Способ получения полимерного электрета

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу получения полимерного электрета, который может быть использован в герметизирующих системах, в триботехнике, в различной аппаратуре и приборах, таких как электретные дозиметры, электретные фильтры и электретные микрофоны. Для изготовления пластин или пленок из получаемых полимерных электретов предлагается использовать в качестве основного полимера-связующего эпоксидную смолу марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), нанесенную на твердую подложку и отверждаемую полиэтиленполиамином (ТУ 6-05-861-73), при этом поляризация материала является следствием процесса отверждения, при котором используют ультрафиолетовое излучение. В предложенном способе образование поверхностного заряда является следствием различия скоростей процесса отверждения на противоположных сторонах образца. Повышение срока сохранения суммарной поверхностной плотности электрического заряда в полимерном электрете является техническим результатом изобретения. 1 ил., 1 табл., 14 пр.

 

Изобретение относится к области получения полимерных электретов. Электретные материалы применяются в качестве герметизирующих систем, в триботехнике, в бытовой технике (широко известны высококачественные электретные микрофоны), в технике специального назначения (электретные фильтры, электретные дозиметры).

Известен способ получения электретов (аналог), заключающийся в получении электретов в процессе совмещения синтеза полимера путем отверждения исходного эпоксидного олигомера DER-331 отвердителем Л-20, с процессом поляризации в постоянном электрическом поле, с напряжением 5 кВ в течение 2 часов и последующим охлаждением в течение 30 минут без снятия поляризующего воздействия [Мочалова В.Н. Влияние температуры одновременной поляризации и отверждения на электретные характеристики композитов на основе эпоксидного олигомеров DER-331 при отверждении полиаминоамидом Л-20 / Е.Н. Мочалова, P.P. Бурганов, Р.Н. Вахитова, Н.А. Лимаренко // Вестник Казанского технологического университета. - 2015, Т. 18, №20, С. 47-49].

Недостатком аналога является то, что в основе этого способа лежит традиционная технология полимерных электретов, в которой термопластичный полимер был заменен термореактивной смолой.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ получения полимерного электрета, включающий синтез полимера из олигомерной термореактивной смолы ЭД-20 и отвердителя полиэтиленполиамина, поляризацию полимера путем нагревания смеси между двумя обкладками из различных металлов, охлаждении и отделении обкладок. Причем в процессе отверждения обкладки могут быть замкнуты или разомкнуты. [Пат. 2298245 РФ, МПК H01G 7/02. Способ получения полимерного электрета / Левин Р.В., Студенцов В.Н., Скудаев Е.А., Дорошенко Л.М., заявитель - Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», патентообладатель - Федеральное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заявлено - 20.12.2015, опубликовано - 27.04.2017]. Отличительной особенностью прототипа является то, что отверждение термореактивной смолы происходит не в чистом виде, а больший вклад в поляризацию материала вносит протекающий электрохимический процесс между обкладками и эпоксидной композицией.

Недостатком прототипа является повышенная металлоемкость и необходимость нагрева.

Техническая проблема данного изобретения заключается в необходимости повышения срока сохранения суммарной поверхностной плотности электрических зарядов, понижение материалоемкости, что достигается за счет отсутствия термообработок и дополнительных физических воздействий.

Для решения поставленной проблемы предлагается способ получения полимерного электрета, в основе которого лежит нанесение смеси олигомерной смолы с отвердителем на твердую подложку. Предлагается рассмотреть процесс поляризации материала как следствие процесса отверждения, в ходе которого изменяется полярность реагирующих веществ, происходит превращение проводящего материала в диэлектрик, возникают новые полярные группы, то есть поляризация протекает одновременно с процессами полимерообразования, при этом полярные группы локализуются в сетчатой структуре.

Полученные материалы могут найти применение в аппаратах, где электреты применяются в виде пленок или пластин.

Изобретение поясняется чертежом: фиг. 1 - электрохимический способ определения потенциала поверхности по трехточечной схеме, где 1 - образец электрета; 2 - капля 2% водного раствора NaCl; 3 - вспомогательный графитовый электрод; 4 - стандартный электрод сравнения; 5, 6, 7 - кабель к потенциостату.

