Электропроводящая композиция

 

Использование: в радио- и электротехнике, приборостроении, изготовлении множительной техники для получения антистатических полу- и электропроводящих покрытий, эксплуатируемых при повышенных температурах. Электропроводящая композиция содержит, мас%.: 50-60 %-ную водную суспензию политетрафторлуэтилена - 20-40; водную суспензию коллоидного графита с содержанием графита 15-18 %; 15-32,5; 25 %-ный водный раствор аммиака - 3-10; воду - остальное. Характеристики композиции и покрытия на ее основе: вязкость 2 сП, толщина покрытия 3 мкм, адгезия 427 Н/м. 1 табл.

Изобретение относится к электропроводящим полимерным композициям, в частности, к композициям на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), применяемым для получения антистатических, полу- и электропроводящих антиадгезионных теплостойких покрытий на непроводящих поверхностях, и может быть использовано в радио- и электротехнике, приборостроении, а также при изготовлении элементов устройств множительной техники, эксплуатируемых при повышенных температурах (220 300^oС), в частности, например, при изготовлении фьюзерной ленты ксероксов.

Известна [1] композиция для получения электропроводящего покрытия на непроводящих поверхностях, в частности, на ПТФЭ, предназначенная для эксплуатации в экстремальных климатических условиях. Композиция включает коллоидную дисперсию графита в спирте с содержанием сухого вещества 20% и растворитель, представляющий собой смесь (мас.ч.): 3-6-толуола, 1-В-ацетона и 0,5-1,0-метилэтилкетона или диэтилового эфира. На 1 мас.ч. коллоидной дисперсии графита в композиции приходится 1-3 мас.ч. указанного растворителя.

Композиция наносится пульверизатором или кистью и сушится на воздухе. Недостатком композиции является ее нетехнологичность, так как она содержит легколетучие, пожароопасные и токсичные растворители, что требует принятия специальных мер предосторожности как при приготовлении композиции, так и при нанесении покрытия из нее, а также системы очистки и регенерации растворителей. Нанесение же покрытия из водной или спиртовой коллоидной дисперсии графита, как утверждают авторы изобретения (1), не позволяет получить сплошного, качественного покрытия с удовлетворительной адгезией.

Известна также (2) электропроводящая композиция для покрытий, включающая дисперсию технического углерода или графита в органическом растворителе (низшем спирте или низшем кетоне) и раствор полимеров в органическом растворителе в качестве связующего. В качестве полимера композиция содержит фторэластомеры, сополимеры винилиденфторида и тетрафторэтилена. Массовое соотношение технического углерода или его смеси с графитом к полимеру составляет 0,1- 1,5 1,0.

Композиция по (2) выгодно отличается от композиции в соответствии с (1) наличием полимерного связующего и, следовательно, повышенной прочностью покрытия. Однако она также нетехнологична, так как требует применения легколетучих и токсичных органических растворителей, операций растворения полимера и последующей регенерации растворителей.

Известна композиция (3), представляющая собой раствор 2,5-8,0 мас.ч. поливинилового спирта в воде, содержащий 15-17 мас.ч. графита в виде коллоидного раствора с минимальным размером частиц графита 12-16 мкм или 5,5-7,5 мас.ч. активного технического углерода и 5-8 мас.ч. пластификатора (глицерин). Композиция в виде водного лака используется для получения лент с полупроводниковыми свойствами и полупроводниковых слоев путем нанесения ее на подложку.

Композиция по (3) технологична, проста и безопасна в приготовлении и нанесении покрытия. Однако полученные из нее покрытия не могут эксплуатироваться при повышенной температуре из-за использованного в ней нетеплостойкого полимерного связующего.

Технической задачей является получение технологичной электропроводящей композиции, пригодной для получения на непроводящих поверхностях покрытий, эксплуатируемых при повышенных температурах -220-300^oC.

