Полимерная композиция

 

Изобретение относится к полимерной композиции. Предложена полимерная композиция, способная упруго деформироваться из состояния покоя и содержащая, по меньшей мере, один электропроводящий наполнитель, диспергированный внутри и закапсулированный непроводящим эластомером; тип и концентрация наполнителя такие, что электрическое удельное сопротивление изменяется в ответ на силы деформации до значения, по существу равного значению сопротивления мостиков проводника наполнителя, настоящая композиция включает в себя также модификатор, который ускоряет упругий возврат композиции к ее состоянию покоя после удаления сил деформации. Во втором варианте выполнения наполнитель смешивают с эластомером в режиме смешения, исключая деструктивные силы сдвига. В качестве эластомера использован силоксановый каучук. Наполнитель может быть выбран из группы, состоящей из металлических элементов в форме порошка и сплавов. Эластомер может быть изготовлен из вулканизуемого при комнатной температуре силоксанового полимера. В качестве модификатора может быть выбрана коллоидальная двуокись кремния. Композиция используется в электрическом устройстве, включающем в себя электрический проводник в комбинации со средством для напряжения проводника до заданного уровня проводимости. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к полимерной композиции, а точнее к эластомерной полимерной электропроводной композиции, которая имеет большой интервал динамического сопротивления и изотропные электрические свойства, проявляемые, когда ее подвергают действию таких сил деформации, как, например, сжатие или растяжение или ориентации, которые создаются механической энергией, тепловой энергией, электрическими или магнитными полями.

Известный уровень техники

Устройства включения электрического тока обычно являются механическими, и поэтому они имеют ряд недостатков как, например создание значительных переходных процессов, например образование искр при включении переключателя.

Было предложено использовать полимерные композиции, способные обеспечить эффект переменной электропроводности.

В патенте ДЕ №19510100 А1 раскрыты упругопластичные резисторы, которые являются неэлектропроводными в состоянии покоя, но которые становятся электропроводными при приложении к ним давления, или являются электропроводными в состоянии покоя, но становятся менее электропроводными в условиях натяжения. Чтобы уменьшить сопротивление до величины 2-3 Ом/см, потребуется более высокое давление, а именно порядка 100 Кгс/см², причем такое давление на два порядка выше усилия "касания" человеком, которое находится обычно в интервале 300-600 гс/см². Поэтому такие устройства не пригодны для электрических выключителей, основанных на контакте пальцем, для изменения электрического сопротивления от незамкнутой цепи до низких величин сопротивления.

В патенте ДЕ №2716742 раскрыты эластомерные композиции, чувствительные к давлению, которые изменяют электрическое сопротивление от состояния электрополупроводимости при типичном удельном сопротивлении l0³ Ом/cм до состояния низкого сопротивления при типичном удельном сопротивлении 10 Ом/см, за счет приложения высокого давления порядка 5-15 Кгс/см². Такие материалы являются также непригодными для практических пальцевых переключателей.

Сущность настоящего изобретения

Таким образом, желательно иметь улучшенную полимерную композицию, способную непосредственно проводить электрический ток, действовать без создания переходных процессов или с минимальным количеством переходных процессов, а также обеспечивать изотропные электрические свойства во время действия по существу более малых сил, чем это было возможно прежде.

Согласно настоящему изобретению получена полимерная композиция, способная упруго деформироваться из состояния покоя и содержащая по меньшей мере один электропроводный наполнитель, смешанный с эластомером, не проводящим электрический ток, отличающаяся тем, что объемное отношение наполнителя к эластомеру составляет по меньшей мере 1:1, причем наполнитель смешивают с эластомером под контролем, в результате чего наполнитель диспергируют внутри эластомера и капсулирован эластомером, оставаясь при этом неповрежденным структурно, причем тип и концентрация наполнителя такие, что электрическое удельное сопротивление настоящей композиции изменяется в ответ на силы сжатия или удлинения и уменьшается от заданного значения в состоянии покоя до значения, по существу равного значению сопротивления мостиков проводника наполнителя, когда ее подвергают действию сил сжатия или удлинения; композиция содержит также модификатор, который ускоряет возврат композиции от ее упругого состояния к ее состоянию покоя при удалении упомянутых сил.

Настоящая композиция, способная проводить также токи большой величины и имеющая большой интервал динамического электрического сопротивления, а также электрические свойства, которые изменяются при действии на настоящую композицию сил сжатия или удлинения либо ориентаций, может полностью восстанавливаться до ее состояния покоя, когда силы удаляют. Этот цикл может повторяться неоднократно без ухудшения свойств композиции. Во время приложения сил она может также демонстрировать свойства пьезозаряда и может удерживать заряд во время ее нахождения в ненапряженном или слегка напряженном состоянии до начала или завершения проводимости.

