Электропроводящая композиция Советский патент 1981 года по МПК C08L63/00 H01B1/04 

1

Изобретение относится к области получения композиционных материалов с электропроводящими свойствами на основе углеродных волокон и эпоксидных смол. .

Композиционные материалы, усиленно разрабатываекше в последние годы, привлекают широкое внимание, поскольку их применение обеспечивает возможность удовлетворения качественно новых требований, возникающих при конструировании машин и аппаратов. Среди КОМП0341ЦИОННЫХ материалов следует выделить компоненты на основе углеродных волокон, поскольку такие волокна являются наиболее перспективными наполнителями, придающими композициям высокие физико-механические и д1ругие технически Ъесжные свойства. К числу распространенных композиций на рснове углеродных волокон и полимерных связующих относятся электропроводящие композиции.

Известны углепластики, используёмые в электромашиностроении-; гальванотехнике , электротермических устройствах l.

Наиболее близкой к предлагаемой является композиция на основе эпоксидной диановой смолы и железосодержгццего углеродного волокна f2j.

Однако из-за бысокой .реакционной способности железа по отношению к килотам композиция с железосодержащим углеродным волокном в кислых средах теряет свою, массу вследствие растворения железа и резко возрастает уделное объемное сопротивление.

Цель изобретения - повышение кислтостойкости материала.

Эта цель достигается тем, что в композицию на основе эпоксидной диановой смолы или циклоалифатической эпоксидной смолы вводят в качестве наполнителя свинец-или цирконий или титансодержащее углеродное волокно при следующем соотношении компонентов, вес. ч: эпоксидная диановая смола или циклоалифатическая эпоксидная смола 100,металлсодержащее (свинец- или цирконий-, или титан-7 углеродное волокно 40-100.

Свинец-, цирконий-, -т гт ансодержащие углеродные волокна в составе композиции выполняют одновременно две функции: армирующего наполнителя и отвердителя эпоксидной смолы и тем самым расширяется ассортимент углеродных волокистых отвердителей эпоксидных связуюих,Введение в состав композиции свиец-, цирконий- или титансодержащих глеродных волокон позволяет повысить е кислотостойкость,долговечность экплуатации в различных активных ере- , ах, термостойкость. Композиция на основе свинецсодержащего углеродного волокна устойчива в сильнокислотной среде: выдержка ее в концентрированных и разбавленных растворах соляной ,и серной кислот при комнатной температуре в течение года не приводит к существенному изменению массы композиции и изменению электропроводности. Предлагаемый электропроводящий материал имеет удельное объемное элек- 5 .тросопротивление 26,8-4 ,910 ОМСИ,. прочность на сжатие до 620 кгс/см при низкой плотности до 1,25 г/см . Композиция характеризуется высокой термостойкостью - при нагревании ее 20 на воздухе до не происходит потери массы, а при 300 потеря массы достигает 10%.

Пример, Отрезки свинецсодержащего углеродного волокна дли- 25 ной 1-2 мм вносят в эпоксидную смолу, разогретую при ,смесь тщатель-: но перемешивают. Состав композиции, вес. ч.:,

Эпоксидная смола ЭД-2О 100 чл Свинецсодержащее углеродное волокно содержащее свинца в волокне в расчете

на металл 32 вес.% 40 ,Из полученного состава формуют изделие заданной формы, например, блок / в виде куба с размером грани 20 мм . Отверждение композиции проводят при 190 в течение 7 ч. Полученный композиционный материал характеризуется 40 следующими показателями: Удельное объемное электросопротивление, ОмСМ26,8

Прочность на ежа-45

тие, кгс/см 620

Плотность, определенная методом гидростатического взвешивания,50 1,18

Коэффициент линейного - термического расшире- ния, град-25,3.10

Термическая устой-ее

чивость на воздухе,°С250 Исследование устойчивости отверж денной композиции в концентрированной соляной кислоте при комнатной температуре в течение 360 сут показа- О ло, что за время испытания не наблюдалось изменений в электросопротивлении и потере веса. Аналогичные результаты получены при испытании ком позиции в тече1|ие 12 мес в 20%- и 65

растворах соляной кислоты. Проведены также испытания устойчивости отверждениой композиции в 25%, 50%, 75%-ых растворах серной кисоты в течение 30 сут при 20, которые показали, что в указанных ре- . имах изменение массы образцов сое-. тавляет для 75%-:ого раствооа - 21,5% 50%-ого раствора - 2,9%, для 25%-огО р аствора -,1.,3%.