Техническая задача достигается тем, что электропроводящая полимерная композиция, включающая полимерное связующее, водный коллоидный графит и воду в качестве полимерного связующего содержит водную суспензию политетрафторэтилена или модифицированного политетрафторэтилена, в качестве водного коллоидного графита водную суспензию коллоидного графита со средним размером частиц графита 0,1-0,2 мкм и дополнительно содержит аммиак водный при следующем соотношении компонентов (% мас.): Водная суспензия политетра фторэтилена или модифицированного политетрафторэтилена с содержанием сухого вещества 50-65% мас. 20-40 Водная суспензия коллоидного графита с содержанием графита 15-18% мас. - 15-32,5 Аммиак водный с содержанием аммиака 25% мас. 3-10 Вода остальное Известны электропроводящие полимерные композиции на основе ПТФЭ [4,5] получаемые смешением водной дисперсии ПТФЭ с сажей [4] либо смешением водной дисперсии ПТФЭ с водной дисперсией углеродного порошка [5] Однако в обоих случаях в результате коагуляции получается наполненная углеродом ПТФЭ-электропроводящая композиция в виде однородного тонкого порошка. Композиции по [4,5] предназначены для изготовления формованных и экструдированных изделий.

Электропроводящие композиции в виде стабильной водной дисперсии, включающей суспензии фторопласта и коллоидного графита, нам неизвестны.

Композицию по изобретению получают простым смешением при комнатной температуре поочередно вводимых компонентов; покрытия получают нанесением композиции пульверизатором на подложку с воздушной сушкой слоев с последующим послойным спеканием при температуре 270 370^oС.

В качестве суспензии полимера использовали суспензию ПТФЭ марки Ф-4Д (ТУ 6-05-1246-81) или модифицированного ПТФЭ марки Ф- 4МД-Б (ТУ 6-05-2012-86) с содержанием сухого вещества в полимерной суспензии 50-65% мас. с размером частиц дисперсной фазы 0,1 0,2 мкм; в качестве водной суспензии коллоидного графита коллоиднографитовый препарат марки ЭЛПВ (ТУ 6-08-314-74) с содержанием графита 15-18% мас. содержанием сухого вещества-40-50% мас. средним размером частиц 0,1-0,2 мкм, причем максимальный размер частиц суспензии коллоидного графита не превышает 2,7 мкм в качестве аммиака водного использовали 25% мас. водный раствор аммиака по ГОСТ 3760-79. В качестве непроводящей поверхности использовали полиимидную пленку марки ПМ толщиной 30 мкм.

В композицию в качестве целевых добавок могут быть дополнительно введены пластификатор (например, глицерин), стабилизатор (например, карбоксиметилцеллюлоза, поливиниловый спирт), пеногаситель (например, полиметилсилоксан ПМС-200А).

Электропроводящим покрытие становится при объемном содержании электропроводящего компонента, превышающим определенное пороговое значение. В этом случае в покрытии образуются проводящие цепочки частиц (бесконечный кластер). Согласно теории протекания толстых слоях (объемная проводимость) пороговое значение объемной концентрации графита должно быть не менее 16% а в тонком слое (поверхностная проводимость) порядка 50% При толщине покрытия 3-5 мкм пороговое значение концентрации графита должно составить не менее 20-30% мас.

Получение таких концентраций электропроводящей компоненты можно достичь, если использовать водную суспензию коллоидного графита со средним размером частиц 0,1-0,2 мкм в сочетании с суспензией фторопласта в качестве связующего.

Малость и соизмеримость частиц графита с частицами пленкообразующего вещества фторопластовой суспензии с размером частиц 0,1-0,2 мкм - обеспечивает однородность смеси, способствует ее устойчивости, что позволяет получать очень тонкие покрытия с высокой сплошностью.

При размерах частиц графита 0,1-0,2 мкм в покрытии реализуется не только омическая проводимость по бесконечному кластеру, но и механизмы электропроводности, свойственные полупроводникам, в том числе прыжковая проводимость. Это уменьшает сопротивление покрытия и снижает уровень порогового значения концентрации компонентов.

