عایق الکتریکی اپوکسی

مقدمه‌ای بر عایق الکتریکی اپوکسی

همانطور که می‌دانید اپوکسی‌ها از خانواده پلاستیک‌های ترموست هستند و از واکنش بین دو جزء رزین اپوکسی و هاردنر تشکیل شده‌اند که در بعضی موارد تعدادی از دیگر مواد شیمیایی نیز در تولید آن نقش دارند.کاربرد اپوکسی در زندگی روزمره و صنایع گوناگون بسیار وسیع است و دلیل آن را می‌توان به ویژگی‌های اپوکسی که در زیر به آنها اشاره می‌شود، نسبت داد:

• چسبندگی قوی به طیف وسیعی از مواد از جمله فلزات، بتن، شیشه، سرامیک، چوب، سنگ، چرم و…
• مقاومت عالی در برابر حلال‌ها و مواد شیمیایی
• مقاومت الکتریکی بالا
• استحکام مکانیکی فوق العاده شامل استحکام کششی، فشاری، خمشی
• کاهش حجم بسیار ناچیز در اثر پخت که منجر به پایداری ابعاد می‌شود

برای خواندن مطالب بیشتر در این زمینه به مقاله اپوکسی چیست مراجعه نمائید.

اگرچه رزین اپوکسی جزء اصلی اپوکسی است اما به خودی خود برای موارد زیادی مفید نیست. هنگامی که هاردنر به رزین اپوکسی افزوده می‌شود، اپوکسی به پلاستیک ترموست، سخت و چسبنده تبدیل می‌شود و اپوکسی به سرعت پخته می‌شود.

هاردنر اپوکسی شامل مولکول‌هایی است که می‌تواند با گروه‌های رزینی واکنش دهد و به عنوان عامل پخت یا عامل ایجادکننده‌ی پیوند عرضی نیز شناخته می‌شود. مولکول‌های هاردنر اپوکسی، مولکول‌های رزین را قادر می‌سازند تا به یکدیگر متصل شوند و یک شبکه سه بعدی تشکیل دهند. معمولاً مولکول‌های هاردنر اپوکسی بسیار کوچکتر از مولکول‌های رزین هستند، بنابراین ویسکوزیته کمی دارند. افزودن یک هاردنر به یک رزین، بسته به ویسکوزیته و نوع ماده هاردنر و میزان استوکیومتری آن در مخلوط بستگی دارد. هاردنر اپوکسی در حقیقت واکنش پخت رزین اپوکسی را تقویت یا کنترل می‌کند.

برای خواندن مطالب بیشتر در این زمینه به مقاله انواع هاردنر اپوکسی مراجعه نمائید.

عایق الکتریکی اپوکسی چیست

 رزین‌های اپوکسی به طور ذاتی عایق‌های الکتریکی بسیار مناسب و با کارایی بالا هستند و به طور گسترده در کاربردهای الکترونیکی و الکتریکی استفاده می‌شوند. رزین‌های اپوکسی بیش از شش دهه است که در مهندسی نیرو مورد استفاده قرار می‌گیرند و تا امروز  بهترین عملکرد را برای مقاومت الکتریکی ارائه داده‌اند.

انتخاب اپوکسی مناسب نه تنها به خواص دی الکتریک آن بستگی دارد بلکه به تعدادی از ویژگی‌ها مانند مقاومت در برابر دما، مقاومت مکانیکی، مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر ضربه‌ و چرخه‌های حرارتی و مکانیکی بستگی دارد. و تمام این عوامل به شدت تحت تاثیر عامل پخت (هاردنر ) قرار می‌گیرد.

