Результат интеллектуальной деятельности: Лаковая композиция

Изобретение относится к лакокрасочным покрытиям, в частности к лаковым композициям с высокими электроизоляционными свойствами и низкой влагопроницаемостью, предназначенным для защиты плат печатного монтажа и элементов радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), и может быть использовано в авиастроении, ракетно-космической, машиностроении и других отраслях промышленности.

Обеспечение работоспособности РЭА в условиях повышенной влажности на сегодняшний день остается весьма актуальной задачей. Материалы, применяемые для защиты функциональных узлов и элементов РЭА, должны обладать низкой влагопроницаемостью, высокими электроизоляционными свойствами, способностью конструктивно сочетаться с другими материалами, быть стойкими к воздействию окружающей среды при эксплуатации.

Все эти проблемы решаются при помощи защитных конформных покрытий, выполняющих функции диэлектрического изолятора и диффузионного барьера по отношению к влаге. Нанесение дополнительного изоляционного покрытия на печатный узел (ПУ) является одним из наиболее распространенных методов влагозащиты. В простейшем случае плата после монтажа всех элементов и промывки покрывается лаком (одним или несколькими слоями). Существует четыре основных метода нанесения влагозащитных покрытий: нанесение кистью, окунанием, ручное распыление, применение автоматизированных установок для селективного нанесения. Выбор того или иного покрытия определяется условиями эксплуатации аппаратуры, а также конструктивно-технологическими параметрами РЭА.

К покрытиям предъявляется ряд требований, в том числе:

- обеспечивать высокую влагозащиту;

- обладать высокой адгезией к материалам печатной платы (ПП) и установленных на ней изделий электронной техники (ИЭТ);

- обладать высокой электрической прочностью и удельным объемным электрическим сопротивлением;

- проникать в малые зазоры;

- образовывать прочную, плотную прозрачную пленку;

- сохранять эластичность и не растрескиваться при длительной вибрации и механических нагрузках;

- сохранять стойкость по отношению к различным органическим растворителям: этилацетату, ксилолу, нефрасу и спирто-нефрасовой смеси, ацетону, хлористому метилену и смеси хлористого метилена с этиловым спиртом.

При работе с покрытиями важными характеристиками являются:

- температура и время сушки;

- минимально необходимое количество слоев, наносимых на изделие;

- низкая пожароопасность;

- хорошая растекаемость, сплошность и отсутствие газовыделений;

- продолжительность использования после приготовления (жизнеспособность).

Целью изобретения является создание влагозащитного электроизоляционного конформного покрытия, способного повысить защиту ПП и работоспособность элементов РЭА, улучшить технологические характеристики ПУ, а также повысить импортозамещение материалов.

Известны лаковые композиции марки «Универсал» ЦКБ РМ (рекламные материалы 2010 г.) и конформное покрытие фирмы Dow Corning Corporation на основе силоксановых композиций (патент US 7732543, МПК B32B 3/00, C08F 230/06, C08K 5/55, C09D183/04, опубл. 08.06.2010 г.), содержащие органоборан-аминовый комплекс в качестве отвердителя. Данные композиции обладают пониженной влагопроницаемостью, однако недостатками этих композиций являются низкие электроизоляционные свойства (удельное объемное электрическое сопротивление пленки ρ_v, Ом⋅см) после воздействия в течение 30 сут повышенной влажности (98%), невысокая стойкость к истиранию.

Известна лаковая композиция для покрытия, включающая, масс. %: от 5 до 50, предпочтительно от 10 до 40 одного или более силилированного полиуретана, от 0 до 30 - пластификаторов, от 0 до 80, предпочтительно от 20 до 60 - наполнителей (US 20100331480, МПК C08L 75/04, C08G 71/04, опубл. 30.12.2010 г. ). Недостатками данной лаковой композиции являются невысокие адгезионные свойства, пониженная грибостойкость.

