Come selezionare l'olio al silicone giusto per la verniciatura e la lubrificazione elettronica?

La rigidità dielettrica di un materiale indica quanto intenso può essere il campo elettrico che esso è in grado di sopportare prima di perdere le proprie proprietà isolanti e diventare conduttivo; si tratta di una caratteristica fondamentale per le schede a circuito stampato ad alta tensione, gli strumenti di precisione e i componenti elettronici di potenza, poiché riduce il rischio di guasto del sistema dovuto a scariche elettriche (arcing), cortocircuiti e malfunzionamenti. Pertanto, nel caso di apparecchiature con tensione nominale superiore a 1 chilovolt, la capacità dell’isolamento di resistere al passaggio di corrente attraverso la sua superficie diventa estremamente importante ai fini della sicurezza. La resistività volumica misura anch’essa l’efficacia con cui un materiale isolante resiste al passaggio di corrente. In un sistema, maggiore è l’isolamento, minore sarà la corrente di dispersione e migliore sarà l’equilibrio tra le celle. Negli strumenti di misura di precisione, l’olio di silicone contribuisce a fornire l’isolamento adeguato per garantire la precisione dell’uscita regolabile e prolunga inoltre la vita utile dell’apparecchiatura grazie alle sue proprietà dielettriche superiori alla media. Secondo il rapporto 2023 di ElectroInsight, i materiali con una rigidità dielettrica inferiore a 15 kV/mm presentano un tasso di guasto del 34% più elevato nei trasformatori e negli apparecchi di commutazione: tali materiali devono essere evitati nei sistemi di gestione delle batterie per veicoli elettrici. Un altro esempio è l’olio da massaggio.

Funziona ancora bene anche sotto cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento, e continua a funzionare anche in condizioni climatiche che normalmente accelererebbero il deterioramento e metterebbero a rischio il funzionamento della rete elettrica.

Tensione di rottura: olio siliconico modificato con metile vs. fenile

L'olio al silicone modificato con metile ha una tensione di rottura di 15–18 kV/mm e un indice di stabilità termica di 0,85, mentre l'olio al silicone modificato con fenile ha una tensione di rottura di 22–28 kV/mm e un indice di stabilità termica di 1,12. I test standard su questi materiali hanno dimostrato che l'olio al silicone modificato con fenile presenta una tensione di rottura e un indice di stabilità termica superiori rispetto all'olio al silicone modificato con metile. Questa differenza può essere spiegata dalla presenza dei gruppi fenile: essendo una struttura aromatica, i gruppi fenile consentono di trattenere e impacchettare le molecole più strettamente tra loro. Questo processo rende i materiali meno suscettibili all’ionizzazione quando sottoposti a un campo elettrico estremo. Questi oli modificati con fenile riescono a mantenere circa il 92% delle loro proprietà dielettriche nell’intervallo di temperatura compreso tra 0 e 200 gradi Celsius. Ciò contrasta con gli oli modificati con metile standard, che mantengono solo circa il 78% delle loro proprietà dielettriche. È per questo motivo che gli ingegneri scelgono spesso gli oli modificati con fenile per trasformatori elettricamente isolati e per sistemi elettrici di aeromobili. Mentre gli oli modificati con metile riescono a mantenere circa il 78% delle loro proprietà dielettriche originali, quelli modificati con fenile ne mantengono circa il 92%, risultando quindi più idonei per l’impiego in trasformatori elettricamente isolati e nei sistemi elettrici di aeromobili. Quando questi materiali vengono modificati per soddisfare gli altri pertinenti standard di settore, si è dimostrato che contribuiscono a ridurre la frequenza di guasti meccanici e a favorire la longevità complessiva dei sistemi meccanici. Ciò è particolarmente vero per i trasformatori elettricamente isolati e per altre applicazioni in cui è richiesto un elevato grado di affidabilità.

Ottimizzazione della viscosità per la lubrificazione diretta e l'adesione del rivestimento

Viscosità dell'olio al silicone (50–1.000 cSt) in relazione alla dinamica di movimento di: attuatori MEMS, contattori EV e meccanismi di relè

Con configurazioni variabili per applicazioni meccaniche ed elettriche, è essenziale selezionare la viscosità appropriata per l’uso previsto. Ad esempio, gli attuatori MEMS che operano a frequenze superiori a 100 Hz richiedono oli a bassa viscosità (50–100 cSt) per consentire risposte rapide nell’ordine dei microsecondi, riducendo al minimo la resistenza legata all’inerzia. Per i contattori EV destinati a gestire correnti superiori a 500 A, un olio a viscosità media (200–500 cSt) è ideale per controllare la saldatura per arco elettrico e al contempo permettere uno sgancio rapido dei contatti. Inoltre, un meccanismo a relè soggetto a impatti ripetuti di accelerazione pari o superiore a 10 G richiederà un olio ad alta viscosità (500–1000 cSt) per garantire una lubrificazione costante nonostante gli shock improvvisi. In tutti gli esempi sopra citati, gli ingegneri devono determinare il comportamento locale di taglio e di pressione in quei punti. Le specifiche di progettazione devono tenere conto delle variazioni rapide di temperatura, poiché, se non adeguatamente mitigate, comprometterebbero il film d’olio.