برخی از مهم‌ترین کاربردهای عایق الکتریکی اپوکسی

• دفن قطعات الکتریکی، الکترونیکی، خازن‌ها، سیم پیچ‌ها، رله‌ها، ترانزیستورها، ترانسفورمرها و موتورها
• پوشش‌های عایق سطحی برای سطوح فلزی
• جهت حفاظت از مدارهای الکترونیکی حساس به گرد و خاک و رطوبت با سیستم غوطه وری (Dip coating)
• جهت حفاظت از مدارهای الکترونیکی که در مجاورت مواد شیمیایی قرار دارند
• جهت حفاظت از مدارهای الکترونیکی که در دمای بالا کار می‌کنند
• در مواردی که نیاز به ولتاژ بالا و مصارف بیرونی بیشتر است که در این صورت نیاز به چقرمگی مکانیکی و مقاومت در برابر آب و هوا را دارد

مزایای عایق الکتریکی اپوکسی

• عایق‌ها، ابزارها و ترانسفورماتورهای توزیع خشک به لطف تنوع و مقاومت شناخته شده‌ی رزین‌های اپوکسی، سبک‌تر، کوچک‌تر و انعطاف پذیرتر شده اند
• در بسته بندی‌های نوین میکروالکترونیک کاربرد دارند
• عایق الکتریکی اپوکسی می تواند ویژگی‌های عایق الکتریکی بالا با چقرمگی مکانیکی را  تضمین کند
• در اتصالات ولتاژ بالا، اپوکسی‌ها حداقل انبساط حرارتی و بالاترین مقاومت حرارتی را نشان می‌دهند
• رزین های عایق الکتریکی اپوکسی در دمای اتاق معمولا پایدار هستند 
• کاهش هزینه
• سمیت کم و دوستدار محیط زیست
• افزایش انعطاف پذیری با افزایش دما موجب می‌گردد به راحتی شوک‌های ناشی از افزایش دمای سیستم‌های الکترونیکی را تحمل کرده و در آن ترک و شکستگی بوجود نیاید

سیستم غوطه وری (Dip coating)

اکثر دستگاه‌ها و اجزای الکتریکی نیاز به محافظت در برابر گرد و غبار، مایعات و تماس تصادفی با اجزای الکتریکی مجاور دارند. پوشش غوطه ور به عنوان یک عایق الکتریکی عمل می‌کند و جریان الکتریکی را به طور ایمن در جایی که به آن تعلق دارد حفظ می‌کند.

روکش پلاستیکی مورد استفاده در اتوبوس‌ها یک مثال خوب در این مورد است که از یک میله برای توزیع متمرکز ولتاژ بالا به مجموعه‌ای از گیرنده‌های محلی استفاده می‌شود. از پوشش مورد استفاده در میله اتوبوس برای عایق بندی و محافظت از اجزای حامل ولتاژ در برابر قوس و جریان الکتریکی استفاده می‌شود.

خلاصه‌ای از مهم‌ترین ویژگی‌ها در ارزیابی عملکرد عایق الکتریکی اپوکسی

در جدول زیر ویژگی‌های مختلف و آزمون مربوطه برای اندازه گیری ذکر شده است، برای اندازه گیری این مقادیر عموما از روش‌های آزمون) ASTM ( American Society Testing and Materials  استفاده می‌شود.

روش‌های آزمایش الکتریکی- الکترونیکی رزین‌های اپوکسی بر اساس آزمون ASTM

نتیجه

تمام خواص ذکر شده تا حدودی تحت تاثیر دما و افزودن پرکننده‌های معدنی مانند سیلیس، آلومینا و شیشه قرار می‌گیرد. به همین دلیل، طراحان تمایل دارند از بیشترین مقادیر برای مقاومت در برابر حجم و سطح، مقاومت دی الکتریک و مقاومت قوس و کمترین مقادیر برای ثابت دی الکتریک و ضریب پراکندگی استفاده کنند.

انتخاب عامل پخت (هاردنر) نه تنها به مقادیر عایق الکتریکی اپوکسی مورد نظر بستگی دارد بلکه به پارامترهای دیگری مانند دمای عملیاتی، مقاومت شیمیایی و استحکام فیزیکی نیز بستگی دارد.

نکته مهم دیگر در انتخاب هاردنر، ارزیابی قابلیت‌ها و محدودیت‌های پردازش آن است، همان طور که قبلا گفته شد برخی از ویژگی‌های اساسی عایق الکتریکی اپوکسی شامل ثابت دی الکتریک، ضریب اتلاف (شاخص پراکندگی)، قدرت دی الکتریک و مقاومت حجم می‌باشد که خواص نهایی بدست آمده به گروه‌های مختلف عوامل پخت از جمله آمین‌های آلیفاتیک، پلی آمیدها، آمین‌های سیکلوآلیفاتیک، آمین‌های معطر، انیدرید‌ها، اسیدهای لوئیس و ایمیدازول‌ها مرتبط می‌باشد.

