دانشنامه جامع اپوکسی عایق الکتریکی49
49
فصل ۴۹/ سیستم‌های عایق چندلایه با رزین اپوکسی؛ سازگاری لایه‌ها، مرز مشترک و کنترل عملکرد الکتریکی
در بسیاری از تجهیزات الکتریکی، عایق فقط از یک ماده تشکیل نشده است. ممکن است یک قطعه فلزی ابتدا با پرایمر پوشش داده شود، سپس رزین اپوکسی روی آن قرار گیرد و در قسمت دیگری نیز از نوار عایق، قطعه سرامیکی، سیلیکون یا ماده پلیمری دیگری استفاده شده باشد.
از دید ظاهری، این مجموعه ممکن است یک پوشش ساده به نظر برسد؛ اما از دید مهندسی، یک سیستم عایق چندلایه تشکیل شده است.
در چنین سیستمی، کیفیت هر لایه مهم است، ولی کیفیت مرز بین لایه‌ها نیز اهمیت بسیار زیادی دارد.
ممکن است خود رزین اپوکسی از نظر خواص الکتریکی مناسب باشد، اما اگر بین اپوکسی و زیرلایه یک لایه هوا، رطوبت، آلودگی یا چسبندگی ضعیف ایجاد شود، عملکرد کل سیستم تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
به همین دلیل در عایق‌کاری حرفه‌ای، نباید فقط درباره «مقاومت الکتریکی رزین» صحبت کرد؛ بلکه باید کل ساختار عایقی را بررسی کرد.
—
سیستم عایق چندلایه چیست؟
سیستم چندلایه به ساختاری گفته می‌شود که در آن دو یا چند ماده متفاوت برای ایجاد حفاظت یا عایق‌کاری الکتریکی در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند.
یک نمونه ساده می‌تواند چنین ساختاری داشته باشد:
فلز → آماده‌سازی سطح → پرایمر → رزین اپوکسی → لایه محافظ
در یک سیستم دیگر ممکن است ساختار به شکل زیر باشد:
هادی → عایق جامد → اپوکسی → لایه آب‌بند
هرکدام از این مواد خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی متفاوتی دارند.
—
چرا یک لایه کافی نیست؟
در بعضی کاربردها یک لایه رزین کاملاً کافی است.
اما در تجهیزات پیچیده، ممکن است یک ماده به تنهایی نتواند تمام نیازها را تأمین کند.
برای مثال:
– یک لایه ممکن است چسبندگی خوبی ایجاد کند.
– لایه دیگری ممکن است استقامت الکتریکی بالاتری داشته باشد.
– ماده دیگری ممکن است انعطاف‌پذیری بیشتری داشته باشد.
– لایه بیرونی ممکن است برای مقاومت در برابر رطوبت یا شرایط محیطی انتخاب شود.
بنابراین طراحی چندلایه می‌تواند راهکاری برای جمع کردن چند ویژگی مورد نیاز باشد.
اما به همان نسبت، نقاط مرزی بیشتری ایجاد می‌شود.
—
مهم‌ترین مسئله؛ مرز بین دو ماده
وقتی دو ماده متفاوت با یکدیگر تماس دارند، ناحیه تماس آنها را می‌توان یک مرز مشترک در نظر گرفت.
این مرز در شرایط ایده‌آل باید:
– تمیز باشد،
– چسبندگی مناسبی داشته باشد،
– فاقد حفره باشد،
– با ماده بعدی سازگار باشد،
– رطوبت قابل توجهی نداشته باشد.
اگر یکی از این شرایط رعایت نشود، مرز لایه‌ها می‌تواند به نقطه ضعف سیستم تبدیل شود.
—
حفره در مرز لایه‌ها
یکی از مشکلات مهم در عایق‌های چندلایه، ایجاد یک فضای بسیار کوچک بین دو لایه است.
این فضا ممکن است در اثر مواردی مانند:
– زبری نامناسب،
– آلودگی سطح،
– اختلاط نامناسب رزین،
– اجرای سریع،
– پخت ناقص،
– جمع‌شدگی،
– روش نامناسب اعمال پوشش،
ایجاد شود.
از نظر ظاهری ممکن است این حفره کوچک به نظر برسد، اما در سیستم‌های ولتاژ بالا اهمیت آن می‌تواند بسیار بیشتر از اندازه ظاهری آن باشد.
—
چرا حفره از نظر الکتریکی مهم است؟
وقتی درون ساختار عایق یک ناحیه با جنس متفاوت ایجاد شود، توزیع میدان الکتریکی می‌تواند تغییر کند.
