Способ модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков

 

Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при изготовлении электроакустических и электромеханических преобразователей, газовых фильтров, средств для защиты от статического электричества. На дно стеклянной колбы помещают порошок или гранулы йода, 1,2-диамин-9,10-аминантрахинона, 1-окси-9,10-антрахинона. В эту же колбу помещают изделие - пленку, волокно, сетки, гранулы из твердого полимерного диэлектрика, например полиметилметакрилата. Колбу закрывают, откачивают до 10^-1 - 10^-2 Па. Нижнюю часть колбы помещают в термостат. Нагревают до температуры T = (1,3-1,6)Tg, где Tg - температура стеклования полимера. По достижении концентрации примеси (3-5)•10^-3 моль/л изделие охлаждают. Объемная проводимость модифицированного полимера может быть увеличена в 56-24000 раз, уменьшена в 140 раз, плотность поверхностного заряда увеличена в 7-9 раз или уменьшена в 30 раз, модуль Юнга, предел текучести и прочность не изменяются. Изобретение также позволяет нейтрализовать низкомолекулярные примеси в полимере. 1 ил.

Изобретение относится к способу обработки изделий из полимерных материалов (пленок, тканей, волокон, сеток) с целью модификации их электрофизических свойств и может найти применение при изготовлении с использованием электретов электроакустических и электромеханических преобразователей, газовых фильтров, а также как средство защиты от статической электризации.

Известны способы модификации полимерных материалов для повышения их способности к поляризации в различных областях техники, например, с целью увеличения чувствительности электроакустических преобразователей [1], эффективности фильтрации мелких частиц в фильтрах [2, ], производительности (скорости фильтрации) мембран [3], адгезии к металлу [4], изменения оптических свойств изделия [5], уменьшения статического электричества [6], осуществляемые различными способами - путем внедрения в раствор или расплав полимера малых концентраций примесей. Известен также принятый за прототип способ объемной модификации полимеров функциональными добавками путем обработки парами модифицирующего вещества для придания новых физико-химических свойств (оптических, фото-, термо-, радиационной устойчивости и др.) [5].

К недостаткам этих методов относится возможность внедрения примесей в полимер на стадии промежуточного сырья или изделия, что отрицательно проявляется на его физико-механических свойствах. Достижение же необходимой концентрации добавок предлагаемым в [5] способом осуществляется путем варьирования температуры внедрения и для достижения заданных концентраций может привести к деформации изделия.

Задачей изобретения является расширение области использования различных твердых полимерных диэлектриков за счет осуществления возможности целенаправленного изменения в нужном направлении электрофизических характеристик твердых полимерных диэлектриков (в сторону увеличения или уменьшения величины электропроводности и способности материала к поляризации) без изменения других их физико-механических свойств.

Поставленная задача решается тем, что в способе модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков путем внедрения примесей в полимерный материал внедрение примесей с донорными или акцепторными свойствами по отношению к данному полимерному материалу осуществляют из газовой фазы, причем перед внедрением примесей полимерный материал переводят в высокоэластическое состояние путем его нагрева до температуры Т = (1,3-1,6)T_g, где Т - температура нагрева полимерного материала, T_g- температура стеклования полимера.

При этом внедрение примесей целесообразно осуществлять при давлении 10^-1-10^-2 Па до концентрации в полимерном материале (3-5)•10^-3 моль/л, а заданная концентрация примеси осуществляется путем варьирования времени выдержки полимера в газовой фазе примеси.

Способ модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков осуществляют следующим образом.

На дно стеклянной колбы (для лабораторных образцов. Для промышленных образцов здесь и далее термин "колба" следует заменить на термин "вакуумная камера") помещают внедряемую примесь в виде порошка или гранул. В ту же колбу на специальной подставке, чтобы не было прямого контакта с примесью, помещают изделие в виде пленки, или ткани, или волокна, или сетки, или гранул. Колбу закрывают притертой крышкой с отверстием для откачки воздуха и подсоединяют к вакуумному насосу. Нижнюю часть колбы, содержащую примесь и изделие, помещают в термостат (для лабораторных образцов. Для промышленных изделий нагревают с помощью специально вмонтированного в камеру нагревателя) и нагревают до температуры Т, зависящей указанным образом от температуры стеклования полимера T_g: Т=1,3-1,6 Tg.

При этой температуре примесь постепенно переводят в газовую фазу, а изделие - в высокоэластическое состояние. Одновременно производят откачку воздуха из колбы до давления 10^-1-10^-2 Па.

Изделие выдерживают при рабочей температуре в газовой фазе примеси в течение времени, необходимого для достижения заданной концентрации примеси в материале. Время выдержки определяют для каждой пары полимер - примесь по графикам (см. чертеж) зависимости концентрации от времени выдержки при фиксированной температуре. Затем вытаскивают колбу из камеры и охлаждают изделие до комнатной температуры, отключают вакуумный насос и напускают в вакуумную камеру воздух, открывают колбу и достают обработанный материал вместе с подставкой. Затем производят очистку стенок от красителя, осевшего на верхней холодной части колбы в результате конденсации паров при обработке изделия.

