|
| |
|
Слаботочка Книги свойств электроизоляционных материалов. Процесс сорбции не одинаков для различных материалов и зависит от скорости процесса сорбции, количества сорбируемой влаги и формы ее распределения по объему материала. Осаждение влаги по поверхности материалов называют адсорбцией. Адсорбция связана с понятием смачиваемости материалов, которая характеризуется краевы.м углом смачивании ®. Чем меньше угол в, тем сильнее смачивание. Для смачиваемых (гидрофильных) поверхностей угол в<90°, дли несмачиваемых (гидрофобных) .в>90°. При длительном контакте с влажным воздухом или с водой электроизоляционные материалы насыщаются влагой до некоторого равновесного состояния, зависящего от влажности воздуха, его температуры и структуры материалов. Способность материалов поглощать водяные пары из воздуха называют влаго-поглощаемостью, при погружении в воду соответственно пользуются понятием водоп ог лощаемости. Проникновение влаги в электроизоляционные материалы может происхо- дить по различным механизмам в зависимости от их структуры. Однако для всех видов органических полимеров является обязательным один из видов вла-гопоглощения или сорбции. Небольшие по размерам молекулы воды, находясь в непрерывном тепловом движении и двигаясь с большими скоростями, непрерывно бомбардируют поверхность материала. В результате часть молекул воды в каждый момент имеет возможность закрепиться на поверхности материала в неплотностях или «дырках», образуемых как на поверхности, так и в объеме материала, таюке в результате теплового движения молекул полимера и их отдельных структурных звеньев и участков. В последующем эти молекулы воды наряду с отрывом и уходом обратно в воздух имеют вероятность попасть в такие же соседние дырки, расположенные более глубоко от поверхности материала, и закрепиться там. Эти закрепившиеся молекулы в свою очередь имеют вероятность перейти дальше в глубь материала на образовавшиеся соседние дырки, особенно если ближние в направлении поверхности дырки оказались занятыми такими же молекулами воды. Процесс продолжается до тех пор, пока не наступит момент, когда в материале окажется такое количество молекул воды, которое соответствует данному парциальному давлению, зависящему от количества влаги, содержащейся в воздухе. Этот вид сорбции, связанный с внедрением молекул воды в мёжмолекулярные пространства материалов, протекает с затратой добавочной тепловой энергии, называемой энергией активации. Поэтому описанный процесс называют активированной сорбцией. Неактивированная сорбция наблюдается при увлажнении материалов, имеющих капилляры и открытые поры, а также растворимые примеси. В пористых материалах на стенках капилляров и пор происходит адсорбция молекул воды и при значительной влажности может происходить капиллярная конденсация. Этот вид сорбции характерен дли матералов неорганического происхождения (необожженная керамика, некоторые виды стекол, мрамор и т. п.). Капиллярная конденсация происходит вследствие того, что давление паров воды над мениском заполненного водой капилляра меньше, чем над плоской поверхностью материала. Для капилляров с радиусом примерно 2-10- м давление паров воды над мениском составляет всего 60% давления паров над плоской поверхностью. Материалы, содержащие водорастворимые примеси, обладают так называемым осмотическим влагопоглощением. Влага, поглощенная .такими материалами, растворяет примеси (соли), в результате чего в ячейку, где расположена примесь, поступает дополнительное количество влаги, поскольку упругость паров раствора вода - соль меньше, чем упругость паров чистой воды. Для исключения осмотического поглощения и перемещения влаги необходимо устранять как из полимера, так и с поверхности защищаемого изделия водорастворимые примеси путем тщательной очистки компонентов полимера (осо- бенно пигментов и наполнителей) и промывки от солей и кислот поверхности изделий перед их герметизацией. В практических случаях влагопоглощаемость G материалов часто определяется как увеличение AG масса Сг образца материала после пребывания его 12 в течение определенного промежутка времени (обычно 24 или 48 ч) в условиях относительной влажности 98%, отнесенное к первоначальной массе Gi сухого образца, выраженное в процентах: ,G ,,, (1) Gi Gi Метод определения влагопоглощаемости по взвешиванию сухого и увлажненного образца прост и удобен, тем не менее еще нельзя судить о влагостойкости материала. В большинстве случаев равновесное влагопоглощение для различных материалов наступает за различное время; кроме того, одно и то же количество поглощенной влаги в различной степени изменяет свойства материалов. Поэтому для более полной оценки поведении материалов во влажной среде существуют дополнительные параметры, позволяющие полнее вскрыть сущность процессов, протекающих