Гидрофобизация как фактор устойчивости материалов герметизации

В.Д. Мушенко, кхн.

Одним из наиболее технически востребованных и технологически сложных многооперационных процессов, связанных с производством изделий, приборов и систем, а также их компонентов, узлов и деталей является высоковольтная герметизация, проводимая в большинстве случаев на финальных этапах производственного цикла. Ее основными задачами является обеспечение работоспособности и надежности при эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), изделий электронной  техники (ИЭТ), техники средств связи (ТСС), устройств и узлов специального технического применения и транспортировки. Решение задач герметизации всегда неразрывно связано с решением двух комплексных проблем: разработка операций, объединенных в технологическую цепочку, а также выбор, направленное модифицирование или разработка нового композиционного материала, соответствующего техническим требованиям к объекту герметизации и условиям проведения технологических операций. Это указывает на особую роль выбора применяемых полимерных функциональных композиционных материалов (ПФКМ): герметиков и компаундов.

При разработке герметиков и компаундов на полимерной основе необходимо учитывать, что мелкодисперсные наполнители, входящие в их состав, образуют межфазные слои на границе раздела с полимерными связующими. Между тем, успешная герметизация может быть осуществлена только при обеспечении стабильности и изотропности применяемого материала во всех объемах герметизирующих оболочек и слоев. От правильного количественного и качественного сочетания полимерного связующего и наполнителя, их взаимной совместимости и основных исходных свойств принципиально зависят эксплуатационные свойства герметиков и компаундов. К этим эксплуатационным свойствам следует отнести в первую очередь исходную рабочую вязкость гетерогенных систем, а также вероятную динамику изменения вязкости систем при их соединении с жидкофазной системой отверждения (отвердитель, «катализатор», различные ускорители отверждения). Как качественным, так и количественным составом герметиков и компаундов определяется интенсивность их отверждения, а также время его завершения с образованием конечных твердых или эластичных сложносоставных полимерных продуктов. При правильном подборе исходного состава материала герметизации и условий его применения результат зависит от наличия у наполнителей, входящих в систему композиционного материала ряда определенных свойств. К ним относятся стабильность механических характеристик (прочность, твердость, устойчивость к истиранию, устойчивость при ударе), способность к образованию и разрушению конгломератов и агломератов, устойчивость к внешнему механическому давлению, химическая инертность и огнестойкость наполнителей, хорошая избирательная способность к смачиванию жидкими средами, теплостойкость, избирательная теплопроводность. К экономическим требованиям к компонентам герметиков и компаундов следует отнести невысокую стоимость и доступность компонентов. Весьма существенными являются отечественное происхождение применяемых наполнителей, а также химических компонентов для их технологической подготовки, минимальная токсичность самого наполнителя и минимальная токсичность продуктов его горения.  Важнейшими факторами при подборе наполнителей является их хорошая смачиваемость жидкими или вязко-текучими компонентами полимерной основы, физическая и химическая совместимость с полимерами, необходимая для полного диспергирования и образования изотропных композиций. Не меньшее значение имеет стабильность свойств в условиях хранения, которая может быть обусловлена как собственными физическими и химическими свойствами частиц наполнителей, свойствами их лабильных агломератов и конгломератов, а также результатами предварительной химической обработки частиц, например путем направленной гидрофобизации и механохимической переработки.

Опыт наших работ по созданию герметиков и компаундов на основе силиконовых, эпоксидных, полиуретановых, а также полиэфирных композиционных материалов позволяет направленно осуществлять разработку материалов, как с заданными общетехническими, так и с направленными избирательными свойствами (теплопроводность; теплоизоляционные, теплопоглощающие, антистатические, электропроводные, диэлектрические свойства). Помимо  разработки новых герметиков и компаундов с направленными  функциональными свойствами актуальной остается задача  проведения целевого модифицирования свойств серийно выпускаемых материалов с целью изменения количественного уровня их технологических и эксплуатационных характеристик. Широкие возможности для этого предоставляет использование производственной базы ООО «Функциональные материалы», на которой освоены современные и перспективные методики предварительной подготовки наполнителей, механохимической активации, их гидрофобизации, совместного размола и температурной обработки различных по качественному и количественному составу твердых смесевых композиций. Широкие перспективы открываются для применения таких традиционных наполнителей как оксиды кремния, титана, цинка, железа в сочетании с разработанными и производимыми ООО «Функциональные материалы» оксидами, гидроксидами, оксидами-гидроксидами алюминия различной степени дисперсности. Однако при этом необходимо экпериментальное изучение результатов и поиск оптимальных режимов осуществления различных вариантов механической, термической и механохимической обработки композиционных наполнителей. Тщательного изучения в этой связи требует значительный ряд наполнителей, несущих дополнительные специфические свойства, такие как селективное радио-поглощение, высокая или низкая теплопроводность, свойства антистатиков, теплопроводящие свойства и другие. В процессе разработки необходимо проведение планомерного комплексного подбора полимерных связующих в сочетании с пластификаторами, системами отверждения, растворителями, растворителями-разбавителями, модификаторами и поверхностно активными веществами.

