СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2018 года по МПК C08K3/04 B82B3/00 H01B1/24 

Изобретение относится к области производства изделий из композитных материалов и может быть использовано при изготовлении проводящих электрический ток композитных изделий.

Из патента №2496645 RU известен композитный материал, который включает препрег, который, в свою очередь, включает по меньшей мере два слоя электропроводящего волокнистого упрочнителя и слой полимерной смолы, расположенный между этими слоями, электропроводящие частицы, диспергированные в полимерной смоле; и верхний слой из покрытого металлом углеродного волокна, включающий дополнительный смоляной компонент, в котором металл представляет собой один или более металлов, выбранных из никеля, меди, золота, платины, палладия, индия и серебра.

Из патента 2234176 RU известен защитный экран от воздействия электромагнитного излучения и способ его изготовления. Согласно изобретению создают многослойный пакет, включающий изоляционные слои и слои, поглощающие электромагнитное излучение, выполненные из материала, в который включен измельченный шунгит, графитизированный при температуре 500-1700°C, углеродоволокнистый материал и связующее.

Из патента №2611512 RU известны композитные материалы, содержащие проводящие наполнители. Описанный в данном патенте способ получения композиции включает смешивание или диспергирование первой композиции, содержащей один или более проводящих нанонаполнителей и один или более полиарилэфирсульфоновых термопластичных полимеров, с или в одном или более предшественниках неотвержденной термореактивной смолы и отверждающих агентах. Армирующие волокна присутствуют в композите в количестве до 70 мас. %. Причем нанонаполнитель представляет собой многостенные углеродные нанотрубки и имеет покрытие или оболочку из молекул термопластичного полимера. Его массовая доля составляет от 1 до 20%.

Из патента №7354988 US известна электропроводящая полимерная композиция и метод ее изготовления. Указанную композицию приготовляют примешивая к прекурсору полимера нанотрубки. Согласно указанному патенту нанотрубки могут быть: многостенные углеродные нанотрубки, или углеродные нити, выращенные из газовой фазы, или их комбинация, а также многостенные нанотрубки или нити, которые содержат по меньшей мере два слоя графена. Кроме того, может быть использована композиция одностенных нанотрубок и металлических углеродных нанотрубок или полупроводниковых углеродных нанотрубок. Также, согласно патенту, нанотрубки могут содержать функциональные группы. Метод приготовления включает в себя перемешивание, последующую выдержку в течение до 24 часов и отжиг при температуре выше температуры стеклования полимера.

Из патента №6689835 US известна электропроводящая полимерная композиция, содержащая одностенные углеродные нанотрубки с диаметром от 0,7 до 2,4 нм и соотношением длины к диаметру около 5. Причем таких нанотрубок берут от 0,025 до 30 мас. % по отношению ко всей композиции. При этом в композицию обязательно добавляют графитовый порошок. Недостатком как этого, так и остальных аналогов является высокая вероятность неоднородного, негомогенного распределения наполнителя, что ухудшает характеристики и снижает качество продукции, особенно при изготовлении композитных изделий, в которых некоторые составляющие берутся уже полимеризованными.

Целью изобретения является изготовление изделий из композитных материалов с повышенной электропроводностью с высокой воспроизводимостью характеристик.

Цель достигается за счет того, что при изготовлении композитного изделия из стекловолокна в связующее добавляют углеродные нанотрубки с количеством стенок не более одной, диаметром до 2,5 нм и длиной от 3 мкм до 100 мкм, в оболочке из глицидинового эфира жирных кислот в количестве 0,02% от массы композитного изделия. Причем на первом этапе перемешивания углеродные нанотрубки добавляют в полной дозе к 20% по массе дозы связующего и перемешивают от 60 до 90% общего времени перемешивания, после этого добавляют оставшуюся дозу связующего и перемешивают оставшееся время. Отвердитель добавляют после перемешивания всей дозы связующего с дозой углеродных нанотрубок. Далее, после стандартной операции намотки и формования изделия, проводят отверждение при температуре от 18 до 20°C.