Известен состав для лаковых покрытий, включающий, масс. ч.: от 10 до 60, 3-глицидил-оксипропилтриметоксисилан, от 5 до 25 - алкилтриметоксисилан, от 0,1 до 1,0 катализатора - алюминий три-втор-бутилата, оставшееся количество вода и растворитель (патент US 6331206, МПК C30B 25/02, C30B 25/18, C30B 33/00, H01L 31/18, опубл. 18.12.2001 г.). Недостатком композиции для лакового покрытия является горячая сушка при 130°C в течение 45 мин.

Из российских аналогов стоит отметить двухкомпонентные электроизоляционные лаки, например эпоксиуретановый лак УР-231 и эпоксидный лак ЭП-9114. Для изготовления указанных лаков требуются дефицитные и импортные исходные компоненты. Так, в состав композиции лака УР-231 входит экзотическое тунговое масло, которое не производится в РФ, а в составе композиции лака ЭП-9114 в качестве отвердителя применяется дефицитный продукт ИМЭП-1 (имидазолин эпоксидный - аддукт аминного типа имидазолиновый) в настоящее время уже не выпускающийся.

Известна лакокрасочная композиция, включающая, масс.ч.: от 10 до 40 - термореактивного мономера (многофункциональный стирольный компаунд, и/или бисмалеимидный компаунд, от 5 до 20 - смесь полифениленэфирной смолы и эластомера со стирольным остатком, пламезамедлитель, от 11 до 27 - наполнитель SiO₂, от 10 до 30 - органический растворитель (JP 2007099893, МПК C09D 4/00, B32B 15/08, B32B 15/088, C08J 5/24, C09D 5/18, опубл. 19.04.2007 г.). В качестве пластификатора могут применяться сложные эфиры адипиновой кислоты, сложные эфиры бензойной кислоты, сложные эфиры масляной кислоты, сложные эфиры уксусной кислоты, сложные эфиры высших жирных кислот, имеющих примерно от 8 до примерно 44 атомов углерода. В качестве пигментов состав содержит диоксид титана, оксиды железа или сажи. В качестве наполнителя композиция содержит пирогенные и/или осажденные диоксиды кремния. В качестве стабилизаторов могут применяться антиоксиданты, УФ-стабилизаторы или стабилизаторы гидролиза. В качестве промоторов адгезии в состав могут входить углеводородные смолы, фенольные смолы, терпеновые-фенольные смолы и др. В качестве реакционно-способных разбавителей лакокрасочная композиция содержит силано-функциональные полиэфиры (MS S203H, MS S303H, MS СБ 010 и MS SAX 350 фирмы Kaneka Corp.). Параметр адгезии равен 1 баллу. Недостатками упомянутой композиции являются длительное отверждение покрытия, а также высокая токсичность.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является полиуретановая композиция (патент РФ 2427599 C1, МПК C08L 75/06, C09D 175/06, C08K 5/17, опубл. 27.08.2011 г.). Прототип относится к области получения быстроотверждающихся полиуретановых композиций, используемых в качестве различных защитных покрытий, клеев, герметиков, напольных покрытий и т.д. Полиуретановая композиция содержит уретановый форполимер - продукт взаимодействия 1,0 моль полиэтиленбутиленгликольадипината с молекулярной массой 2000 и 2,2-2,3 молей смеси 2,4-толуилендиизоцианата и 2,6-толуилендиизоцианата при соотношении 80:20, отвердитель на основе 3,3'-дихлор-4,4'-диаминодифенилметана и низкомолекулярных полиэфиров с молекулярной массой 400-1000 при массовом соотношении 35:65, а также катализатор оксипропилированный этилендиамин и краситель. Композиция обладает повышенной водопоглощаемостью, наряду с невысокими электроизоляционными свойствами после испытаний повышенной влажностью ϕ=(95±2)% в течение 30 сут.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание лаковой композиции холодного отверждения с высокими электроизоляционными свойствами, сохраняющимися после воздействия на нее влаги, а также обладающей пониженным водопоглощением при увеличении адгезионных характеристик и грибостойкости при сохранении физико-механических характеристик (прочность пленки при ударе, твердость, эластичность при изгибе) на уровне прототипа.

