Avaliação de epóxis eletricamente isolantes

Os epóxis são sistemas poliméricos versáteis que são "materiais essenciais" para sistemas elétricos, eletrônicos e microeletrônicos, especialmente em aplicações em que são necessárias excelentes propriedades de isolamento elétrico. Seu amplo uso se deve à excelente adesão a uma ampla variedade de substratos, excelente resistência química e térmica e longa durabilidade. Eles são úteis para aplicações de colagem, vedação, revestimento e encapsulamento/envasamento.

O foco principal deste artigo é duplo; a primeira é discutir as propriedades de isolamento elétrico no que se refere aos epóxis. A outra é aprofundar a variação dessas propriedades, com base na química do sistema (principalmente o papel do agente de cura), bem como nas condições operacionais da aplicação.

Antes da cura, um epóxi consiste em uma resina e agente de cura, que quando misturados, polimerizam e formam uma matriz curada. Existem muitos tipos diferentes de resinas epóxi e agentes de cura. Quando combinados, eles criam padrões distintos de reticulação, resultando em diferentes atributos do sistema polimerizado. A escolha do agente de cura depende não apenas dos valores de isolação elétrica desejados, mas também de outros parâmetros como temperaturas operacionais, resistência química, requisitos de resistência física, entre outros. Outra consideração ao selecionar o endurecedor é avaliar suas capacidades e restrições de processamento. Começaremos discutindo algumas das propriedades fundamentais do isolamento elétrico, ou seja, constante dielétrica, fator de dissipação, rigidez dielétrica e resistividade volumétrica. Em seguida, correlacionaremos esses valores em termos de processamento às propriedades finais obtidas com vários grupos de agentes de cura, incluindo aminas alifáticas, poliamidas, aminas cicloalifáticas, aminas aromáticas, anidridos, ácidos de Lewis e imidazóis.

Também conhecida como permissividade relativa, a constante dielétrica indica a capacidade de um material armazenar energia elétrica em resposta a um campo elétrico. É um número adimensional definido como a razão da permissividade de um material em relação à do vácuo, onde a permissividade é uma medida da energia elétrica armazenada como resultado de uma tensão aplicada. Geralmente, um valor baixo (2-5) é desejável para epóxis e outros materiais destinados ao uso como isolantes elétricos, embora em certas aplicações seja necessária uma constante dielétrica de nível médio (6-12).

O método de teste padrão para medir a constante dielétrica de um material isolante elétrico sólido é o ASTM D150. Envolve colocar uma amostra do material entre duas placas de capacitores e medir a capacitância resultante – a capacidade de armazenar uma carga elétrica. Isso é então comparado com a capacitância das mesmas placas com ar ou vácuo entre elas. A razão resultante é a constante dielétrica do material.

Para um sistema epóxi curado, a constante dielétrica varia com a temperatura, frequência e carga. Por exemplo, um determinado sistema pode ter uma constante dielétrica que aumenta com a temperatura (3,46 a 23 °C, 3,55 a 100 °C e 4,24 a 150 °C) para uma aplicação de 60 Hz, mas flutua com a temperatura (3,28 a 23 °C, 2,99 a 100 °C e 3,87 a 150 °C) para uma aplicação de 1 KHz. Em geral, mas nem sempre, a constante dielétrica aumenta com temperaturas mais altas e diminui com frequências mais altas. Essencialmente, os epóxis perdem algumas de suas capacidades de isolamento em temperaturas mais altas, mas exibem melhores propriedades de isolamento para frequências mais altas. A adição de partículas de carga mineral aumenta ligeiramente a constante dielétrica de um determinado sistema epóxi, enquanto as cargas metálicas terão um impacto mais notável.

O fator de dissipação (DF) é uma medida da perda de potência em um material submetido a um campo elétrico alternado. De acordo com o padrão ASTM D150, o DF é a razão entre a potência dissipada e a potência aplicada. (Um padrão adicional, ASTM D2520, é recomendado para caracterizar DF ​​em frequências de micro-ondas.) Um DF mais baixo é desejável para reduzir o aquecimento do material e minimizar o impacto no circuito ao redor. O fator de dissipação pode ser uma medida muito útil de outras características de um material, como grau de cura, vazios, teor de umidade e contaminação. Com o tempo, pode ocorrer uma mudança significativa no DF quando as condições operacionais são muito severas para o sistema curado.