Наномодифицированные эмали для проводов и соответственно эмалированные провода
Изобретение относится к применению наноматериалов в эмали для проводов для улучшения термических свойств эмали. Наномодифицированные эмали для проводов обычно используют в области производства изолированных обмоточных проводов. Полимерную основу эмали для проводов выбирают из группы, включающей полиамидимид, сложный полиэфир, полиэфиримид, полиуретан и их смеси. Наноматериал выбирают из группы, включающей нанооксиды, нанооксиды металлов, оксиды металлов или гидроксиды алюминия, олова, бора, германия, галлия, свинца, переходных металлов, лантанидов, актинидов и их смеси. Также наноматериал выбирают из группы, включающей нанооксиды, нанооксиды металлов, оксиды металлов или гидроксиды алюминия, кремния, титана, цинка, иттрия, ванадия, циркония, никеля и их смеси. После нанесения эмалей на провода и их отверждения, провода демонстрируют улучшенные термические и механические свойства. 8 з.п. ф-лы, 6 табл.
Настоящее изобретение относится к способу получения наномодифицированных (на наноуровне) эмалей для проводов, на основе композиций (составов), которые хорошо известны и обычно используют в области производства изолированных обмоточных проводов, предпочтительно, на основе сложных полиэфиров, полиэфиримидов, полиамидимидов и/или полиуретанов, включающему добавление наноматериалов. Полученные по этому способу эмали, применяют для изготовления обмоточных проводов с улучшенными термическими и механическими свойствами.
Провода с эмалевой изоляцией, используемые в электрических или электронных устройствах, подвергаются воздействию высоких температур, вследствие тепла, выделяющегося согласно эффекту Джоуля, при протекании электрического тока, в результате чего образуется магнитное поле. Во избежание ухудшения свойств и деформаций провода с эмалевой изоляцией должны быть термоустойчивыми. Кроме того, вследствие непрерывного уменьшения размеров указанных выше устройств, неблагоприятных условий, в которых должны работать отдельные электродвигатели или катушки электрических элементов автомобилей, например условий высоких температур или значительных перегрузок по току, возник все возрастающий спрос на провода с более высокой устойчивостью к тепловым воздействиям.
Из уровня техники известно использование проводов с полиимидной изоляцией, демонстрирующих улучшенные термические свойства: полиимиды были заявлены и описаны, например, в GB 898651, US 3207728, ЕР 0274602 и ЕР 0274121.
Известны также неорганические модифицированные полиимиды (JP 2001351440, JP 2002304915), провода с изоляцией из которых также демонстрировали более высокую термоустойчивость. Тем не менее, провода с изоляцией из полиимида имеют также и ряд недостатков: они в меньшей степени устойчивы к абразивному износу в отличие от проводов других типов (например, проводов с изоляцией из поливинилфторида (ПВФ) или проводов с защитным покрытием из найлона); они в высокой степени подвержены гидролизу во влажных герметичных системах; они подвержены растрескиванию под действием растворителей до тех пор, пока не будут сняты напряжения в обмотке (например, за счет тепловой обработки); они очень сложно поддаются удалению изоляции, требуя высококоррозионных средств для удаления изоляции; что касается содержания сухого вещества, то в этом отношении их пригодность к работе весьма ограничена (очень низкая по сравнению с эмалями других типов).
Другие покрытия, демонстрирующие высокую устойчивость к тепловым воздействиям, это покрытия на основе неорганических материалов (JP 2006143543, JP 2003123551, US 20060228548). Такие материалы также имеют недостатки, поскольку требуют специальной технологии нанесения и сокращают срок эксплуатации устройств для нанесения покрытия, поскольку последние подвергаются постоянному абразивному воздействию со стороны неорганической составляющей. Кроме того, покрытие проводов может быть повреждено в процессе работы катушки, при которой провода находятся под действием механических напряжений, например, сжатия, удлинения или трения. Кроме того, керамические эмали имеют высокую тенденцию к растрескиванию во время термодинамических циклов, удаления изоляции с провода.
В основе настоящего изобретения лежит задача разработки способа получения композиций эмали для проводов с более высокой стойкостью к тепловым воздействиям, получения проводов с эмалевой изоляцией из модифицированных традиционно используемых эмалей, таких как эмали на основе сложных полиэфиров, полиэфиримидов, полиуретанов и полиамидимидов, которые демонстрируют более высокие механические, и, особенно, термические свойства по сравнению с традиционными эмалями. Эмали для проводов, по настоящему изобретению, не требуют никаких других условий нанесения, отличных от стандартных условий, и не предполагают увеличения операций по техобслуживанию устройств для нанесения эмали, по сравнению с их обычным техобслуживанием.
Задачи настоящего изобретения достигаются способом получения композиций эмали для проводов с более высокой стойкостью к тепловым воздействиям, заключающимся в добавлении наноматериала к полимерной основе композиции эмали для проводов до нанесения эмали на провод, получении эмалей для проводов и использовании наноматериалов в эмалях для проводов для получения эмали с улучшенными тепловыми свойствами.
