drying time. Changes in the prescription scheme of the acrylic coating are presented, which make it possible to reduce the drying time at a temperature of 3 ° C. The resulting dielectric coating was used to protect the switchboard operating under conditions of high humidity up to 80% and low temperature within 5-8 °C, at a voltage of220 V and a current of 13 A.
Key words: protective coating, synthetic material, composite materials, dielectric coating, electric current, composite material.
Skohelev Stanislav Borisovich, candidate of technical sciences, docent, skohelew@ramhler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Erofeev Denis Alexandrovich, postgraduate, denis.erofeev. 77@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Erofeev Yevgeniy Alexandrovich, undergraduate, _ewgen_ 77@,mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Kononenko Lavrenty Vyacheslavovich, undergraduate, lavr1121@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
