СИЛИКОНОВЫЙ КАУЧУКОВЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2010 года по МПК H01B3/46 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к силиконовому каучуковому материалу. Такой материал, в частности, используется в широком ряду применений при низких температурах. Одним особенно используемым таким применением является изолятор для электрического устройства, размещенного вне помещения. Данное изобретение также относится к способу получения такого материала.

Предпосылки создания изобретения

Силиконовый каучуковый материал обычно основан на полиалкилсилоксане, наиболее часто полидиметилсилоксане, обозначенном как ПДМС (PDMS) в данной заявке, который в температурном интервале примерно от -35 до 150°C является химически и физически стойким материалом с хорошими механическими и электрическими свойствами, который может использоваться для многих различных технических целей. Силиконовый каучуковый материал сшивают, например, при подаче подходящего органического пероксида, который взаимодействует с группами на главной цепи ПДМС и поэтому связывает макромолекулы вместе. Основная химия силиконового каучука и его сшивания ясна, например, из F.Billmeyer, Textbook of polymer science, John & Sons Ltd, pp. 482-484. Другой путь достижения сшивания заключается во введении платинового катализатора, который разрушает двойные связи на винильных группах и делает их реакционноспособными по отношению к смежным силоксановым цепям.

Также хорошо известно, что силиконовый каучуковый материал используется для различных электроизоляционных целей, что является понятным, например, из R. Hackham, Outdoor HV Composite Polymeric Insulators, IEEE Trans Dielectrics and Elec. Insul., Vol. 6 (1999), pp. 557-585.

Чистые полисилоксаны могут смешиваться с наполнителями как с так называемыми объемными наполнителями, такими как, например, диоксид кремния или кварц, так и с волокнистыми наполнителями, такими как, например, короткие или длинные стеклянные волокна. Примеры силиконовых каучуковых материалов с объемными наполнителями ясны из ЕР 1052655В1.

Силиконовый каучуковый материал, полностью состоящий из ПДМС, начинает кристаллизоваться примерно при -40°C, и затем материал становится жестким и хрупким. Для некристаллизованных силиконов с молекулярной массой примерно 2000 единиц так называемая температура замерзания будет сниженной при замещении метильных групп на главной цепи ПДМС фенильными группами. Фенильные группы больше метильных групп и поэтому подавляют структурную упорядоченность. Это описано в Warrick et al., Polymer Chemistry of Linear Siloxanes, Industrial Enginering Chemistry, 1952, p. 2199. Однако стоимость полидиарилсилоксана является высокой по сравнению с полидиалкилсилоксаном, и по этой причине полидиарилсилоксан не может использоваться для многих электрических применений.

ЕР 0470745А2 описывает, что 100 мас.ч. органополисилоксановой смолы с формулой среднего повторяющегося звена R_aSiO_4-A/2, где R представляет собой одновалентную углеводородную группу с долей алкила не менее 50%, и а представляет собой число в интервале 1,98-2,02, смешивают с неорганическими наполнителями и 1-20 мас.ч. органосилан- или органосилоксановых олигомеров, имеющих формулу

где m представляет собой число от 1 до 20, n представляет собой число от 0 до 20. Помимо этого вводят органический пероксид.

Под органополисилоксановой смолой понимают замещенную или незамещенную одновалентную углеводородную группу. Примерами таких групп являются алкил-, алкенил-, циклоалкенил- и аралкилгруппы. Согласно C.A. Hampel and G.G.Hawley, Glossary of Chemical Terms, Van Nostrand Reinold Company, 1976, p. 196 «олиго» представляет собой «префикс, производный от греческого, означающий «несколько» или «немного»; в химии он встречается в таких терминах, как олигосахариды (содержащие от 3 до 10 моносахаридных звеньев) и олигодинамическая (слабобактерицидная) способность».

