Способ испытания на электропроводность полимерных композиций Советский патент 1985 года по МПК G01N27/02 

1 Изо |ретение относится к методам испытаний пластмасс, в частности к испытаниям на электропроводность тер мопластичных электропроводящих полимерных композиций путем измерения и.х удельного объемного электрического сопротивления, и может быть использо вано для выбора оптимальных режимов переработки указанных материалов с целью получения изделий с требуемой величиной электрического сопротивления . Известно, что удельное объемное электросопротивление одного и того ж полимерного материала существенно ме няется в зависимости от условий пере работки. Так, удельное объемное элек росопротивление полиэтилена высокого давлекня (ПЭВД), содержащего в качес ве электропроводящей добавки сажу, колебалось от 1,4-10 Ом см для образа, полученного экструзией, до 1 ,5 10 Ом.см для образца, полученного литьем под давлением lj . Такой большой разброс в характериетяках диктует необходимость созд ния метода испытаний на электропроводность полимерных материалов, в к тором осуществлялся бы способ измер электросопротивления в состоянии близком к тому, которое реализуется в Продессах переработки материалов в изделия. Процессы переработки (формирования) электропроводящих полимерных композиций включают в себя прессова ние, экструзию, литье под давлением калавдрование и т.п. Как правило, все эти процессы происходят в расплавленном состоянии, и в большинст ве из них имеют место деформация и течение расплавов полимерных материалов 2 . . Однако в существуюн91х методах ис пытания на электропроводность этот фактор не учитьшается. Известен способ измерения электрического сопротивления термопласти ных электропроводящих полимерных ко позиций при комнатных температурах, включающий плотное закрепление мета лических электродов на поверхности плоского полимерного образца путем запрессования в образец, вакуумного напыления или приклеивания, приложения к электродам разности потенци алов и измерения электросопротивления з . Величина удельного объемно го электрического сопрс)тивле} ия i9y рассчитывается по формуле f,-, Ом-см (1) Где R j - показатель измерительного прибора. Ом; F - плошадь изм€фительного электрода, см ; d - тoлщJiнa образца, см. Образец получен прессованием в условиях, обычных для изготовления плоских образцов того или иного полимера. Недостатком этого способа является то, что с его помощью невозможно получить значения электрического сопротивления композиций, отвечающих разным способам и различным режимам переработки. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является способ испытания на электропроводность полимерных композиций путем измерения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов 4 . Используемые электроды имеют форму плоских,дисков и располагаются в закрытой термостатируемой камере. Удельное объемное электрическое сопротивление полимерной композиции рассчитывают по формуле (1). Известный способ позволяет определить электропроводность расплавов электропроводящих композиций, однако он не дает возможность провести испытание на электропроводность расплавов электропроводящих полимерных композиций при различных условиях переработки. Цель изобретения - повьшение качества испытаний полимерных композиций на электропроводность путем приближения условий испытания к условиям переработки. I Поставленная цель достигается тем, что согласно способу испытания на электропроводность полимерных композиций, предназ-наченных для переработки в изделия, путем определения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов, в испытуемом образце одновременно с измерением создают однородную деформацию 3 сдвига со скоростью сдвига от Ю10 спутем вращения одного из элек родов, при этом один из используемых электродов плоский, а другой с конус ной поверхностью с углом при основании, лежапр м в пределах от 15 до 5. На чертеже схематически показано устройство, реализующее предлагаемый способ. Устройство содержит электрод 1, имеющий форму плоского диска диаметром D и электрод 2 в виде диска, рабочая поверхность которого имеет коническую форму с усеченной вершиной, между которыми размещают во время ис пытаний образец 3, а также измерительный прибор 4, электронагреватель ную печь 5 и штатив 6 для перемещени и фиксации электрода 2.