L'influenza della viscosità sul mantenimento del film, sul controllo della migrazione e sulla lubrificazione a lungo termine negli alloggiamenti sigillati

Gli oli siliconici con viscosità compresa tra 350 e 1.000 cSt sono ideali per mantenere un film protettivo su componenti elettronici sigillati. Questi oli sono meno soggetti allo spostamento gravitazionale del sedimento, formando così strati limite stabili di circa 3–5 micron di spessore sui contatti e sui cuscinetti. Ciò è estremamente importante per le unità di controllo automobilistiche sottoposte a continue vibrazioni. Essi presentano un ampio campo di funzionamento termico (da −40 a 200 °C) e, nell’intero intervallo di temperatura, questi gradi di olio mantengono un indice di viscosità superiore a 200. Questa viscosità contribuisce ad eliminare i problemi di migrazione capillare, che causano fastidiose zone asciutte. Queste formulazioni mantengono la stabilità al taglio e, pertanto, non si separano dagli agenti addensanti nel tempo. È per questo motivo che molti componenti aerospaziali e sensori industriali che utilizzano tali oli possono funzionare senza manutenzione per oltre 10 anni, soddisfacendo i requisiti della certificazione MIL-PRF-27617.

Compatibilità dei materiali e affidabilità termica su diversi substrati elettronici
Compatibilità chimica con olio al silicone, guarnizioni in EPDM, rivestimenti in poliimide, laminati FR-4 e maschere per saldatura
Affinché l'olio al silicone svolga la sua funzione, deve rimanere chimicamente neutro rispetto all'ambiente circostante, in particolare nei confronti dei materiali utilizzati nella produzione di dispositivi elettronici. Considerando la guarnizione in EPDM presenti nei connettori e nell’alloggiamento, l’olio al silicone non deve causare gonfiore, fragilità o deformazione permanente dopo numerosi cicli di accoppiamento. Nei circuiti flessibili rivestiti con poliimide, l’olio al silicone potrebbe provocare una plasticizzazione che indebolisce l’adesivo e ne compromette la stabilità dimensionale. Per garantire una compatibilità soddisfacente con le schede in FR-4, l’olio al silicone non deve causare migrazione della resina o delaminazione, né deve provocare un guasto dell’isolamento. Per quanto riguarda le maschere per saldatura, gli oli al silicone non devono causare la formazione di filamenti anodici conduttivi né bolle nel rivestimento protettivo. I problemi di compatibilità non sono affatto trascurabili: secondo dati recenti del settore forniti dal Failure Analysis Consortium 2023, circa il 23% dei guasti delle guarnizioni dei sensori automobilistici e il 17% dei guasti dei relè industriali sono attribuibili a incompatibilità tra materiali.

Limiti di stabilità termica e resistenza all'ossidazione: garantiscono prestazioni su intervalli operativi da -40 °C a 200 °C

Grazie alla loro struttura e agli antiossidanti incorporati, questi oli possono operare a temperature estreme. Possono funzionare fino a -50 °C, caratteristica molto importante per l’uso nelle regioni polari, dove un guasto della lubrificazione può causare danni estremi alle attrezzature. È stato inoltre dimostrato che mantengono le proprie proprietà isolanti ed elettricamente isolanti negli oli ad alte prestazioni modificati con fenile, operanti a temperature superiori a 180 °C. Sono stati inoltre sottoposti al test ASTM D943, che ha evidenziato un basso tasso di ossidazione e una scarsa formazione di fanghi, prevenendo così la corrosione dei componenti meccanici. Per le formulazioni migliori, la stabilità alle variazioni di temperatura soddisfa gli standard di sicurezza UL 2580 per le applicazioni delle batterie nei veicoli elettrici (EV) e la sezione 25 della norma DO-160 relativa ai guasti termici nell’avionica.

Domande Frequenti

Che cos’è la rigidità dielettrica?

La rigidità dielettrica è determinata dalla massima quantità di sollecitazione che un materiale dielettrico può sopportare prima di subire una rottura elettrica. Questo parametro è estremamente importante quando si considerano applicazioni ad alta tensione, poiché contribuisce a prevenire il tracciamento dell’arco e i cortocircuiti causati da guasti dielettrici.

Perché la viscosità è significativa per gli oli siliconici?

La viscosità degli oli siliconici ne determina la capacità di resistere e fluire durante operazioni meccaniche o elettriche. Ciò la rende particolarmente significativa per lavori di precisione.

Quali sono le differenze tra oli siliconici modificati con fenile e quelli modificati con metile?

Rispetto agli oli siliconici modificati con metile, quelli modificati con fenile offrono maggiore affidabilità in termini di elevata resistenza termica e di tensione di rottura dielettrica. Sono quindi ideali per applicazioni elettriche ad alte prestazioni.

Cosa determina la compatibilità di un olio siliconico con un componente elettronico?

L'olio al silicone garantisce la compatibilità con i componenti elettronici rimanendo chimicamente neutro rispetto alle guarnizioni in EPDM, ai rivestimenti in poliimide, ai laminati FR-4 e alle maschere per saldatura. Ciò lo rende fondamentale per evitare degradazione e guasti.