Способ испытания на электропроводность полимерных композиций

 

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛШЖРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, предназначенных для переработки в изделия , путем измерения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов, отличающийс я тем, что, с целью повышения качества испытаний путем приближения к условиям переработки, в испытуемом образце одновременно с измерением создают однородную деформацию сдвига со скоростью сдвига 1 путем вращения одного из электродов, при этом один из используемых электродов плоский, а другой с конусной поверхностью с углом при основании, лежащим в пределах от 15 до 5°

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

N 27/02

4(5!) !

)3., - 1|

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ(СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3619310/24-25 (22) 11.07.83 (46) 15.04.85. Бюл. У 14 (72) А.О.Григоров, И.И.Малевская, Л.Л.Сульженко и Б.И.Сажин (53) 543.257(088.8) (56) 1. Василенок Ю.И., Деянова А.С., Коноплев Б.А."Пластические массы".

1974 Р 8, с.53-55.

2. Как-Келви Д.М. Переработка полимеров. M., "Химия", 1965, с. 10.

3. Гуль В.Е., Царский Л.Н., Майзель Н.С. и др. Электропроводящие полимерные материалы. M., "Химия", 1968, с. 64.

4. Поляков А.А. Ячейка для исследования электропроводности полимеров.

"Зав.лаборатория", 1974, т.40, 9 3, с.280-281 (прототип).

„„BU „„ 5 A (54) (57) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИЭФИРНЫХ КОИПОЗИЦИЙ, предназначенных для переработки в изделия, путем измерения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повьппения качества испытаний путем приближения к условиям переработки, в испытуемом образце одновременно с измерением создают однородную деформацию сдвига со скоростью сдвига 10 - 1 с путем вращения одного иэ электродов, при этом один из используемых электродов плоский, а другой с конусной поверхностью с углом при основании, лежао щим в пределах от 15 до 5.

1150528

Изобретение относится к методам испытаний пластмасс, в частности к испьтаниям на электропроводность термопластичных электропроводящих полимерных композиций путем измерения нх удельного объемного электрическог0 сопротивления, и может быть использовано для выбора оптимальных режимов переработки указанных материалов с целью получения изделий с требуемой 10 величиной электрического сопротивления.

Известно, что удельное объемное электросонротивление одного и того же полимерного материала существенно ме- 11 няется в зависимости от условий переработки. Так, удельное объемное электросопротивление полиэтилена высокого давления (ПЭВД), содержащего в качестве электропроводящей добавки сажу, щ колебалось от 1,4 10 Ом см для образца, полученного экструзией, до

1,5 10 " Ом си для образца, полученного литьем под давлением P2) .

Такой большой разброс в характе— ристиках диктует необходимость создания метода испытаний на электропроводность полимерных материалов, в котором осуществлялся бы способ измерения электросопротивления в состоянии, близком к тому, которое реализуется в процессах. переработки материалов в изделия.

Процессы переработки (формирования) электропроводящих полимерных композиций включают в себя прессование, экструзию, литье под давлением, каландрование и т.п, Как правило, все эти процессы происходят в расплавленном состоянии, и в большинст- @ ве иэ них имеют место деформация и течение расплавов полимерных материалов P) .

Однако в существующих методах испытания на электропроводность этот 45 фактор не учитывается, Известен способ измерения электрического сопротивления термопластичных злектропроводящих полимерных композиций при комнатных температурах, 50 включающий плотное закрепление металлических электродов на поверхности плоского полимерного образца путем запрессования в образец, вакуумного напыления или приклеивания, прило- 55 жения к электродам разности потенциалов и измерения электросопротивления (31 . Величина удельного объемног0 электрического сопротивления О (-У рассчитывается по формуле

Л = 22, — (Ом cMj (1) где R „— показатель измерител ьногс прибора, Ом;

F — плошадь измерительного электрода, см 2, d — толщина образца, с м.

Образец получен прессованием в условиях, обычных для изготовления плоских образцов того или иного полимера.

Недостатком этого способа является то, что с его помощью невозможно получить значения электрического сопротивления композиций, отвечающих разным способам и различным режимам переработки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ испытания на электропроводность полимерных композиций путем измерения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов (4) .

Используемые электроды имеют форму плоских, дисков и располагаются в за— крытой термостатируемой камере. Удельное объемное электрическое сопротив— ление полимерной композиции рассчитывают по формуле (1), Известный способ позволяет определить электропроводность расплавов электропроводящих композиций, однако он не дает возможность провести испытание на электропроводность расплавов электропроводящих полимерных композиций при различных условиях переработки.

