[1]Изобретение относится к полимерной химии и ее применению в электротехнике при изготовлении высоковольтной изоляции, в частности изоляторов для электронно-лучевых пушек устройств электронно-лучевой сварки (ЭЛС), а также других изделий.
[2]Задача состояла в создании компаунда заливочного с технологическими свойствами, позволяющими методом свободной, одномоментной заливки в форме объемом около 7 литров получить монолитный изолятор с металлической арматурой для работы в условиях воздействия радиации в вакууме при коммутации тока до 30 А, напряжении до 85 кВ, с классом нагревостойкости Н по ГОСТ 8865-93 (МЭК 85-84).
[3]При исследовании патентных фондов по МПК Н01В 3/18; C09D 175/04 и С09K 3/1, наблюдается общая тенденция разбавления стандартных диановых эпоксидных смол алифатическими эпоксидными смолами и применением в качестве отвердителей, либо олигооксипропиленаминов, либо традиционных аминов - фракций ПЭПА или низкомолекулярных аминоамидов с ускорителями, также аминного типа. Указано также на применение полиуретанов.
[4]Теперь уже в меньшей степени, чем ранее, в качестве отвердителя эпоксидных смол для электроизоляционных изделий рекомендуется изометилтетрагидрофталевый ангидрид (и-МТГФА), т.к. он является летучим и по классу опасности 2 относится к веществам с высокой опасностью (ПДК в рабочей зоне - 1 мг/м3) и может диффундировать из компаунда под вакуумом. При применении его требуется длительное - до десятка часов отверждение при 160-180°C. В большом объеме компаунда при отверждении также наблюдается неконтролируемая экзотермия, поэтому, для решения задачи по предлагаемому изобретению и-МТГФА не пригоден.
[5]Циклоалифатические эпоксидные смолы, получаемые прямым эпоксидированием ненасыщенных двойных связей, были разработаны специально для электроизоляции - они низковязкие после отверждения, не подвержены «трекингу» по поверхности, имеют минимальную усадку, однако в России они не выпускаются.
[6]Известен электроизоляционный заливочный компаунд для изделий спецтехники (патент RU 2343577 С1, МПК Н01B 3/40, опубл. 20.08.2012), где техническое решение сводится к снижению вязкости эпоксидной смолы-основы путем введения двух активных разбавителей на основе алифатических (водорастворимых) эпоксидных смол - ТЭГ-1 и лапросксидов 603 и 201Б (моноглицидилового эфира триола и n-бутанола).
[7]Для обеспечения жизнеспособности не менее 1 часа - отвердителем берут низкомолекулярный полиамид Л-20 вместе со смесевым амином М-4. Решение задачи по этим параметрам было обеспечено, т.к. требовалась еще эластичность и стойкость изделия к ударным нагрузкам. Недостатком такого решения является низкая жизнеспособность компаунда и соответственно высокая экзотермия при отверждении, что ограничивает получение изделий большого объема, кроме того, при работе изделия (изолятора) в вакууме, нежелательно иметь в компонентах свободных аминов - они диффундируют к поверхности, испаряются и ионизируют рабочее пространство.
[8]Известен заливочный компаунд марки ЗК-5Л по ТУ 09. 079-88 предназначенный для изготовления изоляторов электронно-лучевых пушек устройств ЭЛС. Компаунд представляет собой смесь на основе компаунда марки МБК-1 с добавлением диметакрилата триэтиленгликоля ТГМ-3, пылевидного кварца марки КП-3 и перекиси бензоила. Недостатком данного технического решения является использование токсичного и взрывоопасного материала - перекиси бензоила, необходимость проведения ваккумирования компаунда после заливки, проявление высокой экзотермии при отверждении в форме, значительная усадка компаунда 5-6%, класс нагревостойкости А.
[9]Известен электроизоляционный материал (патент RU 2490739, МПК Н01В 3/18, Н01В 17/00, C08L 83/04, опубл. 20.08.2013) для применения в конструкциях высоковольтных изоляторов, изготавливаемый из винилсодержащего силоксана - каучука СКТВщ по ТУ 38.103675-89 с наполнением импортным пылевидным кварцем «Сикрон» с поверхностной обработкой частиц аминосиланами, а также с введением антиструктурирующей добавки. Недостатком указанного технического решения являются трудности со структурированием каучука СКТВщ во внутренних слоях изолятора с большим объемом заливки.
[10]При выборе наиболее близкого аналога по предлагаемому изобретению принято Авторское свидетельство SU 1756942 А1, МПК Н01В 3/18, опубл. 23.08.1992, где электроизоляционный заливочный состав для высоковольтных блоков спецназначения содержит, мас. ч.: 100 эпоксидной смолы типа ЭД-22; 32-75 олигооксипропилендиамина и 1,3-1,4 аминного катализатора. Состав может содержать 50-150 мас. ч. кварцевого песка. Жизнеспособность состава 6-8 часов. После отверждения состав имеет пробивное эл. напряжение на образцах 35-44 МВ/м.
[11]Целью предлагаемого изобретения является устранение недостатков известных компаундов и составов по обеспечению требуемой безопасности используемых компонентов, жизнеспособности, допустимой экзотермии, устранению диффузии нежелательных химических соединений в вакуумную камеру, снижение усадки материала, предотвращение образования высоких механических напряжений при эксплуатационном воздействии и выдерживание при передаче электрического тока до 30 А, напряжением до 85 кВ, при ресурсе работы ЭЛС не менее 1 года в условиях воздействия радиации и классе нагревостойкости Н.
