Электропроводящая полимерная композиция с низким удельным объёмным сопротивлением
ELECTRICALLY CONDUCTIVE POLYMER COMPOSITION WITH LOW SPECIFIC VOLUME RESISTANCE

Изобретение относится к кабельной технике и может быть использовано для изготовления полимерных заземлителей, гибких анодов контрольных слоев кабелей.
Применение полимерных проводящих материалов предоставляет преимущества по сравнению с традиционными металлическими материалами, а в некоторых случаях является единственно возможным.
Большинство полимеров, включая полиолефины, представляют собой диэлектрические материалы, т.е. являются изоляторами, и не проводят электрический ток. Электропроводящие полимерные материалы представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерной основы и наполнителя в количестве, достаточном для придания всей композиции токопроводящих свойств.
Существуют электропроводящие композиции (также называемые компаундами), предназначенные для применения в качестве электропроводящих полимерных экранов и контрольных слоев в кабельной технике. Однако они не удовлетворяют требованиям по показателю удельного объемного сопротивления - важнейшей характеристики для заземлителей и анодов, а также по возможности их переработки методом экструзии и литьевого формования.
Известна электропроводящая пероксидносшиваемая композиция (патент США US №9595365 В2, опубл. 14 марта 2017 г.) следующего состава, мас. %:
полиэтилен с функциональными силанами
60-90
органический полисилоксан содержащий 2
или более концевые группы
0,5-20
высокопроводящий технический углерод
со средним размером частиц 50 нм или менее,
активной поверхностью 700-1250 м<sup>2</sup>/г
и абсорбцией дибутилфталата 300-500 мл/100 г
10-20
сшивающий катализатор
0,05-0,2
Недостатком описанной в данном патенте композиции является высокий уровень удельного объемного сопротивления (УОС), составляющий при комнатной температуре не менее ρ=21,6 Ом*см, а также реакционная способность (материал относится к сшиваемым).
Известна электропроводящая пероксидносшиваемая композиция (патент РФ №2500047 «Электропроводящая пероксидносшиваемая композиция», опубл. 27.11.2013) следующего состава, в мас. %:
полиолефин
49-62
технический углерод с удельным объемным
сопротивлением ρ=10±6 Ом*см
29-34
технический углерод с удельным объемным
сопротивлением ρ=5±3 Ом*см
2,5-5
4,4'-тиабис(6-трет-бутил-м-крезол)
0,05-0,25
тетра-бис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-
гидроксифенил)пропионат)
0,05-0,20
бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметил-
этил)-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-гидрокси-
фенил]-1-оксопропил]гидразит
0,05-0,20
стеарат цинка
0,15-1,0
полиэтиленовый воск
3-9
органическая перекись
0,2-1,9
Недостатками данной композиции является показатель удельного объемного сопротивления (УОС) на уровне не менее ρ=15÷25 Ом*см, а также наличие сшивающего агента (органической перекиси), что затрудняет переработку материала при литьевом формовании на термопласт-автоматах и не специальном экструзионном оборудовании. В качестве полимерной основы в данной композиции используют этиленвинилацетат или полиэтилен высокого давления.
Целью предлагаемого изобретения является создание электропроводящей полимерной композиции, обладающий более низким удельным объемным сопротивлением (УОС) по сравнению с известными аналогами, наиболее предпочтительно - от 0,5 до 5 Ом*см.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение электропроводящих свойств полимерной композиции, т.е. снижение показателя удельного объемного сопротивления, обеспечение пригодности к формованию экструзионным и литьевым методов в широком диапазоне температур (110-200°С), более высокой технологичности в процессе формования, отсутствию нежелательной подсшивки и гель-фракции, а в целом - созданию материала, пригодного для широкого круга задач по изготовления надежных электротехнических и кабельных изделий.
Поставленная задача достигается путем введения дополнительного электропроводного технического углерода с удельным объемным сопротивлением ρ=0,12÷0,20 Ом*м.