اگر این ناحیه هوا یا گاز باشد، خواص الکتریکی آن با رزین جامد یکسان نیست.
در شرایط خاص، افزایش میدان در این ناحیه می‌تواند احتمال تخلیه جزئی را افزایش دهد.
به همین دلیل در عایق‌های حساس، حذف حفره‌ها فقط یک مسئله زیبایی یا مکانیکی نیست.
—
سازگاری شیمیایی لایه‌ها
دو ماده ممکن است هر دو به تنهایی عملکرد خوبی داشته باشند، اما الزاماً برای استفاده روی یکدیگر مناسب نباشند.
برای مثال ممکن است یک پوشش زیرین:
– سطح بسیار لغزنده ایجاد کند،
– حلال یا مواد فرار آزاد کند،
– در زمان پخت جمع شود،
– با رزین بعدی واکنش نامطلوب داشته باشد.
بنابراین پیش از اجرای رزین اپوکسی روی یک پوشش موجود، سازگاری آن باید بررسی شود.
—
سازگاری مکانیکی
سازگاری فقط شیمیایی نیست.
هر ماده در اثر تغییر دما، رطوبت و تنش مکانیکی ممکن است مقدار متفاوتی تغییر ابعاد دهد.
فرض کنیم یک لایه فلزی با یک رزین سخت پوشش داده شده است.
ضریب انبساط حرارتی فلز و رزین یکسان نیست.
با افزایش و کاهش دما، این اختلاف می‌تواند تنش‌هایی در مرز دو ماده ایجاد کند.
اگر این سیکل بارها تکرار شود، احتمال ایجاد ترک یا کاهش چسبندگی افزایش می‌یابد.
—
اهمیت سیکل حرارتی
در تجهیزات الکتریکی، دما همیشه ثابت نیست.
یک موتور ممکن است هنگام کار گرم شود و هنگام خاموشی سرد شود.
ترانسفورماتور نیز در شرایط بار مختلف دمای متفاوتی خواهد داشت.
در کوره القایی، تغییرات دمایی ممکن است شدیدتر باشد.
در چنین شرایطی، سیستم عایق باید فقط در دمای ثابت بررسی نشود؛ بلکه رفتار آن در برابر سیکل حرارتی نیز اهمیت پیدا میکند.
—
رزین سخت در برابر لایه انعطاف‌پذیر
یکی از چالش‌های طراحی چندلایه، ترکیب یک ماده نسبتاً سخت با ماده‌ای انعطاف‌پذیر است.
اگر لایه نرم به شکل مناسبی با اپوکسی سازگار نباشد، تغییر شکل‌های مکرر ممکن است باعث جداشدگی در مرز آنها شود.
این مسئله در محیط‌هایی که ارتعاش یا تغییر دمای زیاد وجود دارد اهمیت بیشتری دارد.
—
سیستم اپوکسی و پرایمر
پرایمر می‌تواند نقش مهمی در ایجاد چسبندگی بین زیرلایه و رزین داشته باشد.
اما انتخاب پرایمر باید بر اساس زیرلایه و رزین اصلی انجام شود.
برای مثال شرایط لازم برای:
– فولاد،
– آلومینیوم،
– مس،
– سرامیک،
ممکن است یکسان نباشد.
همچنین زمان مناسب اجرای رزین روی پرایمر باید مطابق مشخصات سیستم انتخاب شود.
—
فاصله زمانی بین دو لایه
یکی از نکات اجرایی مهم، فاصله زمانی بین اجرای لایه‌ها است.
اگر لایه اول بیش از حد سخت و کاملاً پخت شده باشد، ممکن است آماده‌سازی مجدد سطح برای لایه بعدی لازم شود.
اگر لایه دوم خیلی زود اجرا شود، نیز ممکن است شرایط سطح برای ایجاد چسبندگی مناسب نباشد.
بنابراین عبارت «لایه دوم را بعداً اجرا کنید» به تنهایی کافی نیست.
باید مشخص شود که منظور از بعداً چه شرایطی است و آیا سطح نیاز به آماده‌سازی مجدد دارد یا خیر.
—
آلودگی بین لایه‌ها
یکی از اشتباهات رایج در پروژه‌های تعمیراتی این است که سطح بین دو مرحله برای مدت طولانی بدون محافظت باقی می‌ماند.
در این فاصله ممکن است:
– گردوغبار،
– چربی،
– رطوبت،
– نمک،
– ذرات فلزی،
روی سطح بنشیند.
اگر لایه بعدی بدون پاک‌سازی مناسب اجرا شود، کیفیت اتصال کاهش می‌یابد.