تفاوت میان این ویژگی‌ها به عامل پخت مورد استفاده برمی‌گردد. و در نهایت انتخاب عامل پخت (هاردنر) بستگی به شرایط عملیاتی دارد که اپوکسی تجربه می‌کند.

معمولا از مواد معدنی متفاوت مانند سیلیس، میکا و کربنات کلسیم caco₃  برای کامپوزیت‌های اپوکسی فیلم نازک در خازن‌ها استفاده می‌شود، زیرا اثرات بارگذاری و نوع پرکننده، بر ظاهر، کشش، خواص دی الکتریک و خواص حرارتی کامپوزیت‌های اپوکسی فیلم نازک تاثیر گذار است.

ترکیب پلیمرهای اپوکسی با پرکننده‌های میکرو، نانو، نانو میکرو و نانو سیلیس برای عملکرد الکتریکی در کاربردهای عایق الکتریکی اپوکسی با ولتاژ بالا ارزیابی شده‌اند.

مقاومت دی الکتریک این نمونه‌ها مطابق با استاندارد ASTM D-149 اندازه گیری شده و از طیف سنجی دی الکتریک برای تعیین نقش بار استفاده شد.

نتایج طیف سنجی دی الکتریک نشان می‌دهد که می‌توان با استفاده از نمونه‌های حاوی نانو پرکننده و میکرونانو پرکننده در مقایسه با موادی که حاوی ریز پرکننده هستند بهبود قابل توجهی در عملکرد الکتریکی حاصل کرد.

رساناهای اپوکسی در مقابل عایق الکتریکی اپوکسی

اپوکسی رسانا به عنوان مثال چسب‌های رسانای الکتریکی شامل رزین اپوکسی پر شده از ذرات کربنی-فلزی است. اگر نسبت ذرات پرکننده به رزین تغییر داده شود، می‌توان عملکرد هدایت اکتریکی چسب را کنترل کرد. هر چه ذرات پرکننده بیشتر باشند رسانایی نیز بیشتر خواهد شد. اما قدرت پیوند به دلیل جابجایی برخی از مواد چسبنده ضعیف می‌شود.

لحیم کاری در سیستم‌های برد الکتریکی باعث ایجاد مسمومیت شده و خطرات زیست محیطی به همراه دارد. اپوکسی رسانا می‌تواند به عنوان جایگزین عالی برای لحیم کاری مورد استفاده قرار گیرد.

اپوکسی به تنهایی غیررسانا است اما اگر با نقره ترکیب و پر شود می‌تواند رسانای خوبی شود. به غیر از نقره از طلا، نیکل و مس هم می‌توان استفاده کرد اما رایج‌ترین آن نقره است.

مزیت مهم دیگر این است که اپوکسی می‌تواند رسانای حرارتی باشد به این معنا که در صورت استفاده می‌تواند اجزاء برد الکتریکی یا خازن‌ها را خنک کند.

پودر‌های اپوکسی به عنوان عایق الکتریکی

فناوری پوشش پودری از اوایل دهه‌ی 1950 وجود داشته است و به عنوان یک روش برتر برای اعمال پوشش محافظ در اشکال و اندازه‌های مختلف، برخلاف کاربردهای مرطوب شناخته شده است.

در ابتدا این فرایند عمدتا به عنوان ابزاری مقرون به صرفه و سازگار برای اعمال پوشش روی مواد مصرفی تجاری، با توجه کمتر به کاربردهای الکتریکی آن استفاده می‌شد. در طول سال ها پیشرفت در روش‌های کاربرد و شیمی پودر، استفاده از پوشش پودری در زمینه الکتریکی گسترش داده شد. 

پودرهای روکش اپوکسی، خواص عایق الکتریکی و همچنین حفاظت از محیط زیست را در طیف وسیعی از کاربردها از جمله مخازن و مقاوت‌ها ارائه می‌دهند.