Настоящую композицию получают путем смешения металлических элементов или их электропроводных восстановленных оксидов в порошкообразной форме, или самих по себе, или совместно внутри эластомерного герметика в режиме регулируемого смешивания.

Такой электропроводный материал выбирают, в частности, из группы, состоящей из титана, тантала, циркония, ванадия, ниобия, гафния, алюминия, кремния, олова, хрома, молибдена, вольфрама, свинца, марганца, бериллия, железа, кобальта, никеля, платины, палладия, осмия, иридия, рения, технеция, родия, рутения, золота, серебра, кадмия, меди, цинка, германия, мышьяка, сурьмы, висмута, бора, скандия и металлов группы лантанидов и актинидов, по меньшей мере одного электропроводящего агента. Или же наполнитель, проводящий электрический ток, может быть основным элементом в неокисленном состоянии. Альтернативной проводящей средой может быть слой проводящего элемента или оксида на сердечнике носителя из порошка, зерен, волокон или других формованных форм. Оксиды могут быть смесями, содержащими спеченные порошки оксисоединения.

Герметизирующий эластомер будет иметь типичные свойства:

I) низкая поверхностная энергия типично в интервале 15-50 дин/см, но особенно 22-30 дин/см,

II) поверхностная энергия смачивания отвержденного эластомера свыше его не отвержденной жидкости,

III) низкая энергия вращения (близкая к нулю), обеспечивающая чрезвычайную гибкость,

IV) исключительная клейкость, чувствительная к давлению, как к частицам наполнителя, так и к электрическим контактам, к которым может быть прикреплен композиционный материал, то есть он имеет высокое отношение свойств вязкости к свойствам упругости в периоды времени, сравнимые с периодами времени связывания (доля секунды),

V) высокая на трибоэлектрическом ряде в качестве носителя положительного заряда (другими словами не будет нести отрицательного заряда на его поверхности),

VI) химически инертный, огнестойкий и эффективный в качестве барьера для доступа кислорода и воздуха.

Силоксановые эластомеры основаны обычно, но не исключительно на полидиметилсилоксане с остаточными группами, сшивателями и системами отверждения на основе:

Они отвечают всем критериям вышеупомянутых свойств. Настоящий эластомер может представлять собой смеси, содержащие отвержденные эластомеры, выбранные из группы, состоящей из одно-, двух- или более, компонентных силоксанов, одно-, двух или более компонентных полигерманов, полифосфазинов и по меньшей мере одного силоксанового агента.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения применяют продукт с соответствующей прочностью, клейкостью, чувствительной под давлением, а также с полезным сроком службы, который получают из высокопрочного отверждаемого при комнатной температуре силоксанового полимера (RTV), наполненного коллоидальной двуокисью кремния.

Для модификации физических и электрических свойств неотвержденной или отвержденной полимерной композиции в нее вводят другие добавки совместно с силоксаном. Такие добавки могут включать в себя по меньшей мере один модификатор свойств из группы, состоящей из алкилцеллюлозы и гидроксиалкилцеллюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы, гидроксипропилцеллюлозы, полиакриламида, полиэтиленгликоля, поли(этиленоксида), поливинилового спирта, поливинилпирролидона, крахмала и его модификаций, карбоната кальция, коллоидальной двуокиси кремния, силикагеля и аналогов силоксана и по меньшей мере одного аналога двуокиси кремния или аналога силоксана в качестве модификатора. Коллоидальная двуокись кремния является примером модификатора, обычно применяемого в технологии эластомеров. Для настоящего изобретения она в пропорциях между 0,01-20% по весу конечной полимерной композиции повышает упругость полимерной композиции для ускорения возврата композиции к ее состоянию покоя после удаления любого приложенного усилия.