Изменение электрофизических свойств материала подтверждают измерением до и после обработки величины объемной статической проводимости при напряженности 100 В/мм и величины остаточного заряда на поверхностности термоэлектрета, полученного при поляризации полимерного материала в виде пленки в поле напряженностью 10⁴ В /мм при температуре 155^oC для полимерилметакрилата и 125^oC для полиэтилентерефталата в течение 15 мин.

Концентрация примеси в материале после обработки может быть определена по интенсивности характерных полос в спектрах оптического поглощения с учетом коэффициента экстинкции.

Промышленная применимость данного способа и получение сверхэффекта по параметрам "объемная проводимость" и "плотность поверхностного заряда" подтверждена следующими примерами (без изменения других физико-механических свойств полимерного материала): Пример 1.

Внедрение йода в полиметилметакрилат.

Температура нагрева Т=140^oC Время обработки - 40 мин.

Концентрация йода в материале - 5•10^-3моль/л Объемная проводимость: - исходного образца - 1,7•10^-15 Ом^-1м^-1 (увеличение в 135 раз) - обработанного образца - 2,1•10^-13 Oм^-1м^-1 (увеличение в 135 раз)
Плотность поверхностного заряда:
- исходного образца - 5 нКл/см² (увеличение в 9 раз)
- обработанного образца - 44 нКл/см² (увеличение в 9 раз)
Пример 2.

Внедрение 1,2-диамин-9,10-аминантрахинона в полиметилметакрилат.

Температура нагрева Т=140^oC
Время обработки - 30 мин
Концентрация 1-аминантрахинона в материале - 3•10^-3 моль/л
Объемная проводимость:
- исходного образца - 1,7•10^-15 Ом^-1м^-1 (увеличение в 700 раз)
- обработанного образца - 1,2•10^-12 Ом^-1м^-1 (увеличение в 700 раз)
Плотность поверхностного заряда:
- исходного образца - 5 нКл/см² (увеличение в 7 раз)
- обработанного образца - 35 нКл/см² (увеличение в 7 раз)
Пример 3.

Внедрение 1-окси-9,10-антрахинона в полиметилметакрилат.

Температура нагрева Т= 140^oC (Т=1,33 T_g)
Время обработки - 30 мин.

Концентрация 1-оксиантрахинона в материале - 3,7•10^-3 моль/л
Объемная проводимость
- исходного образца - 1,7•10^-15 Ом^-1м^-1 (уменьшение в 140 раз)
- обработанного образца - 1,2•10^-13 Ом^-1м^-1 (уменьшение в 140 раз)
Плотность поверхностного заряда
- исходного образца - 5 нКл/см² (уменьшение более чем в 30 раз)
- обработанного образца - менее 0,15 нКл/см² (уменьшение более чем в 30 раз)
Пример 4.

Внедрение йода в полиэтилентерефталат.

Температура нагрева Т=150^oC
Время обработки - 20 мин.

Концентрация йода в материале - 5•10^-3 моль/л
Объемная проводимость:
- исходного образца - 2,3•10^-16 Ом^-1 м^-1 (увеличение в 24000 раз)
- обработанного образца - 5,6•10^-12 Ом^-1 м^-1 (увеличение в 24000 раз)
Плотность поверхностного заряда:
- исходного образца - 4,5 нКл/см² (увеличение в 56 раз)
- обработанного образца - 250 нКл/см² (увеличение в 56 раз)
Модуль Юнга:
- исходного образца - 4510 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
- обработанного образца - 4479 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
Предел текучести:
- исходного образца - 111 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
- обработанного образца - 112 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
Прочность:
- исходного образца - 168 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
- обработанного образца - 165 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
Источники информации
1. А.с. SU N 1420675, 1985.

2. А.с. SU N 606602, 1978.

3. Кочервинский В.В., Воробьева Г.А., Шкинев В.М. Журнал прикладной химии, т. 68, N 7, 1995, с. 1111-1115.

4. А.с. SU N 1788601, 1993.

5. RU N 94028725, 1996.

6. А.с. U N 429072, 1974.

Формула изобретения

Способ модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков путем внедрения примесей в полимерный материал, отличающийся тем, что внедрение примесей с донорными или акцепторными свойствами осуществляют из газовой фазы при давлении 10^-1 -10^-2 Па до концентрации в полимерном материале (3-5)•10^-3 моль/л, причем перед внедрением примесей полимерный материал переводят в высокоэластическое состояние путем его нагрева до температуры
T = (l,3 - l,6)Tg,
где Т - температура нагрева полимерного материала;
Tg - температура стеклования полимерного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1