Цель изобретения — повышение качества испытаний полимерных композиций на электропроводность путем приближения условий испытания к условиям переработки.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу испытания на электропроводность полимерных композиций, предназ.наченных для переработки в изделия, путем определения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов, в испытуемом образце одновременно с измерением создают однороднуlo деформацию

1150528 сдвига со скоростью сдвига от 10 "—

10 с путем вращения одного из электродов, при этом один из используемых электродов плоский, а другой с конусной поверхностью с углом при основа/ о нии, лежа цим в пределах от 15 до 5.

На чертеже схематически показано устройстчо, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит электрод 1, 10 имеющий форму плоского диска диаметром D и электрод 2 в виде диска, рабочая поверхность которого имеет коническую форму с усеченной вершиной, между которыми размещают во время ис- 15 пытаний образец 3, а также измерительный прибор 4, электронагревательную печь 5 и штатив 6 для перемещения и фиксации электрода 2.Конусы с угла/ ми при основании менее 15 не могут быть использованы вследствие экспериментальньгх трудностей при точном установлении столь малого зазора между конусом и плоскостью, а также малого объема образца. Конусы с углом конус- 2S о ности более 5 также не могут быть использованы, так как при этом не соб— людаются условия однородности деформации в объеме испытуемого материала.

Электроды должны быть размещены отно- З сительно друг друга так, чтобы воображаемая вершина усеченного конуса находилась на поверхности электрода 1.

Для перемещения электрода 2 в вертикальном направлении и его фиксации

35 служит штатив 6. Между электродами размещен образец 3 электропроводящей полимерной композиции. Электронагревательная печь 5 обеспечивает нагрев образца и электродов до тем— пературы испытаний и ее поддержание во время измерений. Один из электродов приводят во вращение с определенной постоянной скоростью, при этом в образце создается однородное поле деформации сдвига.

Для испытаний используют прессованные, литые или вальцованные образцы в форме диска диаметром D u толщиной 0,8-1,0 мм. Измерение проводят при температуре переработки полимерных композиций, которая должна быть не ниже температуры плавления (температура текучести), но не выше ее температуры разложения.

Образец помещают между электродами, нагревают до температуры испытаний и опускают электрод 2 так, чтобы в оображаемая вершина конуса находилась на поверхности плоского диска.

После этого электрод 1 приводят во вращение с заданной скоростью, на электроды подают напряжение и измеряют сопротивление R . деформируемого расплава композиции с помощью измерительного прибора 4, например тераомметра. Удельное объемное сопротивление „ рассчитывают по формуле

" х

Р" (Ом.cMj (2)

Установив другую скорость вращения, повторяют измерение при другой ско- рости деформации сдвига. Проведя ряд испытаний и определив значения удельного объемного сопротивления при различных значениях скорости деформации сдвига, можно с высокой достоверностью выбрать условия переработки композиции (температуру и определенную скорость деформации сдвига), необходимые для получения изделий с заданными значениями удельного объем ного сопротивления.

Измерения проводят при скоростях деформации сдвига tO. — 1 с . Прове-1 -1 дение измерений при скоростях деформации сдвига менее 10 с нецелесообразно, вследствие того,что такие низкие скорости деформации сдвига не применяются в процессах переработки полимеров, так как они экономически невыгодны. Измерения при скоростях деформации сдвига свыше 1 с" невозможны из-за наступления режима неустойчивого течения расплава композиций, при котором образец отрывается от поверхности электродов, а измеряемые величины электрического сопротивления имеют завышенные значения вследствие плохого контакта между электродами и расплавом композиции (контрольные примеры 5.6 и 6.8).

Пример I. Исследовалась полимерная композици, включающая ПЗВД с плотностью 0,9 19 г/см ч показате3 пем текучести расплава (ПТР) 1 9г/

10 мин (марка 10802-020 по ГОСТ

16337-77) и 12 мас.Х сажи с удельной поверхностью 95 м /F и насыпной плот3 ностью 240 кг/м (марка ПМЭ-100В).

Образец изготовили прессованием при

160 С, давлении 25 кгс/см, времени выдержки под давлением 10 мин. Образец диаметром 2,5 см и толщиной 1 мм.1150528 помещали между электродами диаметром

2,5 см, угол конусности 4 =2О13. Сис1 тему нагревали до 150 С ° Электрод 1

- 1 -г вращали со скоростью 1 98 10 оо/с, что обеспечивало скорость деформации сдвига в зазоре между эчектродами равную 3,2 10 с 1 . На электроды гсдавали напряжение 10 В. Сопротивление образца измеряли с поггощью тераомметра марки 86-13А, оно равнялось 10

1,5.10 Ом.

