АНТИСТАТИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ПОВЕРХНОСТЬ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКА Российский патент 2024 года по МПК C09D5/24 C09D7/61 C09D201/00 C08K3/04 B82Y30/00 

Изобретение относится к композициям веществ, образующих при их нанесении на поверхности изделий с диэлектрической основой электропроводные защитно-декоративные покрытия.

Антистатическая композиция веществ может быть использована в производстве конструкционных полимерных композиционных материалов (далее ПКМ), в частности, стеклопластиков и изделий из них с антистатическими свойствами их поверхности для работы во взрывоопасных средах на предприятиях нефтехимической, химической, газовой, угольной и других отраслях промышленности.

Термины с соответствующими определениями, используемые в данном контексте на протяжении всего описания, включая формулу изобретения:

Под термином «композиция веществ» следует понимать смесь из двух или более компонентов, в которой каждый из компонентов равномерно распределен среди остальных.

Под термином «стеклопластик» следует понимать ПКМ, обычно состоящий из наполнителя, в качестве которого используется материал из стекловолокнистого материала в виде нитей, жгутов, ровингов, матов, тканей, лент или в каком-либо другом виде, и полимерного связующего.

Под термином «гелькоут» следует понимать неармируемый гелеобразный состав, представляющий собой полимерную смолу с добавлением различных связующих компонентов, наполнителей и цветных пигментов, используемый для создания декоративно-защитного покрытия на изделиях из ПКМ и которое является, как и само изделие, диэлектриком.

Под термином «волокно» следует понимать природное или искусственное протяженное гибкое тело с очень малыми поперечными размерами (микрон) ограниченной длины, представляющее собой единичный неделимый элемент. Наибольшее распространение для создания ПКМ получили стеклянные, углеродные, борные и органические волокна.

Под термином «углеродное волокно» следует понимать материал, состоящий из тонких нитей диаметром от 3 до 15 микрон, образованных практически полностью атомами углерода, которые объединены в микроскопические кристаллы, выровненные параллельно друг другу.

Под термином «одностенная углеродная нанотрубка» следует понимать свернутый в трубку графеновый лист толщиной в один атом углерода. Такие нанотрубки обладают повышенной электропроводностью и прочностью.

Для всех изделий, изготавливаемых из стеклопластика, характерен процесс накопления электрических зарядов на их поверхности, т.к. он является материалом с низкой электропроводностью и большим поверхностным электрическим сопротивлением (10¹⁴-10¹⁸ Ом.) т.е. изделия из него не обладают антистатическими свойствами и представляют собой серьезную угрозу на производственных объектах, где возможны образования пыле-, паро-, газо-воздушных взрывопожарных смесей, так как создают вследствие искрообразования при разрядах пожарную опасность.

Одним из возможных вариантов использования стеклопластика во взрывоопасной среде является придание антистатических свойств поверхности изделий, изготавливаемых из них.

Согласно ГОСТ 3 1613-2012 «Электростатическая искробезопасность» изделия из неметаллических материалов соответствуют требованиям электростатической искробезопасности (см. пункт 4.8.1) если удельное поверхностное электрическое сопротивление, измеренное при температуре (23+-2)°С и относительной влажности воздуха (50+-5)% не превышает 10⁹ Ом.

При оценке антистатических свойств изделий из стеклопластика указанное значение удельного поверхностного электрического сопротивления было взято нами в качестве максимального параметра, соответствующего требованиям электростатической безопасности.

Из предшествующего уровня техники известна композиция веществ, применяемая при изготовлении изделий из стеклопластика с антистатическими свойствами поверхности, раскрытая в патенте RU 2613510, C08J 5/08, C08L 67/00, В29С 70/34 и опубликованном 13.10.2015 г, характеризующаяся тем, что она изготавливается из гелькоута с добавлением токопроводящего рубленого ровинга из стеклонити с длиной волокон 0,01-6 мм и алюминиевой пудры.

Недостатком данного способа изготовления изделий из стеклопластика с антистатическими свойствами поверхности является то, что для придания антистатических свойств гелькоуту в него вводятся рубленый ровинг из стеклонити с длиной волокон 0,01-6 мм и алюминиевая пудра.

Ровинг из стеклонити, как известно, является диэлектриком и вследствие этого не может при его введении в гелькоут придать антистатические свойства композиции веществ.

Из научно-технических данных известно, что введение в полимер порошков металлов (Al, Ni, Zn, Au, Ag и т.д.) необходимая электропроводность достигается только при их высоких концентрациях, поскольку на поверхности частиц из доступных металлов в большинстве случаев присутствует окисная пленка, препятствующая переносу носителей электрических зарядов между частицами наполнителя.

Для получения достаточной проводимости должна быть достигнута относительно большая концентрация порошков металла по объему в гелькоуте.

Как правило, электропроводное защитно-декоративное покрытие получается из композиции, содержащей 100 мас. ч. гелькоута и до 30 мас. ч. порошка металла.