Далее изобретение будет раскрыто более детально.
Эмали для проводов на основе сложных полиэфиров содержат продукты конденсации ароматических и/или алифатических многовалентных карбоновых кислот и их ангидридов, ароматических и/или алифатических многовалентных спиртов и/или трис-(2-гидроксиэтил) изоцианурата (ТГЭИЦ), растворенных с использованием растворителя на основе крезиловой кислоты. Кроме того, они, как правило, содержат сольвент-нафту и один или несколько катализаторов для образования поперечных связей; более подробное описание см. в US 3342780, US 3249578, EP 0144281 и WO 92/02776. Все перечисленные выше продукты представляют собой продукты, выпускаемые промышленностью, известные специалистам в данной области техники. Обычно эмали на основе сложных полиэфиров используют в системах с двухслойным покрытием в качестве грунтового слоя, поверх которого наносят слой из полиамидимида.
Эмали на основе полиэфиримида, используемые для проводов, как правило, содержат полиэфиримидную смолу, растворенную в смеси крезиловых кислот с сольвент-нафтой. Кроме того, они содержат отверждающие катализаторы и добавки. Полиэфиримидная смола представляет собой продукт конденсации ароматических и/или алифатических многовалентных карбоновых кислот и их ангидридов, дикарбоновую кислоту получают в качестве продукта реакции тримеллитового ангидрида (ТМА) и ароматического или алифатического диамина, предпочтительно, диаминодифенилметана, ароматических и/или алифатических многовалентных спиртов и/или трис(2 гидроксиэтил)изоцианурата (ТГЭИЦ). Более подробное описание можно найти в таких патентах, как DE 1445263, DE 1495100, WO 91/07469, WO 90/01911, в которых описан существующий уровень техники.
Эмали на основе полиуретанов, используемые для проводов, как правило, содержат высокомолекулярную смолу на основе сложного полиэфира и блокированный полиизоцианат. Их, как правило, растворяют в смеси крезиловой кислоты с сольвент-нафтой; в качестве отверждающих катализаторов обычно используют третичные амины, органические соли олова, цинка, железа и других металлов. Сложный полиэфир, как правило, представляет собой продукт конденсации ароматических и/или алифатических многовалентных кислот и их ангидридов, ароматических и/или алифатических многовалетных спиртов. В некоторых эмалях на основе полиуретанов, используемых для проводов, вместо сложных полиэфиров используют полиэфиримиды. Блокированный полиизоцианат представляет собой продукт реакции ароматических диизоцианатов или полиизоцианатов с крезиловой кислотой или фенолом. Более подробную информацию можно найти в таких патентах, как DE 144749, DE-957157, DE 2840352, DE 2545912 и WO 90/01911.
Сложные полиэфиры, полиэфиримиды и полиуретаны особенно хорошо растворимы в крезиловых кислотах, будучи смесями фенола - от 1 до 90%, крезолов - от 1 до 99%, ксиленолов - от 1 до 99%, три-метилфенола - от 0 до 30%, этилфенолов - от 0 до 20%, анизолов и прочих алкилированных фенолов с низкой молекулярной массой (2<С<5). Крезиловые кислоты в качестве растворителей для эмалей для проводов, как правило, используют в смеси с высококипящими ароматическими углеводородами, например, с сольвентнафтой, ксилолом, Solvesso 100, Solvesso 150 и другими. В отдельных случаях могут также использоваться другие растворители, такие как высококипящие спирты или высококипящие простые эфиры гликоля, и прочие.
Эмали для проводов на основе полиамидимида содержат полиамидимидную смолу, растворенную в смеси полярных апротонных органических растворителей. Смолу получают прямой реакцией ангидрида трикарбоновой кислоты с диизоцианатом. В качестве традиционно используемого ангидрида трикарбоновой кислоты предпочтение следует отдавать тримеллитовому ангидриду. В качестве традиционно используемых изоцианатов предпочтение следует отдавать ароматическим диизоцианатам, (таким как 4,4'-дифенилметан диизоцианат и толуолдиизоцианат. В качестве растворителей обычно используют N-метил-2-пирролидон (НМП), N-этил-2-пирролидон (НЭП), N,N'-диметилацетоамид, N,N'-диметилформамид с ксилолом, сольвент-нафтой и другими углеводородами. Уровень техники описан в таких патентах, как US 3554984, DE 2441020, DE 2556523, DE 1266427 и DE 1956512.
Авторами настоящего изобретения установлено, что модифицированные на наноуровне эмали для проводов, полученные путем добавления наноматериала к полимерной основе композиции эмали до нанесения эмали на провод, демонстрируют улучшенные свойства по сравнению с немодифицированными эмалями. В частности, такие модифицированные эмали демонстрируют высокие механические и, особенно, термические свойства по сравнению с традиционными эмалями и не требуют особых условий нанесения по сравнению со стандартными условиями, благодаря наноскопическому размеру используемого неорганического материала. Кроме того, каждый тип эмали, в основном, может быть модифицирован на наноуровне, при использовании способа, описанного в настоящем изобретении; при этом стандартные свойства эмали не ухудшатся, а либо улучшатся, либо остаются без изменений.