Отношение проводящей среды к закапсулированному эластомеру составляет порядка 7:4 по объему. Для учитывания различия в относительных поверхностных натяжениях различных типов и сортов эластомера в различных поверхностных энергий различных проводящих оксидов и модификаторов потребуются небольшие изменения в этом отношении. Изменения этого отношения также оказывают эффект на свойства пьезозаряда, интервал общего сопротивления, гистерезис восстановления и чувствительность полимерной композиции к давлению. Пределы описанных эффектов находятся в интервале от примерно 1:1 до 3:1 проводящей среды к эластомеру по объему. Смеси в интервале 1:1 демонстрируют небольшие изменения в сопротивлении для больших приложенных усилий, тогда как смеси в интервале 3:1 являются или близки к тому, чтобы быть полностью проводимыми в состоянии покоя, и показывают чрезвычайную чувствительность к силам и выравниваниям, вызываемым механически, электрически и термически. Смеси в интервале отношения свыше 3:1 могут иметь верхние уровни сопротивления ниже 10¹² Ом в состоянии покоя.

Смешение проводящего наполнителя, эластомера и модификатора следует осуществлять с минимальным усилием, приложенным к смеси.

Для смешения небольшого количества полимера можно применять политеновую ступу и пест. Обработанную полимерную композицию можно экструдировать или прессовать в форме листов, гранул или волокон либо ее можно залить в формы. Ее можно измельчить или превратить в порошок криогенным способом. Энергия, сообщаемая во время смешения и формования полимерной композиции в неотвержденном состоянии, может оказывать эффект на физические и электрические эксплуатационные характеристики отвержденной полимерной композиции. Например, можно приготовить полимерную композицию с низкими уровнями электрического сопротивления или низкими уровнями проводящей среды путем поддержания механического давления на компонентах во время фазы полимеризации в процессе изготовления. Полимер на основе RTV можно также подвергнуть гранулированию для получения порошка путем вращательной абляции полимерной поверхности во время осуществления полимеризации. Этим способом получают порошок, содержащий смесь размеров частиц на основе агломерированных и отдельных частиц проводящего наполнителя, покрытых эластомерным герметиком.

В неотвержденном состоянии полимерную композицию можно нанести на проводящие поверхности или дорожки для обеспечения тесного электрического контакта с полимерной композицией, как только она будет отверждена.

Силоксановые эластомеры обычно, но не исключительно, основаны на полидиметилсилоксане, полисиламине и родственных полимерах с силоксановой основной цепью, отвечающих ранее описанным критериям, с уходящими группами, сшивателями и системами отверждения, которые могут быть следующими:

Эти и другие одно- или двухкомпонентные силоксановые системы являются отдельно или в комбинации полезными в настоящем изобретении для получения ряда материалов, отличающихся высокоэластичными свойствами.

В другом варианте настоящего изобретения применяют вулканизованный при высокой температуре (HTV) силоксан, заполненный коллоидальной двуокисью кремния, для получения промежуточной структуры, пригодной прочности, клейкости под давлением и долговечности, сшитый при повышенной температуре в присутствии перекиси или другого катализатора, который может быть типично, но не исключительно 2,4-дихлордибензилперекисью. Полученные таким образом продукты HTV имеют преимущество в том, что их можно хранить в течение продолжительных периодов времени в неотвержденном состоянии до их обработки в такие формы как, например, листы, стержни, пенопласты, волокно, прессованные или другие формы.

Полученные гибкие полимерные композиции могут демонстрировать эффект пьезозаряда, и они будут изменять присущее им электрическое сопротивление в ответ на давление и силы деформации. Рабочее сопротивление находится примерно в интервале 10¹²-10^-1 Ом, а полимерная композиция имеет исключительную способность пропускать электрический ток; обычно кусочек полимера толщиной 2 мм на поглотителе тепла может регулировать переменные или постоянные токи 3 А/см². Начальное приложение давления или усилия к полимерным композициям приводит к образованию электростатического заряда, а повышение давления или усилия уменьшает электрическое сопротивление композиций. Настоящие полимерные композиции являются гибкими и при удалении усилия или давления они сами вновь “заявляют о себе”. Когда это случается, электрическое сопротивление будет увеличиваться в сторону значения в состоянии покоя и будет образовываться ярковыраженный электростатический заряд. Электростатический эффект может обеспечивать цифровые индикации переключения или источник напряжения. Изменение электрического сопротивления может дать аналог приложенного давления или усилия. Или же, интервал сопротивления можно применять для получения цифрового переключения особенно, но не исключительно, на его верхнем и нижнем пределах. Более чувствительные варианты полимерных композиций и полимерные композиции, доведенные близко к проводимости приложенным усилием, можно изменить на полностью проводимое состояние путем приложения электростатического заряда к композиции, который образуется пьезоэлектрическим искровым генератором, напряжением свыше 0,5 кВ.

