CC BY
22
I
SCIENCE TIME
I
свойства изоляции и защиты
МЕТАЛЛОВ И НЕМЕТАЛЛОВ
Мирзаев Ойбек Олимжон угли, Холмуродов Темурали Аширали угли, Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань
E-mail: [email protected]
Аннотация. Изучено понятие лакокрасочного покрытия и их широкий спектр использования. Наиболее важными электрическими свойствами лакокрасочных покрытий являются электрическая проводимость, диэлектрическая константа, диэлектрическая потеря, диэлектрическая прочность. При методе определения электрических свойств были рассмотрены и изучены ГОСТы по определению удельного сопротивления, определению диэлектрических потерь и т.д. Если говорить о коррозии и защите, то можем сказать, что металлы считаеюся основным конструкционным материалом в быту и в строительстве.
Ключевые слова: металлы, неметаллы, электрические свойства, проводимость.
Электрические свойства
Лакокрасочные покрытия широко используются в качестве электрических изоляционных материалов. Во-первых, радиотехнические, электрические и электронные отрасли нуждаются в таких покрытиях. Покрытия используются в различных устройствах, начиная от резистивных катушек, тонких проводов, микромодулей и электронных схем до крупных структур, таких, как локаторы, электронные генераторы, мощные электродвигатели и турбины. В то же время покрытия подвергаются воздействию электрического тока нескольких напряжений, от нескольких милливольт до сотен киловольт, часто в широком диапазоне частот. Рабочая температура может значительно отличаться. Электрические свойства, в частности прочность, также важны для обеспечения хороших антикоррозионных свойств покрытий.
Недавно покрытия с повышенной электропроводностью, электрически проводящие и антистатические, приобрели значительный интерес для исследований. Их использование позволяет иметь дело со статическим
1 SCIENCE TIME 1
электричеством и решать многие технические проблемы. Наиболее важными электрическими свойствами лакокрасочных покрытий являются: электрическая проводимость, диэлектрическая константа, диэлектрическая потеря, диэлектрическая прочность.
Электрическая проводимость характеризует передачу электрических зарядов в вещество под действием внешнего электрического поля. Обычно используются следующие показатели: удельная объемная проводимость (соотношение между плотностью тока, протекающей через образец, и интенсивностью электрического поля), или взаимное удельное объемное удельное сопротивление pv. Электропроводность удельного объема выражается в Cm / m (1 C / m = 1 Ом "1 * м" 1), сопротивление удельного объема выражается в Om • m.
Большинство полимерных пленок имеют низкую электропроводность, то есть являются диэлектриками. Прохождение электрического тока через них может быть вызвано ионной или электронной проводимостью.
Ионная проводимость наблюдается в полимерах, способных образовывать полиионы после электролитического диссоциации. Это особенно важно в полимерах с высоким водопоглощением. Поэтому электропроводность нитратных пленок целлюлозы, мочевины и фенола-формальдегида на 30% и более определяется их ионной проводимостью.
Электронная проводимость связана с образованием электронов в полимерах во время ионизации макромолекул, которые могут быть вызваны нагревом, излучением или воздействием света. Наличие пигментов и других неорганических веществ в покрытии способствует электронной проводимости. Покрытия электропроводности, произведенные из них, занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками; для них, yv = 10-8-10-1 Cm/m. Электрическая проводимость большинства покрытий находится на уровне электрической проводимости полимеров и 10-11-10-14 Cm / m.
Диелектрическая проницаемость определяет радиопрозрачность покрытий: чем меньше s, тем лучше проходимость радиоволн. О диэлектрических потерях судят по тангенсу угла диэлектрических потерь tg 5 -отношению диссипированной электрической энергии (фактора потерь s") к запасенной энергии, определяемой диэлектрической проницаемостью s:
tg 5 = s"/ s
Диэлектрические потери означают часть энергии электрического поля, которая необратимо рассеивается в диэлектрике в виде тепла.
Значение tan 5 для нескольких покрытий варьируется от 0,1 до 0,001. Хорошими диэлектрическими покрытиями являются те, для которых 5 = 0,0020,005 и не изменяется в широком частотном диапазоне от 102 до 106 Гц. Это относится, в частности, к полиэтиленовым, полистирольным, эпоксидным олигомерным покрытиям.
44
| SCIENCE TIME Щ
Электрическое сопротивление (разрывное напряжение) Epr характеризует физическую способность диэлектрического материала противостоять воздействию электрического тока и выражается в МВ / м.
-Едр _ ипр/Ь
где Uj2p - напряжение пробоя; h - толщина покрытия.
Для диэлектрических покрытий Epr достигает значений 50-80 МВ / м. Однако электрическое сопротивление во многом зависит от качества покрытия. Наличие слабых точек и дефектов в пленках значительно снижает их электрическое сопротивление.
Основными факторами, определяющими электрические характеристики покрытий, являются характер материала пленки и условия эксплуатации. С точки зрения диэлектрических свойств, покрытия на основе полимеров, которые не содержат полярных функциональных групп и пленкообразующих групп, которые имеют трехмерную структуру, считаются лучшими.
