способ модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков
Классы МПК: | H01B3/18 содержащие в основном органические вещества C08J7/12 химическая модификация |
Автор(ы): | Бубман С.З., Драчев А.И., Разумовская И.В. |
Патентообладатель(и): | Бубман Светлана Зиновьевна, Драчев Александр Иванович, Разумовская Ирина Васильевна |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-03-23 публикация патента:
20.09.2001 |
Изобретение предназначено для химической промышленности и может быть использовано при изготовлении электроакустических и электромеханических преобразователей, газовых фильтров, средств для защиты от статического электричества. На дно стеклянной колбы помещают порошок или гранулы йода, 1,2-диамин-9,10-аминантрахинона, 1-окси-9,10-антрахинона. В эту же колбу помещают изделие - пленку, волокно, сетки, гранулы из твердого полимерного диэлектрика, например полиметилметакрилата. Колбу закрывают, откачивают до 10-1 - 10-2 Па. Нижнюю часть колбы помещают в термостат. Нагревают до температуры T = (1,3-1,6)Tg, где Tg - температура стеклования полимера. По достижении концентрации примеси (3-5)10-3 моль/л изделие охлаждают. Объемная проводимость модифицированного полимера может быть увеличена в 56-24000 раз, уменьшена в 140 раз, плотность поверхностного заряда увеличена в 7-9 раз или уменьшена в 30 раз, модуль Юнга, предел текучести и прочность не изменяются. Изобретение также позволяет нейтрализовать низкомолекулярные примеси в полимере. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Способ модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков путем внедрения примесей в полимерный материал, отличающийся тем, что внедрение примесей с донорными или акцепторными свойствами осуществляют из газовой фазы при давлении 10-1 -10-2 Па до концентрации в полимерном материале (3-5)10-3 моль/л, причем перед внедрением примесей полимерный материал переводят в высокоэластическое состояние путем его нагрева до температурыT = (l,3 - l,6)Tg,
где Т - температура нагрева полимерного материала;
Tg - температура стеклования полимерного материала.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к способу обработки изделий из полимерных материалов (пленок, тканей, волокон, сеток) с целью модификации их электрофизических свойств и может найти применение при изготовлении с использованием электретов электроакустических и электромеханических преобразователей, газовых фильтров, а также как средство защиты от статической электризации. Известны способы модификации полимерных материалов для повышения их способности к поляризации в различных областях техники, например, с целью увеличения чувствительности электроакустических преобразователей [1], эффективности фильтрации мелких частиц в фильтрах [2, ], производительности (скорости фильтрации) мембран [3], адгезии к металлу [4], изменения оптических свойств изделия [5], уменьшения статического электричества [6], осуществляемые различными способами - путем внедрения в раствор или расплав полимера малых концентраций примесей. Известен также принятый за прототип способ объемной модификации полимеров функциональными добавками путем обработки парами модифицирующего вещества для придания новых физико-химических свойств (оптических, фото-, термо-, радиационной устойчивости и др.) [5]. К недостаткам этих методов относится возможность внедрения примесей в полимер на стадии промежуточного сырья или изделия, что отрицательно проявляется на его физико-механических свойствах. Достижение же необходимой концентрации добавок предлагаемым в [5] способом осуществляется путем варьирования температуры внедрения и для достижения заданных концентраций может привести к деформации изделия. Задачей изобретения является расширение области использования различных твердых полимерных диэлектриков за счет осуществления возможности целенаправленного изменения в нужном направлении электрофизических характеристик твердых полимерных диэлектриков (в сторону увеличения или уменьшения величины электропроводности и способности материала к поляризации) без изменения других их физико-механических свойств. Поставленная задача решается тем, что в способе модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков путем внедрения примесей в полимерный материал внедрение примесей с донорными или акцепторными свойствами по отношению к данному полимерному материалу осуществляют из газовой фазы, причем перед внедрением примесей полимерный материал переводят в высокоэластическое состояние путем его нагрева до температурыТ = (1,3-1,6)Tg,
где Т - температура нагрева полимерного материала,
