Электропроводящий полимерный композиционный материал для нагревательных элементов Советский патент 1987 года по МПК H05B3/14 

Изобретение относится к области полимерного материаловедения, а имено к электропроводящим полимерным материалам .с положительным темпера- турньм коэффициентом сопротивления, содержащим полимеры-диэлектрики и высокодисперсные неорганические наполнители, и может быть использова- но для изготовления электронагрева- тельных элементов, резисторных устройств с положительным температурным коэффициентом сопротивления, применяющихся в теплонагревательных трубопроводах для сварки полимеров,

Цель изобретения - повышение удельной электропроводности и положительного температурного коэффициента сопротивления материала в области температур 150-250 Со

На чертеже приведены кривые проводимости.

Электропроводящий материал содержит политетрафторэтилен, кокс, сополимер, тетрафторэтилена с гекса- фторИРопилвном, графит и ферроцен при следующих соотношениях ингредиентов, мас,%:

Политетрафторэтилен 53-75

Сополимер

тетрафторэтилена с

гексафторпропиленом 3-7 Кокс12-20

Графит8,0-15

Ферроцен 1-5

Материал готовят из следуюшзих копонентов,

Порошок политетрафторэтилена- (фторопласт-4) представляет собой вещество белого цвета, рыхлое, волонистое, легко комкующееся при хранении. Разрушающее напряжение при растяжении 14-25 МПа, относительное удлинение при разрыве 25-50%, удельное объемное сопротивление 10 - 10 Ом-м,

Сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропилен.ом (фторопласт 4МБ марки ВН) имеет т.пл, 265-285°С разрушающее напряжение при растяжении 16-26 МПа, показатель текучести расплава при 300°С 2,0-8,0 г/10 мин. Содержание в нем гексафторпропилена 15-20 мол,%.

Кокс литейный мелкодисперсный маки КЛ-1 имеет размер частиц 10

д

0

5

0

0

5

5

0

5

7292

40 мкм, коэффициент теплопроводности 0,42 Ю Вт/м,

Графит карандашный марки 3 КА с размером частиц 10-40 мкм, коэффициентом теплопроводности 0,60-Ю Вт/м,

Ферроцен C(CFHs)2 FeJ. - твердое металлоорганическое соединение темно- красного цвета с т,ш1, ПЗ С и т.разл, 400 С,

Введение в политетрафторэтилен именно смеси наполнителей кокса, графита, ферроцена позволяет получить. .Электропроводяш;ий полимерный материал с высоким положительным температурным коэффициентом сопротивления . и удельной электропроводностью, а сочетание двух полимеров одной химической природы, но характеризующихся различной вязкостью расплава позволяет улучшить технологические качества полимерного материала, а также улучшить физико-механические показатели, например, прочность предлагаемого электропроводящего материала, его перерабатываемость в изделие и придание рабочей поверхности анти- адгезионньк свойств, обеспечивающих отсутствие налипания свариваемых материалов на нее и высокое качество сварного шва.

Как видно из приведенного чертежа графика, введение именно смеси наполнителей кокса, графита и ферроцена (кривые 1 и 2) приводит к значительному во всем исследуемом диапазоне температур увеличению проводимости предлагаемой электропроводящей полимерной композиции как минимум на два десятичных порядка по сравнению с проводимостью известной композиции (кривая 3), При сравнении кривых 1 и 2 видно, что увеличение содержания ферроцена с 1,0 (кривая 1) до 5 (кривая 2) мас,%, приводит к увеличению проводимости на один десятичный порядок, Причем композиция ферроцена с политетрафторэтиленом и сополимером тетрафторэтилена с гек- сафторпропиленом не является проводящей, а также не является достаточно проводящей и композиция, содержащая сочетание кокса и графита даже при содержании в композиции 12-20 мас,% кокса и 8,0-15,0 мае,% графита.

Пример 1,53 г политетрафторэтилена, предварительно высушенного при 100-120°С в течение 2 ч.

размолотого и просеянного через сито № 1, смешивают в вибромельнице с 7 г сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом, прдготовленных так же, как и политетрафторэтилен. Затем к смеси полимеров добавляют последовательно 20 г кокса, 15 г графита, 5 г ферроцена. Перемешивание композиции проводят после добавления каждого ингредиента в течение 30 с и после введения последнего из них - еще 2 мин.

