Электропроводящая композиция и способ изготовления нагревательных панелей на ее основе
ELECTRICALLY CONDUCTIVE COMPOSITION AND METHOD FOR MANUFACTURING HEATING PANELS BASED ON IT

Изобретение относится к изготовлению электропроводящей композиции на основе пленкообразующих связующих и может быть использовано в различных областях техники для получения искусственных пленочных токопроводящих покрытий на больших площадях поверхности изделий, предназначенных для электротепловыделения с целью обогрева окружающей среды.
3
Известна электропроводящая краска на основе полимерного пленкообразующего связующего, в состав которой входит растворитель полимерного связующего и мелкодисперсный электропроводный наполнитель в виде смеси серебра - 60-75% от общего веса компонентов и графита 0,5-10% от общей массы компонентов. Пленка лакокрасочного покрытия из данной краски после высыхания имеет удельное объемное сопротивление порядка 10-10 Ом × см (заявка Франция №2662703, опубл. 1992 г.).
2
Однако данная краска имеет очень высокое удельное объемное сопротивление 103-104 ом на см, пленки лакокрасочного состава, что неприменимо при изготовлении бытовых тепловыделяющих электропроводящих поверхностей нагревательных устройств. Электропроводящая краска данного состава является дорогостоящей, что ограничивает область ее использования, преимущественно, космической и авиационной промышленностью.
Известна эмаль электропроводящая для формирования защитных антикоррозионных покрытий, в состав которой входит пленкообразующий компонент - 15% раствор частично омыленного сополимера винилхлорида с винилацетатом в смеси органических растворителей, технический углерод, природный минерал воллостонит и шунгит. (Патент РФ №2368632, опубл. 2009 г.).
Однако данная эмаль предназначена для защиты от коррозии и не может быть использована в качестве электропроводящих композиций для нагревательных панелей.
3
Наиболее близким техническим решением заявляемому является электропроводящая краска, которая содержит эпоксидное связующее 8-20%, наполнитель в виде смеси графита с сажей при массовом соотношении 0,1:1,0:11-39%, отвердитель 0,5-1,5%, органический растворитель остальное. Характеристика свойств: удельное сопротивление 10- 10 Ом см. (Патент РФ №2042694, опубл. 2006 г.).
Недостатком данной электропроводящей краски является двухкомпонентность состава наполнителя, что усложняет подготовку ингредиентов и приводит к удорожанию получаемой продукции. Краска содержит одноразмерные фракции наполнителя, что приводит к снижению адгезии и не обеспечивает равномерного распределения удельного сопротивления по поверхности подложки. Кроме того, краска является пожароопасной, так как наличие воды в углеродосодержащих материалах наполнителя при нагревании до температуры более 100 градусов приводит к их растрескиванию и искрообразованию, что в свою очередь уменьшает срок эксплуатации.
Задачей предлагаемого изобретения является создание пожаробезопасной электропроводящей композиции с использование дешевого углеродсодержащего минерального сырья, обладающей высокими техническими характеристиками при снижение материальных, трудовых и энергетических затрат.
Техническим результатом изобретения является обеспечение равномерного распределения удельного сопротивления по поверхности, регулирование мощности теплоизлучения и повышение КПД.
Заявленный технический результат достигается тем, что электропроводящая композиция, включающая пленкообразующее связующее и углеродсодержащий наполнитель, согласно изобретению в качестве углеродсодержащего наполнителя используют дегидратированный минерал шунгит Зажогинского месторождения в количестве от 30-70% от массы связующего с соответствующими отвердителем и (или) растворителем, который вводят в виде смеси фракций, полученных дроблением размерностью - 22-50 мкм и помолом - размерностью 0,1-20 мкм, при их массовом соотношении: 1:9-1:1.
2
2
2
3
2
3
2
2
2
Технический результат достигается так же тем, что в качестве углеродсодержащего наполнителя используют минерал шунгит Зажогинского месторождения, имеющего следующий химический состав (мас.%): SiO - 57.5, TiO - 0.2, AlO - 4.0, FeO - 2.5, MgO - 1.1, CaO - 0.6, NaO - 0.2, KO - 1.5, S - 1.1, С - 29.0, HO крист. - 2.3.
Другим отличием изобретения является то, что в качестве пленкообразующего связующего используют жидкое стекло, эпоксидную смолу, олифу, кремнийорганические смолы, жидкую резину с соответствующими растворителем и (или) отвердителем.