Наноматериалами, как правило, являются неорганические материалы, с частицами, средний радиус которых составляет от 1 до нескольких сотен нанометров (нм). Эти материалы выпускаются такими производителями, как Degussa AG, Nanophase Technologies Corporation и другими компаниями. Наноматериалы при примешивании к различным пластикам или пленкам приводят к существенному улучшению таких механических свойств, как стойкость к царапанию и жесткость пленки (доклады на "Nanocomposite 2001", Baltimore 2001; "Second Annual Wood Coatings and Substrates Conference", Greensboro, 2006).
Наночастицы, которые могут быть использованы по способу, раскрываемому в настоящем изобретении, это частицы, средний радиус которых составляет от 1 до 300 нм, предпочтительно - от 2 до 100 нм, еще более предпочтительно - от 5 до 65 нм. К примерам предпочтительных наночастиц можно отнести: нанооксиды, нанооксиды металлов, оксиды металлов или гидроксиды алюминия, олова, бора, германия, галлия, свинца, переходных металлов и лантаниды и актиниды, в частности, из рядов, включающих алюминий, кремний, титан, цинк, иттрий, ванадий, цирконий и/или никель, предпочтительно, алюминий, кремний, титан и/или цирконий, которые имеют наноразмеры в дисперсной фазе и могут быть использованы отдельно или в сочетании. Среди нанооксидов металлов наиболее предпочтительными являются различные нанооксиды алюминия. В качестве примеров нанооксидов алюминия можно назвать марки: BYK®-LP X 20693 и NanoBYK 3610, выпускаемые компанией BYK-Chemie GmbH, Nycol A120ОSD, выпускаемый компанией Nycol Nano Technologies Inc., Dispal X-25 SRu SRL, Disperal P2, P3, OS1 и OS2, выпускаемые компанией Sasol Germany GmbH. Среди нанооксидов алюминия предпочтение отдается керамическим частицам оксида алюминия, предварительно диспергированным в полярном растворителе, таком как BYK®-LP Х 20693 и NanoBYK 3610 компании BYK-Chemie GmbH.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения наночастицы могут быть использованы вместе со связующими веществами. В качестве связующих веществ можно использовать любые общеизвестные функциональные алкокси- или арилоксисиланы. Среди функциональных силанов предпочтение отдается: (изоцианатоалкил)триалкоксисиланам, (аминоалкил)триалкоксисиланам, (триалкоксисилил)алкил ангидридам и олигомерным диамино-силан-системам. Алкилрадикальная группа и алкоксигруппа функционального силана имеет от 1 до 6 атомов углерода, более предпочтительно - от 1 до 4 атомов углерода. Указанные выше алкил- и алкоксигруппы могут далее иметь замещающую группу. В качестве связующих веществ также целесообразно использовать титанаты и/или цирконаты. Могут использоваться любые традиционные сложные эфиры ортотитановой или циркониевой кислоты, такие как, например, тетраизопропил, тетрабутил, ацетилацетон, сложные эфиры ацетонуксусной кислоты, диэтаноламин, триэтаноламин, титанат или цирконат крезила.
Предпочтительные варианты предлагаемого в настоящем изобретении способа отличаются тем, что в состав эмалей для проводов входят:
а) от 10 до 80 мас.%, предпочтительно от 20 до 70 мас.%, особо предпочтительно от 25 до 60 мас.% полимерной основы;
б) от 0,01 до 50 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 20 мас.%, особо предпочтительно от 1,0 до 10 мас.% наноматериала;
в) от 19 до 90 мас.%, предпочтительно от 29 до 80 мас.%, особо предпочтительно от 39 до 74 мас.% растворителей, отверждающих катализаторов, связующих веществ и добавок; при этом в основе процентного соотношения лежит масса всей эмали для проводов, составляющая, в любом случае, в сумме 100%.
Способ получения модифицированных на наноуровне эмалей для проводов может быть реализован несколькими путями.
Наночастицы могут быть диспергированы в подходящем для этой цели растворителе в условиях различных температур. Полученные дисперсные системы затем добавляют в эмаль для проводов.
Возможно также диспергирование наноматериалов в растворителях с синтезом смолы в этой дисперсной системе.
Для улучшения дисперсии наночастиц в полимерном растворе такие связующие вещества, как функциональные силаны, титанаты или цирконаты могут быть добавлены непосредственно в дисперсионную систему с наночастицами и перемешаны в этой системе до того, как эта система будет добавлена в раствор полимерной смолы, или могут быть добавлены непосредственно в полимерный раствор, до добавления в него дисперсионной системы с наночастицами. В качестве альтернативного варианта связующие вещества могут быть примешаны к раствору полимера до добавления в него дисперсионной системы с наночастицами для получения более тесной связи между органической и неорганической составляющими. Смесь полимерного раствора со связующим веществом может быть перемешана в условиях комнатной температуры или в условиях относительно низких температур в течение нескольких часов до добавления в нее раствора нанооксида металла.