/
/
В электропроводящую полимерную композицию для экранов силовых кабелей, включающую себя полиолефин, первичные и вторичные антиоксиданты - бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметил-этил)-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-гидрокси-фенил]-1-оксопропил]гидразид, 4,4'-тиобис(6-трет-бутил-м-крезол), тетракис-метилен-(3-(3,5-ди-трет-бутил-4-гидроксифенил)пропионат)метан, электропроводный технический углерод с УОС ρ=10±6 Ом*см (при содержании в полимере), электропроводный технический углерод с УОС не выше ρ=5±3 Ом*см (при содержании в полимере), стеарат цинка, полиэтиленовый воск, дополнительно вводится электропроводный технический углерод с ρ=УОС 0,12÷0,20 Ом*м (при содержании в полимере), при следующем соотношении компонентов, мас. %:
полиолефин
45-60
технический углерод с удельным объемным
26-35
сопротивлением ρ=10±6 Ом*см
технический углерод с удельным объемным
5-10
сопротивлением ρ=5±3 Ом*см
технический углерод с удельным объемным
4-8
сопротивлением ρ=0,12÷0,20 Ом*м
4,4'-тиобис(6-трет-бутил-м-крезол)
0,05-0,25
тетракис-метилен-(3-(3<sup>/</sup>,5<sup>/</sup>-ди-трет-бутил-4-
0,05-0,20
гидроксифенил)пропионат)метан
бензопропионовой кислоты 3,5-бис(1,1-диметил-
0,05-0,20
этил)-4-гидрокси-2-[3-[3,5-бис(1,1-диметиэтил)-4-
гидрокси-фенил]-1-оксопропил]гидразид
дистеарат цинка
0,15-1,0
полиэтиленовый воск
4-9.
Отличительным признаком является введение в композицию электропроводного технического углерода или иного углеродного материала с показателем удельного объемного сопротивления при содержании в полимере 0,12÷0,20 Ом*м в количестве от 4 до 8 мас. %, что позволяет улучшить электропроводные свойства композиции при различных температурах в 3-6 раз.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественным всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами, приведенными в таблице 1.
В таблице 2 приведены технические параметры предлагаемых примеров электропроводящих композиций. Определялись механические свойства, такие как прочность и эластичность (относительное удлинение на разрыв), показатель текучести расплава (ПТР), удельное объемное сопротивление (УОС).
Для оценки вязко-текучих характеристик использовался пластометр ИИРТ-5М, для оценки прочностных характеристик - универсальная испытательная машина UTM-2020. Показатели удельного объемного сопротивления определялись при помощи моста сопротивлений Уитстона PWB-2.
Исходя из анализа приведенных примеров, определен оптимальный интервал введения дополнительной электропроводной марки технического углерода. Он составляет от 4 до 8% (Обр. №4). При концентрации ниже 4% не достигается заметное улучшение электропроводности (Обр. №3).
При концентрации выше 8% (Обр. №5) отмечено ухудшение пластичности материала, снижение показателя текучести расплава, прочности, при этом электропроводные свойства композиции не показали улучшения в сравнении с Обр. №4.
Кроме того, даже минимальное содержание органических перекисей в составе (Обр. №2) приводит к нежелательной сшивке материала.
Указанные выше диапазоны следует считать оптимальными и предпочтительными при дополнительном введении электропроводных технических углеродов в композицию.
Полученная композиция демонстрирует наиболее низкие показатели сопротивления, а именно, в 3-6 раз меньшие по сравнению с известными композициями, а также отсутствие способности к сшивке под воздействием температуры по причине отсутствия в составе органических перекисных инициаторов.
Высокие показатели электропроводности (низкое сопротивление) позволяют использовать материал для применения в качестве элементов кабельной техники и арматуры. Сфера применения не ограничивается только кабельной техникой - композиция может быть применена в других приложениях, где требуется электропроводящий полимер с значениями УОС ρ=3÷5 Ом*см.
Предлагаемая электропроводящая композиция с низким удельным объемным сопротивлением пригодна для переработки экструзией и литьевым формованием, является при этом недорогой и технологичной.
В целом использование предлагаемой композиции с низким удельным объемным сопротивлением позволяет повысить надежность кабельных изделий, арматуры и прочих технических изделий, снизить стоимость их производства и эксплуатации.