Технический результат достигается тем, что предложенная лаковая композиция содержит полуфабрикат лака, включающий продукт сополимеризации и органический растворитель, и отвердитель, при этом полуфабрикат лака содержит фторсополимер, представляющий собой продукт сополимеризации мономеров трифторхлорэтилена с алкилвиниловыми и гидроксилвиниловыми эфирами в соотношении 22,4:8,8:8,8, органический растворитель ксилол и дополнительно содержит модификатор полиорганосилоксан К-9 марки А, а в качестве отвердителя композиция содержит полиизоцианатбиурет, при следующем соотношении компонентов, масс. ч.:

На фиг.1 приведена реакция полиприсоединения фторсополимера с отвердителем полиизоцианатбиуретом с получением фторполиуретана (продукт отверждения).

Применение в качестве модификатора полиорганосилоксана К-9 марки А (полиметилфенилсилоксан, C₇H₉Si₃O_5,5, ТУ 2228-352-09201208-96) позволяет снизить водопоглощение лаковой композиции до 0,62% (значение получено при испытании пленок на основе лаковой композиции в течение 30 суток) и, как следствие, уменьшить влаго- и паропроницаемость пленки.

Применение в качестве отвердителя полиизоционатбиурета обеспечивает отверждение лаковой композиции и образование фторполиуретановой структуры за счет реакции уретанообразования: -ОН+-NCO = -NHCO (фиг.1).

Условная вязкость полуфабриката лаковой композиции (полуфабрикат состоит из фторсополимера, полиорганосилоксана К-9 марки А, растворителя ксилола) по вискозиметру типа ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм при температуре (20,0±0,5)°С, составляет 15-45 сек, рабочая вязкость (вязкость при нанесении) заявляемой лаковой композиции составляет 12-14 сек. Рабочая вязкость достигается разбавлением лаковой композиции ксилолом до значения 12-14 сек по вискозиметру ВЗ-246.

При сходной с прототипом адгезии в 1 балл, достигающейся за счет природы пленкообразующего (пленкообразующее имеет полиуретановую природу за счет применения полиэфира и полиизоцианата), сушка лаковой композиции происходит при температуре (20±2)°С при смешении полуфабриката лака. Электроизоляционные свойства заявленной лаковой композиции достигаются структурой макромолекулы (сшитой структурой, представляющей из себя сетчатые или трехмерные структуры полимеров с поперечными связями, что улучшает различные свойства полимерной композиции, в том числе электроизоляционные) и уменьшением количеством слоев лака, влияющих на электроизоляционные свойства (в 2 раза - до 2-х слоев). Сшитая структура достигается за счет химической реакции, которая протекает между гидроксильными группами фторсополимера и изоцианатными группами полиизоцианата (фиг. 1). Заявленный уровень физико-механических характеристик лаковой композиции (прочность при ударе, эластичность при изгибе, твердость покрытия) обеспечивается в том числе именно за счет структуры упомянутой макромолекулы. Грибостойкость достигается за счет фторсополимера, при проведении испытания по ГОСТ 9.048-75 (срок испытания - 3 мес.) по 6-бальной шкале, заявленная лаковая композиция является грибостойкой (1-2 балла). За счет структуры макромолекулы достигается диэлектрическая проницаемость (ε) при частоте 10⁶ Гц - не более 4,5 отн. ед., диэлектрические свойства при этом составляют не более 0,030 отн. ед. при тангенсе угла диэлектрических потерь (tgδ) при частоте 10⁶ Гц. Прочность пленки, полученной при отверждении лаковой композиции, при ударе по прибору типа У-1 - не менее 50 см и эластичность пленки при изгибе - не более 1 мм. Полученная пленка также обладает стойкостью к статическому воздействию спирто-нефрасовой смеси при температуре (20,0±2,0)°С в течение 30 мин. Время высыхания до степени 3 заявляемой лаковой композиции, как и длительность отверждения, составляет 4-5 ч за счет соотношения полуфабриката лака (фторсополимера, полиорганосилоксана К-9 марки А и растворителя ксилола) с отвердителем и использованием ускорителя сушки (дибутилдилаурат олова). Жизнеспособность лаковой композиции после смешения компонентов, при температуре (20,0±2,0)°С, составляет не менее 8 ч.

