Файл: Чеботаревский, В. В. Лаки и краски - что это такое.pdf

ка в полимерах иной. Мы знаем, что макромолекулы одних полимеров содержат полярные группы и, следовательно, яв­ ляются постоянными диполями; к таким полимерам отно­ сятся, например, алкидные, уретановые, фенольные смолы. Макромолекулы других полимеров, например полиэтиле­ на, политетрафторэтилена, таких групп не содержат; они не полярны.

При наложении электрического поля полярные моле­ кулы будут стремиться ориентироваться в направлении по­ ля и перемещаться вдоль его силовых линий. Скорость этих процессов, а следовательно, и величина электрической проводимости будет зависеть от ряда факторов. В част­ ности, проводимость будет увеличиваться с возрастанием дипольного момента, укорочением цепи макромолекулы, уменьшением плотности упаковки макромолекул и др.

В неполярных макромолекулах под действием электри­ ческого поля происходит смещение положительных заря­ дов (ядер) и электронов. Возникает так называемый на­ веденный диполь. В дальнейшем макромолекула с наведен­ ным диполем будет вести себя как полярная макромолеку­ ла. Однако величина наведенных диполей меньше, чем по­ стоянных диполей. Поэтому, как правило, проводимость неполярных полимеров меньше, чем полярных. Процесс, протекающий в диэлектриках под действием электрическо­ го поля носит название диэлектрической поляризации. Очевидно, чем больше величина диэлектрической поляри­ зации, тем хуже диэлектрик.

Диэлектрическая поляризация D связана с диэлектри­ ческой проницаемостью (величину, которую легко изме­ рить) выражением

Значение диэлектрической проницаемости полимеров имеет порядок нескольких единиц. Так, для фенолоформальдегидных и эпоксидных смол диэлектрическая про­ ницаемость составляет 3,5—4,5, для стирольных — около 2,5, для фторлропзводных — менее 2.

Малые значения диэлектрической проницаемости ха­ рактеризуют хорошие диэлектрические свойства полиме­ ров. Величина диэлектрической проницаемости, в свою очередь, зависит от природы полимера, его физического состояния и других факторов. В частности — от случайных примесей, которые могут быть в полимере (низкомолеку­ лярные соединения, электролиты и др.); они обычно уве­ личивают диэлектрическую проницаемость. При прохож-' дении переменного тока через диэлектрики периодически меняется направление поляризации молекул. На это рас­ ходуется часть электрической энергии, рассеивающейся в форме тепла.

Показателем, характеризующим способность диэлектри­ ка рассеивать подведенную к нему энергию, служит тан­ генс утла диэлектрических потерь tg ср. Чем больше tg qp, тем хуже диэлектрик. При прохождении тока через полимер с высоким значением tg ф значительное количест­ во энергии рассеивается, что может вызвать разогрев ди­ электрика и даже его тепловое разрушение.

Диэлектрические свойства полимеров зависят от внеш­ них условий. Так, по мере увлажнения диэлектрические свойства полимеров ухудшаются. Происходит это потому, что электролит, который обладает некоторой электропро­ водностью, диффундируя в тело полимера, заполняет меж­ молекулярное пространство и тем самым ухудшает его диэлектрические свойства. Следовательно, малая влагонабухаемость лакокрасочной пленки является важным усло­ вием сохранения высоких электроизоляционных свойств.

134 Кроме влаги на эти свойства отрицательно влияет тепло.

Электрический двигатель работал при 120° С. Через не­ сколько месяцев двигатель остановился. Разобрали маши­ ну и убедились, что изоляция на проводах якоря пробита. Оказалось, что масляный лак, которым была пропитана хлопчатобумажная обмотка проводов, в результате тепло­ вого старения подвергся термоокислительной деструкции и пленка лака потеряла изоляционные свойства.

Для обеспечения необходимой, защиты электрических агрегатов, эксплуатирующихся привысоких температурах, применяются лакокрасочные материалы на основе аминоформальдегидных, полиамидных, полиэфирных, фенолоформальдегидных, эпоксидных, полиуретановых, меламиноформальдегидных и кремнийорганических смол.

Выше мы рассматривали прохождение тока по всему объему полимера, однако ток может протекать и по поверх­ ности материала. Свойство препятствовать протеканию то­ ка по поверхности тела называется удельным поверхност­ ным электрическим сопротивлением. Оно различно у раз­ ных полимеров и значительно зависит от внешних усло­ вий. Известно, что фарфоровый электроизолятор является отличным диэлектриком, но во влажном воздухе на его по­ верхности конденсируется тончайший слой влаги, который является проводником, и электрический ток, минуя трло изолятора, проходит по нему.

Деталь измерительного прибора, эксплуатирующегося во влажном климате, была покрыта электроизоляционным эпоксидным лаком, поверхностное сопротивление которого весьма высоко (примерно 4-1014Ом). При перекраске при­ бора эта деталь была случайно покрыта масляным лаком холодной сушки. Через некоторое время показания прибо­ ра стали неточными.

Это объясняется тем, что удельное поверхностное сопро­ тивленце пленки масляного лака в сухом состоянии состав­ ляет 1 • 1010 Ом, а в увлажненном состоянии — 1 • 108 Ом, что и привело к ухудшению качества изоляции.

Многие электрические машины и приборы работают при высоком напряжении, поэтому к их изоляции предъяв­ ляются повышенные требования.

