Токопроводящая резина с положительным термическим коэффициентом сопротивления на основе регенерата из шинных отходов
CURRENT-CONDUCTING RUBBER WITH POSITIVE THERMAL COEFFICIENT OF RESISTANCE BASED ON RECLAIMED WASTE FROM TIRE WASTES

Изобретение относится к резинотехническому производству, в частности к получению электропроводящих эластомеров с положительным термическим коэффициентом сопротивления (ПТКС) на основе регенерата из шинных отходов и токопроводящего технического углерода.
Изобретение может найти применение в качестве материала в составе саморегулирующегося нагревательного прибора или устройства. Например, для антиобледенительных систем дорожных покрытий и строительных конструкций. А также изобретение можно применять в электротехнике для создания терморезистивных датчиков, тензометрических датчиков, эластичных проводниковых материалов, эластичных антистатических материалов, покрытий для печатающих валов. Причем области применения ее не ограничиваются вышеописанными примерами.
Известен шинный регенерат [1. Гавриленко Г.Я., Зубков В.М., Штейнберг Ю.М. Способ получения шинного регенерата // Патент РФ №2130952, опубл. 27.05.1999], полученный из резиновой крошки. Данный регенерат после вулканизации имеет высокий уровень механических свойств. При получении регенерата термомеханическим методом происходит глубокая деструкция полимерной цепи при сравнительно небольшом распаде полисульфидных связей. Недостатком известного шинного регенерата является отсутствие электропроводности вулканизата.
Известна токопроводящая резиновая смесь [2. Попов С.В., Радкевичь Л.С., Самарай Л.И., Горбатенко В.И., Чубарь Т.В., Евтушенко Т.П. Токопроводящая резиновая смесь // Патент SU № 1746405 А1, опубл. 07.07.1992, бюл. №25], содержащая метилвинилсилоксановый каучук, токопроводящий технический углерод, оксид металла и вулканизующий агент, отличающаяся тем, что с целью повышения надежности изделий на ее основе путем повышения прочности при растяжении и снижения усадки при сохранении удельного объемного электрического сопротивления, она содержит в качестве вулканизующего агента 2,4,6-триметилбензол-1,3-динитрилоксид. Недостатком известной токопроводящей резиновой смеси является высокая стоимость силоксанового каучука.
Известна электропроводящая композиция [3. ПАРК Санггу (KR) Углеродная гибкая нагревательная структура // Патент RU № 2344574 С2, опубл. 20.01.2009, бюл. №2], полученная путем смешивания жидкого силиконового каучука и сажи (массовое соотношение 100:1-15) или графита (массовое соотношение 100:10-150). Недостатком известной композиции является высокая стоимость жидкого силиконового каучука.
Наиболее близкой по технической сущности является способ получения полимерного композитного материала с ПТКС [4. Саввинова М.Е., Мещан С.А., Коваленко Н.А. Способ получения электропроводящего полимерного композиционного материала // Патент RU № 2365600 С2, опубл. 27.08.2009, бюл. №24] на основе резиновой смеси В-14 (50-55 мас. %), сверхвысокомолекулярного полиэтилена (15-20 мас. %) и кокса (30-35 мас. %). При этом кокс смешивают со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, 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, после чего полученный композит экструдируют при следующем режиме: температура в зонах составляет 140-145°С, в головке - 150°С, продолжительность 20-25 мин. Недостатком данного технического решения является многостадийность технологического процесса и относительная дороговизна материалов для изготовления токопроводящего композита.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в придании резине из шинного регенерата электропроводности с положительным термическим коэффициентом сопротивления.
Поставленная задача решается использованием в качестве основы девулканизованной резиновой смеси из резиновой крошки (шинный регенерат), в качестве наполнителя электропроводящего технического углерода и вулканизирующей группы при следующем соотношении входящих в смесь компонентов, масс.ч.:
Шинный регенерат
100,0
Электропроводящий технический углерод марки СН85
10,0-20,0
Альтакс
1.0
Дифенилгуанидин
0.5
S
1.0
Для получения резиновой смеси использовали следующие материалы: шинный регенерат, полученный путем девулканизации резиновой крошки размером частиц 0,5-1,0 мм в среде стеариновой кислоты (CAS 57-11-4) на лабораторных вальцах; электропроводящий технический углерод марки СН85; альтакс (CAS 120-78-5); дифенилгуанидин (CAS 102-06-7); сера (CAS 7704-34-9).
Сущность изобретения заключается в том, что основой электропроводящей резины с ПТКС является регенерат, который получен из шинных отходов, что дает возможность снизить стоимость конечного продукта. Использование недорогого сырья позволяет наладить крупнотоннажное производство эластомеров с ПТКС, а также расширит направления внедрения саморегулирующихся нагревательных приборов на основе эластомеров с ПТКС, например, для антиобледенительных систем дорожных покрытий и строительных конструкций.
Заявляемые резиновые композиции (Исполнение 1, 2, 3) изготавливали из шинного регенерата, полученного путем термомеханической девулканизации резиновой крошки размером частиц 0,5-1,0 мм в среде стеариновой кислоты на лабораторных вальцах. Затем, в полученный регенерат вводили электропроводящий технический углерод и вулканизирующую группу (альтакс, дифенилгуанидин, сера). Вулканизацию проводили при температуре 155°С в течение 15 минут. Прототип изготавливали по известной рецептуре, однако вулканизацию проводили в вулканизационном прессе при температуре 155°С в течение 20 минут. Состав резиновых смесей приведен в табл. 1.
-1
Зависимость удельного сопротивления от температуры измеряли для каждого исполнения, а также для прототипа (фиг. 1). Из фиг. 1 видно, что эффект ПТКС наблюдается на всех исполнениях, значения ПТКС в диапазоне температур 10-80°С для исполнений 1, 2, 3 и прототипа составляет 0,054; 0,223; 0,285 и 0,392 град соответственно. Увеличение концентрации электропроводящего технического углерода ведет к снижению удельного сопротивления и повышению температуры скачка сопротивления. Известно, что электропроводимость у резин возникает за счет туннельного тока, когда между частицами электропроводящего наполнителя существуют зазоры заполненные резиной. Этот зазор работает как потенциальный барьер, и электроны проходят по этому зазору за счет тепловых флуктуаций, что вызывает электропроводность. Туннельный ток чувствителен к расстоянию, т.к. он изменяется обратно пропорционально и по экспоненте по отношению к изменению расстояния. Когда температура увеличивается, то за счет термического расширения резины, зазор между частицами электропроводящего технического углерода увеличивается, что приводит к резкому снижению электропроводности.
Исполнения 1, 2, 3 имеют оптимальное соотношение компонентов (10-20 м.ч. электропроводящего технического углерода). Уменьшение содержания электропроводящего технического углерода ведет к повышению сопротивления вплоть до потери электропроводности. А увеличение содержания электропроводящего технического углерода ведет к осложнению технологии смешивания компонентов, т.к. регенерат уже наполнен достаточным количеством технического углерода.