[12]Цель достигается изобретением:
[13]Компаунд эпоксидно-дифенольный для изготовления изоляторов электронно-лучевых пушек устройств ЭЛС, содержащий эпоксидно-диановую смолу-основу, аминный отверждающий агент и минеральный наполнитель, отличающийся тем, что компаунд помимо указанной эпоксидно-диановой смолы-основы в качестве аминного отверждающего агента содержит триэтаноламинтитанат, в качестве минерального наполнителя кварц молотый пылевидный и дополнительно содержит олигомер гидрохинона со степенью поликонденсации n=0-2, со среднечисленной молекулярной массой 350 дальтон, полученный из гидрохинона при температуре 240-250°C в присутствии контактной серной кислоты с выделением 9-11 мас. % конденсационной воды, при следующем соотношении ингредиентов, масс. ч.:
[14]эпоксидно-диановая смола 100
[15]триэтаноламинтитанат 5-10
[16]олигомер гидрохинона 2-10
[17]кварц молотый пылевидный 100-110
[18]Отверждение изолятора на его основе ведут в форме при температуре (80±2)°C, в течение 10 часов и (120±2)°C в течение 10 часов.
[19]Предлагаемый компаунд позволяет формировать высоковольтный изолятор с металлическими закладными деталями путем свободной одномоментной заливки в форму предварительно перемешанных ингредиентов компаунда и разогретых до температуры от 75 до 80°C.
[20]Для получения компаунда использовались следующие материалы:
[21]- низкомолекулярная эпоксидно-диановая смола с содержанием от 20 до 24 мас. % эпоксидных групп по ГОСТ 10587-84;
[22]- внутримолекулярный структурообразователь - олигомер гидрохинона по ТУ 2221-001-08621486-2013 со степенью поликонденсации n=0-2 и среднечисленной молекулярной массой 350 дальтон с температурой стеклования 65-70°C, полученного по ТИ 5-516-2013 АО «НИКИМТ-Атомстрой» способом окислительной конденсацией гидрохинона при температуре 240-250°C, в присутствии контактной серной кислоты в течение 4-5 часов;
[23]- отвердитель полимеризационного типа - триэтаноламинтитанат (ТЭАТ-1) по ТУ 6-09-11-2119-93;
[24]- минеральный наполнитель - кварц молотый пылевидный по ГОСТ 9077-82.
[25]Соотношение компонентов компаунда для совмещения и отверждения рассчитаны по эквимолекулярному соотношению гидроксильных групп олигофенилена и эпоксидных групп смолы и затем откорректированы по реакционной способности компонентов в диапазоне, указанном в формуле изобретения.
[26]Количество триэтаноламинтитаната подобрано в указанном соотношении опытным путем по реакционной способности - жизнеспособности компаунда и степени его отверждения по режимам, указанным в зависимом пункте формулы изобретения.
[27]Уменьшение количества олигомера (называемом нами условно внутримолекулярным структурообразователем) менее 2 мас. ч. не позволяет получить требуемое время гелеобразования, увеличение же его количества более указанного приводит к повышению вязкости компаунда и появлению трудностей при перемешивании с минеральным наполнителем.
[28]Количество минерального наполнителя определяется полным заполнением смоляной части и наиболее плотной упаковкой его при заданной дисперсности.
[29]Пример применения компаунда при изготовлении изолятора
[30]В форму для заливки, объемом около 7 л, повторяющую конфигурацию изолятора, с помощью съемной полимерной арматуры устанавливают металлические закладные изолятора, одномоментно вводят компаунд, приготовленный механическим смешением при температуре 75-80°C следующих компонентов: эпоксидно-диановой смолы, олигомера гидрохинона, триэтаноламинтитаната и кварца молотого пылевидного, предварительно прокаленного при 700-800°C в течение 30 минут и охлажденного до 75-80°C в соотношениях, указанных выше (с учетом объема формы).
[31]Форму с введенным компаундом помещают в термошкаф, разогретый до (80±2)°C, и выдерживают при этой температуре 10 часов, после чего начинают подъем температуры до (120±2)°C, со скоростью 1°C в минуту и выдерживают при этой температуре 10 часов.
[32]Охлаждают форму с изолятором при отключенном обогреве в термошкафу до температуры (23±2)°C, затем специальным выталкивателем извлекают изолятор из формы, при необходимости проводят механическую обработку поверхности изолятора, проводят приемочные испытания в вакууме под эксплуатационным напряжением.
[33]Для заливки используют полимерную или металлическую неразборную или разборную формы. Внутренняя поверхность металлической формы перед заливкой обрабатывается антиадгезивным составом (фторопластовой эмульсией).
[34]Отвержденный компаунд имеют гладкую блестящую поверхность, легко обрабатывается механическим инструментом, при большой скорости резания (обработки) не происходит подплавления обрабатываемой поверхности или выкрашивания частиц из компаунда.
[35]Некоторые результаты испытания изолятора на основе компаунда представлены в таблице 1.
[36]
[37]Некоторые характеристики компаунда представлены в таблицах 2-3.
[38]
[39]
[40]Изобретательский уровень технического решения подтверждается тем, что совокупность существенных признаков компаунда и его составляющих компонентов не очевидна и связана, по всей видимости, с влиянием на регулярное структурирование трехмерной матрицы компаунда олигомера гидрохинона, причем это структурирование проходит по полимеризационному механизму за счет влияния третичного амина отвердителя и с участием гидроксильных групп ароматически сопряженного олигомера гидрохинона, плотность которого также была неожиданна для углеводородов ароматического ряда: 1340-1370 кг/м3.
[41]Предлагаемое изобретение отвечает всем критериям патентоспособности: по новизне - заявитель не обнаружил в известных источниках применение по назначению подобных решений; по полезности - заявитель решил важную проблему обеспечения устройств ЭЛС надежными изоляторами с применением компонентов компаунда российского производства; по промышленной применимости - обеспечил работу устройств ЭЛС.