Настоящее изобретение также относится к изготовлению проводов с эмалевой изоляцией при использовании раскрываемых в настоящем изобретении составов, получаемых, как описано выше.
Нанесение и отверждение предлагаемой в настоящем изобретении композиции не требует никакой специальной процедуры нанесения, отличной от стандартной процедуры. На используемые провода, чей тип и диаметр аналогичны типу и диаметру проводов, используемых для нанесения немодифицированной эмалевой изоляции, может быть нанесено покрытие слоем от 0,005 до 6 мм. Под приемлемыми проводами понимают традиционные металлические провода, предпочтительно, медные, алюминиевые провода или провода из их сплавов. В отношении формы проводов ограничений не существует, в частности, могут использоваться провода как круглого, так и прямоугольного сечения.
Предлагаемая в настоящем изобретении композиция может быть нанесена одним слоем, двумя слоями или несколькими слоями. Что касается нанесения двумя слоями или несколькими слоями, то эмали, модифицированные на наноуровне, могут наноситься вместе с немодифицированными эмалями. Предпочтение отдается нанесению наномодифицированных эмалей для каждого слоя покрытия.
При нанесении композиции толщина наносимого слоя может быть стандартной, при этом толщина слоя в сухом виде соответствует стандартизованным значениям толщины для проводов малых и больших диаметров.
Композицию по настоящему изобретению наносят на провод и отверждают в печи с горизонтальными или вертикальными нагревательными каналами.
Провод может быть покрыт одним слоем с его отверждением или несколькими слоями с последующим отверждением каждого слоя. Что касается температуры отверждения, то ее приемлемый предел может варьироваться от 300 до 800°С в соответствии с традиционными параметрами, используемыми для соответствующих немодифицированных эмалей, и материалом провода, на который наносят покрытие. Такие условия нанесения эмали, как количество проходов, скорость нанесения и температура печи, зависят от материала провода, на который наносят покрытие.
Изготовленные провода с эмалевой изоляцией испытывали в соответствии с IEC 60851.
Было установлено, что рецептуры эмали для проводов, составленные в соответствии с вышеприведенным описанием, при нанесении на провода с последующим отверждением демонстрируют более высокую термостойкость по сравнению с традиционными немодифицированными эмалями. В частности, более высокая устойчивость к воздействию повышенных температур определялась как более высокая прочность на пробой. Так же улучшилось такое свойство, как тепловой удар, что позволяет проводам с изоляцией из эмали, модифицированной на наноуровне, выдерживать воздействие более высоких температур в течение определенного периода времени без растрескивания смотанного провода. Кроме того, покрытия, полученные с использованием эмалей, модифицированных на наноуровне, согласно настоящему изобретению демонстрируют более высокую износоустойчивость, и иногда более высокую гибкость по сравнению с традиционными покрытиями.
Настоящее изобретение также распространяется на использование наноматериалов в эмалях для проводов в целях повышения термических свойств эмалей, в частности в эмалях для проводов, полученных по вышеуказанному способу.
Настоящее изобретение ниже будет описано более подробно на основе приведенных ниже примеров, хотя оно и не ограничивается только этими вариантами осуществления.
Примеры
Подготовка защитных покрытий для проводов согласно уровню техники.
Пример 1 (полиамидимид для сравнения).
В четырехгорлую колбу объемом 2 литра с мешалкой, охлаждающей трубкой и трубкой с хлоридом кальция, загружали 192,1 г ангидрида тримеллитовой кислоты (ТМА), 250,3 г метилендифенил 4,4'-диизоцианата (МДИ) и 668 г N-метил-2-пирролидона (НМП). Полученная смесь вступала в реакцию в течение 2 часов при температуре 80°С с последующим ее нагревом до 140°С и перемешиванием при этой температуре до тех пор, пока не прекращалось образование диоксида углерода. Затем реакционную смесь охлаждали до температуры 50°С и в нее добавляли 257 г ксилола. По вышеописанной процедуре получали раствор полиамидимидной смолы с концентрацией смолы 33,0 мас.% и вязкостью 900 сП при температуре 20°С.
Пример 2 (сложный полиэфир для сравнения).
В трехгорлую колбу объемом 2 литра, с термометром, мешалкой и дистилляционным устройством загружали 54 г этиленгликоля вместе со 179 г трис(2 гидроксиэтил)изоцианурата (ТГЭИЦ), 177 г диметилтерефталата (ДМТ) и 0,33 г тетрабутилэфира ортотитановой кислоты (тетрабутилтитаната). Полученную смесь нагревали до 210°С и продолжали смешение до тех пор, пока не было отогнано 55 г метанола. Полученный сложный полиэфир затем охлаждали и смешивали с 13 г тетрабутилтитаната и достаточным количеством смеси, состоящей из 80 частей крезиловых кислот и 20 частей сольвент-нафты, с получением раствора с содержанием сухого вещества 37,0 мас.%.
Пример 3 (полиэфиримид для сравнения).