Вернемся к уравнению, приведенному на стр. 135. Мы видим, что диэлектрическая поляризация, а следователь­ но, электрическая проводимость полимера возрастают с увеличением напряженности электрического поля. При не­ котором значении напряженности увеличение электропро­ водности приводит к резкому увеличению силы тока, про­ ходящего через диэлектрик, т. е. к пробою диэлектрика. Хорошими изоляторами являются диэлектрики с высокой электрической прочностью; пробивное напряжение таких диэлектриков составляет миллионы и более вольт на сан­ тиметр. Высокой электрической прочностью (1-1О6 — 1 • 107 В/см) обладают неполярные полимеры.

Полимеры применяются не только как изоляторы, но п в качестве раднопрозрачных покрытий. Способность ма­ териала пропускать радиоволны зависит от его диэлектри­ ческой проницаемости. Например, металлы вовсе не про­ пускают радиоволны, плохо их пропускают материалы с большой диэлектрической проницаемостью, хорошие же диэлектрики для них прозрачны. Поэтому, покрывая дета­ ли, служащие детекторами радиоволн, лакокрасочными покрытиями можно защитить их от коррозии, не создавая помех приему радиоволн.

Радиопрозрачность покрытия зависит от состава лако­ красочного материала. Так, были изготовлены две белые эмали: в одной из них использовались цинковые белила, в другой — титановые. Оказалось, что эмаль на титановых белилах обладает плохой радиопрозрачностью. Почему?

Потому что диэлектрическая проницаемость титановых бе­ лил равна 130, а цинковых — менее 5.

Особенно • высокими диэлектрическими свойствами должна обладать шпатлевка, так как ее наносят более толстыми слоями, чем эмаль. Минеральные наполнители, входящие в состав шпатлевки, должны иметь небольшую диэлектрическую проницаемость. Обычно наполнителями служат кварц (е = 4,2), тальк (е = 6 ), слюда (г — 1 или 7,5). Естественно, что металлические пигменты для раднепрозрачных покрытий непригодны, так как через ме­ талл радиоволны не проникают. Это видно из следующего примера,

При окраске обтекателя радарной установки в отсутст­ вие мастера ученик по ошибке использовал эмаль, содер­ жащую алюминиевую пудру. Заметив свою ошибку, он пе­ рекрасил обтекатель радиопрозрачной эмалью, не удалив предварительно слой алюминиевой эмали. В результате проверки радиотехнических свойств обтекателя было уста­ новлено, что радиоволны через обтекатель не проходят. Им преграждала путь эмаль со значительным, содержанием металлической пудры.

Добавляя в полимерную основу наполнители с большой диэлектрической проницаемостью, хорошо проводящие ток, можно получить покрытия, электрическая проводи­ мость которых меняется в широком интервале значений. Такие покрытия получают и применяют для равных целей.

Хорошо известно, что на поверхности диэлектриков при трений и некоторых других воздействиях скапливают­ ся заряды статического электричества. Такие заряды обра­ зуются, например, на стекле, протертом сухой тряпкой;

поэтому стекло так трудно очистить от ныли и ворсинок. 137

Плевка с удельным поверхностным сопротивлением по­ рядка 1 • 108 Ом обладает достаточной проводимостью для обеспечения антистатического эффекта.

Такие покрытия применяют для экранирования при­ боров и помещений от статического электричества и' электричесних помех.

При решении ряда технических проблем возникает не­ обходимость придания пленке высокой электрической про­ водимости. Это возможно, если в полимерной пленке бу­ дет находиться до 95%, токопроводящего порошка. При этом отдельные частицы порошка соприкасаются и тем са­ мым обеспечивают протекание тока. Обычно в качестве пигмента применяют графит, серебро, нержавеющую сталь, карбонил никеля и др. Порошки цинка или алюми­ ния мало пригодны, так как со временем на их поверх­ ности образуются окисиые пленки и проводимость покры­ тия сначала снижается, а затем исчезает совсем.

На рис. 27 показана схема прохождения электрическо­ го тока через лакокрасочную пленку, содержащую части­ цы токопроводящего шшмента.

Области применения токопроводящих материалов очень разнообразны. Рассмотрим лишь два примера.

Предположим, надо знать состояние металла нагружен­ ной детали, находящейся в недоступных для визуального осмотра местах. Как зафиксировать образование на по­ верхности металла трещины, которая может привести к разрушению конструкции?

Оказывается, это можно решить с помощью токопро­ водящих покрытий. На металл сначала наносят слой ла­ ка, который играет роль подложки, не проводящей ток. Затем на поверхность пленки лака наносят слой токопро­ водящего лакокрасочного материала.

Замеряют сопротивление и емкость этого слоя материа­ ла. Если в металле появится трещина, слой лакокрасочного 139

Эрозионный износ лакокрасочных покрытий проявля­ ется всюду, где на их поверхность механически воздей­ ствуют твердое, мягкое или даже жидкое тело. Посмотри­ те на поручни в трамвае, в местах, где люди держатся за них руками (а за сутки это случается десятки тысяч раз), слой лакокрасочного материала постепенно утончается и затем полностью стирается.

Автолюбители знают, что наибольший износ лакокра­ сочного покрытия происходит на участках, где твердые частицы пыли, песка, так называемый абразив, ударяются о поверхность.

Подойдите к самолету и Вы увидите, что лобовые кромки крыльев, стабилизатора, воздушного киля на ши­ рину 10—15 см не окрашены. Почему? Их бесполезно красить, все равно через короткое время на этих участках покрытие разрушится от воздействия воздушного потока, содержащего твердые или жидкие частицы — пыль, снег, град или капли дождя.

Во всех описанных примерах происходит эрозия лако­ красочного покрытия. Однако характер эрозии, различен:

142 в первом случае — это фрикционный износ, который