Описание состава:
Для получения заявляемой электропроводящей композиции использовали минерал шунгит Зажогинского месторождения (Республика Карелия), который предварительно дегидратируют при температуре от 150-200 градусов Цельсия, в течение 60 минут. Осуществление дегидратации при температуре выше 200 градусов Цельсия приводит к искрообразованию и растрескиванию электропроводящей композиции, а осуществление указанного процесса при температуре ниже 150 градусов Цельсия не целесообразно, т.к. процесс дегидратации шунгита начинается только при достижении 150 градусов Цельсия. Затем готовят смесь фракций минерала шунгита размерностью, полученных дроблением -22-50 мкм и помолом - 0,1-20 мкм, при их массовом соотношении: 1:9-1:1. Применение минерала Шунгит с других месторождений Медвежегорского района Республики Карелия с корректировкой состава позволяет еще более расширить технические характеристики композиции.
Соотношение фракций подбирается исходя из расчета удельного сопротивления и задаваемой мощности. Смесь фракций обеспечивает более надежный электрический контакт частиц при тепловом расширении и обеспечивает более равномерное распределение удельного сопротивления по поверхности. Фракции, полученные методом дробления, имеют более высокую электропроводность, чем фракции полученные методом помола за счет большей площади соприкосновения поверхностей.
Далее в полученную смесь вводят пленкообразующее связующее с добавлением соответствующего отвердителя и (или) растворителя, в качестве пленкообразующего связующего используют жидкое стекло, эпоксидную смолу, олифу, кремнийорганические смолы, жидкую резину. Виды пленкообразующего связующего с техническими характеристиками представлены в таблице №2.
Полученную массу гомогенизируют механически или другим способом до вязкости композиции в 15-20 din.
В таблице №1 представлены составы электропроводящей композиции и их технические характеристики.
2
Из анализа таблиц следует, что заявляемая электропроводящая композиция за счет использования различной дисперсности фракций, их оптимального соотношения дает возможность изготовлять композиции с различными пленкообразующими связующими. Это позволяет получать композиции с широким диапазоном создаваемого резистивного сопротивления на поверхности подложки от 0,5 до 10000 ом, с удельным сопротивлением в диапазоне от 0,5 ом⋅см до 10 кОм⋅см, мощности теплоизлучения до 2,5 Вт на см и высоким КПД до 90%.
Для реализации электропроводящей композиции разработан способ изготовления нагревательных панелей на ее основе.
Известен способ изготовления полимерного электронагревателя, при котором наносят на электроизоляционную подложку токопроводящий слой путем пропитки с уплотнением на основе углерода элементного графита и модифицированной фенолоформальдегидной смолы с образованием резистивного элемента. Резистивный элемент подготавливают путем электроизоляционного покрытия, затем стопируют с аналогичными резистивными элементами и термообрабатывают при температуре 130-140 градусов Цельсия, в течение 10-12 минут на каждый миллиметр толщины стопы. После извлечения из стопы и на каждый резистивный элемент наносят электроизоляционное покрытие со связующим. Полученные слои прессуют при соответствующих температурно-временных режимах и давлений. (Патент РФ №2074519, опубл. 1997 г.).
Недостатком данного способа являются многооперационность, что ведет к увеличению материальных, временных и трудовых затрат.
Наиболее близким является способ изготовления излучающих панелей, включающий нанесение электропроводящего материала на диэлектрическую подложку, которую предварительно подготавливают (зачищают, промывают, обезжиривают, сушат). На подготовленную подложку наносят токопроводящие шины. Затем готовят электропроводящую композицию, включающую пленкообразующий полимер с соответствующим наполнителем, в виде сажи с графитом или без графита размерностью в пределах 10-100 мкм и другие ингредиенты (термостабилизаторы, светостабилизаторы, антипирен и др). Композицию наносят на диэлектрическую подложку многослойно методом электростатического напыления с последующим оплавлением с одной или более сторон. Затем осуществляют механическую и электрическую защиту токопроводящего покрытия, проводя операции нанесения лака и его сушки, при этом толщина пленки лежит в пределах 3-5 мкм. Лак для защитного слоя готовят путем растворения пленкообразующего полимера в соответствующем растворителе. (Патент РФ №2141177, опубл. 1999 г.).
Недостаток данного способа обусловлен составом и размерностью фракций наполнителя, используемой электропроводящей композиции, не позволяющий обеспечить расширение диапазона удельного сопротивления и регулирование мощности теплоизлучения, а так же повышение КПД. Получаемые нагревательные панели пожароопасны, поскольку в углеродосодержащих материалах наполнителя содержится вода, которая при нагревании до температуры более 100 градусов приводит к их растрескиванию и искрообразованию, что в свою очередь уменьшает срок эксплуатации. Электропроводящая композиция наносится многослойно без смещения 1-2 верхних слоев, что не создает плавный ступенчатый переход электропроводимости на основную теплоизлучающую поверхность. Данный способ в качестве электродов использует электропроводящие шины, в виде медных пластин, которые не обеспечивают необходимый контакт со всеми слоями электропроводящей композиции. Способ является сложным, трудоемким.
Задачей заявляемого изобретения является разработка способа изготовления нагревательных панелей, которые были бы недорогими по сравнению с известными, более безопасными и несложными в производстве.