В трехгорлую колбу объемом 2 литра, с термометром, мешалкой и дистилляционным устройством загружали 300 г крезиловых кислот вместе с 62,0 г этиленгликоля и 261,1 г ТГЭИЦ, 194,2 г ДМТ и 0,35 г тетрабутилтитаната. Полученную смесь нагревали до температуры 200°С и продолжали смешение до тех пор, пока не было отогнано 60 г метанола. После охлаждения до температуры 140°С добавляли 192,1 г ТМА и 99,0 г ДАДМ, затем раствор нагревали до 205°С в течение 2 часов и продолжали перемешивание до тех пор, пока не было отогнано 33 г воды. Полученную полимерную смесь затем охлаждали и при непрерывном перемешивании смешивали с 23 г тетрабутилтитаната и 110 г фенолальдегидной смолы. Далее раствор разбавляли достаточным количеством смеси, состоящей из 70 частей крезиловых кислот и 30 частей сольвент-нафты с получением эмали для проводов с содержанием сухого вещества 37,0 мас.%.
Пример 4 (полиуретан для сравнения).
Приготовление высокомолекулярной смолы на основе сложного полиэфира.
В трехгорлую колбу объемом 2 литра, с термометром, мешалкой и дистилляционным устройством загружали 194,1 г ДМТ, 170,0 г этиленгликоля, 92,1 г глицерина и 0,06 г ацетата свинца. Полученную смесь нагревали до температуры 220°С и продолжали смешение в течение нескольких часов, до тех пор, пока не было отогнано 64 г метанола. Затем в горячую смолу добавляли достаточное количество крезиловой кислоты с получением раствора высокомолекулярной смолы на основе сложного полиэфира с содержанием сухого вещества 44,8 мас.%.
Приготовление блокированного полиизоционата:
В четырехгорлую колбу объемом 2 литра, с мешалкой, охлаждающей трубкой и трубкой с хлоридом кальция загружали 150 г фенола, 150 г ксиленолов, 174 г толуолдиизоцианата, (ТДИ), выпускаемого промышленностью, и 44,7 г триметилолпропана (ТМП). Полученную смесь нагревали при непрерывном перемешивании до температуры 120°С и выдерживали при этой температуре до тех пор, пока в реакционной смеси не останется изоцианата. Затем, при охлаждении, в смесь добавляли 120 г сольвент-нафты. Согласно описанной выше процедуре получали раствор смолы на основе изоцианата с концентрацией смолы 46,5%.
Приготовление эмали для проводов на основе полиуретана.
В двухгорлую колбу объемом 2 литра с мешалкой добавляли 30 частей приготовленной высокомолекулярной смолы на основе сложного полиэфира и 70 частей приготовленной смолы на основе полиизоцианата. Данную смесь смешивали с достаточным количеством смеси растворителей, состоящей из 40 частей фенола, 20 частей ксиленолов, 20 частей ксилола и 20 частей сольвент-нафты. Полученная эмаль для проводов на основе полиуретана имела содержание сухого вещества 33,0 мас.%.
Приготовление защитных покрытий для проводов в соответствии с настоящим изобретением
Пример 1а. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
В четырехгорлую колбу объемом 2 литра, с мешалкой, с трубкой для охлаждения, с трубкой с хлоридом кальция загружали 33,0 г BYK-LP Х 20693 и 77,0 г N-метилпирролидона (НМП). Затем смесь перемешивали при температуре 40°С в течение 2 часов, после чего в упомянутую выше колбу добавляли 1000 г раствора полиамидимидной смолы из Примера 1, концентрацией 33 мас.%. Полученную смесь перемешивали в условиях комнатной температуры в течение нескольких часов; затем раствор отфильтровывали с целью удаления случайных твердых примесей, с получением полиамидимида, модифицированного на наноуровне, с содержанием сухого вещества 32,2 мас.%. В данном случае содержание оксида алюминия (Al2O3) составило 5 мас.%.
Пример 1б. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 1а, Пример 1б был подготовлен с использованием NANOBYK 3610 (компании BYK Chemie) с получением полиамидимида, модифицированного на наноуровне, имеющего содержание сухого вещества 32,3 мас.%. В данном случае содержание оксида алюминия (Al2O3) составило 5 мас.%.
Пример 1в. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 1а, Пример 1в был подготовлен с использованием Disperal P2 (компании Sasol) с получением полиамидимида, модифицированного на наноуровне, имеющего содержание сухого вещества 32,4 мас.%. В данном случае содержание оксида алюминия (Al2O3) составило 5 мас.%.
Пример 1г. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 1а, Пример 1г был подготовлен с использованием Nycol AL20SD (компании Nycol) с получением полиамидимида, модифицированного на наноуровне, имеющего содержание сухого вещества 32,4 мас.%. В данном случае содержание оксида алюминия (Al2O3) составило 5 мас.%.