Электропроводность покрытий увеличивается с введением полярных 4 ингредиентов: пластификаторов, стабилизаторов, а также пигментов и наполнителей.
С увеличением температуры электропроводность изменяется экспоненциально:
Л -Е/RT
Y = Ае ,
где А - постоянная; Е - энергия активации.
С увеличением температуры электрическое сопротивление покрытий изменяется. В низкотемпературном диапазоне покрытия на основе полярных полимеров (эпоксидных, полиэфирных, полиакрилатных и т.д.), как правило, имеют высокую диэлектрическую прочность, более чем в 2 раза или более превышающую диэлектрическую прочность покрытий из неполярные (полиолефины, камеди и т.д.). Когда Tc для аморфных полимеров и Tm для кристаллического, независимо от его полярности электрическое сопротивление резко падает.
Температурная зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь имеет экстремальный характер, а положение максимумов на кривых определяется не только природой материала пленки, но и частота тока: при увеличении частоты максимальные диэлектрические потери изменяются рядом с более высокими температурами (поэтому 5 часто увеличивается на порядок). Внешняя среда оказывает большое влияние на электрические свойства покрытий. Даже небольшое смачивание покрытий вызывает сильное ухудшение всех электрических показателей: электрическое
45
1 SCIENCE TIME 1
сопротивление и электрическое сопротивление уменьшаются, а диэлектрические потери увеличиваются, особенно на низких частотах. Присутствие соединений, которые распадаются на ионы в воде, усугубляет эти изменения [1].
Рис. 1 Температурная зависимость диэлектрической проницаемости (а) и тангенса угла диэлектрических потерь (б) для эпоксидного покрытия (отвердитель метилтетрагидрофталевый ангидрид)
Покрытия с ру <105 Ом • м считаются проводниками электричества. Большая электропроводность покрытий достигается: 1) использованием крупногабаритных электронно-проводящих (полупроводниковых) или ионных (полиэлектролитных) пленкообразователей; 2) с использованием электропроводящих наполнителей; 3) введение композиции покрытия или обработка поверхности поверхностно-активным веществом. Оптимальная степень наполнения покрытий (в зависимости от типа наполнения) составляет 25 -50% по объему или 45-85% по массе. Проводимость увеличивается при применении коллоидные металлы и особенно металлы в состоянии наночастиц.
0 20 " 40 60 80
Рис. 2 Зависимость удельного объемного сопротивления полиакрилатного покрытия от объемной доли наполни~телей:1 - серебро; 2 - карбонил никеля;
3 - медь; 4 - ацетиленовый технический углерод; 5 - графит
Если вы используете ферромагнитные наполнители, такие, как карбонил никеля, и покрытия формируются в магнитном поле, то наполнитель распределяется вдоль силовых линий непрерывными нитями; В результате получают покрытия с особенно высокими электропроводящими свойствами:
1 SCIENCE TIME 1
pv = 10-5 - 10-6 Ом • м.
Чтобы исключить осаждение проводящих красок, вместо металлов широко используются центральные пигменты (частицы минеральных наполнителей и стеклянные микросферы, покрытые тонким слоем металла).
Разнообразные токопроводящие покрытия являются антистатическими. В основном, три метода используются для получения антистатических покрытий:
а) обработка поверхности растворами ПАВ;
б) введение поверхностно-активных веществ в состав покрытий;
в) использование электропроводящих наполнителей.
Первый метод дает наименее стабильные результаты. Со временем из-за испарения и миграции поверхностно-активных веществ в пленку (или подложку), антистатические свойства теряются, р увеличивается. Более стабильные покрытия получаются при введении поверхностно-активных веществ в состав лакокрасочных материалов. Хорошие результаты были получены, в частности, с использованием катионных поверхностно-активных веществ (солей пиридиниевых четвертичных аммониевых оснований, амидазония, DS алкиламина, GN алкиламина и др.) В количестве 0,3-0,5%.
Методы определения электрических свойств
Для определения электрических свойств лакокрасочных покрытий существуют проверенные способы и устройства. В частности, удельное сопротивление объема определяется по ГОСТ 6433.2-71, диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь по частоте определяются по ГОСТ 6433.4-71 или ГОСТ 22372-77, а сопротивление электротехники определяется по ГОСТ 6433.3-71. Определить использование таких устройств, как РШ-1, М-218, ^N-6 или тераомметр Е6-3 (МОМ-4). Принцип измерения основан на оценке напряжения и силы тока, которые проходят через образец, расположенный между двумя электродами. В случае порошковых красок образцы используются в таблетках. Значение ру рассчитывается по формуле:
Ру =
где К - постоянная, определяемая геометрическими размерами электродов; Rx - значение сопротивления по показаниям прибора.
Тангенс угла диэлектрических потерь рассчитывают по формуле:
tg 5 = юRCк,
где ю = 2П (£■ частота, обычно f= 50 Гц); R - сопротивление; Ск - емкость конденсатора.
Электрическую прочность определяют на установке АИИ-70 и др. путем кратковременного воздействия электрическим током высокого напряжения на покрытие, находящееся на медной подложке (фольга, пластинка). Отмечают
1 SCIENCE TIME 1
значение напряжения, при котором происходит пробой, и относят его к толщине покрытия в месте пробоя.