ЕР 1079398А2, пример 1, стр. 10 описывает, что 80 мас.ч. диметилполисилоксана прививают диметилвинилсилоксигруппами на обоих концах соответствующей молекулы диметилполисилоксана, поэтому также вводят 40 мас.ч. наполнителя SiO₂. 40 мас.ч. данного жидкого силиконового каучука затем, в свою очередь, смешивают с 60 мас.ч. диметилполисилоксана с более низкой вязкостью и более низкой степенью полимеризации, чем указано выше, и 140 мас.ч. гидроксида алюминия. Указанную последнюю смесь затем, в свою очередь, согласно примеру 4, стр. 12 смешивают с 120 мас.ч. гидроксида алюминия и 10 мас.ч. диметилполисилоксан-дифенилсилоксанового сополимера, привитого диметилвинилсилоксигруппами на обоих концах соответствующей молекулы диметилполисилоксан-дифенилсилоксанового сополимера. Дифенилсилоксановые группы составляют до 20% суммы диметилсилоксановых и дифенилсилоксановых групп в сополимере. Вне суммы полидиметилсилоксана и полидифенилсилоксана полидифенилсилоксан, таким образом, составляет от 2 до 3% мас. Целью ЕР 1079398А2 является создание материала, который может использоваться в электрических применениях и который имеет тиксотропные свойства, подходящие для герметизации и ремонта полимерных изоляторов, стр. 2 строки 34-37.

Согласно C.A. Hampel and G.G.Hawley, Glossary of Chemical Terms, Van Nostrand Reinold Company, 1976, p. 69 сополимер представляет собой «высокополимерное вещество, обычно, эластомер, полученное из двух или более различных видов мономера, например стирола и бутадиена. Сополимеры получаются одновременной полимеризацией мономеров в одной и той же операции обычно в эмульсионной форме; как результат составные мономеры объединяются в общую макромолекулу в противоположность смешению двух отдельно полимеризующихся мономеров».

В работе S. Wang and J.E.Mark, REinforcement of elastomeric poly(dimethylsiloxane) by glassy poly(diphenyl-siloxane), J. of Material Science 25 (1990), p. 66 26,8% мас. поли(дифенилсилоксана) смешивают с поли(диметилсилоксановой) сеткой для исследовательских целей. Аналогично было установлено, что имеется 6,5% мас. поли(дифенилсилоксана) в поли(диметилсилоксановой) сетке, которая была получена полимеризацией на месте. Промышленное применение не описано.

В работе C.M. Kuo and S.J. Clarson, Investigation of the Interactions and Phase Behavior in Poly(dimethylsiloxane) and Poly(methylphenylsiloxane) Blends, Macromolecules 25 (1992), p. 2193 линейный поли(диметилсилоксан) и линейный поли-(дифенилсилоксан)силоксан смешиваются в целях исследования с долей объема поли(диметилсилоксан)а до 0,93. Сшивание не описано. Промышленное применение с использованием указанных смесей не описано.

Для электрических наружных применений в странах, имеющих зимний климат, требуется, чтобы материал сохранял хорошие механические свойства до температур -50°C. Это относится, например, к изоляторам электрических устройств, которые размещаются вне помещений. В настоящее время используются фарфоровые изоляторы, механические свойства которых не изменяются значительно, когда температура падает от примерно 100°C до примерно -50°C. Фарфоровые изоляторы имеют недостатком то, что материал является хрупким. Это предполагает, в первую очередь, что, если изолятор взрывается изнутри благодаря неблагоприятным условиям, например быстрому увеличению давления, тогда в соседнюю зону могут разлетаться острые части, и, во-вторых, что при определении размеров с точки зрения механической прочности должен использоваться высокий коэффициент механической надежности. Такой фарфор имеет относительно высокую плотность, последнее означает, что фарфоровые изоляторы становятся тяжелыми. Фарфоровые изоляторы обычно также обуславливают высокую стоимость, а возможность получения заданной геометрии фарфорового изолятора требует значительного вклада в разработку материала и способа.

Цели настоящего изобретения

Главной целью настоящего изобретения является предложение силиконового каучукового материала, который выдерживает температуры до -50°C и снижает вышеуказанные недостатки прототипа.

Другой целью настоящего изобретения является получение лучших механических свойств силиконового каучукового материала в пределах значительной части используемого температурного интервала, чем до сих пор известные материалы.