Нанесение эмали и проведение испытаний
В качестве проводников проводов с изоляцией использовали медные провода с толщиной оголенного провода 0,71 мм. Эмаль наносили и отверждали при нагревании 14 раз в машине для нанесения эмали MAG HEL 4/5, с рециркуляцией воздуха при температуре 520°С, со скоростью 32 м/мин; в качестве системы для нанесения покрытия использовали фильеры. Полученная в результате толщина слоя составляла 0,070 мм.
| Таблица 1 | |||||
| Результаты испытаний полиамидимида, модифицированного на наноуровне, с различными наночастицами. | |||||
| Пример 1а | Пример 1б | Пример 1в | Пример 1г | Пример 1 (сравнительный) | |
| Нанодобавка | BYK LP Х 20693 | NANOBY К 3610 | Disperal P2 | Nycol A120OSD | - |
| Гибкость (1×D, % предварительное растяжение) | 20 | 15 | 15 | 15 | 15 |
| Односторонне направленный износ (N) | 18 | 19 | 18 | 17 | 16 |
| Тангенс дельта (°С) | 275 | 273 | 272 | 269 | 270 |
| Прочность на пробой (°С) | 450 | 440 | 430 | 430 | 410 |
| Термический удар (30 мин при 240°С): | 3/3 | 2/3 | 2/3 | 2/3 | 2/3 |
Из таблицы 1 видно, что продукты, модифицированные на наноуровне, имеют более высокую прочность на пробой, чем в сравнительном примере. Достигнута также более высокая износоустойчивость. Эмаль из Примера 1а (3 испытуемых образца из трех), полностью выдерживает испытания на термический удар при температуре 240°С.
Пример 1д. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 1а, Пример 1д был подготовлен с использованием BYK-LP Х 20693 в таком количестве, чтобы полученный полиамидимид, модифицированный на наноуровне, имел содержание сухого вещества 32,8 мас.% и содержание оксида алюминия (Al2O3) - 2 мас.%.
Пример 1е. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 1а, Пример 1е был подготовлен с использованием BYK-LP Х 20693 в таком количестве, чтобы полученный полиамидимид, модифицированный на наноуровне, имел содержание сухого вещества 32,1 мас.% и содержание оксида алюминия (Al2O3) - 7,5 мас.%.
Пример 1ж. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 1а, Пример 1ж был подготовлен с использованием BYK-LP X 20693 в таком количестве, чтобы полученный полиамидимид, модифицированный на наноуровне, имел содержание сухого вещества 31,8 мас.% и содержание оксида алюминия (Al2O3) - 10 мас.%.
| Таблица 2 | |||||
| Результаты испытаний полиамидимида, модифицированного на наноуровне, с различным количеством наночастиц. | |||||
| Пример 1д | Пример 1a | Пример 1е | Пример 1ж | Пример 1 (сравнительный) | |
| Нанодобавка | BYK LP Х 20693 | BYK LP X 20693 | BYK LP X 20693 | BYK LP X 20693 | - |
| Процентное содержание оксида алюминия (Al2O3, %) | 2 | 5 | 7,5 | 10 | |
| Гибкость (1×D,% предварительное растяжение) | 15 | 20 | 20 | 15 | 15 |
| Односторонне направленный износ (N) | 20 | 18 | 18 | 17 | 16 |
| Тангенс дельта (°С) | 270 | 275 | 277 | 273 | 270 |
| Прочность на пробой (°С) | 420 | 450 | 490 | 480 | 410 |
| Термический удар (30 мин при 240°С) | 2/3 | 3/3 | 3/3 | 3/3 | 2/3 |
Из таблицы 2 видно, что оптимальное количество наночастиц, присутствующих в испытуемой системе, составляет 7,5%. Продукт из Примера 1е имеет сверхвысокую прочность на пробой, более высокую износоустойчивость и более высокую стойкость к термическому удару.
Пример 1з. (Приготовление полиамидимида, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 1а, Пример 1з был подготовлен с использованием BYK-LP Х 20693 и (3-аминопропил)триэтоксисилана. Силан предварительно смешивали в НМП вместе с нанооксидом алюминия в течение 4 часов при температуре 40°С. Полиамидимид, модифицированный на наноуровне, имел содержание сухого вещества 33,0 мас.%, содержание оксида алюминия (Al2O3) - 7,5 мас.% и силана - 0,5 мас.%.
| Таблица 3 | |||
| Результаты испытаний полиамидимида, модифицированного на наноуровне, иллюстрирующие влияние связующего вещества. | |||
| Пример 1е | Пример 1з | Пример 1 (сравнительный) | |
| Нанодобавка | BYK LP Х 20693 | BYK LP X 20693 | - |
| Процентное содержание оксида алюминия (Al2O3, %) | 7,5 | 7,5 | - |
| Функциональный силан (%) | - | 0,5 | |
| Гибкость (1×D, % предварительное растяжение) | 20 | 20 | 15 |
| Односторонне направленный износ (N) | 18 | 19,6 | 16 |
| Тангенс дельта (°С) | 277 | 285 | 270 |
| Прочность на пробой (°С) | 490 | 500 | 410 |
| Термический удар (30 мин при 240°С) | 3/3 | 3/3 | 2/3 |
В Таблице 3 показано, что при использовании связующего вещества продолжается улучшение таких свойств, как прочность на пробой и тангенс дельта.
