Термостойкий полимерный материал и способ его изготовления (варианты)

 

Изобретение относится к термостойким полимерным материалам на основе кремнийорганического связующего, используемым в основном для изготовления электроизоляционных материалов. Сущность изобретения: термостойкий материал содержит неорганический наполнитель, сшивающий агент, кремнийорганический блоксополимер общей формулы {O_x/2(C₆H₅)_3-xSiO[Si(CH₃)₂O]_n· Si(C₆H₅)_3-xO_x/2}·(C₆H₅SiO_1,5)_m, где х = 2-3, n = 5-40, m = 5-40, при следующем соотношении компонентов, мас. %: кремнийорганический блоксополимер - 3-45, сшивающий агент - 0,25-2,25, неорганический наполнитель - остальное. В качестве неорганического наполнителя материал содержит стеклоткань, слюдобумагу, листовую слюду или их смеси. Кроме того, в качестве неорганического наполнителя он может содержать окись бериллия, нитрид кремния, нитрид бора, нитрид алюминия или их смеси и/или дискретное волокно. I вариант способа изготовления материала включает пропитку неорганического наполнителя кремнийорганическим связующим, сушку, горячее прессование и термообработку при 260-400^oC. II вариант способа изготовления материала включает смешение термостойкого порошкообразного неорганического наполнителя с кремнийорганическим связующим, сушку, прокатку в вальцах, горячее прессование и термообработку при 260-400^oC. Технический результат - создание термостойкого полимерного материала с высокой электрической прочностью, которая не уменьшается при нагреве материала до 300-350^oC. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к термостойким полимерным материала, используемым в различных областях техники и, в частности для изготовления электроизоляционных материалов, производства и ремонта электротехнического оборудования, а также узлов агрегатов, работающих при высоком электрическом напряжении.

Известны керамические материалы, обладающие высокой электрической прочностью, составляющей 50-53 кВ/мм. Такие материалы (миналунд, 22ХС) изготавливают из порошков оксида алюминия и стеклообразующих добавок путем спекания при температурах 1500-1700^oC (В. А. Балкевич, Техническая керамика.- М.: Стройиздат, 1984, с. 98-118). Спеченная керамика на основе оксида алюминия является дорогостоящим материалом, т.к. высокотемпературный обжиг - энергоемкая технологическая операция. Кроме того, они не обладают пластичностью.

Известен термостойкий полимерный материал, состоящий из слюдяной бумаги, стеклоткани и кремнийорганического связующего марки Г1СКН (Каталог АО "Элинар", изд. "Sovero press Ltd"). Электрическая прочность такого материала в исходном состоянии составляет 30 кB/мм при толщине 0,12-0,15 мм, а при температуре 200^oC - 10 кB/мм. Материал Г1СКН имеет существенный недостаток: с повышением температуры до 200^oC электрическая прочность такого материала падает в 3 раза.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является термостойкий полимерный материал на основе слюдяной бумаги, стеклоткани и кремнийорганического связующего на основе полиметилсилоксанов и сшивающего агента (RU 2084031, МПК 6 H 01 B 3/04, 10.07.97). Этому материалу присущи те же недостатки, что и предыдущему.

Относительно I варианта "Способа изготовления термостойкого полимерного материала" наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления термостойкого полимерного материала, включающий пропитку волокнистого неорганического наполнителя кремнийорганическим связующим, сушку, горячее прессование и термообработку при температуре не выше 250^oC (см. Справочник по пластическим массам под ред. М.И.Гарбара, том II, Издат. Химия, 1969, с. 127-131).

Относительно II варианта "Способа изготовления термостойкого полимерного материала" наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления термостойкого полимерного материала, включающий смешение термостойкого порошкообразного неорганического наполнителя с кремнийорганическим связующим, сушку, прокатку на вальцах, горячее прессование и термообработку при температуре не выше 250^oC (там же, стр. 129-131).

Недостатком известных способов является то, что они не обеспечивают возможности получения материалов с высокими электроизоляционными свойствами.