Добавление такого количества алюминиевого порошка ухудшает структуру гелькоута, приводит к хрупкости полученного покрытия, и, как следствие, ведет к преждевременному его разрушению в процессе эксплуатации и невозможности дальнейшего применения его по назначению.

Введение в гелькоут рубленого ровинга из стеклонити в виде отрезков длиной до 6 мм и алюминиевой пудры до 30 мас. ч. вызывает также нежелательный эффект, как повышение вязкости композиции. Вследствие этого возрастают технологические трудности нанесения ее на поверхность матрицы. От остатков захваченного при перемешивании вязкой композиции воздуха, который распределяется и остается в виде локальных включений в структуре композиции, повышается пористость покрытия, что отрицательно сказывается на его механических и декоративных характеристиках.

Недостатком известного способа является также отсутствие сведений о количестве вводимой добавки в гелькоут, что не позволяет изготавливать изделия с антистатическими свойствами их поверхности без дополнительных исследований.

Наиболее близкой к заявляемой композиции веществ по технической сущности и решаемой задачи в предлагаемом изобретении является композиция веществ, применяемая при изготовлении стеклопластиковых изделий с низким значением поверхностного электрического сопротивления по патенту RU 2528840, В29С 67/24, В29С 69/00, В29В 13/00 от 16.07.2013, характеризующаяся тем, что она состоит из гелькоута с добавлением в него токопроводящих углеводородных волокон.

В патенте нет единообразия в трактовке основополагающих базовых понятий и терминов в рассматриваемом предмете деятельности, что является причиной разночтения, недопонимания- в патенте, например, технически неправомерно использован термин « углеводородное волокно».

Углеводородного волокна, которое упоминается в формуле патента, в природе и технике нет. Есть углеводороды- органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода. Углеводородами могут быть газы (например, метан и пропан), жидкости (например, гексан и бензол), воски или легкоплавкие твердые вещества (например, парафин или нафталин) или полимеры (например, полипропилен, полиэтилен и полистирол).

С учетом вышесказанного, в патенте RU 2528840, В29С 67/24, В29С 69/00, В29 В 13/00 от 16.07.2013 в его формуле термином «углеводородное волокно» неверно обозначены отрезки рубленой углеродной конструкционной нити.

Придание антистатических свойств изделиям достигается, с учетом вышесказанного относительно термина «углеводородное волокно» и текста описания патента, добавлением в гелькоут рубленой нити углеродной конструкционной УКН-5000 или УКН-М-6К толщиной от 10 до 100 мкм и длиной 0,8-5 см.

Так же, как и при добавлении в гелькоут порошков металлов, необходимая электропроводность в данном случае достигается только при высоких концентрациях рубленой углеродной конструкционной нити, поскольку она аппретирована (см. ГОСТ 28008-88. Нить углеродная конструкционная. Технические условия.), что препятствует переносу носителей электрических зарядов между отрезками нити.

Введение в гелькоут рубленой нити в виде отрезков длиной до 5 см вызывает также повышение его вязкости и, как следствие, технологические трудности его приготовления и нанесения на поверхность матрицы.

Так как толщина слоя гелькоута не должна превышать 0,6-0,8 мм, а длина хаотично расположенных углеродных волокон составляет 0,8- 5 см, то поверхность изделия при применении такой композиции получается, что отмечено автором патента, как бы исчерченная черными штрихами, что отрицательно сказывается на потребительских свойствах изделия.

Недостатком известной композиции также является отсутствие сведений о массовом соотношении в ней гелькоута и рубленой углеродной нити, что не позволяет изготавливать стеклопластиковые изделия с антистатическими свойствами их поверхности без дополнительных исследований.

Задача, на решение которой направленно заявленное техническое решение, заключается в расширении арсенала технических средств в данной области, а также совершенствовании содержания и приготовления антистатической композиции веществ за счет уменьшения объема антистатического наполнителя в ней, снижения ее вязкости и тем самым упрощении технологии нанесения ее на формообразующую поверхность матрицы.

Техническим результатом, на достижение которого направлена предлагаемое изобретение, является получение композиции веществ с улучшенными антистатическими свойствами, отвечающей современному уровню производства ПКМ, упрощение технологии приготовления антистатической композиции, улучшению потребительских свойств изделий.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается за счет того, что при изготовлении стеклопластиковых изделий предлагается использовать антистатическую композицию веществ для нанесения покрытий на их поверхность на основе гелькоута, содержащую антистатическую добавку, характеризующуюся тем, что в качестве последней она содержит одностенные углеродные нанотрубки при следующем соотношении компонентов, мас. ч.: гелькоут 100, одностенные углеродные нанотрубки 0,2-0,5.

Проведенный анализ различных способов получения электропроводящих покрытий и применяемых для этого антистатических добавок (порошков металлов, углеродистых материалов, представляющих собой сажу, активированный уголь, графитовый порошок, технический углерод (сажа), графитированное волокно, углеродные фибриллы, фибру и др. наполнителей) при изготовлении изделий из стеклопластика показал, что для создания электропроводного покрытия на них наиболее эффективно применение дисперсных частиц наноразмеров (нм = 10^-9 м) углеродной природы, в частности, одностенных углеродных нанотрубок, производство которых размещено в г. Новосибирске, РФ, и они доступны в продаже.