Пример 2а. (Приготовление сложного полиэфира, модифицированного на наноуровне).
В трехгорлую колбу объемом 2 литра, с термометром, мешалкой и дистилляционным устройством, загружали 37,0 г BYK-LP Х 20693, 1,85 г (3-аминопропил)триэтоксисилана и 172,6 г крезиловых кислот. Затем полученную смесь перемешивали в течение 4 часов при температуре 40°С с последующим добавлением в нее 1000 гр. раствора смолы на основе сложного полиэфира из Примера 2. После этого, смесь перемешивали в течение 2 часов при температуре 40°С с получением сложного полиэфира, модифицированного на наноуровне, с содержанием сухого вещества 36,7 мас.%. В данном случае, содержание силана составляло 0,5 мас.%, а содержание нанооксида алюминия - 5 мас.%.
Пример 3а. (Приготовление полиэфиримида, модифицированного на наноуровне).
В трехгорлую колбу объемом 2 литра, с термометром, мешалкой и дистилляционным устройством загружали 37,0 г BYK-LP Х 20693, 1,85 г (3-аминопропил)триэтоксисилана и 172,6 г крезиловых кислот. Затем полученную смесь перемешивали в течение 4 часов при температуре 40°С с последующим добавлением в нее 1000 г раствора полиэфиримидной смолы из Примера 3. После этого смесь перемешивали в течение 2 часов при температуре 40°С с получением полиэфиримида, модифицированного на наноуровне, с содержанием сухого вещества 36,8 мас.%. В данном случае, содержание силана составляло 0,5 мас.%, а содержание нанооксида алюминия - 5 мас.%.
| Таблица 4 | ||||
| Результаты испытаний сложного полиэфира и полиэфиримида, модифицированных на наноуровне | ||||
| Пример 2а | Пример 2 (сравнительный) | Пример 3а | Пример 3 (сравнительный) | |
| Нанодобавка | BYK LP Х 20693 | - | BYK LP X 20693 | - |
| Процентное содержание оксида алюминия (Al2O3, %) | 5 | - | 5 | - |
| Функциональный силан (%) | 0,5 | - | 0,5 | - |
| Гибкость (1×D, % предварительное растяжение) | 30 | 30 | 25 | 25 |
| Односторонне направленный износ (N) | 18 | 14 | ||
| Тангенс дельта (°С) | 188 | 182 | 207 | 204 |
| Прочность на пробой (°С) | 470 | 440 | 440 | 420 |
| Термический удар (30 мин при 240°С) | 2/3 | 1/3 | 2/3 | 1/3 |
Из Таблицы 4 видно, что продукты, модифицированные на наноуровне, имеют более высокую прочность на пробой, чем в сравнительном примере. Достигнута также более высокая износоустойчивость.
Пример 2б. (Приготовление сложного полиэфира, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 2а, Пример 1б был подготовлен с использованием N-диметокси(метил)силилметил-O-метил-карбамата, содержанием 0,5 мас.%. Результаты нанесения эмали равнозначны Примеру 2а.
Провода с эмалевой изоляцией, прошедшие испытания в соответствии с позициями Таблицы 5, изготавливали из медных проводов при толщине оголенного провода 0,71 мм. Эмаль наносили: сначала сложный полиэфир или полиэфиримид, в качестве грунтовочного слоя (11 слоев), плюс 3 верхних слоя из полиамидимида.
| Таблица 5 | ||||
| Результаты испытаний проводов с двойным покрытием. | ||||
| Пример 2а (грунтовочный слой) + Пример 1з (верхний слой) | Пример 2 + Пример 1 (сравнительный) | Пример 3а + Пример 1з | Пример 3 + Пример 1 (сравнительный) | |
| Нанодобавка | BYK LP Х 20693 | - | BYK LP X 20693 | - |
| Процентное содержание оксида алюминия (Al2O3, %) | 5 (грунтовочный слой) + 7,5 (верхний слой) | - | 5 (грунтовочный слой) + 7,5 (верхний слой) | - |
| Функциональный силан (%) | 0,5 (грунтовочный слой) + 0,5 (верхний слой) | - | 0,5 (грунтовочный слой) + 0,5 (верхний слой) | - |
| Гибкость (1×D, % предварительное растяжение) | 20 | 15 | 20 | 15 |
| Односторонне направленный износ (N) | 22 | 19 | 22 | 19 |
| Тангенс дельта (°С) | 181 | 178 | 208 | 205 |
| Прочность на пробой (°С) | 460 | 410 | 450 | 400 |
| Термический удар (30 мин при 240°С) | 3/3 | 1/3 | 3/3 | 2/3 |
Из Таблицы 5 видно, что системы, модифицированные наноматериалом и имеющие двойное покрытие, в обоих случаях по своим свойствам превосходят свойства немодифицированных продуктов. Во всех случаях все свойства улучшены.
Пример 4а. (Приготовление полиуретана, модифицированного на наноуровне).