Краткое описания изобретения

Вышеуказанные цели достигаются материалом, как определено в п.1 формулы изобретения. Материал согласно настоящему изобретению отличается тем, что компонент А, состоящий из полиалкилсилоксана, смешивается с компонентом В, состоящим из полиарилсилоксана. В некоторых отношениях полиарилсилоксаны имеют хорошие свойства, но являются дорогостоящими, и поэтому выгодны, также и с точки зрения стоимости является решение получать смесь. Полиалкилсилоксан в данной заявке означает органополисилоксан следующего среднего состава:

R⁰ _nSiO_(4-n)/2 ,

где R⁰ представляет собой насыщенную или ненасыщенную одновалентную углеводородную группу, и n представляет собой число в интервале от 1,98 до 2,02. Число повторяющихся звеньев может составлять от 100 до 20000. Одним примером полиалкилсилоксана является полидиметилсилоксан, который составляет главную часть материала торговой марки Powersil 318. Powersil 318 также содержит органический пероксид для сшивания.

Полиарилсилоксан в данной заявке означает полидиметилсилоксан, у которого метильные группы на главной цепи молекул замещены замещенными или незамещенными фенилгруппами согласно следующей формуле:

в которой R_n, где n представляет собой число от 1 до 5, представляет собой арил- или алкилгруппы.

Одним примером полиарилсилоксана является главный ингредиент материала торговой марки Wacker Elastosil R490/55, но для изобретения могут использоваться другие материалы фенилированного силиконового каучука. Elastosil R490/55 также содержит органический пероксид для сшивания.

Смесь 1-15 мас.ч. компонента В на 100 мас.ч. компонента А дает улучшение податливости материала при -50°C при снижении в то же самое время стоимости по сравнению с материалом, который содержит только компонент В. Эксперименты и исследования неожиданно показывают, что смесь 3-10 мас.ч. компонента В на 100 мас.ч. компонента А дает предпочтительное снижение коэффициента жесткости при -50°C, тогда как в то же самое время стоимостной выигрыш является особенно большим. Такая смесь не оказывает влияния на технологические свойства, например вязкость, при получении компонентов, что является преимуществом. Коэффициент жесткости в данной заявке означает коэффициент жесткости или так называемый динамический модуль упругости G', который измеряется прибором, называемым динамическим механическим анализатором, с общепринятой аббревиатурой ДМА (DMA). Смесь имеет вязкость по Муни ML (1+4) при 23°C согласно стандарту DIN 53523 в интервале 50-65 М.

Возможность смешения различных количеств компонента В обеспечивает возможность обеспечения технологических свойств, отвечающих требованиям заказчика, например вязкости, и механических свойств, например коэффициента жесткости.

Согласно одному варианту данного изобретения материал содержит компонент С, который является органическим пероксидом, задачей которого является сшивание компонентов А и B в смеси. Примером подходящего органического пероксида является бис-(2,4-дихлорбензоил)пероксид. Компонент С вводится в смесь в количестве 0,01-5 мас.ч. на 100 мас.ч. компонента А, предпочтительно 1-4 мас.ч. на 100 мас.ч. компонента А.

Согласно другому варианту данного изобретения для сшивания компонентов А и B в смеси используется платиновый катализатор. Примерами платинового катализатора, который может использоваться для сшивания, являются различные типы платинового комплекса, которые растворяются, например, в спирте, ксилоле, дивинилсилоксане или циклических винилсилоксанах. Одним примером такого платинового комплекса является платинакарбонил-цикловинилметилсилоксановый комплекс. Предпочтительно, может использоваться введение 0,0005-0,02 мас.ч. платинового катализатора на 100 мас.ч. компонентов (А+В).

Согласно еще одному варианту в смесь компонента А, компонента В и компонента С также может быть введен компонент D. Компонент D содержит различные типы наполнителей для достижения желаемых свойств. Для улучшения механической прочности и коэффициента жесткости могут использоваться волокнистые наполнители. В данной заявке волокнистые наполнители означают количество удлиненных частиц, где размер материала в поперечном направлении составляет меньше 0,8 мм. Примерами волокнистых наполнителей являются короткие и длинные стеклянные волокна, а также арамидные волокна. В данной заявке короткие волокна означают волокна, длина которых является короче примерно 3 мм.