Полимерная композиция состоит из частиц, удерживаемых внутри эластомерной матрицы. В этой структуре композиционного материала частицы имеют такое распределение размера, чтобы получить структуру с плотной упаковкой с промежуточным заполнением частиц. Пустоты, присутствующие в порошке навалом, становятся заполненными эластомером во время смешения, а во время процесса отверждения частицы затвердевают в непосредственной близости. Для достижения этого структурного расположения эластомер будет иметь недостаточную поверхностную энергию по отношению к порошковой фазе, а поверхностная энергия неотвержденной жидкости будет меньше поверхностной энергии отвержденного эластомора. Такие полимерные композиции будут включать в себя силоксаны, полигерманы и полифосфазины. В напряженном состоянии происходит деформация, так что уменьшается среднее расстояние между захваченными частицами. Для металлических частиц это соответствует повышению электропроводности, для других типов частиц могут образовываться другие эффекты (изменение в ферромагнетизме, пьезоэлектричестве, ионной проводимости и т.п.).

Для материалов, заполненных металлами, объемная проводимость во время перехода из ненапряженного состояния в напряженнее состояние, будет изменяться от объемной проводимости эластомера до объемной проводимости захваченных частиц. При определенном уровне деформации количество треков (следы) от частиц до частиц в незамкнутом контуре приводит к проводимости, стремящейся в сторону проводимости удельного сопротивления металла в массе. Поскольку этот эффект в конечном счете связан с деформацией структуры объемного композиционного материала и поскольку объемный материал является высокоэластомерным и поэтому он поглощает энергию, то низкая “металлическая” проводимость может достигаться только для тонких сечений (менее 2 мм в поперечном размере) композиционного материала или во время приложения высокого наружного напряжения, деформации или крутящего момента. После удаления наружной силы материал возвращается к его первоначальной структуре, таким образом захваченные частицы удерживаются на расстоянии внутри эластичной изолирующей сетки.

Описанная полимерная композиция неожиданно способна проводить значительный электрический ток. Когда она находится в сжатом состоянии, она несет непрерывную нагрузку до 30 А. Это уникальное свойство можно объяснить тем фактом, что проводимость в сжатом состоянии возникает в основном через вышеописанные металлические мостики. Таким образом, для цели объяснения проводимости материалы описаны лучше всего в значениях смеси, в которой изолирующий герметик оказывает влияние на электрическое свойство в состоянии покоя, а также для объяснения тенденции к проводимости мостиков проводника (имеющих локальное удельное сопротивление, стремящееся к локальному сопротивлению проводника величиной обычно 1-1000 микроОм·см) в состоянии сжатия (обычно имеющего объемное удельное сопротивление свыше I миллиОм·см). Электронная проводимость ограничена также наполнителем проводника из-за неспособности герметика удерживать отрицательный заряд “электрона” (обычно герметик является оптимальным носителем трибоэлектрического заряда). Для установленной композиции статистическая вероятность образования мостиков связана непосредственно с толщиной композиционного материала. Таким образом, чувствительность к деформации и способность проводить ток повышаются с уменьшением толщины, причем самые тонкие пленки ограничены распределением размера наполнителя. Для описанных далее смесей распределение размера наполнителя будет обычно ограничивать толщину до >10-40 микрон.

Путем включения частиц циркония (или других материалов, проводящих ионы) в кремнийорганический эластомер можно получить сложную структуру объемного материала для пропускания электронов, а также ионов кислорода, в присутствии газообразного кислорода. Путем регулирования напряжения объемного материала (например, включением статических или резонированных внешне “решеток напряжения” в объемную композицию) можно сделать так, чтобы проводимость электронов и кислорода имела место в различных плоскостях или в различных частях объемной структуры. Такие свойства могут представлять особый интерес в конструировании систем топливных элементов.