Технической задачей данного изобретения является создание термостойкого полимерного материала с высокой электрической прочностью, которая не уменьшается при нагреве материала до 300-350^oC и составляет не менее 45 кВ/мм.

Для достижения поставленной задачи термостойкий полимерный материал, включающий неорганический наполнитель и полимерную матрицу на основе кремнийорганической смолы и сшивающего агента, содержит в качестве кремнийорганической смолы кремнийорганический блоксополимер общей формулы { O_x/2 (C₆H₅)_3-x SiO[Si(CH₃)₂O] _n · Si(C₆H₅)_3-xO_x/2}· (C₆H₅SiO_1,5)_m, где x=2-3; n = 5-40; m = 5-40; при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Кремнийорганический блоксополимер - 3 - 45 Сшивающий агент - 0,25 - 2,25 Неорганический наполнитель - Остальное Кремнийорганический блоксополимер заявленной структурой описан в Докладах АН СССР, 1986 г., том 282, N 2 (Химия).

В качестве сшивающего агента используют аминосиланы, предпочтительно аминопропилтриэтоксилан (АГМ-9), оловоорганические соединения, например, диэтилдикаприлат олова (230-15) и др.

В качестве неорганического наполнителя материал может содержать стеклоткань, слюдобумагу, листовую слюду или их смеси, или порошок окиси бериллия, нитрида алюминия или их смеси, и/или дискретное волокно и др.

Для достижения поставленной задачи в способе изготовления термостойкого полимерного материала по I варианту, включающем пропитку неорганического наполнителя кремнийорганическим связующим, сушку, горячее прессование и термообработку, в качестве кремнийорганического связующего используют кремнийорганический блоксополимер общей формулы
{ O_x/2 (C₆H₅)_3-x SiO[Si(CH₃)₂O] _n · Si(C₆H₅)_3-xO_x/2} (C₆H₅SiO_1,5)_m, где x = 2-3;
n = 5-40;
m = 5-40;
в количестве 3-45 мас.%, а термообработку осуществляют при 260-400^oC.

Для достижения поставленной задачи в способе изготовления термостойкого полимерного материала по II варианту, включающему смешение термостойкого порошкообразного неорганического наполнителя с кремнийорганическим связующим, сушку, прокатку на вальцах, горячее прессование и термообработку, в качестве кремнийорганического связующего используют кремнийорганический блоксополимер общей формулы
{O_x/2(C₆H₅)_3-xSiO[Si(CH₃)₂O]_n· Si(C₆H₅)_3-xO_x/2}· (C₆H₅SiO_1,5)_m
где x = 2-3;
n = 5-40;
m = 5-40;
в количестве 3-45 мас.%, а термообработку осуществляют при 260-400^oC.

Нами в процессе исследований было установлено, что сшитые блоксополимеры характеризуются более высокими по сравнению с другими кремнийорганическими полимерами электроизоляционными свойствами. Так, электрическая прочность при комнатной температуре составляет 47,5 кB/мм, а при 130^oC - 65 кB/мм при толщине образца 0,4 мм. Также установлено, что на величину электрической прочности оказывает влияние размерный фактор. При уменьшении толщины испытуемого полимерного материала в два раза значение электрической прочности повышается на 20-30%. Сочетание в предлагаемом материале блоксополимера и тепло-, электропрочного наполнителя при указанном соотношении обеспечивает его теплостойкость и высокую электрическую прочность (см. табл. 2).

Предлагаемый материал по примеру 1 готовят следующим образом:
1. Слюдобумагу типа 2 (ТУ 16-503051-78) пропитывают методом погружения в 25%-ный раствор блоксополимера в толуоле с добавкой 5% сшивающего агента АГМ-9 (ТУ 6-02-724-77) в расчете на сухую смолу. При необходимости проводят двух-, трехкратную пропитку с последующим подсушиванием на воздухе.

2. Прессование при давлении 15-30 кгс/см², температуре 250^oC в течение 4-5 ч.

3. Термообработка при температуре 340^oC в течение 3 ч в воздушной среде.