Конусы с угла ми при основании менее 15 не могут быть использованы вследствие экспери ментальных трудностей при точном установлении столь малого зазора между конусом и плоскостью, а также малого объема образца. Конусы с углом конус ности более 5 также не могут быть ис пользованы, так как при этом не соблюдаются условия однородности деформации в объеме испытуемого материала Электроды должны быть размещены отно сительно друг друга так, чтобы вообр жаёмая верщина усеченного конуса находилась на поверхности электрода 1. Для перемещения электрода 2 в вертикальном направлении и его фиксации служит штатив 6. Между электродами размещен образец 3 электропроводящей полимерной композиции. Электронагревательная печь 5 обеспечивает нагрев образца и электродов до температуры испытаний и ее поддержание во время измерений. Один из электродов приводят во вращение с определенной постоянной скоростью, при этом в образце создается однородное поле деформации сдвига. Для испытаний используют прессо- . ванные, литые или вальцованные образцы в форме диска диаметром D и толщиной 0,8-1,0 мм. Измерение проводят при температуре переработки полимерных композиций, которая должна быть не ниже температуры плавления (температура текучести), но не выше ее температуры разложения. Образец помещают мезвду электродами, нагревают до температуры испытаний и опускают электрод 2 так, чтобы 284 воображаемая вершина конуса находилась на поверхности плоского диска. После этого электрод 1 приводят во вращение с заданной скоростью, на электроды подают напряжение и измеряют сопротивление RX-. деформируемого расплава композиции с помощью измерительного прибора 4, например тераомметра. Удельное объемное сопротивление PY рассчитьшают по формуле-иК,-) . Ом-см1 (2) Установив другую скорость вращетая, повторяют измерение при другой скорости деформации сдвига. Проведя ряд испытаний и определив значения удельного объемного сопротивления при различньк значениях скорости деформации сдвига, можно с высокой достоверностью выбрать условия переработки композиции (температуру и определенную скорость деформации сдвига), необходимые для получения изделий с заданными значениями удельного объем ного сопротивления. Измерения проводят при скоростях деформации сдвига 1 . Проведение измерений при скоростях деформации сдвига менее 10 с нецелесообразно, вследствие того ,что низкие скорости деформации сдвига не применяются в процессах переработки полимеров , так как они экономически невыгодны. Измерения при скоростях деформации сдвига свьш1е 1 с невозможны из-за наступления режима неустойчивого течения расплава композиций, при котором образец отрывается от поверхности электродов, а измеряемые величины электрического сопротивления имеют завьш1енные значения вследствие плохого контакта мезеду электродами и расплавом композиции (контрольные примеры 5.6 и 6.8). Пример 1. Исследовалась поимерная КОМПОЗИЦИИ-, включающая ПЭВД с плотностью 0,919 г/см и показатепем текучести расплава (ПТР) 19г/ 10 мин (марка 10802-020 по ГОСТ 16337-77) и 12 мас.% сажи с удельной юверхностью 95 м /г и насьшной плотностью 240 кг/м (марка ПЮ-100В). бразец изготовили прессованием при 160 С, давлении 25 кгс/см, времени вьщержки под давлением 10 мин. Образец диаметром 2,5 см и толщиной 1 мм помещали между электродами диаметром 2,5 см, угол конусности tX 2°13. Сиетему нагревали до 150°С. Электрод 1 вращали со скоростью 198- 10 об/с, что обеспечивало скорость деформации сдвига в зазоре между электродами равную 3,2-10 . На электроды подавали напряжение 10 В. Сопротивление образца измеряли с помощью терао метра марки Е16-13А, оно равнялось 1 ,5-10 Ом. Удельное объемное сопротивление рассчитывали по формуле (2) 3,Н- 1,5-10 2j,5 , , щи п р..„.л..-.3,1.10 Ом.см П р и м е р 2. Исследовалась поли мерная композиция, содержащая ПЭВД с плотностью 0,919 г/см и ПТР 2,1 г/ /10 мин (марка 15803-020 по ГОСТ 16337-77) и 12 мас.% сажи ПМЭ-100 В. Условия опыта аналогичны примеру 1, - но температура испытаний 170°С, скорость вращения электрода 2-10 об/с скорость деформафи сдвига 3,2 -КГ с сопротивление образца 1,1-10 Ом, удельное объемное сопротивление 1 -10 От.см. П р и м е р 3, Исследовалась поли мерная композиция, содержащая полиэтилен низкого давления (ПЭНД)с плот ностью 0,951 г/см и ПТР 4,3 г/10 ми (марка 209-01 по ГОСТ 16338-77) и 15 мас.% сажи ПМЭ-ЮОВ. Условия испы тагия аналогичны примеру 1, скорост вращение электрода 7,9 ,ско рость даф .рмации сдвига 1,28-10 с Сопротивление образца 4,1«10 Ом, удельное объемное сопротивление 8,5 ИО Ом-см.. П р и м е р 4. Исследовалась пол мерная композиция,включающая ПЭБД марки 10802-020 и 20 мас.% сажи ПМЭ ЮОВ. Услоаг я испытания аналогичны .гркмеру 1. Результаты испытания представлены в табл. 1 . П р и м е р 5. Исследовалась пол мерная композиция, включающая ИЭВД марки 15803-020 и 20 мас.% сажи ПМЭ ЮОВ. Условия испытания аналогичны примеру 2. Результаты испытания представлен в табл. 2.