پودر‌های اپوکسی مطابق با استانداردهای کیفی دقیق، برای محیط زیست، بهداشت و ایمنی تولید می‌شوند.

پوشش پودری اپوکسی به طور موثر به عنوان عایق دی الکتریک بسیار عالی بر روی رساناهای مس یا آلومینیوم استفاده می‌شود. بنابراین روی هر پیکربندی به طور منظم گسترش یافته و می‌توان به یک عایق الکتریکی با کارایی بالا دست یافت.

 مزایای استفاده از پودرهای اپوکسی به عنوان عایق الکتریکی

• سهولت استفاده
• میزان VOC (Volatile organic compounds) یا ترکیبات آلی فرار را به حداقل می‌رساند
• پوشش دقیق و یکنواخت سطح را امکان پذیر می‌کنند
• محتوای 100 درصد جامد دارند
• ضخامت کم پوشش برای دستیابی به حداکثرعملکرد کافی است
• مقاوت عالی برش

ویژگی‌های پودرهای اپوکسی به عنوان عایق الکتریکی

• چسبندگی بسیار خوب با بستر
• استحکام بالا
• مقاومت شیمیایی بالا
• چقرمگی خوب (بدون خم شدن و شکستگی)
• دمای ذوب پائین
• واکنش پذیری بالا

قبل از استفاده از پودر، سطح مورد نظر باید کاملا تمیز، خشک و آماده باشد. برای اطمینان از چسبندگی مناسب، تمام آلاینده‌ها باید حذف شوند (معمولا از محلول فسفات و بعد از آن آبکشی) استفاده می‌شود.

کفپوش‌های عایق الکتریکی اپوکسی

سیستم‌های کف پوش دی الکتریک به عنوان عایق الکتریکی اپوکسی کف، عمل می‌کنند و از افراد و تجهیزات ارزشمند در برابر شوک و جریان الکتریکی در مناطق خطرناک ولتاژ بالا مانند اتاق‌های پانل برقی، اتاق‌های باطری و منبع تغذیه محافظت می‌کنند.

کف پوش‌های عایق الکتریکی اپوکسی یک پوشش صاف و یکنواخت ایجاد می‌کند، معمولا یک کف پوش بزرگ و بدون حلال است که به عنوان عایق الکتریکی عمل کرده. این نوع کف پوش‌ها علاوه بر خاصیت الکتریکی، مقاومت شیمیایی، مقاومت بالا در برابر خراش و ضربه، و خاصیت ضد آب دارند.

ویژگی کفپوش‌های عایق الکتریکی اپوکسی

• مقاومت الکتریکی بالا
• ولتاژ شکست منحصر بفرد
• مقاوم در برابر سایش‌های سخت با هزینه نگهداری کم
• مقاوم در برابر طیف گسترده ای از مواد شیمیایی و مایعات
• بدون درز- بدون احتمال نشتی مفاصل
• سهولت تمیزی برای حفظ استانداردهای بهداشتی
• چسبندگی بالا
• سهولت اعمال در یک لایه
• مقرون به صرفه
• نگهداری آسان- پوشش مجدد
• مقاوم در برابر سایش
• موجود در تمام رنگ‌های استاندارد
• سهولت استفاده
• عدم جذب گرد و غبار

حوزه‌های کاربرد کفپوش‌های عایق الکتریکی اپوکسی

• صنعت الکترونیک و مخابرات
• اتاق‌های کارخانه AC
• تجهیزات سوئیچینگ
• اتاق‌های ترانسفورماتور
• اتاق‌های ژنراتور
• جلوی تابلوهای برق
• بسترهای الکترونیکی انعطاف پذیر
• آزمایشگاه‌های LT/HT

گردآوری و ترجمه: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر – نسیم مهین عبدالله زاده

منابع:

• https://www.precisiondipcoating.com
• https://www.kohesibond.com
• https://www.masterbond.com
• https://www.masterbond.com/techtips
• https://www.techbriefs.com/component
• https://ieeexplore.ieee.org
• https://www.researchgate.net
• https://www.materialstoday.com
• https://www.solepoxy.com
• https://epoxy-europe.eu
• https://forum.digikey.com