—
آب و رطوبت در سیستم چندلایه
رطوبت یکی از عوامل مهم تخریب بسیاری از سیستم‌های عایق است.
اگر رطوبت بین دو لایه محبوس شود، با تغییر دما ممکن است شرایط داخلی سیستم تغییر کند.
همچنین وجود رطوبت می‌تواند روی مقاومت سطحی و جریان نشتی اثر بگذارد.
در عایق‌کاری فضای باز، این موضوع اهمیت بیشتری پیدا میکند.
—
آیا هر لایه باید عایق الکتریکی باشد؟
نه لزوماً به یک معنا.
در یک سیستم واقعی ممکن است بعضی اجزا نقش مکانیکی، چسبندگی، آب‌بندی یا محافظتی داشته باشند.
اما اگر لایه‌ای در مسیر میدان الکتریکی قرار دارد، خواص الکتریکی آن باید در طراحی لحاظ شود.
این موضوع به‌خصوص زمانی مهم است که یک پرایمر یا پوشش واسط بین هادی و عایق اصلی قرار گرفته باشد.
—
ضخامت لایه‌ها
ضخامت هر لایه باید به صورت مستقل و همچنین در ارتباط با کل سیستم بررسی شود.
برای مثال:
فلز + پرایمر بسیار نازک + اپوکسی
با:
فلز + پرایمر ضخیم + اپوکسی
از نظر مکانیکی و الکتریکی الزاماً یکسان نیستند.
افزایش ضخامت پرایمر همیشه به معنی افزایش کیفیت نیست.
—
ضخامت نامساوی و تمرکز میدان
اگر ضخامت لایه‌ها در نقاط مختلف تفاوت زیادی داشته باشد، هندسه میدان نیز ممکن است تغییر کند.
در قسمت‌هایی که پوشش بسیار نازک شده است، تنش الکتریکی بیشتری به عایق وارد می‌شود.
به همین دلیل کنترل ضخامت باید در نقاط حساس، لبه‌ها و گوشه‌ها نیز انجام شود.
—
تغییر ناگهانی ضخامت
یکی دیگر از موارد مهم، تغییر ناگهانی ضخامت است.
اگر یک قسمت از پوشش بسیار ضخیم و بخش مجاور بسیار نازک باشد، این تغییر می‌تواند از نظر مکانیکی و هندسی نامطلوب باشد.
در طراحی حرفه‌ای معمولاً تلاش می‌شود تغییرات هندسی تا حد امکان تدریجی باشد.
—
رزین اپوکسی روی عایق قدیمی
در تعمیرات تجهیزات قدیمی، گاهی قرار است رزین جدید روی عایق موجود اجرا شود.
در این شرایط ابتدا باید مشخص شود:
– عایق قدیمی از چه ماده‌ای ساخته شده است؟
– آیا سالم است؟
– آیا ترک دارد؟
– آیا چسبندگی آن به زیرلایه مناسب است؟
– آیا سطح آلوده است؟
– آیا ماده جدید با آن سازگار است؟
پوشاندن یک لایه خراب با رزین جدید الزاماً به معنی تعمیر واقعی نیست.
اگر لایه زیرین جدا شود، لایه جدید نیز ممکن است همراه آن آسیب ببیند.
—
تفاوت پوشش و ترمیم ساختاری
این نکته در تعمیر تجهیزات الکتریکی اهمیت زیادی دارد.
اگر آسیب فقط سطحی باشد، پوشش رزینی ممکن است برای حفاظت یا بازسازی سطح مورد استفاده قرار گیرد.
اما اگر قطعه دارای ترک عمیق یا آسیب ساختاری باشد، ابتدا باید قابلیت تعمیر آن بررسی شود.
رزین نباید به عنوان جایگزین خودکار یک قطعه عایقی یا مکانیکی آسیب‌دیده در نظر گرفته شود.
—
اپوکسی و سیلیکون در یک سیستم چندلایه
گاهی در تجهیزات الکتریکی از مواد مختلف پلیمری استفاده می‌شود.
اپوکسی معمولاً ساختار سخت‌تری ایجاد میکند، در حالی که بسیاری از سیلیکون‌ها انعطاف‌پذیرتر هستند.
اگر این دو ماده در یک سیستم مشترک قرار گیرند، باید به موارد زیر توجه شود:
– چسبندگی،
– تغییر شکل،
– ضریب انبساط،
– رطوبت،
– دمای کاری،
– پیرشدگی،
– تنش در مرز مشترک.
نمی‌توان صرفاً به این دلیل که هر دو ماده عایق الکتریکی هستند، آنها را بدون بررسی روی یکدیگر اجرا کرد.