Установлено также то, что внутренний омический нагрев может оказывать влияние на внутреннюю структуру композиционного материала. Так, например, в композициях, включающих в себя никель в качестве проводящего наполнителя, вулканизованный при комнатной температуре силоксановый герметик и скелетный модификатор из коллоидной двуокиси кремния, установлено, что дифференциальное расширение герметика относительно проводника имеет такое отношение (обычно герметик расширяется в четырнадцать раз быстрее, чем проводник), что после прохождения тока высокой величины, достаточного для омического нагрева, дифференциальное расширение изменяет переход напряжение/деформация в зависимости от сопротивления. Этот эффект может возникать при низких дифференциальных температурах (обычно ниже 100°С). Этот эффект, который вызывает положительный температурный коэффициент сопротивления "РТС" в фазе композиционного материала), можно удобно использовать с целью регулирования потока тока. Начало возникновения положительного температурного коэффициента сопротивления (РТС) можно регулировать путем повышения или уменьшения механического давления на полимерную композицию. Либо для композиций, который имеют низкое электрическое сопротивление (обычно < 100 Ом) в состоянии покоя омический нагрев включается благодаря эффекту РТС между состояниями проводимости и изоляции в композиции, то есть в условиях небольшой силы или отсутствия силы. Этот эффект позволяет использовать эти полимерные композиции в качестве выключателей или плавких предохранителей, которые резко переключают на состояние высокого сопротивления в ответ на избыточный ток и которые благодаря их эластомерной природе будут возвращаться к проводящему состоянию без удаления мощности, когда поток тока возвращается к установленному значению. Этот эффект РТС можно также использовать в саморегулирующихся нагревательных элементах, где уровни тепла можно регулировать путем приложения механического усилия для поддержания полимерной композиции близко к ее положительному температурному коэффициенту сопротивления при требуемой температуре. Настоящая композиция будет сохранять относительно устойчивую температуру за счет циклического изменения в фазе РТС и вне фазы РТС. Настоящая композиция имеет широкий допуск температур и хорошую удельную теплопроводность.

Никелевый порошок, применяемый в настоящем из изобретении, является INCO типа 287, который имеет следующие свойства: размер бусинок в среднем 2,5-3,5 микрон в поперечном сечении, цепи могут иметь длину свыше 15-20 микрон. Он является филаментным порошком с трехмерной (пространственной) сеткой, подобной цепи острых бусинок, имеющих высокую площадь поверхности.

Размеры частиц по существу все менее 100 микрон, причем предпочтительно, по меньшей мере, 75% по мас./мас. находятся в интервале 4,7-53 микрон.

В особом примере распределение размера частиц (в микронах и по весу) следующее (в округленных цифрах в %): 2,4-3%, 3,4-5%, 4,7-7%, 6,7-10%, 9,4-11%, 13,5-12%, 19-15%, 26,5-15%, 37,5-11%, 53-8%, 75-4%, 107 - менее 1%.

Настоящую композицию можно применять успешно в связи с изготовлением анода или катода электрохимической ячейки на основе литиевых, марганцевых, никелевых, кобальтовых, цинковых, ртутных, серебряных батарей или другой химии батарей, включая органическую химию. Любой или оба электрода можно заменить или покрыть настоящей полимерной композицией для получения следующих преимуществ:

1. Ячейка может включать в себя собственный встроенный выключатель давления, который может срабатывать за счет давления, обычно применяемого для удержания на мосте ячейки или элемента в отделении батареи. Благодаря этому средству можно уменьшить или исключить саморазряд или короткое замыкание элемента, несмотря на то, что данный элемент был в ненапряженном состоянии для его хранения.

2. Цельный выключатель давления позволяет упростить конструкцию цепи, а также допускает новые его применения за счет исключения необходимости в наружных выключателях.

3. Можно изготовить полностью пластиковый электрохимический элемент, поскольку настоящую полимерную композицию можно получить без применения металла.

Чувствительную к давлению полимерную композицию можно применять также без прямого ее включения в химию элемента, а путем размещения настоящей композиции на наружных корпусах или на нереактивных поверхностях электродов. Включение настоящей композиции можно инициировать приложением снаружи механического усилия, например усилия пальца или пружины изнутри отделения батареи. Таким образом, можно получить переключатель для управления внешними цепями, включая схемы для проверки батарей.

Другие применения настоящей композиции

Механические датчики, как относительные так и абсолютные, для измерения давления, нагрузки, смещения, крутящего момента, удлинения, изменения массы и объема, ускорения, потока, вибрации и других вызываемых механически изменений.

Датчики потока тока.

Датчики электрических и магнитных полей.

Магнитострикционные устройства.

Магниторезистивные устройства.

Устройства магнитного резонанса.

Устройства обнаружения и количественного определения движения частей тела и органов.

Обнаружение в генерирование звуковых волн.

Релейные контакты и соединения.

Электрические проводники и индукторы для микроэлементов.

Регулятор температуры.

Экранирование электрических и магнитных волн.

Устройства защиты от тока и напряжения.

Коммутирование.

Рычаг включения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 и 2 - графики зависимости сопротивления от фракционного удлинения и фракционного сжатия соответственно композиции согласно настоящему изобретению.