Для улучшения жесткости и твердости в качестве наполнителей могут использоваться объемные наполнители. В данной заявке объемные наполнители означают частицы, размер которых в трех взаимно перпендикулярных направлениях не отличается более чем в 10 раз. Средний размер частиц составляет меньше 3 мм. Примерами объемных наполнителей являются диоксид кремния, тригидрат алюминия, кварц и оксид алюминия. Для улучшения свойств материала могут использоваться волокнистые наполнители и объемные наполнители, иные, чем указанные выше.

Предпочтительно, введение компонента D в количестве в мас.ч., которое в 0,3-2,5 раза больше количества компонентов (А+В) в мас.ч., дает хорошую жесткость материала. Предпочтительный вариант получается при введении компонента D в количестве 0,5-1,5 мас.ч. на 1 мас.ч. компонентов (А+В), что дает очень выгодную комбинацию жесткости, вязкости и стоимости.

Особенно предпочтительный материал получается, если количество компонента D (мас.ч.) составляет 0,8-1,2 раза от количества (мас.ч.) компонентов (А+В). Это дает материал, который имеет хороший коэффициент жесткости, особенно принимая во внимание необходимость электрических изоляторов с пазами, вязкость, которая делает материал легким для формования, и низкую стоимость материала.

Смесь компонентов согласно настоящему изобретению используется, в частности, для электрической изоляции.

Особенно предпочтительное использование данного изобретения относится к электрической изоляции электрического устройства для наружного применения.

Указанные выше цели достигаются способом получения силиконового каучукового материала согласно п.15 формулы изобретения.

Описание предпочтительных вариантов

Технический эффект настоящего изобретения подтверждается следующим экспериментом.

Получают материал, содержащий 100 мас.ч. Wacker Elastosil 318, который смешивают с 25 мас.ч. Wacker Elastosil R490/55 и экструдируют в плоский предмет. Смесь отверждается в печи при температуре примерно 135°C в течение примерно 1 ч. После отверждение проводят в течение примерно 6 ч. В процессе ДМА-испытания при -50°C получают коэффициент жесткости около 12 кПа.

Выводом является то, что материал согласно настоящему изобретению имеет податливость, которая примерно на 40% лучше, чем у материала, состоящего целиком из ПДМС, причем в то же самое время вязкостные свойства поддерживаются на предпочтительном уровне.

В особенно предпочтительном варианте получают материал, содержащий 100 мас.ч. Wacker Elastosil 318, который смешивают с 5 мас.ч. Wacker Elastosil R490/55 и экструдируют в плоский предмет. Смесь отверждается в печи при температуре примерно 135°C в течение примерно 1 ч. После отверждение проводят в течение примерно 5 ч. В процессе ДМА-испытания при -50°C получают коэффициент жесткости около 13 кПа.

Выводом является то, что материал согласно настоящему изобретению имеет податливость, которая примерно на 35% лучше, чем у материала, состоящего целиком из ПДМС, причем в то же самое время вязкостные свойства поддерживаются на предпочтительном уровне.

Стоимость материала является несколько более высокой, чем у материала, который целиком состоит из ПДМС, но значительно ниже, чем у материала, который целиком состоит из фенилированного силиконового каучука.

Настоящее изобретение относится к области электротехники, к изоляционным материалам, в частности к силиконовому каучуковому материалу, содержащему смесь полиалкилсилоксана (А) и полиарилсилоксана (В), которая содержит полиарилсилоксан (В) в количестве 3-10 мас.ч., на 100 мас.ч. полиалкилсилоксана. Изобретение также относится к способу получения такого материала. Указанный материал используется в широком ряду применений при низких температурах. Одно из применений такого материала относится к электрической изоляции. Указанное количество полиарилсилоксана в смеси обеспечивает оптимальное снижение коэффициента вязкости при температуре -50°С, при одновременном снижении стоимости изоляционного материала, что является техническим результатом изобретения. 5 н. и 26 з.п. ф-лы.