Для сравнения кислотостойкости предлагаемой композиции с известней изготовлена композиция следующего состава, вес.ч,;

Эпоксидная .смола ЭД-20 100 Железосодержащее углеродное волокно (содержание железа 6,9 вес.%; 75 Отверждение композиции проводят при в течение 8 ч. Электросопротивление образца составляет 2, Ю ОмСМ. При погружении отвержденной композиции в растворы 10%, 20% и концентрированной соляной кислоты сразу же наблюдалось пожелтение раствора, свидетельствующее о протекании процесса растворения железа в кислоте. Изменение массы известной композиции после выдержки образцов в течение месяца в растворах соляной кислоты состав ляет:

Для 10%-ого раствора - 28,0% для 20%-ого раствора - 33,2% Удельное объемное сопротивление композиции после выдержки в растворах соляной кислоты возрастает на несколько порядков.

Свинецсодержащее углеродное волокно, выполняющее в составе композиции одновременно две функции: отвердителя и наполнителя, получают следующим образом.

Вискозное волокно пропитывают в 1 и.растворе уксуснокислого свинца при модуле 1:30. После пропитки в течение 24 ч волокно извлекают, отжимают от избытка раствора и высушивают. Сухое волокно помещают в герметично закрытую печь и Подвергают карбониз ации в среде инертного газа - гелия по следующему режиму: нагрев до 100 С со скоростью 5 град/мин, выдержка при этой температуре 1 ч, далее подъем температуры, осуществляемый со скоростью 2 град/мин, до с выдержкой при этой температуре 1 ч и затем подъем температуры со скоростью 2 град/мин до конечной температуры . После этого нагрев прекращают и при непрерывном пропускании газа охлаждают до комнатной температуры. Полученное Свинецсодержащее углеродное волокно содержит 32 вес.% свинца.