Фиг.3-5 показывают альтернативные электрические выключатели, включающие в себя композицию в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание настоящего изобретения

Пример 1

Представлен далее пример настоящей композиции, использующей проводящий металлический порошок:

Никелевый порошок - INCO 287 смешивают с герметиком из вулканизованного при комнатной температуре силоксанового каучука от фирмы Доу Корнинг 781, который при поставке содержит в качестве модификатора достаточное количество коллоидальной двуокиси кремния, чтобы позволить, в соответствии с настоящим изобретением, смешивать никель с силоксановым каучуком в соответствующем отношении 7:4 по объему, а полученной смеси позволить затвердеть. Полученная проводящая композиция дает следующие результаты, деформации, показанные на фиг.1, а результаты сжатия - на фиг.2.

Это позволяет получить гибкую проводящую полимерную композицию, которая в состоянии покоя показывает высокое сопротивление величиной примерно 10¹² Ом, а когда она растянута до 1,4 раз ее измерения в состоянии покоя, она снижается до малого сопротивления величиной примерно 20 Ом. Результат растяжения и сжатия образца полимерной композиции показан графически на фиг.1 и 2. Данные, представленные на фиг.1, относятся к псевдоустановившемуся состоянию, согласованному с выражением R=5,54IE+Ilxe^(-66,43x), где Х - фракционное удлинение. Данные, представленные на фиг.2, относятся к образцу полимерной композиции толщиной 1,5 мм и применению алюминиевых электродов размером 10×15 мм. Эта композиция может иметь под давлением, электрическое сопротивление примерно 10^-1 ом и проводить токи величиной 3 А/см².

Пример 2

Пример настоящей проводящей полимерной композиции, которая очень чувствительна к давлению и показывает эффекты положительного температурного коэффициента (РТС), представлен следующим образом.

Порошок никеля - INCO 287 смешивают с вулканизованным при комнатной температуре силоксановым каучуком от фирмы Доу Корниниг 781 в соотношении 11:4 по объему и полученной смеси позволяют отверждаться. Образец смеси толщиной 0,5 мм поддерживают между пластинками площадью 1 см² и посредством этих пластинок прилагается давление к образцу. Следующие данные показывают изменение сопротивления в результате приложенной нагрузки:

Нагрузка (г) Сопротивление (Ом)

0 10¹²

1 10⁸

8 10⁶

50 10⁴

75 10²

180 10¹

375 10⁰

Эта полимерная композиция показывает также заметный эффект положительного температурного коэффициента (РТС). Если проводящие пластины нагружены до 375 г, настоящая композиция будет проводить ток величиной 3 А при напряжении до 60 В. Если ток превышает этот предел, будет создаваться эффект РТС и композиция будет уменьшать ее проводимость до очень низкого уровня, действуя эффективно в качестве плавкого предохранителя. Вследствие эластомерных свойств герметика настоящая композиция будет возвращаться к состоянию проводимости без полного удаления энергии, когда поток тока возвращается к нормальным уровням. Этот автоматический возврат к проводимости и способность установления номинальных величин тока полимерной композиции для выключения расцепляющего механизма при приложении давления снаружи возможны с другими металлическими проводящими наполнителями и комбинациями наполнителей внутри настоящей композиции. Усилия, приложенные к полимерной композиции, изменяют ее сопротивление и также регулируют точку начала, в которой возникает эффект положительного температурного коэффициента (РТС). Благодаря этому средству настоящая композиция обеспечивает способ изменения электрического тока до максимального значения и автоматического ограничения этого тока для гарантии того, чтобы не превышалось максимальное значение.

Пример 3

Пример настоящей проводящей полимерной композиции, имеющей высокую проводимость в состоянии покоя, представлен следующим образом.

Порошок никеля - INCO 287 смешивают с кремнийорганическим полимером, вулканизованном при комнатной температуре, ALFASIL 1000, от фирмы Алфас Индастриз, содержащим в качестве модификатора коллоидальную двуокись кремия, порошок с полимером находится в соотношении 11:4 по объему, и полученную смесь отверждают при температуре 50°С. Во время полимеризации эта смесь дает усадку и, когда ей позволяют отверждаться, она показывает проводимость менее 1 кОм через композицию толщиной 2 мм. Если во время процесса отверждения композицию поддерживают под давлением, то ее можно уменьшить до примерно 1 Ом. Если полимер PTV (вулканизованный при комнатной температуре) заменить на полимер, вулканизованный при высокой температуре, то можно применять тепло и давление для достижения очень быстрого отверждения до конечной проводящей полимерной композиции. Полезные эффекты положительного температурного коэффициента можно получить непосредственно в этих высокопроводящих полимерных композициях за счет омической тепловой энергии или других форм тепловой энергии без приложения снаружи какого-либо дополнительного усилия. Путем приложения силы можно изменить интервал эффекта РТС.