Удельное объемное сопротивление рассчитывали по формуле (2)

3„.14 1л5 10" 2г5 3 1 10" Ом см

Рг 0,038 15

Пример 2. Исследовалась полимерная композиция, содержащая ПЭВД с плотностью 0,919 г/см и ПТР 2,1 г/

/10 мин (марка 15803-020 по ГОСТ

16337-77) и 12 мас.% сажи ПМЭ-100 В. щ

Условия опыта аналогичны примеру 1, о

- но температура испытаний 170 С, ско-5 рость вращения электрода 2 10 об/с, - 3 скорость деформации сдвига 3, 2 10 с

4 сопротивление образца 1, 1. 10 Ом, 25 удельное объемное сопротивление

1 10 Ом см.

П р и и е р 3. Исследовалась полимерная композиция, содержащая поли— этилен низкого давления (ПЭНД) с плот- ЗО чостью 0,951 г/см и ПТР 4,3 г/ 10 мин (марка 209-01 по ГОСТ 16338-77) и

15 г-ас.% сажи ПМЭ-1008. Условия испытагия àí nогичнгг примеру 1, скорость вращенич электрода ?,9,0 об/с, ско-6 ,а 1 28.10 3

<-о", ротивление образца 4,1 1О Ом, Ф удечьпое объемное сопротивление 8,5i

«10

П р и и е р 4. Исследовалась голи- мерная композиция,включающая ПЭВД марки 10802-020 и 20 мас.% сажи ПМЗ1008. Условия испытания аналогичны хримеру 1.

Ре ультаты испытания предо-павле 45 ны в табл.

Н р и и е р 5. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭВД марки 15803-020 и 20 мас.% сажи ПМЭ1008. Условия испытания аналогичны примеру 2.

Результаты испытания препставлены в.габл. 2.

Пример 6. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭНД марки 209-01 и 20 мас.X сажи марки

ПМЭ-IÎÎÂ, Условия испытания аналогичны примеру 2. Испытания проводились с 8 различными скоростягги вращения электрода.

Результаты испытаний приведены в табл 3.

Пример 7. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭВЛ марки 10802-20 и 20 мас.% сажи с удельной поверхностью 100 м /г и насыпной плотностью 330 кг/м (марка

ПМ-100). Условия опыта аналогичны примеру 1. Скорость вращения электрода 6 10 o6/с, скорость деформации сдвига 1,0 10 с 1, сопротивление образца 2,0 10 Ом, удельное объемное сопротивление 4,2 10 Ом-см °

Пример 8. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭНД марки 209-01 и 30 мас,X сажи марки

ПМЭ-1008 Условия опыта аналогичны примеру 2. Скорость вращения электрода 2,0 10 об/с, скорость деформации сдвига 3,2- 10 с, сопротивление образца 2,1 ° IO удельное объемное со2 противление 4,4 10 OM см.

Пример 9. Исследовалась поли— мерная композиция, содержащая ПЭНД и 27 мас.% сажи марки ПМЗ-1008 полученная полимеризацией этилена в присутствии катализатора Циглера-Натта, нанесенного на поверхность сажи, при 40 С в присутствии 20 мас.% воо дорода. Условия опыта аналогичны примеру I но температура испытания

160 С, скорость вращения электрода о

6 10 об/с, скорость деформации сдвига 1,0 10 с 1, сопротивление образца 60 Ом, удельное объемное сопротивление 1,3 10 Ом см. 1

Пример 10. Исследовалась полимерная композиция, содержащая полистирол и 16 мас.X сажи с удельной поверхностью 95 м з/r и насыпной плотностью 310 кг/м (марка ДГ-IОО), полученная полимеризапией стирола в присутствии инициирующей системы, нанесенной на поверхность сажи, при

70 С. Условия опыта аналогичны прио меру 1, но температура испытания

200 С, скорость вращения электрода

7,9-10 об/с, скорость деформации

-9 г сдвига 1,28 10 с, сопротивление обра.зца 4,5<10 Ом, удельное объемное сопротивление 9,4 10 Ом см.