—
اپوکسی و پلی‌یورتان
در بعضی سیستم‌ها نیز ممکن است اپوکسی و پلی‌یورتان در لایه‌های مختلف استفاده شوند.
در این حالت هم باید سازگاری واقعی سیستم بررسی شود.
اینکه هر دو ماده در شرایط خاص عایق الکتریکی باشند، به تنهایی نشان‌دهنده سازگاری آنها نیست.
—
تخلیه جزئی در مرز لایه‌ها
مرز بین دو لایه، یکی از محل‌هایی است که باید از نظر وجود حفره یا جداشدگی مورد توجه قرار گیرد.
اگر یک فضای خالی ایجاد شود، امکان تمرکز میدان در آن ناحیه وجود دارد.
در تجهیزات حساس، بررسی تخلیه جزئی می‌تواند اطلاعات بیشتری درباره کیفیت سیستم عایقی فراهم کند.
البته آزمون تخلیه جزئی باید با تجهیزات و روش مناسب انجام شود.
—
سیستم چندلایه در ترانسفورماتورها
در ترانسفورماتورها ممکن است ترکیبی از مواد جامد، رزین، کاغذ عایقی، روغن یا سایر اجزا وجود داشته باشد.
در چنین تجهیزاتی، هر لایه باید با ساختار کلی هماهنگ باشد.
رزین نباید فقط بر اساس استقامت دی‌الکتریک خود انتخاب شود؛ بلکه رفتار آن در دمای کاری، رطوبت، سیکل حرارتی و چسبندگی نیز اهمیت دارد.
—
سیستم چندلایه در موتورها
در موتورهای الکتریکی، ارتعاش و سیکل حرارتی اهمیت ویژه‌ای دارند.
اگر یک پوشش سخت روی سطحی با حرکت یا انبساط متفاوت قرار گیرد، تنش‌های مکانیکی ایجاد می‌شود.
بنابراین در موتور، علاوه بر خواص الکتریکی، دوام مکانیکی لایه‌ها نیز باید مورد توجه باشد.
—
سیستم چندلایه در تابلوهای برق
در تابلوهای برق، ممکن است شینه فلزی، پوشش اپوکسی، قطعات عایقی و مواد محافظ مختلف در کنار یکدیگر قرار گیرند.
در این کاربردها باید اطمینان حاصل شود که لایه‌ها:
– باعث کاهش فاصله‌های لازم نمی‌شوند،
– گرمای تولیدشده را بیش از حد حبس نمی‌کنند،
– روی اتصالات مکانیکی اثر نامطلوب ندارند،
– در نقاط اتصال دچار ترک نمی‌شوند.
—
سیستم چندلایه در کوره القایی
در کوره‌های القایی، مسئله پیچیده‌تر است.
دمای بالا، سیکل حرارتی، ارتعاش و شرایط خاص تجهیز می‌توانند همزمان وجود داشته باشند.
در چنین کاربردی، یک سیستم چندلایه باید به صورت واقعی و متناسب با شرایط تجهیز بررسی شود.
استفاده از یک رزین عایق به تنهایی نمی‌تواند تمام مسائل طراحی را حل کند.
—
آزمایش چسبندگی بین لایه‌ها
اگر سیستم چندلایه اهمیت بالایی دارد، چسبندگی بین لایه‌ها باید بررسی شود.
آزمون مناسب به نوع مواد و کاربرد بستگی دارد.
نتیجه مهم این است که آزمایش باید روی سیستم واقعی انجام شود، نه صرفاً روی یک ماده جداگانه.
—
آزمایش الکتریکی کل سیستم
همین اصل درباره آزمون الکتریکی نیز صادق است.
اگر رزین به تنهایی آزمایش شده باشد، نتیجه آن اطلاعات ارزشمندی درباره ماده می‌دهد؛ اما الزاماً عملکرد مجموعه‌ای شامل:
فلز + پرایمر + رزین + لایه محافظ
را اثبات نمی‌کند.
برای پروژه‌های حساس، آزمون نهایی باید تا حد امکان شرایط واقعی استفاده را شبیه‌سازی کند.
—
رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119 در سیستم چندلایه
طبق اطلاعات مرجع ارائه‌شده برای رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119، این محصول با کد 8119 دارای داده‌های آزمون الکتریکی اعلام‌شده برای نمونه یک‌میلی‌متری روی مقره چرخی است.
اعداد اعلام‌شده عبارت‌اند از:
وضعیت نمونه| ولتاژ شکست| تحمل یک‌دقیقه‌ای
خشک| ۲۱ کیلوولت| ۳۵۰۰ ولت
مرطوب| ۱۴ کیلوولت| ۲۵۰۰ ولت
این اطلاعات باید به عنوان داده‌های مربوط به نمونه و شرایط آزمون خودشان تفسیر شوند.