Способ получения полимерного электрета на основе термореактивных смол заключается в следующем.

Для изготовления пластин или пленок из получаемых полимерных электретов предлагается использовать в качестве основного полимера (связующего) эпоксидную смолы марки ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), отверждаемую полиэтиленполиамином (ПЭПА) (ТУ 6-02-594-88).

Для образцов стандартных размеров определяли следующие характеристики: разность потенциалов между сторонами электрета Δϕ, мВ; электрическая емкость С, нФ; суммарная поверхностная плотность электрического заряда σ, Кл/м².

Процесс получения образцов на основе термореактивной смолы состоит в следующем: приготавливается смесь олигомерной смолы с отвердителем, после тщательного перемешивания и дегазации получившуюся смесь наносят на подложку таким образом, чтобы композиция не выступала за края подложки и поверхность была равномерной. После процесса отверждения, который можно проводить как в полной темноте, так и в присутствии белого света, электреты готовы к использованию. Условия отверждения непосредственно влияют на характеристики электрета, так например, отверждение в полной темноте приводит к увеличению суммарной поверхностной плотности заряда, а отверждение в присутствии белого света, наоборот, снижает. Такое же воздействие наблюдается, если неотвержденные композиты обработать ультрафиолетовым излучением. Кратковременное облучение (в течение 10 минут) приводит к увеличению разности потенциалов между сторонами электрета.

Пример 1: Способ-прототип. Жидкую смесь смолы марки ЭД-20 и отвердителя ПЭПА при массовом соотношении 9:1 помещают в алюминиевую кювету и сверху закрывают пластиной из меди или цинка так, чтобы жидкость, края кюветы и верхняя пластина находились на одном уровне. Кювету и верхнюю пластину закорачивают. Заполненную и закрытую кювету помещают в камеру отверждения на 24 часа.

Пример 2: Жидкую смесь смолы марки ЭД-20 и отвердителя ПЭПА при массовом соотношении 9:1 наносят на подложку из полиэтилетерифталатной пленки (удельная теплопроводность ПЭТ-пленки 0,22 Вт/м⋅К). Отверждение композиции протекает в камере отверждения в течение 24 часов.

Пример 3: По примеру 2, отличающийся тем, что в качестве подложки использовали целлюлозную пленку (удельная теплопроводность целлюлозы 4,6 Вт/м⋅К).

Пример 4: По примеру 2, отличающийся тем, что в качестве подложки использовали алюминиевую фольгу (удельная теплопроводность алюминия 230 Вт/м⋅К).

Пример 5: По примеру 4, отличающийся тем, что отверждение проводили в унифицированных условиях в присутствии белого света. В качестве источника света использовали лампу накаливания мощностью 40 Вт. Расстояние между источником света и образцами, в примерах 5-9 составляло 0,3 м.

Пример 6: По примеру 5, отличающийся тем, что в качестве унифицированных условий использовали обычный дневной (рассеянный) свет.

Пример 7: По примеру 5, отличающийся тем, что в качестве источника света использовали лампу накаливания мощностью 25 Вт.

Пример 8: По примеру 5, отличающийся тем, что в качестве источника свет использовали лампу накаливания мощностью 60 Вт.

Пример 9: По примеру 5, отличающийся тем, что отверждение проводили в полной темноте.

Пример 10: По примеру 9, отличающийся тем, что неотвержденные композиции обрабатывали ультрафиолетовым излучением в течение 10 минут. Мощность УФИ лампы и расстояние от лампы до образцов, в примерах 9-14 равны 0,70 Вт/м³ и 0,2 м. соответственно.

Пример 11: По примеру 9, отличающийся тем, что неотвержденные композиции обрабатывали ультрафиолетовым излучением в течение 30 минут.

Пример 12: По примеру 9, отличающийся тем, что неотвержденные композиции обрабатывали ультрафиолетовым излучением в течение 20 минут.

Пример 13: По примеру 9, отличающийся тем, что неотвержденные композиции обрабатывали ультрафиолетовым излучением в течение 5 минут.

Пример 14: По примеру 9, отличающийся тем, что неотвержденные композиции обрабатывали ультрафиолетовым излучением в течение 60 минут.