За счет использования указанных нанотрубок достигается повышенное значение электропроводности при малом количестве этого функционального наполнителя. За счет использования оболочки из глицидинового эфира жирных кислот, а также поэтапного перемешивания в связующем, достигается однородность распределения наполнителя. За счет стабильности температуры отверждения исключается агломерация наполнителя.

Осуществление изобретения

В качестве экспериментального образца была изготовлена обечайка диаметром 600 мм, длиной 1 м, толщиной стенки 8 мм. Для приготовления связующего в ведре объемом 15 л взвесили 3 кг полиэфирной смолы Ashland М 105 ТВ (20 мас. %), добавили 100 г углеродных наночастиц TUBALL MATRIX 204 в качестве наполнителя, и перемешивали в течение 20 мин при 1800 об/мин с помощью дрели до полного разбавления наполнителя. Далее добавили еще 12 кг смолы М 105 ТВ и перемешивали еще в течение 5 мин при 1800 об/мин. После разбавления добавили еще 30 г отвердителя Бутанокс М 50 и перемешали.

Готовое связующее поместили в ванну, через которую пропускали стекловолокно (прямой ровинг EDR 17-2400-SILANE). Намотка опытного образца проводилась в штатном режиме. Ровинг при намотке укладывался послойно, чередуясь с однонаправленной стеклотканью плотностью 400 г⋅м² (в соотношении 4 к 1. 4 полных прохода ровингом 1 полный проход лентой) до толщины стенки 8 мм. Отверждение образца проводилось при температуре 18-20°C в течение 12 часов.

Измерение сопротивления проводилось при напряжении 50 В цифровым измерителем сопротивления АРРА 605.

Электроды прикладывались в обхват емкости и фиксировались с помощью зажимов. Расстояние между электродами составило 50 см. К алюминиевым электродам подключен цифровой измеритель сопротивления АРРА 605.

В результате экспериментальных работ получена электропроводящая емкость с сопротивление 5×10⁴ Ω⋅см. Полученный уровень сопротивления позволяет отнести данное изделие к классу электропроводящих материалов.

Примеры осуществления изобретения

Изобретение относится к области производства изделий из композитных материалов и может быть использовано при изготовлении проводящих электрический ток композитных изделий. Описан способ изготовления электропроводящих изделий из волокнистого композитного материала, включающий намотку стекловолокна, смоченного смесью связующего на основе полиэфирных смол, отвердителя и наполнителя, и последующее отверждение, в котором в качестве наполнителя в смесь добавляют углеродные нанотрубки с количеством стенок не более одной, диаметром до 2,5 нм и длиной от 3 мкм до 100 мкм, в оболочке из глицидинового эфира жирных кислот в количестве от 0,01% до 0,04% от массы композитного изделия, причем на первом этапе перемешивания углеродные нанотрубки добавляют в полной дозе к 20% по массе дозы связующего и перемешивают от 60 до 90% общего времени перемешивания, после этого добавляют оставшуюся дозу связующего и перемешивают оставшееся время, а отвердитель добавляют после перемешивания всей дозы связующего с дозой углеродных нанотрубок, после стандартной операции намотки и формования изделия проводят отверждение при температуре от 18 до 20°C. Технический результат: получены изделия из композитных материалов с повышенной электропроводностью с высокой воспроизводимостью характеристик.

Способ изготовления электропроводящих изделий из волокнистого композитного материала, включающий намотку стекловолокна, смоченного смесью связующего на основе полиэфирных смол, отвердителя и наполнителя, и последующее отверждение, отличающийся тем, что в качестве наполнителя в смесь добавляют углеродные нанотрубки с количеством стенок не более одной, диаметром до 2,5 нм и длиной от 3 мкм до 100 мкм, в оболочке из глицидинового эфира жирных кислот в количестве от 0,01% до 0,04% от массы композитного изделия, причем на первом этапе перемешивания углеродные нанотрубки добавляют в полной дозе к 20% по массе дозы связующего и перемешивают от 60 до 90% общего времени перемешивания, после этого добавляют оставшуюся дозу связующего и перемешивают оставшееся время, а отвердитель добавляют после перемешивания всей дозы связующего с дозой углеродных нанотрубок, после стандартной операции намотки и формования изделия проводят отверждение при температуре от 18 до 20°C.