Теплофизические свойства
Наиболее важными теплофизическими характеристиками покрытий, как и любого материала, являются теплопроводность, теплопроводность, теплоемкость, коэффициент линейного теплового расширения (или объем).
Коэффициент температуропроводности а связан с теплопроводностью X следующим образом:
а = Х/ср
где с - удельная теплоемкость; р - плотность материала.
Лакокрасочные покрытия являются достаточно теплоизоляционными материалами. Теплопроводность большинства покрытий в 100-400 раз меньше теплопроводности стали и почти в 1000 раз меньше теплопроводности меди. Это приводит к плохой теплопередаче окрашенных нагретых изделий и затрудняет их быстрый нагрев. Характерно, что температурная и температуропроводность покрытий на основе кристаллических полимеров выше, чем покрытий из аморфных полимеров.
Таблица 1
X, Вт/(м*к) а*106, м2/с Ср*10-3 Дж/(кг*К) а*104, К-1
Аморфные полимеры 0,09 - 0,27 0,1 - 0,17 0,8 - 1,2 0,4 - 1,0
Кристаллические полимеры 0,25 - 0,42 0,1 - 0,3 1,0 - 2,2 0,6 - 6,0
Сталь 54,5 16,7 0,4 0,11
Удельная теплоемкость полимерных пленок при нормальных условиях приблизительно в 2 раза выше удельной теплоемкости стекла и в 3-5 раз выше теплоемкости металлов.
Теплофизические свойства покрытий изменяются с изменением температуры, при этом температурная зависимость Х, а и ср в случае кристаллических пленкообразователей имеет более сложный характер, чем аморфных.
I
SCIENCE TIME
I
Рис. 3 Температурная зависимость теплофизических свойств поливинилбутиральных (А) и полиэтиленовых (Б) покрытий
Коэффициент теплового расширения полимеров является функцией удельной теплоемкости. С повышением температуры объем и линейные размеры пленки непрерывно возрастают.
Теплофизические свойства покрытий существенно меняются при заполнении. Пигменты и минеральные наполнители имеют температурную и температуропроводность на 1-2 порядка выше, чем у полимерных материалов. Тогда для оксида цинка X = 19,5, а для диоксида титана X = 9,86 Вт / (м • К). Металлические порошки (цинковая пыль, алюминиевая пудра, бронза, железная слюда), а также оксиды металлов с высокими значениями X и а особенно улучшают температурную и температуропроводность пленок. Снижение изоляционных свойств покрытий также может быть достигнуто за счет уменьшения толщины покрытий. Напротив, для повышения теплоизоляции (создания «горячих» покрытий) используются микроасбест, древесная мука, стеклянные и пластиковые микросферы (синтаксические пены), битумный сланец, лигнин и т.д.
Методы определения теплофизических свойств покрытий разнообразны. Для определения температурной и температуропроводности покрытий используется метод плоского слоя в условиях нестабильного теплового потока, при котором разность температур между внешней и внутренней сторонами пленки оценивается при одностороннем нагреве.
Коэффициент термического теплового расширения определяется удлинением свободной пленки (или ее части) при постоянной скорости повышения температуры. Определение проводится с помощью катетера или с помощью специального устройства: бесконтактного оптического дилатометра [1].
49
1 SCIENCE TIME 1
Таблица 2
Значения температурной и температуропроводности покрытий в соответствии с серией промышленных покрытий
X, Вт/(м • К) а • 107, м2/с
Пентафталевый лак ПФ-231 0,114 0,550
Полиакрилатный лак АС-82 0,118 0,314
Перхлорвиниловая эмаль ХВ-16 красная
0,180 0,881
Пентафталевая эмаль ПФ-223 желтая 0,195 1,015
Полиакрилатная эмаль АС-131 белая 0,247 1,641
Меламиноалкидная эмаль МЛ-165 серебристая 0,256 1,804
Эпоксидная эмаль ЭП-140 защитная 0,398 2,421
Заключение
Коррозия металлов есть самопроизвольное разрушение металлических материалов под действием электрохимического, химического с окружающей средой. В заключение необходимо сказать, что изучение свойств лакокрасочного покрытия и способов защиты от коррозии все еще остается главной проблемой, которая вредит народному хозяйству, предприятиям, строительству и конструкцию машин и судов и т.д. В данное время разработано много способов борьбы против коррозии. С изучением данной темы мы всё более тщательно рассматриваем этот процесс.
Для оценки защитных свойств лакокрасочных покрытий на металлах мы можем использовать электрохимический метод оценки защитной способности ЛКП [3].
Литература:
1. Яковлев А.Д. Химия и технология лакокрасочных покрытий.
2. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов
3. Кузнецова О.П. Электрохимический метод оценки защитной способности лакокрасочных покрытий / О.П. Кузнецова, Л.А. Абросимова, А.П. Светлаков,
3.М. Идиятуллин // Всероссийская научно-практическая конференция студентов и молодых ученых 2006 года. - Казань, 2006. - С.103-107.
4. Лабораторные работы по защите металлов от коррозии.