Сравнение примеров 2-4 показывает, что теплопроводность материала, используемого в качестве подложки, влияет на электретные характеристики полимерных композиций. Применение подложки с высокой теплопроводностью способствует отводу теплоты, выделяющейся в процессе отверждения, что приводит к увеличению суммарной поверхностной плотности заряда. Поляризация в примере 1 обусловлена электрохимическими процессами, а в примерах 2-4 образование поверхностного заряда обусловлено процессом отверждения.

Анализ примеров 5-9 показывает, что условия отверждения полимерной композиции влияют на электретные характеристики. Процессу поляризации способствуют более мягкие условия отверждения. Наличие дополнительной энергетической подпитки отрицательно влияет на величину суммарной поверхностной плотности заряда.

Сравнение примеров 10-14 показывает, что характер влияния УФИ схож с влиянием белого света на электретные характеристики, т.к. оба воздействия относятся к способам энергетической подпитки. С увеличением продолжительности УФИ происходит уменьшение суммарной поверхностной плотности заряда. Таким образом, энергетическая подпитка негативно влияет на электретные характеристики полимерных композиций.

Процесс отверждения необходимо проводить в интервале температур 20-25°С, т.к. отверждение протекает с выделением теплоты и повышение температуры может привести к вспениванию реакционной смеси. Также необходимо обеспечивать максимальный отвод теплоты с одной из поверхностей, т.к. движущей силой поляризации материала является разница скоростей отверждения на противоположных сторонах полимерной композиции.

При отверждении термореактивных смол конкурируют процесс образования сетчатых продуктов (процесс 1) и процесс образования линейных продуктов (процесс 2) [Иржак В.И. Сетчатые полимеры: Синтез, структура, свойства / В.И. Иржак, Б.А. Розенберг, Н.С. Униколопян. -Москва: Наука, 1979. - 248 с: ил.; 27 см.]. Процесс 2 характеризуется образованием более прочных химических связей и более высокой эффективной энергией активации по сравнению с процессом 1, поэтому процесс 2 более чувствителен к подводу дополнительной энергии, в виде теплоты или энергии излучений [Студенцов В.Н., Пятаев И.В. Влияние колебательных воздействий на процессы структурообразования в полимерах / Журнал прикладной химии. - 2014, Т. 87, №3].

Полярные группы, обуславливающие процесс поляризации, образуются преимущественно при образовании сетчатого полимера (процесс 1). Повышение температуры отверждения и вообще дополнительный подвод энергии подавляют процесс 1 и приводят к уменьшению суммарной поверхностной плотности заряда. Таким образом, в заявляемом способе, образование поверхностного заряда является следствием различия скоростей процесса отверждения на противоположных сторонах образца, а энергетические воздействия сглаживают это различие.

Предлагаемый новый способ получения электретов на основе термореактивные смолы обладает следующими преимуществами по сравнению с традиционным способом получения электретов путем выдержки термопластичного полимера при повышенной температуре между обкладками из различных материалов [Воронежцев Ю.И., Гольдаде В.А., Пинчук Л.С., Снежков В.В. Электрические и магнитные поля в технологии полимерных композитов / Под ред. А.И. Свириденка. - Мн.: Навука i тэхнiка, 1990. - 263 с: ил. - ISBN 5-343-00535-7]: значительно более длительный срок сохранения величины суммарной поверхностной плотности электрического заряда; более высокая теплостойкость; более высокие прочностные характеристики.

Предлагаемый способ получения рекомендуется использовать для изготовления методом залива пластин или пленок обладающих электретными свойствами.

Способ получения полимерного электрета, включающий приготовление смеси термореактивной смолы ЭД-20 и полиэтиленполиамина, которую после перемешивания и дегазации наносят на твердую подложку равномерным слоем с последующим отверждением, отличающийся тем, что отверждение ведут при комнатной температуре, при этом в начале процесса отверждения проводят дополнительную обработку поверхности образца ультрафиолетовым излучением (УФИ) мощностью 0,70 Вт/м³ в течение 10-20 минут, при этом подложку выполняют из алюминия, обладающего высокой удельной теплопроводностью, для создания различия в скоростях отверждения на противоположных сторонах образца, что способствует образованию поверхностного заряда.