В трехгорлую колбу объемом 2 литра, с термометром, мешалкой и дистилляционным устройством загружали 33,0 г BYK-LP Х 20693, 1,65 г (3-аминопропил)триэтоксисилана и 154 г крезиловых кислот. Затем полученную смесь перемешивали в течение 4 часов при температуре 40°С с последующим добавлением в нее 1000 г раствора полиуретановой смолы из Примера 4. После этого смесь перемешивали в течение 2 часов при температуре 40°С с получением полиуретана, модифицированного на наноуровне, с содержанием сухого вещества 33,3 мас.%. В данном случае, содержание силана составляло 0,5 мас.%, а содержание нанооксида алюминия - 5 мас.%.
Пример 4б. (Приготовление полиуретана, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 4а, Пример 4б был подготовлен с использованием BYK-LP X 20693 и (3-аминопропил)триэтоксисилана в таком количестве, чтобы полученный полиуретан, модифицированный на наноуровне, имел содержание сухого вещества 33,3 мас.%, содержание оксида алюминия (Al2O3) - 2 мас.% и силана - 0,2 мас.%.
Пример 4в. (Приготовление полиуретана, модифицированного на наноуровне).
Как описано в Примере 4а, Пример 4в был подготовлен с использованием BYK-LP Х 20693 и (3-аминопропил)триэтоксисилана в таком количестве, чтобы полученный полиуретан, модифицированный на наноуровне, имел содержание сухого вещества 33,3 мас.%, содержание оксида алюминия (Al2O3) - 1 мас.% и силана - 0,1 мас.%.
| Таблица 6 | ||||
| Результаты испытаний эмалей для проводов на основе полиуретана, модифицированного на наноуровне. | ||||
| Пример 4а | Пример 4б | Пример 4в | Пример 4 (сравнительный) | |
| Нанодобавка | BYK LP Х 20693 | BYK LP X 20693 | BYK LP X 20693 | - |
| Процентное содержание оксида алюминия (Al2O3, %) | 5 | 2 | 1 | - |
| Функциональный силан (%) | 0,5 | 0,2 | 0,1 | - |
| Паяемость (секунд при 380°С) | 2,5 | 2,5 | 2,3 | 2,5 |
| Односторонне направленный износ (N) | 15 | 14 | 13 | 12 |
| Тангенс дельта (°С) | 176 | 181 | 182 | 185 |
| Прочность на пробой (°С) | 270 | 280 | 270 | 260 |
| Термический удар (30 мин при 240°С) | 2/3 | 1/3 | 1/3 | 0/3 |
Из Таблицы 6 видно, что существует оптимальное содержание наночастиц, равное 2%, приводящее к существенному повышению прочности на пробой, без снижения паяемости медного провода (толщиной 0,71 мм) с покрытием из полиуретана. Также существенно улучшена стойкость к термическому удару.
1. Применение наноматериалов в эмали для проводов для улучшения термических свойств эмали.
2. Применение по п.1, в котором полимерную основу эмали для проводов выбирают из группы, включающей полиамидимид, сложный полиэфир, полиэфиримид, полиуретан и их смеси.
3. Применение по п.1, в котором наноматериал выбирают из группы, включающей нанооксиды, нанооксиды металлов, оксиды металлов или гидроксиды алюминия, олова, бора, германия, галлия, свинца, переходных металлов, лантанидов, актинидов и их смеси.
4. Применение по п.1, в котором наноматериал выбирают из группы, включающей нанооксиды, нанооксиды металлов, оксиды металлов или гидроксиды алюминия, кремния, титана, цинка, иттрия, ванадия, циркония, никеля и их смеси.
5. Применение по п.1, в котором наноматериал выбирают из группы, включающей нанооксиды алюминия.
6. Применение по п.1, в котором радиус наночастиц находится в пределах от 1 до 300 нм, предпочтительно от 2 до 100 нм, особо предпочтительно от 5 до 65 нм.
7. Применение по п.1, в котором наноматериал обрабатывают одним или несколькими связующими веществами.
8. Применение по п.7, отличающееся тем, что связующие вещества выбирают из группы, включающей алкокси- или арилоксисиланы, (изоцианатоалкил)триалкоксисиланы, (аминоалкил)триалкоксисиланы, (триалкоксисилил)алкил ангидриды, олигомерные диаминосиланы, титанаты, цирконаты и их смеси.
9. Применение по п.1, в котором эмаль для проводов включает:
а) от 10 до 80 мас.%, предпочтительно от 20 до 70 мас.%, особо предпочтительно от 25 до 60 мас.% полимерной основы;
б) от 0,01 до 50 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 20 мас.%, особо предпочтительно от 1,0 до 10 мас.% наноматериала;
в) от 19 до 90 мас.%, предпочтительно от 29 до 80 мас.%, особо предпочтительно от 39 до 74 мас.% растворителей, отверждающих катализаторов связующих веществ и добавок,
где за основу процентного соотношения взята вся масса самой эмали, составляющая в сумме в любом случае 100%.