Техническим результатом заявляемого способа является расширение диапазона удельного сопротивления, регулирование мощности теплоизлучения, повышение КПД, упрощение и удешевление способа изготовления нагревательных панелей, увеличение срока эксплуатации нагревательных панелей.
Заявляемый технический результат достигается тем, что многослойное размещение электропроводящей композиции с пленкообразующим связующим и углеродсодержащим наполнителем между параллельно закрепленными электродами по краям предварительно подготовленной диэлектрической подложки, согласно изобретения в качестве электропроводящей композиции, включающей дегидратированный минерал шунгит Зажогинского месторождения в виде смеси фракций размерностью - 22-50 мкм и размерностью 0,1-20 мкм, при их массовом соотношении 1:9-1:1, в количестве от 30-70% от массы связующего, при этом электропроводящую композицию наносят послойно от электрода к электроду до взаимокомпенсации статической погрешности удельной электропроводимости поверхности со снижением удельного сопротивления и со смещением 1-2 верхних слоев на 2-3% межэлектродного расстояния, а в качестве электродов используют медную лужоную плетенку. Нанесение композиции от электрода к электроду уменьшает удельное сопротивление по сравнению с продольным нанесением на 35-40% за счет более плотного расположения кристаллов шунгита в связующем.
Технический результат достигается так же тем, что в качестве пленкообразующего связующего используют жидкое стекло, эпоксидную смолу, олифу, кремнийорганические смолы, жидкую резину с соответствующим растворителем и (или) отвердителем.
Способ изготовления нагревательных панелей осуществляют следующим образом:
Диэлектрическую подложку зачищают, обезжиривают, а при использовании металлической подложки наносят токоизолирующую термостойкую грунтовку в несколько слоев.
По краям подготовленной подложки закрепляют электроды параллейно друг другу, путем механического крепления или наклеиванием с помощью токопроводящего клея. В качестве электродов используют медную лужоную плетенку, которая не окисляется, обеспечивая наилучший контакт с многослойным покрытием, не вызывает электрической и тепловой перегрузки в местах контактов.
Затем подготовленную электропроводящую композицию, включающую дегидратированный минерал шунгит Зажогинского месторождения в виде смеси фракций размерностью - 22-50 мкм и размерностью 0,1-20 мкм, при их массовом соотношении: 1:9 - 1:1, в количестве от 30-70% от массы связующего, наносят кистью, валиком или распылителем максимально возможным равным слоем. Причем нанесение осуществляют послойно от электрода к электроду для равномерного распределения электропроводящей композиции. При нанесении электропроводящей композиции в один слой разброс удельного сопротивления составляет от 15-20%, а при нанесении композиции в два или три слоя разброс удельного сопротивления компенсируется и составляет не более 2-3%, таким образом, происходит перераспределение электропроводности между слоями электропроводящей композиции. Измерение удельной электропроводности проводилось тестером VC890C+, путем наложения медных электродов на отдельные участки поверхности и пирометром ark.ru, путем замеров температуры нагрева поверхности в различных точках. Композицию наносят со смещением 1-2 верхних слоев на 2-3% межэлектродного расстояния. Это обеспечивает плавный ступенчатый переход электропроводимости на основную теплоизлучающую поверхность. Причем каждый слой просушивают ультрафиолетовой лампой от 2-60 минут, в зависимости от используемого связующего.
Сверху на нанесенную электропроводящую композицию наносят электроизоляционный слой, путем покрытия ламинатной пленкой в ламинаторе или нанесением лакокрасочного покрытия или слоем эпоксидной смолы. Выбор материала подложки зависит от способности нагревательных панелей выдержать задаваемую температуру нагрева. Например для повышенных температур применимы в качестве диэлектрической подложки слюдопласт, фторопласт, керамика, бетон.
Использование данного способа позволяет получать нагревательные панели с удельным сопротивлением в диапазоне от 0,5 ом⋅см до 10 кОм⋅см и задаваемой мощности теплоизлучения от 0,01 до 2,5 Вт при КПД до 90%.
Таким образом, применение указанной электропроводящей композиции и заявляемого способа ее многослойного нанесения с использованием в качестве электродов медной плетенки позволяет производить электронагревательные панели различного применения с широким спектром выбора свойств и оптимальными высоконадежными характеристиками, не требующие сложного дорогостоящего оборудования в производстве, характеризуется низкой себестоимость. Нагревательные панели могут быть использованы в качестве электропроводящих электронагревательных элементов в строительстве - теплые полы, поверхности, обогрев подъездных путей, дорог, дорожек, гаражей, крыш, водостоков; в сельском хозяйстве - обогрев теплиц, парников, сушилок; в бытовых нагревательных приборах - электропечи, камины, бойлеры; медицине - инфракрасное излучение; в автомобилестроении - подогрев двигатели, салона автомобиля, сидений; экранирование электромагнитных излучений.