Пример 11 ° Исследовалась полимерная композиция, содержащая сополимер 85% мол. этилена, 15% мол. бутилена и 19 мас.% сажи марки ПМЭ1008. Опыт проводили аналогично при1150528

Таблица 1

Скорость деформации сдвига, с

Скорость враще ния электрода, об/с

Опыт, Р I,3 10

1,7 10

2,2 10

3,4 10

1,38 10

3,2 .10

1,0 ° 10

3,2 10

7,9 10

1,98 10

6,25 "10

1,98 10

2,7 10

3,6 ° 10

4,6 10

792.10

4.1

4.2

4 ° 3

4.4

Таблица 2

Скорость деформа ции сдвига, с

Скорость вращения электрода, об/с

Опыт, Р

7,9 10

1,98 ° 10

2,5 ° 10

3,4 10

1,28 10

3,2 10

1,2 10

1,6 1О

5.1

5.2 меру 1, скорость вращения электрода

6,25 10 об/с, скорость деформации сдвига 1,0 -10 с 1, сопротивление образца 4,5.10 Ом, удельное объемное сопротивление 9,45 10 Ом ° см. 5

Пример 12. Исследовалв ПЭНД марки 209-01 по ГОСТ 16338-77 (плотность 0,951 г/см, ПТР-4,3 г/10 мин), содержащий 25 мас. Ж сажи ПМЭ-100В (удельная поверхность 95 мг/г, насып- 10 ная плотность 24,0 кг/м ). .Температура испытания 150 С. Электроды — коI нус с углом при основании 15 и плоскость диаметром 2,5 см. Скорость вра-5 щения электрода 2 10 об/с, скорость !5 деформации сдвига 2,9 10 с, сопротивление образца 3 10 Ом, удельное объемное сопротивление 6,0 10 Ом см.

Пример 13. Исследовали ПЭНД марки 209-01 по ГОСТ 16338-77 (плот- 20 ность 0,951 г/см, ПТР=4,3 r/10 мин9 содержащий 15 мас.7. сажи ПЮ-100В (удельная поверхность 95 кг/r, насыпная плотность 240 кг/м ). Температура испытания 150 С. Электроды — конус о о с углом при основании 5 и плоскость диаметром 2,5 см. Скорость вращения электрода 2 10 об/с, скорость деформации сдвига 1,4 10 с, сопротивление образца 2,4 10 Ом, удельное

Ч объемное сопротивление 4,8 0 Ом см.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ применим к определению удельного объемного сопротивления до 10 Ом ° см любых термопластич8 ных электропроводящих полимерных композиций. При этом при изменении скорости вращения электрода можно изменять скорость деформации сдвига от

10 до 1,0 с . Превышение скорости деформации сдвига выше 1,0 с приводит к неустойчивому течению расплава композиции, вызывает резкое возрастание сопротивления расплава вследствие частичного отрыва образца от поверхности электрода (контрольные примеры 5.6 и 6.8). По данным измерений каждой композиции можно определить. условия переработки (скорость деформации сдвига и температуру) для получения изделий с заданным значением удельного объемного сопротивления.

Сопротивле- Удельное объние образца,, емное сопроОм тивление, Ом см

Сопротивле- Удельное объние образца, емное сопротивОм ление, Ом см

1150528

ПРодолжение табл

7 (1

2,0.10

4,2 10

6,25 1О

1,0 10

5.3

1,0 .10

6,4 10

6,4 10

1,З .10

1,З .10

1,98 10

6,25 10

5.4

1,О -10

5.5

7,7 .10

1,6 10

3,2.10

1,98 10

Таблица 3

Сопротивление образца, Ом

Скорость деформации сдвига, с 1

Опыт, N .

2,3 ° 10

2,8 ° 10

3,3 ° 10

3,9 10

4,6 10

5,2 10

7,9 10

1,98 ° 10

6,25.10

6.1

6.2

6.3

1,98 10

6.4

6,25 10

1,98 10

6,25 10

6,5

6.6

6,1 10

1,0

6.7

9,9 10

1,98 10

4,7 ° 10

5.6 (контрольный) 6.8 (контрольный) !

Скорость вращения электрода, об/с

1, 28 ° 10

3,2 10

1,0 ° 10

3,2 10

1,0 10

3,2 10

Удельное объемное сопротивление, Ом см

4,8 10

5,9 ° 10

6,9 10

8,2.10

9,7 10

1О

1,3 .10

11Ю52В

Составит ель Г. Владимирова

Редактор С.Лисина Техред Л.Микеш Корректор С.Черни

Заказ 2134/33 Тираж P.97 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4