اگر 8119 در یک سیستم چندلایه همراه با پرایمر یا ماده دیگری استفاده شود، نتیجه نهایی به سازگاری و کیفیت اجرای کل مجموعه نیز وابسته خواهد بود.
بنابراین نمی‌توان صرفاً با استناد به آزمون رزین خالص، عملکرد هر ترکیب چندلایه‌ای را تضمین‌شده تلقی کرد.
—
چند اشتباه رایج در سیستم‌های چندلایه
۱. اجرای رزین روی سطح آلوده
این کار ممکن است چسبندگی را کاهش دهد و یک مرز ضعیف ایجاد کند.
۲. استفاده از پرایمر ناشناخته
پرایمر باید با رزین و زیرلایه سازگار باشد.
۳. اجرای لایه دوم روی سطح مرطوب
رطوبت محبوس می‌تواند مشکلات بعدی ایجاد کند.
۴. افزایش بی‌دلیل ضخامت
ضخامت بیشتر همیشه معادل عملکرد بهتر نیست.
۵. نادیده گرفتن سیکل حرارتی
ممکن است نمونه در دمای محیط سالم باشد ولی در سیکل‌های حرارتی دچار ترک یا جداشدگی شود.
۶. پوشاندن عیب ساختاری
رزین نباید برای پنهان کردن آسیب جدی زیرلایه استفاده شود.
۷. تعمیم نتیجه یک آزمون
نتیجه یک نمونه آزمایشگاهی را نباید بدون بررسی به همه هندسه‌ها و کاربردها تعمیم داد.
—
یک روش منطقی برای طراحی سیستم چندلایه
برای پروژه‌های مهم می‌توان روند زیر را دنبال کرد:
مرحله اول: شناسایی زیرلایه
مرحله دوم: تعیین شرایط الکتریکی
مرحله سوم: تعیین دمای کاری
مرحله چهارم: بررسی رطوبت و محیط
مرحله پنجم: انتخاب لایه واسط یا پرایمر در صورت نیاز
مرحله ششم: بررسی سازگاری شیمیایی
مرحله هفتم: بررسی سازگاری مکانیکی و حرارتی
مرحله هشتم: طراحی ضخامت و هندسه
مرحله نهم: اجرای نمونه آزمایشی
مرحله دهم: آزمون سیستم کامل
این روند معمولاً از انتخاب ماده صرفاً بر اساس یک عدد مانند ولتاژ شکست مطمئن‌تر است.
—
آیا سیستم چندلایه همیشه بهتر است؟
خیر.
هر لایه اضافی یک مرز جدید ایجاد میکند.
بنابراین اگر یک سیستم تک‌لایه بتواند تمام نیازهای پروژه را به شکل مطمئن تأمین کند، اضافه کردن لایه‌های غیرضروری ممکن است پیچیدگی و نقاط ضعف بالقوه را افزایش دهد.
هدف طراحی باید سیستم مناسب باشد، نه بیشترین تعداد لایه.
—
جمع‌بندی نهایی
رزین اپوکسی عایق برق را باید در بسیاری از کاربردها به عنوان بخشی از یک سیستم عایقی دید، نه یک ماده جدا از سایر اجزا.
در سیستم‌های چندلایه، عوامل زیر اهمیت ویژه دارند:
– سازگاری شیمیایی،
– چسبندگی بین لایه‌ها،
– کنترل حفره،
– کنترل رطوبت،
– اختلاف انبساط حرارتی،
– ضخامت،
– هندسه،
– تخلیه جزئی،
– شرایط واقعی بهره‌برداری.
به‌خصوص در ولتاژهای متوسط و بالا، کیفیت مرز بین دو ماده می‌تواند به اندازه خواص خود مواد اهمیت داشته باشد.
رزین اپوکسی عایق برق پادنار 8119 نیز در صورت استفاده در یک سیستم چندلایه باید در کنار مشخصات زیرلایه، پرایمر، روش اجرا و شرایط واقعی تجهیز ارزیابی شود. داده‌های اعلام‌شده برای ولتاژ شکست و تحمل یک‌دقیقه‌ای، مربوط به شرایط آزمون مشخص هستند و به خودی خود عملکرد تمام ترکیبات چندلایه را اثبات نمی‌کنند.
تلفن مشاوره فنی رزین اپوکسی عایق برق پادنار: ۰۹۲۲۱۶۰۹۵۰۹
۰ دیدگاه