Аналогичные операции проводят со стеклотканью и комбинацией слюдобумаги и стеклоткани, а также с порошкообразным наполнителем отдельно или в смеси с другими представителями неорганического наполнителя.

В процессе термообработки предлагаемого материала при температуре 300-350^oC происходит дополнительное химическое и физическое структурирование полифенилсилсесквиоксановой фазы, приводящее к увеличению электрической прочности и исключению ее зависимости от температуры при длительной эксплуатации материала в нагретом состоянии до 350^oC.

Материал содержит
I. Наполнитель:
1) слюдобумага 1-n слоев,
2) стеклоткань 1-n слоев,
3) слюда листовая 1-n слоев,
4) BeO - порошок и/или волокна,
5) Si₃N₄ - порошок и/или волокна,
6) BN - порошок и/или волокна,
7) AlN - порошок и/или волокна (см. табл. 1).

Способ изготовления материала
Варианты:
1) (волокна)
технология - пропитка связующим, горячее прессование, термообработка 260-400^oC.

2) (порошки)
технология - смешивание порошка со связующим, сушка при 20-100^oC, прокатка в вальцах, горячее прессование, термообработка 260-400^oC.

С целью получения определенных технологических свойств (например, штампуемости) в материал могут быть добавлены технологические добавки, например полиорганосилоксанов.

Формула изобретения

1. Термостойкий полимерный материал, включающий неорганический наполнитель и полимерную матрицу на основе кремнийорганической смолы и сшивающего агента, отличающийся тем, что он содержит в качестве кремнийорганической смолы кремнийорганический блоксополимер общей формулы
{ O_x/2(C₆H₅)_3-xSiO [Si(CH₃)₂O] _n · Si(C₆H₅)_3-xO_x/2} · (C₆H₅SiO_1,5)_m, где x = 2 - 3;
n = 5 - 40;
m = 5 - 40,
при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Кремнийорганический блоксополимер - 3 - 45
Сшивающий агент - 0,25 - 2,25
Неорганический наполнитель - Остальное
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве неорганического наполнителя он содержит наполнитель, выбранный из группы, содержащей стеклоткань, слюдобумагу, бумагу, изготовленную из неорганических волокон, листовую слюду или их смеси.

3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве неорганического наполнителя он содержит порошок, выбранный из группы, включающей окись бериллия, нитрид кремния, нитрид бора, нитрид алюминия, или их смеси, и/или дискретное волокно.

4. Способ изготовления термостойкого полимерного материала по п.1, включающий пропитку неорганического наполнителя кремнийорганическим связующим, сушку, горячее прессование и термообработку, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического связующего используют кремнийорганический блоксополимер общей формулы
{ O_x/2(C₆H₅)_3-xSiO [Si(CH₃)₂O] _n · Si(C₆H₅)_3-xO_x/2} · (C₆H₅SiO_1,5)_m, где x = 2 - 3;
n = 5 - 40;
m = 5 - 40,
в количестве 3 - 45 мас. %, а термообработку осуществляют при 260 - 400^oС.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве неорганического наполнителя используют наполнитель, выбранный из группы, включающей стеклоткань, слюдобумагу, бумагу, изготовленную из неорганических волокон, листовую слюду или их смеси.

6. Способ изготовления термостойкого полимерного материала по п.1, включающий смешение термостойкого порошкообразного неорганического наполнителя с кремнийорганическим связующим, сушку, прокатку на вальцах, горячее прессование и термообработку, отличающийся тем, что в качестве кремнийорганического связующего используют кремнийорганический блоксополимер общей формулы
{ O_x/2(C₆H₅)_3-xSiO [Si(CH₃)₂O] _n · Si(C₆H₅)_3-xO_x/2} · (C₆H₅SiO_1,5)_m, где x = 2 - 3;
n = 5 - 40;
m = 5 - 40,
в количестве 3 - 45 мас. %, а термообработку осуществляют при 260 - 400^oС.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве неорганического наполнителя используют порошок, выбранный из группы, включающей окись бериллия, нитрид кремния, нитрид бора, нитрид алюминия, или их смеси, и/или дискретное волокно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2