1. Силиконовый каучуковый материал для электрической изоляции, где указанный материал содержит смесь полиалкилсилоксана (А) и полиарилсилоксана (В), отличающийся тем, что указанная смесь содержит полиарилсилоксан (В) в количестве 3-10 мас.ч. на 100 мас.ч. полиалкилсилоксана (А).

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что указанным полиалкилсилоксаном (А) является полидиметилсилоксан.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что указанным полиарилсилоксаном (В) является полифенилсилоксан.

4. Материал по п.2, отличающийся тем, что указанным полиарилсилоксаном (В) является полифенилсилоксан.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что указанный материал содержит платиновый катализатор для сшивания.

6. Материал по п.2, отличающийся тем, что указанный материал содержит платиновый катализатор для сшивания.

7. Материал по п.3, отличающийся тем, что указанный материал содержит платиновый катализатор для сшивания.

8. Материал по п.4, отличающийся тем, что указанный материал содержит платиновый катализатор для сшивания.

9. Материал по п.1, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С).

10. Материал по п.9, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С) в количестве 0,01-5 мас.ч. на 100 мас.ч. компонента (А).

11. Материал по п.2, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С).

12. Материал по п.11, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С) в количестве 0,01-5 мас.ч. на 100 мас.ч. компонента (А).

13. Материал по п.3, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С).

14. Материал по п.13, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С) в количестве 0,01-5 мас.ч. на 100 мас.ч. компонента (А).

15. Материал по п.4, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С).

16. Материал по п.15, отличающийся тем, что указанный материал содержит органический пероксид (С) в количестве 0,01-5 мас.ч. на 100 мас.ч. компонента (А).

17. Материал по любому из пп.1-16, отличающийся тем, что указанный материал содержит наполнитель (D).

18. Материал по п.17, отличающийся тем, что указанный наполнитель состоит из волокнистого наполнителя.

19. Материал по п.17, отличающийся тем, что содержание (мас.ч.) указанного наполнителя (D) в материале является в 0,3-2 раза большим, чем содержание (мас.ч.) указанной смеси.

20. Материал по п.17, отличающийся тем, что содержание (мас.ч.) указанного наполнителя (D) в материале является в 0,5-1,5 раза большим, чем содержание (мас.ч.) указанной смеси.

21. Материал по п.17, отличающийся тем, что содержание (мас.ч.) указанного наполнителя (D) в материале является в 0,8-1,2 раза большим, чем содержание (мас.ч.) указанной смеси.

22. Материал по п.18, отличающийся тем, что содержание (мас.ч.) указанного волокнистого наполнителя в материале является в 0,3-2 раза большим, чем содержание (мас.ч.) указанной смеси.

23. Материал по п.18, отличающийся тем, что содержание (мас.ч.) указанного волокнистого наполнителя в материале является в 0,5-1,5 раза большим, чем содержание (мас.ч.) указанной смеси.

24. Материал по п.18, отличающийся тем, что содержание (мас.ч.) указанного волокнистого наполнителя в материале является в 0,8-1,2 раза большим, чем содержание (мас.ч.) указанной смеси.

25. Способ получения силиконового каучукового материала для электрической изоляции, в котором указанный материал отличается тем, что смешивают 3-10 мас.ч. полиарилсилоксана (В) и 100 мас.ч. полиалкилсилоксана (А).

26. Способ получения материала по п.25, отличающийся тем, что вводят 0,3-2 мас.ч. наполнителя (D) на 1 мас.ч. указанной смеси.

27. Способ получения материала по п.25, отличающийся тем, что вводят 0,5-1,5 мас.ч. наполнителя (D) на 1 мас.ч. указанной смеси.

28. Способ получения материала по п.25, отличающийся тем, что вводят 0,8-1,2 мас.ч. наполнителя (D) на 1 мас.ч. указанной смеси.

29. Электрический изолятор, содержащий материал по любому из пп.1-24.

30. Применение материала по любому из пп.1-24 для получения электроизоляционного материала.

31. Применение материала по любому из пп.1-24 для получения электроизоляционного материала для использования вне помещения.