При концентрации водной суспензии коллоидного графита в композиции 15 - 32,5% мас. и фторопластовой суспензии 20-40% мас. пленкообразующие частицы фторопласта образуют непрерывную сетку, что обеспечивает получение прочных и сплошных покрытий с высокой проводимостью. При концентрации в композиции водной суспензии коллоидного графита ниже 15% мас. сопротивление покрытия возрастает (см. контрольный пример 10), а при снижении концентрации суспензии фторопласта в композиции менее 20% мас. понижается прочность покрытия.

Количество вводимого раствора аммиака определяется необходимостью поддержания рН композиции в диапазоне 10,5-12,0. Введение аммиака менее 3% мас. ведет к некоторому падению стабильности композиции, введение аммиака выше 10% мас. нецелесообразно с точки зрения расхода компонентов.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. В стакан емкостью 1,5 л, снабженный мешалкой, вводят при комнатной температуре при постоянном перемешивании последовательно 300 мл (390 г) водной суспензии коллоидного графита марки ЭЛПВ, 300 мл (420 г) суспензии Ф-4МД-Б, 111 мл (100 г.) 25% мас. водного аммиака и доводят объем смеси до 1 л водой. Перемешивание продолжают 10 мин. Готовая композиция имеет рН 10,7 и вязкость 3,2 сП и не расслаивается в течение нескольких месяцев.

Композицию наносят пульверизатором на подложку из полиимидной пленки, выполненную в виде рукава длиной 300 мм и диаметром 50 мм. Нанесенный слой сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 5 10 мин и затем спекают при 290^oС в течение 15 мин, охлаждают на воздухе при комнатной температуре. Полученное покрытие имеет толщину 6,5 мкм (толщина покрытия определяется оптиметром). При необходимости операции нанесения могут быть повторены до получения требуемой толщины покрытия.

Поверхностное электрическое сопротивление покрытия P_s определяли на образцах длиной 10 мм и шириной 10 мм.

Нанесенное на рукав покрытие выдерживали в термостате при 400^oС в течение 15 мин.

Качество покрытия после термостатирования оценивали визуально по наличию отслаивания, шелушения, вздутий и пузырей.

Состав композиций и свойства полученных покрытий по примеру 1 и всем последующим примерам приведены в таблице.

Примеры 2 9. Опыт проводят, как в примере 1, но изменяют количество компонентов и марку используемой суспензии полимерного связующего.

Пример 10 (контрольный). Опыт проводят, как в примере 1, но используют запредельное количество водной суспензии коллоидного графита 13,7% мас.

Как видно из представленных данных композиция по предлагаемому изобретению в выбранном диапазоне количественного состава компонентов в сочетании с размером частиц электропроводящего наполнителя коллоидного графита, соизмеримых с размерами частиц связующего, обеспечивает получение тонких электропроводящих покрытий с высокой сплошностью и низким электросопротивлением.

Эксплуатация фьюзерной ленты с патентуемым покрытием в течение регламентного срока показала полное отсутствие какого бы то ни было нарушения сплошности покрытия вздутий, шелушений, отслаивания, трещин.

Формула изобретения

Электропроводящая композиция, включающая полимерное связующее, водный коллоидный графит и воду, отличающаяся тем, что в качестве связующего она содержит водную суспензию политетрафторэтилена, в качестве водного коллоидного графита водную суспензию коллоидного графита со средним размером частиц графита 0,1-0,2 мкм и дополнительно 25%-ный водный раствор аммиака при следующем соотношении компонентов, мас.

50-65%-ная Водная суспензия политетрафторэтилена 20-40 Водная суспензия коллоидного графита с содержанием графита 15-18 мас. - 15,0-32,5 25%-ный Водный раствор аммиака 3-10
Вода Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1