СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО ПОЛИМЕРНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF OBTAINING ELECTROCONDUCTIVE POLYMER COMPOSITION MATERIAL

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к электропроводящим материалам с положительным температурным коэффициентом сопротивления, содержащим полимеры - диэлектрики и мелкодисперсный неорганический наполнитель, и может быть использовано для изготовления электронагревательных элементов с положительным температурным коэффициентом сопротивления, применяющихся для подогрева трубопроводов, предназначенных для транспортировки высоковязких продуктов, например нефти и нефтепродуктов.
Известен способ получения электропроводящего полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена, содержащий в качестве наполнителей: кокс, графит, ферроцен и сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом. Материал получают смешением компонентов, сушкой в вакуумном шкафу, холодным прессованием и спеканием (SU 1361729 А1, 23.12.1987) [1].
Недостатком известного способа получения материала является сложность технологии и высокая энергоемкость, а именно совмещение наполнителей, прессование с последующим спеканием при температурах 370+5°С, а также такой способ обеспечивает низкую электрическую проводимость материала.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения электропроводящего полимерного композиционного материала на основе полиамидного связующего ПАИС-104, содержащий в качестве проводящего наполнителя нестехиометрический карбид титана и углеродный наполнитель в виде порошка графита, сажи или каменноугольного кокса (RU 2280657 С1, 27.07.2006) [2].
Недостатком известного способа материала является сложность технологии, а именно трудоемкость совмещения компонентов и использование дорогостоящих ингредиентов, что значительно повышает себестоимость изготавливаемого материала.
Целью настоящего изобретения является получение электропроводящего полимерного композиционного материала с применением доступных и дешевых дополнительных ингредиентов и упрощение технологического цикла изготовления материала.
Для достижения поставленной цели предлагается технологический подход, основанный на трехстадийной технологии, предусматривающий на первом этапе смешение компонентов, холодное прессование, на втором - измельчение полученной заготовки до порошкообразного состояния, затем введение в сырую резиновую смесь, на третьем - экструзию композиции. При этом рецептура композита содержит не менее трех составляющих: резиновая смесь марки В-14, сверхвысокомолекулярный полиэтилен и кокс.
Предварительно просушенный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена при 100-120°С в течение 2 ч, просеянного через сито, в количестве 15-20 мас.% смешивают в лопастном смесителе с порошком кокса - 30-35 мас.%, затем прессуют смесь при удельном давлении 15 МПа, полученный монолит измельчают до порошкообразного состояния, затем на вальцах вводят в сырую резиновую смесь марки В-14 - 50-55 мас.%, после чего полученный композит экструдируют при следующем режиме: температура в зонах составляет 140-145°С, в головке 150°С, продолжительность - 20-25 мин.
Материал готовят из следующих компонентов.
Резиновая смесь марки В-14 имеет рабочие температуры - 55÷120°С, разрушающее напряжение при растяжении 10-15 МПа, относительное удлинение при разрыве 160%. Состав В-14 приведен в таблице.
11
17
Порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена представляет собой вещество белого цвета. Разрушающее напряжение при растяжении 22-26 МПа, относительное удлинение при разрыве 300-500%, удельное объемное сопротивление 10-10 Ом·м.
-3
Кокс линейный мелкодисперсный марки КЛ-1 имеет размер частиц 10-40 мкм, коэффициент теплопроводности 0,42·10 Вт/м.
Введение в сырую резину марки В-14 кокса, смешанного с сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, позволяет получить электропроводящий полимерный материал с высоким положительным температурным коэффициентом сопротивления и удельной электропроводностью, а сочетание двух полимеров разной химической природы позволяет улучшить технологические качества материала, а также улучшить физико-механические показатели, например прочность предлагаемого электропроводящего материала, обеспечивающего повышенный контакт с рабочей поверхностью и равномерное распределение тепла при обогреве криволинейных поверхностей.
Как видно из приведенного графика, введение именно смеси наполнителей кокса и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (кривые 1 и 2) приводит к значительному во всем исследуемом диапазоне температур увеличению проводимости предлагаемой электропроводящей полимерной композиции как минимум на один десятичный порядок по сравнению с проводимостью известной композиции (кривая 3). При сравнении кривых 1 и 2 видно, что уменьшение содержания кокса с 40 (кривая 1) до 30 (кривая 2), но увеличение содержания сверхвысокомолекулярного полиэтилена с 15 до 20 и В-14 с 45 до 50 мас.% приводит к увеличению проводимости.
Пример 1. 15 г сверхвысокомолекулярного полиэтилена, предварительно высушенного при 100-120°С в течение 2 ч, просеянного через сито, смешивают в лопастном смесителе с 40 г кокса. Затем смесь порошков помещают в пресс-форму и прессуют при удельном давлении 15 МПа. Полученный монолит измельчают в вибромельнице и вводят в сырую резину марки В-14 на вальцах. Экструзию проводят при температурах: I зона - 140, II зона - 140, III зона - 145, головка 150°С, в течение 25 мин.
Исследование электрических свойств предлагаемых материалов проводят на образцах - лентах. Для определения удельного сопротивления предлагаемого электропроводящего композиционного материала к краям прижимаются металлические электроды с проводниками. Подготовленный таким образом образец подключат к цифровому омметру и помещают в термокамере, с помощью которой и производится нагрев образцов - лент. Температура образца регистрируется с помощью термопары, помещенной в образец. Результаты измерений представляют собой зависимости ρ от Т, приведенные на чертеже.
Предел прочности при растяжении определяется на лентах при комнатной температуре на испытательной машине.
Пример 2. 20 г сверхвысокомолекулярного полиэтилена, предварительно высушенного при 100-120°С в течение 2 ч, просеянного через сито, смешивают в лопастном смесителе с 30 г кокса. Затем смесь порошков помещают в пресс-форму и прессуют при удельном давлении 15 МПа. Полученный монолит измельчают в вибромельнице и вводят в сырую резину марки В-14 на вальцах. Полученную композицию экструдируют в изделие и определяют характеристики по примеру 1.
Испытания электропроводящего полимерного материала предлагаемого состава в составе греющего кабеля для обогрева водопровода из полиэтиленовой трубы ⌀ 63 мм и пенополиуретановой теплоизоляции толщиной 30 мм показали увеличение его работоспособности, обусловленное отсутствием терморегулирующих устройств, а также гибкостью, позволяющей обеспечить равномерное распределение тепла по рабочей поверхности нагреваемого элемента.
Увеличение или уменьшение процентного содержания наполнителей значительно снижает служебные характеристики предлагаемого материала. Уменьшение содержания электропроводящего наполнителя приводит к значительному падению проводимости материала, а повышение - к снижению прочностных характеристик материала.
Высокий положительный температурный коэффициент сопротивления β (0,039
-1
град) при 80-100°С, а также низкое удельное сопротивление ρ (ρ=1 Ом·м при 100°С) позволяет получить на основе предлагаемого состава электропроводящий полимерный материал для нагревательных элементов с рабочей температурой до 100°С.
ТаблицаСостав резиновой смеси марки В-14
Ингредиенты
м.ч. на 100 м.ч. каучука
СКН-18. пластикат
100,0
Сера
2,5
N,N'-дифенилгуанидин
0,25
Альтакс
2,7
Белила цинковые (ZnO)
7,5
Альдоль-α-нафтиламин
4,0
Диафен ФП
1,0
Параоксинеозон
1,0
Техуглерод П803
130,0
Стеариновая кислота
1,0
Дибутилфталат
20,0
Всего
269,95