в материале при его увлажнении и отражающих количество поглощенной влаги, скорость ее поглощения и способность влаги проникать через образец материала. Значительный вклад в области изучения влагостойкости полимеров и методов их влагозащиты сделан М. М. Михайловым и его школой, развивших понятие о влажностных характеристиках материалов и методику расчета времени эффективной влагозащиты органических покрытий [8, 9]. Дальнейшее развитие эта проблема получила в трудах Н. П. Богородицкого, Б. М. Тареева, С. А. Яманова, В. В. Пасынкова и др. [5, 7, 10, 11]. Механизм влагопоглощения описывается для большинства материалов следующими уравнениями: дС , дС -- ~п - закон Генри; g=-Р grad р - первый закон Фика; -- = др - дх =-Ddiv-gradC - второй закон Фика, где С--концентрация влаги; р - парциальное давление паров воды; h - коэффициент растворимости; g - плотность потока влаги; Р - коэффициент влагопроницаемости; D - коэффициент диффузии; Т - время. Коэффициент растворимости Л отражает процесс сорбции влаги материалом, т. е. ее растворения; он определяется количеством воды, растворенной в материале при воздействии водяных паров окружающей среды. Коэффициент растворимости определяет количество влаги, которое способен содержать материал в данных условиях. Коэффициент диффузии D определяет скорость процесса сорбции влаги материалом. Коэффициент влагопроницаемости Р отражает процесс выравнивания концентрации влаги в двух объемах, разделенных мембраной из испытуемого материала и имеющих в начальный момент различные концентрации. Значения параметров Р, D, h полимерных материалов определяются молекулярным строением, плотностью упаковки частиц, характером взаимодействия и связей молекул полимера между собой. Эти коэффициенты связаны между собой соотношением P = Dh. (2) Для ряда материалов наблюдается прямая пропорциональность между количеством поглощенной влаги Q и давлением паров воды, отражающая закон Генри: (Э = лр. (3) Однако для многих материалов характерна сорбция, не подчиняющаяся закону Генри. Отклонение от этого закона наступает при повышенных значениях влажности, превышающей определенное значение, причем, как правило, в этом случае увеличение концентрации влаги в материале происходит заметно €ыстрее, чем увеличение парциального давлении паров воды в воздухе. В этом случае уравнение (3) Приобретает вид: где показатель п больше единицы. Отклонение сорбции от закона Генри происходит при увлажнении пористых материалов, материалов, обладающих осмотическим влагопоглощением, и полярных материалов. Увеличение, по сравнению с законом Генри, поглощения влаги пористыми материалами объясняется наличием капиллярной конденсации. В случае наличия пор с диаметром менее Ю" м начинаются капиллярная конденсация и заполнение пор водой при относительной влажности воздуха 80% без увеличения парциального давления воды в воздухе, С повышением влажности воздуха начинается заполнение водой других более крупных пор и капилляров. Материалы, содержащие водорастворимые шримеси, поглощают дополнительное количество влапи свследствие возникновения осмотического давления ири растворении примесей. Примером описанных механизмов может служить поглощение влаги печатными платами из гетинакса и стеклотекстолита (рис. 4,5). Под воздействием 1влаги ц слоистых материалах щкш-схшцат значительное "изменение электрических характеристик, например, при воздействии относительной влажности 98% удельное объемное сопротивление гетинакса и текстолита падает до значения 5 • 10 Ом • м, поэтому эти материалы .нельзя использовать (без дополнительной влашза-щиты. Только некоторые из электроизоляционных материалов могут применяться без дополнительной вла.гозащиты (неполярные и .некоторые слабополярные).  ff 50 100 150 zoo 250 время, май. Рис. 4. Поглощение влаги печатными платами из гетинакса, защищенными лаками (относительная влажность 95- 98%, температура 20°С). 1, 4 ~ без лака; 2, 5 - лак на основе смолы ПН-9; 3 - бакелитовый лак; метод изготовления: 1, 2, 3 - фотоэлектрохимический; 4, 5 - фотохимический. 0,045 0,02 0,01 so 100 150 ZOO Z5D ЗОВ Время, мин Рис 5 Поглощение влаги образцами из стеклотекстолита с различными покрытиями (относительная влажность 95-98%, температура 20° С) / - без лака; 2 -лак на основе смолы ПН-9; 3 - лак АК-546. Материалы, применяемые для влагозащиты функциональных узлов и элементов, должны обладать низкой влагопроницаемостью, высокой электрической и механической прочностью, (способностью конструктивно Сочетаться с другими материалами, быть стойкими ш отношению к окружающей среде при эксплуатации. К сожалению, в настоящее .время не существует органических полимерных материалов, полностью удовл.етвор:яющих всем перечиоенным требованиям. 14 0 1 2 [3] 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 |