Пример 2. Отрезки цирконийсодержащего углеродного волокна длиной 1-2 мм вносят в эпоксидную смолу, разогретую до и тщательно перемешивают. Состав композиции, вес.ч; Эпоксидная .циклоалифати- ческая смола УП-632 100 Цирконийсодержащее углеродное волокно (содержащее цирконий в волокне в расчете на металл 22,0 вес.% 75 Из полученного состава формуют изд лие в виде цилиндра длиной 25 мм и диаметром 15 мм. Отверждение компо ции проводят при 90-lOO C в тече ние 1 ч, при 120°С - 2 ч; при 160° 3ч; при - 4 ч) при 200°С Полученный композиционнный материа характеризуется следующими показателями:Удельное объемное электросопротивление, Ом-см 1,51 Прочность на сжатие, кгс/см 400 Плотность, определенная методом гидростатического , взвешивания, г/см 1,2 Термическая устойчивость на воздухе,С250 Исследование устойчивости отвержде ной композиции в растворах кислот при комнатной температуре в течени 20 сут дали следующие результаты: выдержка в 10.%-ом растворе соляной кислоты изменяет массу образца на (-0,2% ), а в 20%-оМ растворе соляной кислоты - на (-0,4%, в 25%-ом растворе серной кислоты - на (+1% причем у всех изученных образцов п ле выдержки в растворах кислот удел ное объемное электросопротивление изменилось. Цирконийсодержащее углеродное волокно, выполняющее в составе ком позиции одновременно две функции: о вердителя и наполнителя, получают следующим образом. Предварительно набухшее в воде в течение двух часов вискозное воло но отжимают от избытка влаги и пропитывают в растворе хлорокиси цирко ния (1,5М) в течение суток. После пропитки волокно извлекают, отжимают и высушивают. Сухое волокно поме щают в герметично закрытую печь и подвергают карбонизации в среде ине ного газа - гелия по следующем режиму: нагрев до со скоростью подъема температуры 2 град/мин, а затем от 400 до 900° со скоростью 4град/мин. После этого нагрев прекраицают и при непрерывном пропускаНИИ газа охлаждают до комнатной уем пературы. Полученное Цирконийсодержащее углеродное волокно в расчете на металл содержит 22,0 вес.% циркония .„ Пример 3. Отрезки титансодержащей углеродной ткани пропитывают в эпоксидной смоле, разогретой до 60. Состав композиции, Bec.4ii Эпоксидная циклоалифатическая смола УП-632 100 Титансодержащая углеродная ткань(врасчете на металл содержащая титана 3,0 вес.%.) 100 Отрезки ткани укладывают послойно друг на друга и отверждают под давлением 2,5 кгс/см по режиму, описанному в примере 2, Отвержденная листовая композиция толщиной 2 мм имеет следующие показатели: Удельное объемное элект-росопротивление, Ом.см 4,9«10 Плотность, определенная методом гидростатического взвешивания, г/см 1,20 Термическая устойчивость на воздухе,°С250 Исследование устойчивости отвержденной композиции в растворах кислот при комнатной температуре в течение ЗОсут дает следующие результаты: выдержка композиции в 10%- и 20% растворах соляной кислоты практически не изменяет ее массы за все время испытания, а также не изменяется удельное объемное сопротивление. Титансодержащую ткань,выполняющую в составе композиции одновременно две функции: отвердителя и наполнителя, получают следующим образом. Предварительно набухшую в воде ткань из гидратцеллюлозного волокна отжимают от избытка влаги, опускают в раствор треххлористого титана, концентрации 0,3 М, в котором выдерживают в течение 3-4 ч, затем извлекают, отжимают от избытка раствора и высушивают. Карбонизацию ткани проводят в условиях по примеру 2. Полученная титансодержащая углеродная ткань в расчете на металл содержит 3,0 вес.% титана. Из приведенных примеров видно, что предлагаемая электропроводящая композиция характеризуется такими показателями, как высокая кислотостойкость и электропроводность,прочность при сжатии,низкая плотность,термостойкость . Из такой композиции могут быть изготовлены изделия различной конфигурации и размеров с малой удельной массой, широким диапазоном регулируемого электрического сопротивления и большой теплоизлучающей поверхно- Т стью. Такие нагреватели имеют большой срок службы, могут быть использованы в различных агрессивных средах. Низкий коэффициент термического расширения композиции позволяет изготавливать з нее покрытия для большого числа атерисшов, как с целью обогрева, так снятия статического электричества. асчет экономической эффективности от спользования электропроводящей комозиции только для изготовления каер с целью ускорения твердения беточ а показывает, что экономия может быть достигнута за счет исключения расхода пара, повышения равномерности обог рева, облегчения регулировки процесса термообработки и составляет 2,5 р. на 1 м бетона. Экономия от. использования 1 м электропроводящей композиции например, для обогрева полов животноводческих помещений составляет поряд ка 30 р. Суммарный экономический эффект от использования изобретения в народйом хозяйстве, учитывая большой объем строительства, составляет милЛИОН рублей. Формула изобретения Электропроводящая композиция, содержащая эпоксидную смолу и металл содержащий углеродный волокнистый наполнитель, отличающаяся тем, что, с целью повышения кислотостойкости материала на ее основе,она содержит эпоксидную диановую смолу или циклоалифатическую эпоксидную смолу, в качестве волокнистого наполнителя - свинец- или цирконий-, или титансодержащее углеродное волокно при следующем соотношении компонентов, вес.ч;: Эпоксидная диановая смола или циклоалифатическая эпоксидная смола 100 Свинец- или цирконий-, или титансодержащее углеродное волокно 40-100 Источники информации, тфинятыё во внимание при экспертизе 1.Электротехнические материалы. Сборник, вып. 5(91), 1978, с.20-22. 2.ABTOpcKOie свидетельство СССР по заявке 2521476/23-05, кл. Q 08 L 63/02, 1977 (прототип).