Пример 4

Пример настоящей проводящей полимерной композиции, использующей восстановленную окись, представлен следующим образом.

Образец порошка двуокиси титана (TiO₂) подвергли частичному восстановлению в атмосфере водорода путем нагрева порошка и электрической печи при температуре 1200°С в течение 4 часов для образования фазы, которая состоит в основном из фазы Ti₄O₇, но включает в себя фазы в интервале TiOx, где 1,55<х<1,95. Полученную фазу охладили и измельчили в порошок. Этот порошок смешали с вулканизованным при комнатной температуре силоксановым клеем (код 781, поставлен Доу Корнинг) в приблизительном отношении 7 частей оксида на 4 части силоксана. Смешение осуществляли вручную с использованием минимального сдвига для распределения порошка по всей фазе клея.

Смесь подвергали затем прессованию для образования плоской пленки 1 мм в сечении и оставили ее отверждаться в течение 3 дней. После схватывания полимерной композиции из отвержденного листа отрезали 1 см диск и испытали его на электрические свойства путем измерения изменения сопротивления с увеличения нагрузки массы. Нагрузку массы прилагали к одной поверхности диска с применением 2 мм - проводящего латунного шарика в качестве электрода. Результаты были следующими:

Сила (г) Сопротивление (Ом)

0 10¹²

50 10⁷

70 10⁶

200 10³

1100 10¹

2400 10⁰

Пример 5

Пример применения настоящей проводящей полимерной композиции в 2/3-осевом выключателе представлен следующим образом (см. фиг.3). Резьбовой стержень 2 имеет контактную пластинку 12, прикрепленную к одному концу. Эта пластинка является электропроводящей и образует один полюс выключателя. Шайба 11 из проводящей полимерной композиции, имеющая одинаковый с контактной пластинкой 12 диаметр, скользит на стержне 2 до тех пор, пока она не будет находиться в контакте с пластинкой 12. Изолированный щиток 13, который имеет множество проводящих областей 3, 4, 5 и 6 на его нижней поверхности, скользит по стержню для образования противоположных полюсов выключателя, а на проводящих областях образованы электрические контакты в точках 7, 8, 9 и 10. Устройство свободно закрепляют вместе резьбовым кольцом 1, а кнопку управления 14 завинчивают наверху резьбового стержня 2, позволяя прилагать к верхней части стержня усилие ручного рычага для работы выключателя. С прочно удерживаемым изолированным щитком 13 усилие рычага, прилагаемое к верхней части стержня 2, будет появляться в виде давления, создаваемого на проводящую полимерную композицию между пластиной 12 и проводящими областями 3, 4, 5 и 6. Когда пластина 12 является одним полюсом выключателя, проводимость будет возникать между ею и проводящими областями 3, 4, 5 и 6 через промежуточную проводящую полимерную композицию. Величина проводимости будет пропорциональна приложенному давлению. Квадратное расположение проводящих областей 3, 4, 5 и 6 позволяет разложить (анализировать) полученную картину проводимости, чтобы показать, в направлении какой оси прилагается давление.

Пример 6

Пример аксиального переключателя с полным переключением на 3 оборота, в котором применяют настоящую полимерную композицию, представлен следующим образом (см. фиг.4). Блок проводящей полимерной композиции 5 содержится внутри изолированного цилиндра. Через цилиндр проходят и окружают его множество электрических точечных контактов 1, 8, 9 и так далее для образования контакта с проводящим блоком 5. В центре проводящего блока 5 подсоединен электрически и физически проводящий металлический стержень 3 для образования рабочего рычага и одного полюса переключателя. С прочно прикрепленным цилиндром 6 любые силы, сообщаемые через проводящий металлический стержень 3, будут вызывать изменения в сопротивлении внутри проводящей полимерной композиции между центральным проводящим стержнем 3 и окружающими контактами 7, 8, 9 и так далее. Изменение сопротивления будет проходить пропорционально приложенным силам, а направление сил можно разлагать через множество контактов 7, 8, 9 и так далее. Этот переключатель способен к разрешению сил от осей X, У и Z, а также результирующих и скручивающих сил.