Среди многообразия перспективных задач выделяются своей актуальностью и представляют значительный и особый интерес проблемы разработки силиконовых материалов герметизации для применения в условиях тропиков и субтропиков, для высоковольтной герметизации изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры, применяемой в условиях одновременного воздействия высокой влажности и высокой температуры окружающей среды и некоторых других природных и техногенных факторов. Отдельную серьезную проблему представляет обеспечение длительной и надежной стабильности диэлектрических свойств материалов герметизации. В условиях тропиков и субтропиков полярные частицы воды в виде агломератов, формируемых посредством водородных связей, удерживаются на поверхности микроструктурных частиц наполнителей, препятствуя осуществлению полноценных поверхностных контактов между поверхностями наполнителей и гидрофобных макромолекул полимеров и олигомеров кремнийорганической природы. Помимо этого ассоциаты молекул воды становятся проводниками электрических зарядов. В ходе длительного воздействия разности потенциалов, приложенной к отвержденным силиконовым диэлектрикам в них возникают значительные токи утечки. При этом герметичные оболочки в значительной степени теряют первоначальный уровень диэлектрических свойств. Поэтому, для длительного обеспечения требуемых свойств герметиков и компаундов необходимо исключить возможность проникновения влаги в локальные микроскопические пространства приграничных слоев между частицами наполнителей и силиконовых полимерных связующих. В целях повышения стабильности диэлектрических характеристик силиконовых герметиков и компаундов нами проводятся работы, разделенные на последовательный ряд этапов. Представляются необходимыми: исследование результатов гидрофобизации выбранных мелкоструктурных наполнителей путем их механохимической переработки; разработка режимов совмещения этих наполнителей с полимерным связующим в экспериментально установленных качественных рецептурах и количественных соотношениях. Следующим этапом  должна стать разработка гидрофобизированных герметиков и компаундов с повышенной биоцидностью для применения в условиях тропиков и субтропиков; разработка различных качественных и количественных составов ПФКМ, технологии их получения и целевого применения.

Существенным отличием разрабатываемых у нас продуктов от вышеперечисленных является то, что для материалов планируется  производство с применением тщательно подготовленных наполнителей, а не с применением коммерчески предлагаемых на рынке наполнителей.

На сегодняшний день разработан ряд материалов, ставших предметом заявок на изобретения, отправленных на рассмотрение ФИПС на предмет выдачи патентов на изобретения РФ. По этой  причине опубликование данных об их количественных составах временно невозможно.

В ходе работ исследованы факторы агломерации частиц наполнителей, которые могут вызывать заметное уменьшение значений теплофизических свойств. Поэтому на основании результатов исследований предлагается подход, заключающийся в предварительной подготовке наполнителя для приготовления материала, что повысит значения его характеристик. Полученные данные о возможных путях управления процессами  агломерации и конгломерации наполнителей, вводимых в композиционный состав герметиков и компаундов.

Существуют все основания считать, что в результате предварительной подготовки наполнителей материала (измельчение и сушка с применением различных температурных и механических режимов) должны существенно повыситься теплофизические и физико-механические характеристики материалов. Для окончательного доказательства ряда сделанных предположений необходимо в рамках сформированной программы провести технологическую подготовку наполнителей, экспериментальное изготовление композиционных материалов, измерения их теплофизических и физико-механических характеристик.

Научная новизна полученных результатов запланированных и проводимых работ  основана на применении созданных в ходе выполнения проекта научно-технических методик предварительной подготовки и направленного соединения всех включаемых компонентов. Анализ данных, связанных с характеристиками разработанных материалов позволит решить проблему направленного системного выбора составляющих компонентов для формирования ключевых свойств, соответствующих техническим требованиям к объектам применения.

Целью проведения работ является разработка и исследование теплофизических характеристик новых функциональных материалов, герметиков и компаундов на основе полиуретановых и силоксановых полимеров и олигомеров в качестве связующих  в сочетании с различными теплопроводящими диэлектрическими ультрадисперсными наполнителями. Это в первую очередь оксиды, карбиды и нитриды, включающие в качестве основных элементов алюминий и кремний в виде тонкодисперсных порошков, предварительно прошедших специальную технологическую подготовку, улучшающую характеристики материала в целом.

Конечным продуктом будут функциональные материалы с повышенным уровнем диэлектрических и теплопроводящих характеристик, что позволит успешно применять их в качестве герметиков и заливочных компаундов, в составе  электронных и радиоэлектронных силовых изделий, а также в технике средств связи.

Результаты исследований позволят оптимизировать составы композиций в интересах достижения требуемых значений характеристик для конкретных целей и условий применения при минимальной стоимости производства герметиков и компаундов. Одним из результатов анализа полученных материалов на базе экспериментальных данных станет разработка моделей, позволяющих прогнозировать свойства композиций с одним и с несколькими наполнителями, что позволит существенно сократить в дальнейшем время на разработку новых материалов.

Научная новизна заключается также в разработке технологии предварительной подготовки наполнителей, которая позволит повысить эксплуатационные характеристики композиционных материалов.

По результатам разработки и исследования таких материалов планируется дальнейшая подача заявок на изобретения и полезные модели на  предмет оформления патентов РФ.