Полученную композицию сушат при 100-12b C в течение 2 ч в сушильном вакуум-шкафу. Высушенную композицию помещают в пресс-форму и прессуют изделие при удельном давлении 30- 50 МПа. Спекают изделие в электропечи при 370+5°С в течение 2 ч. Охлаждение спеченных изделий проводят непосредственно в печи.

Исследование свойств предлагаемых материалов проводят на стандартных образцах-лопатках. Для определения удельного сопротивления предлагаемого электропроводящего композиционного полимерного материала в широкие части образца лопатки впрессовывается латунная сетка с ячейкой 0,2 мм, по всей поверхности, к которой прижимаются металлические электроды с проводниками. Подготовленный таким образом образец подключают к цифровому омметру и помещают в термокамеру, с помощью которой и производится нагрев образцов-лопаток Температура образца регистрируется с помощью термопары, помещенной в образец, и самописца. Измерения проводят в диапазоне температур 50- 250°С дискретно через 10°С с выдержкой при каждой температуре в течение 10 мин. Результаты измерений представляют собой зависимости р от Т, приведенные на чертеже,

I

Предел прочности при растяжении

определяется на лопатках при комнатной температуре на испытательной машине,

Пример 2. 75 г политетра- фторэтилена и 3 г сополимера тетрафторэтилена с гексафторпропиленом подготавливают и смешивают по примеру 1. Затем к смеси полимеров добавляют последовательно 12 г кокса, 9,0 г графита и 1,0 г ферроцена, а и полученную композицию прессуют

в изделие и определяют характеристики по примеру 1.

Испытания электропроводящего поли

мерного материала предлагаемого

состава в составе сварочного аппарата для сварки труб из полиэтилена D 160 мм показали увеличение его работоспособности 2,5-3 раза, обусловленное отсутствием терморегули- рующих устройств, а также практически полньм отсутствием налипания свариваемого материала на рабочей поверхности нагревательного элемента

за счет его высоких антиадгезионных свойств.

Увеличение или уменьшение процент ного содержания наполнителей значительно снижает служебные характеристики предлагаемого материала. Уменьшение содержания наполнителя приводит к значительному падению проводимости материала, а повышение - к снижению прочностных характеристик

материала и антиадгезионных свойств рабочей поверхности нагревателя.

Высокий положительный температурный коэффициент сопротивления ( 0,035 град,- ) при 180-250 С, а

также низкое удельное сопротивление f( Ом м при 250°С) позволяют получить на основе электропроводящего полимерного материала предлагаемого состава нагревательный элемент для сварки труб из термопластов с рабочей температурой до 250 С, При этом температура нагревателя практически не зависит от колебания напряжения электрической сети, что позволяет обходиться без стабилизирующего устройства и повьш ает надежность нагревательного элемента при работе в полевых условиях.

ормула изобретения

Электропроводящий полимерный композиционный материал для нагревательных элементов, содержащий политетрафторэтилен и кокс, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной электропроводности и положительного температурного коэффициента сопротивления, он дополнительно содержит графит, ферроцен и сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропиленом при следующих соотношениях компонентов, мас.%: Политетрафторэтилен 53-75

Сополимер тетрафтор- этилена с гекса- фторпроJ3,OM-M

-.

.«. f

X

1й:5::-«-

750 ЮО 150 200 250

Температура т; С

Редактор Е.Папп

Составитель А.Ходатаева

Техред И.Попович Корректор М.Пожо

Заказ 6304/57

Тираж 799Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно папиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

3-7

12-20

8-15

1-5

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение электропроводности и положительного температурного коэф, сопротивления. С этой целью в полимерный материал, содержащий, мас.%: политетрафторэтилен 53,0-75,0 и кокс 12,0- 20,0 введены, мас.%: графит 8,0- 15,0, ферроцен 1,0-5,0 и сополимер тетрафторэтилена с гексафторпропи- леном 3,0-7,0. Материал получают смешением компонентов, сушкой в вакуум- шкафу, холодным прессованием и спе-. канием. Испытания проводились на образцах-лопатках. 1 ил. (Л tc со