Авторами был выполнен ряд экспериментов, в результате которых было выбрано оптимальное соотношение в композиции веществ массовых частей гелькоута и сверхнизкой концентрации одностенных углеродных нанотрубок. Определено, что устойчивые антистатические свойства наносимая на поверхность изделия композиция приобретает при содержании в ее составе компонентов, мас. ч.: гелькоут 100, антистатическая добавка в виде одностенных углеродных нанотрубок 0,2-0,5.

Предпочтительный пример приготовления композиции веществ с антистатическими свойствами по заявляемому изобретению и получения покрытия осуществляется следующим образом.

Композиция веществ с антистатическими свойствами получается путем смешивания при комнатной температуре и атмосферном давлении гелькоута с добавлением одностенных углеродных нанотрубок.

В количествах (от 1 кг) композицию готовят механическим способом в диссольверах. Небольшое количество (до 1 кг) композиции готовится в любой подходящей емкости с перемешиванием при помощи средств малой механизации или вручную. Основное требование к объему порции- использование ее в течение 20 минут.

Взвешивание и дозирование компонентов производят на весах с погрешностью измерений не более 2%. Берется и отмеряется в емкость для смешивания гелькоут необходимого цвета в необходимом количестве и добавляется к нему при перемешивании порошок одностенных углеродных нанотрубок (пропорция для смешивания берется на100 мас. ч. гелькоута 0,2-0,5 мас. ч. порошка одностеных углеродных нанотрубок), причем порошок засыпают постепенно при постоянном перемешивании до достижения однородности цвета без комочков и сгустков. Тщательно перемешивается смесь по стенкам и дну емкости

Композиция готова к применению и для получения антистатического покрытия на поверхности изделия из стеклопластика она наносится первым слоем на формообразующую поверхность матрицы кистью, пульверизатором или комбинируя эти приемы, толщиной не более 0,5-0,8 мм.

Выдерживают нанесенную композицию при комнатной температуре не менее 20 минут до отлипа, а затем приступают к формованию изделия в соответствии с принятой технологией его изготовления.

После выдержки на матрице при комнатной температуре отформованного изделия не менее 2 часов, оно извлекается из матрицы.

Поверхность извлеченного из матрицы изделия, примыкающая к формообразующей поверхности матрицы, после отверждения имеет защитно-декоративное покрытие цвета примененного исходного гелькоута. Композиция веществ обеспечивает получение покрытия с повышенной устойчивостью к воздействию окружающей среды, механическим и химическим воздействиям. При этом покрытие обладает высокими эстетическими характеристиками поверхности в части укрывности, гладкости, блеска, отсутствием наличия пор и вкраплений, а, главное, с удельным поверхностным сопротивлением менее 10⁹ Ом.

Эффективность антистатических свойств получаемого покрытия оценивали по величине удельного поверхностного сопротивления на тестируемых изделиях, таких как стеклопластиковые лопасти для рабочих колес вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения, стеклопластиковые кожуха для контрольно-измерительных приборов, поставляемые на предприятия ПАО «Газпром», ПАО «СИБУР Холдинг».

Измерения удельного поверхностного сопротивления покрытий на изделиях проводили в соответствии с ГОСТ Р 50499-93 (МЭК 93-80) «Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения удельного объемного и поверхностного сопротивления».

Экспериментальные данные свидетельствуют, что предлагаемая антистатическая композиция веществ, содержащая состав компонентов, мас. ч.: гелькоут 100, антистатическую добавку в виде одностенных углеродных нанотрубок 0,2-0,5 имеет стабильный антистатический эффект, полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемыми ГОСТ 31613-2012 «Электростатическая искробезопасность» пункт 4.8.1. к изделиям из неметаллических материалов.

Изготовление композиции веществ с антистатическими свойствами, изложенное в предлагаемом изобретении, является простым, экономичным и может быть реализовано с помощью известных технических средств, технологий и материалов, дает новый положительный эффект, соответствующий критерию «промышленная применимость».

Изобретение может быть использовано при изготовлении электропроводных защитно-декоративных покрытий на стеклопластике. Предложена антистатическая композиция для нанесения покрытий на поверхность изделий из стеклопластика на основе гелькоута, содержащая антистатическую добавку. В качестве антистатической добавки используются одностенные углеродные нанотрубки в количестве 0,2-0,5 мас.ч. на 100 мас.ч. гелькоута. Изобретение позволяет увеличить антистатические свойства покрытия на основе гелькоута.

Антистатическая композиция веществ для нанесения покрытий на поверхность изделий из стеклопластика на основе гелькоута, содержащая антистатическую добавку, характеризующаяся тем, что в качестве антистатической добавки она содержит одностенные углеродные нанотрубки при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: гелькоут 100, одностенные углеродные нанотрубки 0,2-0,5.