П р и м е р 6. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭНД 55 марки 209-01 и 20 мас.% сажи марки ПМЭ-100Б. Условия испытания аналогичны примеру 2. Испытания проводиПример 11. Исследовалась полимерная композиция, содержащая сополимер 85% мол. этилена, 15% мол. бутилена и 19 мас.% сажи марки ПМЭЮОВ. Опыт проводили аналогично прились с 8 различными скоростя1-ш вращения электрода. Результаты испытаний приведены в табл 3. Пример 7. Исследовалась по IИ fepнaя композиция, включающая ПЭВЛ марки 10802-20 и 20 мас.% сажи с удельной поверхностью 100 м /г и насыпной плотностью 330 кг/м (марка ИМ-100). Условия опыта аналогичны примеру 1. Скорость вращения электрода , скорость деформации сдвига 1,0-10 с , сопротивление образца 2,010 Ом, удельное объемное сопротивление 4,210 Ом-см. П р и м е р 8. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭНД марки209-01 и 30 мас.% сажи марки ПМЭ-ЮОВ. Условия опыта аналогичны примеру 2. Скорость вращения электрооб/с, скорость деформации да 2,0 сдвига 3,2- . с , сопротивление образца 2,1-10 , удельное объемное сопротивление 4,410 Ом-см. П р и м е р 9. Исследовалась полимерная композиция, содержащая ПЭНД и 27 мас.% сажи марки ПМЭ-ЮОВ, полученная полимеризацией этилена в присутствии катализатора Циглера-Натта, нанесенного на поверхность сажи при 40°С в присутствии 20 мас,% водорода. Условия опыта аналогичны примеру 1, но температура испытания 160°С, скорость вращения электрода , скорость деформации сдвига 1,, сопротивление образца 60 Ом, удельное объемное сопротивление 1,310 ОмСМ. Пример 10. Исследовалась полимерная композиция, содержащая полистирол и 16 мас.% сажи с удельной поверхностью 95 и насыпной плотностью ЗЮ кг/м (марка ДГ-100), полученная полимеризацией стирола в присутствии инициирующей системы, нанесенной на поверхность сажи, при 70 С. Условия опыта аналогичны примеру 1, но температура испытания 200 С, скорость вращения электрода 75910 об/с, скорость деформации сдвига 1,28 10 с сопротивление образца 4,540 Ом, удельное объемное сопротивление 9,440 Ом см. меру 1, скорость вращения электрода об/с, скорость деформации 6,25 сдвига 1,0 -10 с с , сопротивление об разца 4,5.-10 Ом, удельное объемное сопротивление 9,45-10 Ом-см. П р и м е р 12. Исследовал| ПЭВД марки 209-01 по ГОСТ 16338-77 (плотность 0,951 г/см, ПТР-4,3 г/10 мин) содержащий 25 мас.% сажи ПМЭ-ЮОВ (удельная поверхность 95 мг/г, насып ная плотность 24,0 кг/м). Температура испытания 150 С. Электроды - ко нус с углом при основании 15 и плоскость диаметром 2,5 см. Скорость вра щения электрода 2.10 об/с, скорость деформации сдвига 2,9- , сопротивление образца 3 10 Ом, удельное объемное сопротивление 6,0-10 Ом-см Пример 13. Исследовали ПЭНД марки 209-01 по ГОСТ 16338-77 (плотность 0,951 г/см, ,3 г/10 мин, содержащий 15 мас.% сажи ПЮ-100В (удельная поверхность 95 кг/г, насьш ная плотность 240 кг/м ). Температура испытания 150°С. Электроды - кону с углом при основании 5 и плоскость диаметром 2,5 см. Скорость вращения электрода 210 об/с, скорость деформации сдвига 1,410с , сопротивление образца 2,4 10 Ом, удельное объемное сопротивление 4,8-10 Ом- см. Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ применим к определению удельного объемного сопротивления до 10 Ом.см любых термопластичных электропроводящих полимерных композиций. При этом при изменении скорости вращения электрода можно изменять скорость деформации сдвига от IO-до 1,0 с Превьпиение скорости деформации сдвига выше 1,0 с приводит к неустойчивому течению расплава композиции, вызывает резкое возрастание сопротивления расппава вследствие частичного отрыва образца от поверхности электрода (контрольные примеры 5.6 и 6.8). По данным измерений каждой композиции можно определить условия переработки (скорость деформации сдвига и температуру) для получения изделий с заданным значением удельного объемного сопротивления. Т а б л и ц а 1

СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛШЖРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, предназначенных для переработки в изделия, путем измерения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов, отличающийс я тем, что, с целью повышения качества испытаний путем приближения к условиям переработки, в испытуемом образце одновременно с измерением создают однородную деформацию сдвига со скоростью сдвига 1 путем вращения одного из электродов, при этом один из используемых электродов плоский, а другой с конусной поверхностью с углом при основании, лежащим в пределах от 15 до 5°

Таблица 2