Пример 7

Примером плоского переключателя, применяющего настоящую проводящую полимерную композицию, является следующее (см. фиг.5). Проводящий слой 3 образует одну пластинку 4 переключателя и имеет слой проводящей полимерной композиции 5, электрически связанный с одной поверхностью. Наверху проводящего слоя 5 расположен в тесном электрическом контакте резистивный слой 1. Резистивный слой 1 выбран, чтобы иметь полезное и устойчивое электрическое удельное сопротивление независимо от давления, и он может состоять из наполненного углеродом полиэтилена или любой гибкой резистивной мембраны, которая показывает незначительное изменение пьезорезистивности или не показывает его совсем. Множество точек 2 электрических контактов расположены по периферии резистивного слоя 1 и их выходная мощность контролируется. Сила, приложенная в любой точке или области наверху резистивного слоя 1, будет приводить к уменьшению сопротивления в проводящем слое 5 пропорционально приложенной силе. Образующиеся проводящие пути от слоя 3 через слой 5 и слой 1 можно проанализировать из точек контакта 2 для получения карты давления для формы и размера приложенной силы на поверхности резистивного слоя 1.

Формула изобретения

1. Полимерная композиция, которая способна упруго деформироваться из состояния покоя и содержит, по меньшей мере, один электропроводящий наполнитель, смешанный с непроводящим эластомером, отличающаяся тем, что объемное отношение наполнителя к эластомеру составляет, по меньшей мере, 1:1, причем наполнитель смешивают с эластомером под контролем, в результате чего наполнитель диспергирован внутри эластомера и закапсулирован эластомером и остается структурно неповрежденным, и пустоты, присутствующие в исходном порошке электропроводящего наполнителя, становятся заполненными эластомером во время смешивания, а во время отверждения эластомера частицы электропроводящего наполнителя схватываются в непосредственной близости, причем тип и концентрация наполнителя таковы, что электрическое удельное сопротивление композиции изменяется в ответ на силы сжатия или удлинения и уменьшается от заданного значения в состоянии покоя к значению, по существу, равному удельному сопротивлению мостиков электропроводящего наполнителя при наложении сил сжатия или удлинения, причем композиция содержит дополнительно модификатор, который, при удалении указанных сил, ускоряет упругий возврат композиции к состоянию покоя.

2. Полимерная композиция, которая способна упруго деформироваться из состояния покоя и которая содержит, по меньшей мере, один электропроводящий наполнитель, смешанный с непроводящим эластомером, отличающаяся тем, что объемное отношение наполнителя к эластомеру составляет, по меньшей мере, 1:1, причем наполнитель смешивают с эластомером в режиме смешения, исключая деструктивные силы сдвига, в результате чего наполнитель диспергируется внутри эластомера и закапсулирован эластомером, и пустоты, присутствующие в исходном порошке электропроводящего наполнителя, становятся заполненными эластомером во время смешивания, а во время отверждения эластомера частицы электропроводящего наполнителя схватываются в непосредственной близости, причем тип и концентрация наполнителя таковы, что электрическое удельное сопротивление настоящей композиции изменяется в ответ на силы сжатия или удлинения и уменьшается от заданного значения в состоянии покоя к значению, по существу, равному удельному сопротивлению мостиков электропроводящего наполнителя во время наложения сил сжатия или удлинения, причем настоящая композиция содержит также модификатор, который, при снятии указанных сил, ускоряет упругий возврат композиции к ее состоянию покоя.

3. Композиция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что электропроводящий наполнитель присутствует в виде агломерированных и отдельных проводящих частиц наполнителя, покрытых эластомерным герметиком.

4. Композиция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что эластомер является силоксановым каучуком.

5. Композиция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что наполнитель выбран из группы, состоящей из металлических элементов в форме порошка и сплавов, электропроводящих оксидов указанных элементов и сплавов и их смесей, особенно металлического никеля, восстановленной двуокиси титана, металлического циркония, металлической меди и металлического титана.

6. Композиция по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что эластомер изготовлен из вулканизуемого при комнатной температуре силоксанового полимера или из вулканизуемого при высокой температуре силоксанового полимера.

7. Композиция по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что модификатор является коллоидальной двуокисью кремния.

8. Композиция по любому из пп.1-7, используемая в электрическом устройстве, включающем в себя электрический проводник, в комбинации со средством для напряжения проводника до заданного уровня проводимости, причем устройство может быть, например, переключателем, электрохимическим элементом, по меньшей мере один электрод которого содержит проводник, или устройством, в котором настоящая композиция имеет положительный температурный коэффициент сопротивления.

Приоритет по пунктам:

10.10.1997 по пп.1-6, 8;

24.10.1997 по п.7.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5