Способ получения электропроводящего полимерного композиционного материала

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. В способе по изобретению осуществляют смешение компонентов, прессование с последующим измельчением полученной заготовки до порошкообразного состояния. Композиция материала состоит из, мас.%: 50-55 резиновой смеси В-14, 15-20 сверхвысокомолекулярного полиэтилена, 30-35 кокса. Кокс сначала смешивают со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом. Затем прессуют смесь при 15 МПа, измельчают и вводят в сырую резиновую смесь В-14. Экструзию композита проводят при 140-145°С, в головке - 150°С, время - 20-25 мин. Технический результат состоит в упрощении способа и в получении 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 способ получения электропроводящего полимерного композиционного материала на основе политетрафторэтилена, содержащий в качестве наполнителей: кокс, графит, ферроцен и сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом. Материал получают смешением компонентов, сушкой в вакуумном шкафу, холодным прессованием и спеканием (SU 1361729 А1, 23.12.1987) [1].

Недостатком известного способа получения материала является сложность технологии и высокая энергоемкость, а именно совмещение наполнителей, прессование с последующим спеканием при температурах 370+5°С, а также такой способ обеспечивает низкую электрическую проводимость материала.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения электропроводящего полимерного композиционного материала на основе полиамидного связующего ПАИС-104, содержащий в качестве проводящего наполнителя нестехиометрический карбид титана и углеродный наполнитель в виде порошка графита, сажи или каменноугольного кокса (RU 2280657 С1, 27.07.2006) [2].

Недостатком известного способа материала является сложность технологии, а именно трудоемкость совмещения компонентов и использование дорогостоящих ингредиентов, что значительно повышает себестоимость изготавливаемого материала.

Целью настоящего изобретения является получение электропроводящего полимерного композиционного материала с применением доступных и дешевых дополнительных ингредиентов и упрощение технологического цикла изготовления материала.

Для достижения поставленной цели предлагается технологический подход, основанный на трехстадийной технологии, предусматривающий на первом этапе смешение компонентов, холодное прессование, на втором - измельчение полученной заготовки до порошкообразного состояния, затем введение в сырую резиновую смесь, на третьем - экструзию композиции. При этом рецептура композита содержит не менее трех составляющих: резиновая смесь марки В-14, сверхвысокомолекулярный полиэтилен и кокс.

Предварительно просушенный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена при 100-120°С в течение 2 ч, просеянного через сито, в количестве 15-20 мас.% смешивают в лопастном смесителе с порошком кокса - 30-35 мас.%, затем прессуют смесь при удельном давлении 15 МПа, полученный монолит измельчают до порошкообразного состояния, затем на вальцах вводят в сырую резиновую смесь марки В-14 - 50-55 мас.%, после чего полученный композит экструдируют при следующем режиме: температура в зонах составляет 140-145°С, в головке 150°С, продолжительность - 20-25 мин.

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 таблице.

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 теплоизоляции 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 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

Способ получения электропроводящего композиционного материала, включающий смешение компонентов в лопастном смесителе, прессование с последующим измельчением, отличающийся тем, что используют композицию, состоящую из следующих компонентов, мас.%: резиновая смесь марки В-14 50-55, сверхвысокомолекулярный полиэтилен 15-20, кокс 30-35, при этом кокс смешивают со сверхвысокомолекулярным полиэтиленом, затем прессуют смесь при удельном давлении 15 МПа, полученный монолит измельчают до порошкообразного состояния, затем на вальцах вводят в сырую резиновую смесь марки В-14, после чего полученный композит экструдируют при следующем режиме: температура в зонах составляет 140-145°С, в головке - 150°С, продолжительность 20-25 мин.