Композиционный полимерный материал

Изобретение относится к производству электроизоляционных полимерных материалов для переработки в изделия электротехнического назначения. Композиционный материал состоит из полимерного термопластичного связующего, в качестве которого используется смесь полиэтилентерефталата с полифениленсульфидом или смесь полибутилентерефталата с полисульфоном, модифицирующей углеродной добавки в виде фуллерена С₆₀, или фуллерена С₇₀, или их смеси и армирующего материала, которым могут быть стекловолокно или базальтовое волокно. Изобретение обеспечивает улучшение электротехнических и механических характеристик композиционного материала. 1 з.п. ф-лы.

 

Заявляемое изобретение относится к производству электроизоляционных полимерных материалов для переработки в изделия электротехнического назначения.

Известна (патент RU №2185398 С2) полимерная композиция для изготовления конструкционных электротехнических изделий, содержащая полимерное термопластичное связующее (полипропилен) в количестве 70-80% от общей массы и стекловолокно в качестве армирующего материала (наполнителя) в количестве 10-15%. Недостатками данного материала являются низкая теплостойкость (температура эксплуатации не более 140°C) и горючесть, обусловленные свойствами полипропилена.

Известна (патент RU №2076124 С2) стеклонаполненная полимерная композиция, содержащая в качестве матрицы полимерное термопластичное связующее (полиамид 6) в количестве 58,50-63,88% и стекловолокно в количестве 36-40% от общей массы материала.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков техническим решением является принятый за прототип известный (патент RU №2316571 С1) полимерный композиционный материал, состоящий из матрицы в виде полимерного термопластичного связующего (полиамид 6-блочный) и модифицирующей ее углеродной добавки, в качестве которой используется фуллерен C₆₀, или фуллерен C₇₀, или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

фуллерен C60, или фуллерен C70, или их смесь	0,0001-1,5
матрица	остальное до 100

К недостаткам прототипа и последнего из вышеуказанных указанных аналогов, препятствующим достижению нижеуказанного технического результата, следует отнести высокое влагопоглощение (более 2,6%), недостаточную теплостойкость и горючесть материала, обусловленные свойствами полиамида, являющегося по своей природе гидрофильным полимером, а также отсутствие армирующего материала.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании нового электроизоляционного материала, изделия из которого обладают высокими эксплуатационными качествами наряду с низкой себестоимостью.

Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения, состоит в улучшении электротехнических и механических характеристик композиционного материала.

Указанный технический результат достигается за счет того, что известный композиционный полимерный материал, состоящий из матрицы в виде полимерного термопластичного связующего и модифицирующей ее углеродной добавки в виде фуллерена C₆₀, или фуллерена C₇₀, или их смеси, дополнительно содержит армирующий материал, а в качестве матрицы используется смесь полиэтилентерефталата (ПЭТ) с полифениленсульфидом (ПФС) или смесь полибутилентерефталата (ПБТ) с полисульфоном (ПСФ).

При использовании в качестве матрицы смеси полимерных термопластичных связующих - смеси полиэтилентерефталата (ПЭТ) с полифениленсульфидом (ПФС) или смеси полибутилентерефталата (ПБТ) с полисульфоном (ПСФ) - повышается теплостойкость, снижается влагопоглощение, улучшаются электрическая прочность и диэлектрическая проницаемость композитного материала по сравнению с полиамидом ПА-6 за счет свойств компонентов смеси.

Кроме того, использование в качестве полимерного термопластичного связующего указанных смесей по сравнению с чистым, но дорогим ПФС (http://www.kompamid.ru/material_type.php?binn_rubrik_pl_catelems1=425) обеспечивает конкурентное преимущество нового материала в плане соотношения цена-качество при сохранении его высоких механических и электрических свойств.

Введение в качестве наномодификатора углеродной добавки в состав используемого полимерного термопластичного связующего позволяет получить качественную смесь полимерных связующих за счет снижения вязкости расплава (повышается адгезия к материалу наполнителя) и повышения температуры термодеструкции ПЭТ и ПБТ.

Экспериментальные исследования показали, что введение наномодификатора в количестве менее 0,01% от общей массы вещества не приводит к заметным изменениям характеристик композитного материала. Увеличение концентрации С60 или смеси С60-С70 до 0,1% увеличивает теплостойкость композитного материала до 30%, электрические и механические характеристики до 20%. Увеличение содержания фуллерена более 0,1 мас.% уже не приводит к дальнейшему улучшению электрической прочности материала и поэтому нецелесообразно. Таким образом, указанный ниже количественный интервал указанного наномодификатора является экономически целесообразным, так как дальнейшее увеличение концентрации наномодификатора несмотря на улучшение свойств материала приводит к значительному удорожанию изделий из него.