Таким образом, предложенная лаковая композиция, в сравнении с композицией-прототипом, обеспечивает повышение защиты ПП и работоспособности элементов РЭА, улучшает технологические характеристики ПУ за счет водопоглощения - 0,62-0,64%, удельного объемного электрического сопротивления пленки - 5,4×10¹⁴-5,5×10¹⁴ Ом⋅см в исходном состоянии и после выдержки в течение 30 суток при повышенной влажности (ϕ=(95±2)%), при грибостойкости 1-2 балла. Кроме того, благодаря своему составу, заявленная лаковая композиция также обеспечивает уменьшение времени высыхания при температуре 20°С за 4-5 ч; увеличение адгезии - 1 балл как в исходном состоянии, так и после выдержки в дистиллированной воде в течение 14 суток; повышение прочности при ударе - 50 см (5,0 Дж), прочности при растяжении - 6,0 мм и прочности при изгибе - 1 мм, что в конечном счете позволяет повысить защиту ПП и работоспособность элементов РЭА, а также улучшить технологические характеристики ПУ.

Примеры осуществления изобретения

Пример 1

В качестве исходных компонентов применяли раствор фторсополимера - продукта сополимеризации трифторхлорэтилена, метилвинилового и гидроксилвинилового эфиров при соотношении мономеров в составе сополимера, 22,4:8,8:8,8 соответственно, в ксилоле, и полиорганосилоксан К-9 марки А, которые в количествах, указанных в таблице 1, загружали при работающей мешалке и температуре 20-25°С в смеситель из нержавеющей стали с быстроходной мешалкой турбинного типа с частотой вращения 950 об/мин. После загрузки компонентов проводили перемешивание в течение от 1,0 до 3,0 ч до получения гомогенного (однородного) раствора. Затем добавляли расчетное количество отвердителя полиизоцианатбиурета. Смешение компонентов (полуфабриката лака с отвердителем) проводили при интенсивном перемешивании в течение 5 мин.

Далее производили нанесение лаковой композиции после выдержки от 15 до 30 мин (выдержка осуществляли при комнатной температуре (20±2)°С) на окрашиваемую поверхность различной природы (металл, ПКМ). Лаковые композиции наносили на подготовленную под окрашивание (зашкуренную и обезжиренную) поверхность различными способами: наливом, пневматическим распылением или кистью.

Примеры 2-5 проводили аналогично примеру 1, однако использовали продукт сополимеризации трифторхлорэтилена, изобутилвинилового и гидроксилвинилового эфиров.

Также в табл. 1 приведены компоненты прототипа.

Для получения лаковой композиции были использованы следующие вещества: фторсополимер; полиорганосилоксан К-9 марки А; ксилол каменноугольный - ГОСТ 9949-76; ксилол нефтяной - ГОСТ 9410-78; полиизоцианатбиурет.

Определение характеристик композиции проводилось по действующей на лакокрасочные материалы нормативно-технической документации.

Технологические, адгезионные и физико-механические свойства предлагаемой лаковой композиции не уступают прототипу, а именно: адгезионные свойства - 1 балл (ГОСТ 15140), твердость по маятниковому прибору типа ТМЛ-2124 - 0,40 отн. ед. (ГОСТ 5233), эластичность пленки при изгибе - 1 мм (ГОСТ Р 52740), прочность пленки при ударе - 5 Дж (ГОСТ Р 53007).

При этом, как видно из данных, приведенных в табл. 2, предлагаемая лаковая композиция является композицией холодного отверждения, процесс отверждения которой протекает при температуре (20±2)°С не более 6 ч, процесс же отверждения прототипа при (20±2)°С - более 11 ч. По сравнению с прототипом предлагаемая полимерная композиция имеет повышенное на 5-10% удельное объемное электрическое сопротивление и пониженное водопоглощение более чем в 1,5 раза, при этом не уступая прототипу по адгезионным и физико-механическим показателям. Как итог, предлагаемая лаковая композиция позволяет сформировать более качественное лакокрасочное покрытие (однородное, без шагрени, подтеков и шероховатостей).