Электропроводящий полимерный композиционный материал
Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а именно к электропроводящим материалам с положительным температурным коэффициентом сопротивления, и может быть использовано для изготовления электронагревательных элементов, применяющихся для подогрева трубопроводов, предназначенных для транспортировки высоковязких продуктов, например нефти и нефтепродуктов. Материал по изобретению содержит, мас.%: резиновую смесь марки В-14 - 50-55, сверхвысокомолекулярный полиэтилен - 15-20, кокс - 30-35. Кокс предварительно смешан со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. Технический результат состоит в получении электропроводящего композиционного материала с применением доступных и дешевых ингредиентов. 1 ил., 1 табл.
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 электропроводящий полимерный композиционный материал на основе термостойкого полимера, содержащий силициды железа, а в качестве электропроводящего вещества пиролитический графит и никель (RU 2240616 С2, 20.11.2004).
Недостатками известного материала являются сложный состав и трудоемкость совмещения компонентов и использование дорогостоящих ингредиентов, что значительно повышает себестоимость изготавливаемого материала.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электропроводящий полимерный композиционный материал на основе политетрафторэтилена, содержащий в качестве наполнителей: кокс, графит, ферроцен и сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом (SU 1361729 А1, 23.12.1987).
Недостатками известного материала являются низкая электропроводимость, сложность в технологии получения и высокая энергоемкость, а именно совмещение наполнителей и прессование с последующим спеканием при температурах 370+5°С.
Целью настоящего изобретения является получение электропроводящего полимерного композиционного материала с применением доступных и дешевых дополнительных ингредиентов.
Для достижения поставленной цели предлагается изменение рецептуры композита и упрощение технологии получения материала. Электропроводящий полимерный композиционный материал содержит кокс, смешанный со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, и резиновую смесь марки В-14 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| резиновая смесь марки В-14 | 50-55 |
| сверхвысокомолекулярный полиэтилен | 15-20 |
| кокс | 30-35 |
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 табл.1.
Порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена представляет собой вещество белого цвета. Разрушающее напряжение при растяжении 22-26 МПа, относительное удлинение при разрыве 300-500%, удельное объемное сопротивление 1011-1017 Ом·м.
Кокс линейный мелкодисперсный марки КЛ-1 имеет размер частиц 10-40 мкм, коэффициент теплопроводности 0,42·10-3 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 теплоизоляцией 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 град -1) 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.
| Таблица 1 Состав 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 |
Электропроводящий полимерный композиционный материал для нагревательных элементов, содержащий кокс, смешанный со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом и резиновую смесь марки В-14 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| резиновая смесь марки В-14 | 50-55 |
| сверхвысокомолекулярный полиэтилен | 15-20 |
| кокс | 30-35 |