За счет введения армирующего материала увеличивается механическая прочность композиционного материала. В качестве армирующего материала могут быть использованы и такие материалы, обладающие высокой теплостойкостью и изоляционными свойствами, как, например, стеклоткань (наиболее удобный материал для получения пререгов), базальтовое волокно или ткань из этого волокна.

Получение композитного полимерного материала заявленного состава с наилучшими электротехническими и механическими характеристиками достигается при использовании в качестве армирующего материала стекловолокна или базальтового волокна при следующем соотношении входящих в материал компонентов, мас.%:

- стекловолокно или базальтовое волокно - 30,0-35,0

- фуллерен C₆₀, или фуллерен C₇₀, или их смеси - 0,01-0,1

- смесь полиэтилентерефталата с полифениленсульфидом или смесь полибутилентерефталата с полисульфоном - остальное.

При использовании в качестве упрочнителя диспергированного стекловолокна или базальтового волокна в 2-3 раза улучшаются механические характеристики композита: прочность на сжатие увеличивается до 20%, прочность на растяжение - до 15%. Выбор данного количественного интервала указанного армирующего материала обусловлен тем, что при использовании его в количестве менее 30% ухудшаются механические характеристики композитного материала, более 35% - ухудшаются его электротехнические характеристики. Этот интервал обеспечивает оптимальные характеристики наполненного композита и минимальную усадку при литье.

Использование указанной смеси стеклонаполненных полимеров, модифицированных фуллереном или смесью фуллеренов, позволило создать материал, изделия из которого имеют максимальную температуру эксплуатации до 240°C, что значительно превышает максимальную температуру эксплуатации изделий из материала, выбранного в качестве прототипа, а также улучшить физико-механические характеристики и повысить пожаробезопасность готовых изделий.

Сведения, подтверждающие осуществление изобретения с получением вышеуказанного технического результата, приводятся на примере конкретных композиций.

Пример 1

Композиционный полимерный материал при следующем соотношении входящих в него компонентов, мас.%:

- стекловолокно - 30,0

- фуллерен C₆₀ - 0,01

- смесь полиэтилентерефталата с полифениленсульфидом - 69,99

Пример 2

Композиционный полимерный материал при следующем соотношении входящих в него компонентов, мас.%:

- стекловолокно - 35,0

- фуллерен C₇₀ - 0,1

- смесь полиэтилентерефталата с полифениленсульфидом - 64,9

Пример 3

Композиционный полимерный материал при следующем соотношении входящих в него компонентов, мас.%:

- базальтовое волокно - 31

- смесь фуллерена C₆₀ или фуллерена C₇₀ - 0,9

- смесь полибутилентерефталата с полисульфоном - 68,1

Заявляемый электроизоляционный композиционный материал изготавливают путем, например, пропитки электроизоляционной стеклоткани с помощью известного устройства (патент №2364505 "Устройство для пропитки ленточного материала", 25 декабря 2007 г., патент №2376327 "Антифрикационный композиционный материал", 01 апреля 2008 г.).

Полученный указанным известным способом препрег поступает на измельчитель, в котором происходит диспергирование материала до крупности 0,5-1 мм. Затем крошка измельченного препрега соединяется с гранулами ПЭТ в соотношении 1:2 в специальной центрифуге. Материал готов для загрузки в бункер термопластавтомата.

1. Композиционный полимерный материал, состоящий из матрицы в виде полимерного термопластичного связующего и модифицирующей ее углеродной добавки в виде фуллерена С₆₀, или фуллерена С₇₀, или их смеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит армирующий материал, а в качестве матрицы используют смесь полиэтилентерефталата с полифениленсульфидом или смесь полибутилентерефталата с полисульфоном.

2. Композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве армирующего материала используют стекловолокно или базальтовое волокно при следующем соотношении компонентов, мас.%:

стекловолокно или базальтовое волокно	30,0-35,0
фуллерен С60, или фуллерен С70, или их смеси	0,01-0,1
смесь полиэтилентерефталата с полифениленсульфидом
или смесь полибутилентерефталата с полисульфоном	остальное