Tg- температура стеклования полимера. При этом внедрение примесей целесообразно осуществлять при давлении 10-1-10-2 Па до концентрации в полимерном материале (3-5)10-3 моль/л, а заданная концентрация примеси осуществляется путем варьирования времени выдержки полимера в газовой фазе примеси. Способ модификации электрофизических свойств изделий из твердых полимерных диэлектриков осуществляют следующим образом. На дно стеклянной колбы (для лабораторных образцов. Для промышленных образцов здесь и далее термин "колба" следует заменить на термин "вакуумная камера") помещают внедряемую примесь в виде порошка или гранул. В ту же колбу на специальной подставке, чтобы не было прямого контакта с примесью, помещают изделие в виде пленки, или ткани, или волокна, или сетки, или гранул. Колбу закрывают притертой крышкой с отверстием для откачки воздуха и подсоединяют к вакуумному насосу. Нижнюю часть колбы, содержащую примесь и изделие, помещают в термостат (для лабораторных образцов. Для промышленных изделий нагревают с помощью специально вмонтированного в камеру нагревателя) и нагревают до температуры Т, зависящей указанным образом от температуры стеклования полимера Tg:
Т=1,3-1,6 Tg. При этой температуре примесь постепенно переводят в газовую фазу, а изделие - в высокоэластическое состояние. Одновременно производят откачку воздуха из колбы до давления 10-1-10-2 Па. Изделие выдерживают при рабочей температуре в газовой фазе примеси в течение времени, необходимого для достижения заданной концентрации примеси в материале. Время выдержки определяют для каждой пары полимер - примесь по графикам (см. чертеж) зависимости концентрации от времени выдержки при фиксированной температуре. Затем вытаскивают колбу из камеры и охлаждают изделие до комнатной температуры, отключают вакуумный насос и напускают в вакуумную камеру воздух, открывают колбу и достают обработанный материал вместе с подставкой. Затем производят очистку стенок от красителя, осевшего на верхней холодной части колбы в результате конденсации паров при обработке изделия. Изменение электрофизических свойств материала подтверждают измерением до и после обработки величины объемной статической проводимости при напряженности 100 В/мм и величины остаточного заряда на поверхностности термоэлектрета, полученного при поляризации полимерного материала в виде пленки в поле напряженностью 104 В /мм при температуре 155oC для полимерилметакрилата и 125oC для полиэтилентерефталата в течение 15 мин. Концентрация примеси в материале после обработки может быть определена по интенсивности характерных полос в спектрах оптического поглощения с учетом коэффициента экстинкции. Промышленная применимость данного способа и получение сверхэффекта по параметрам "объемная проводимость" и "плотность поверхностного заряда" подтверждена следующими примерами (без изменения других физико-механических свойств полимерного материала):
Пример 1. Внедрение йода в полиметилметакрилат. Температура нагрева Т=140oC
Время обработки - 40 мин. Концентрация йода в материале - 510-3моль/л
Объемная проводимость:
- исходного образца - 1,710-15 Ом-1м-1 (увеличение в 135 раз)
- обработанного образца - 2,110-13 Oм-1м-1 (увеличение в 135 раз)
Плотность поверхностного заряда:
- исходного образца - 5 нКл/см2 (увеличение в 9 раз)
- обработанного образца - 44 нКл/см2 (увеличение в 9 раз)
Пример 2. Внедрение 1,2-диамин-9,10-аминантрахинона в полиметилметакрилат. Температура нагрева Т=140oC
Время обработки - 30 мин
Концентрация 1-аминантрахинона в материале - 310-3 моль/л
Объемная проводимость:
- исходного образца - 1,710-15 Ом-1м-1 (увеличение в 700 раз)
- обработанного образца - 1,210-12 Ом-1м-1 (увеличение в 700 раз)
Плотность поверхностного заряда:
- исходного образца - 5 нКл/см2 (увеличение в 7 раз)
- обработанного образца - 35 нКл/см2 (увеличение в 7 раз)
Пример 3. Внедрение 1-окси-9,10-антрахинона в полиметилметакрилат. Температура нагрева Т= 140oC (Т=1,33 Tg)
Время обработки - 30 мин. Концентрация 1-оксиантрахинона в материале - 3,710-3 моль/л
Объемная проводимость
- исходного образца - 1,710-15 Ом-1м-1 (уменьшение в 140 раз)
- обработанного образца - 1,210-13 Ом-1м-1 (уменьшение в 140 раз)
Плотность поверхностного заряда
- исходного образца - 5 нКл/см2 (уменьшение более чем в 30 раз)
- обработанного образца - менее 0,15 нКл/см2 (уменьшение более чем в 30 раз)
Пример 4. Внедрение йода в полиэтилентерефталат. Температура нагрева Т=150oC
Время обработки - 20 мин. Концентрация йода в материале - 510-3 моль/л
Объемная проводимость:
- исходного образца - 2,310-16 Ом-1 м-1 (увеличение в 24000 раз)
- обработанного образца - 5,610-12 Ом-1 м-1 (увеличение в 24000 раз)
Плотность поверхностного заряда:
- исходного образца - 4,5 нКл/см2 (увеличение в 56 раз)
- обработанного образца - 250 нКл/см2 (увеличение в 56 раз)
Модуль Юнга:
- исходного образца - 4510 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
- обработанного образца - 4479 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
Предел текучести:
- исходного образца - 111 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
- обработанного образца - 112 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
Прочность:
- исходного образца - 168 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
- обработанного образца - 165 мПа (без изменений (в пределах ошибки измерений))
Источники информации
1. А.с. SU N 1420675, 1985. 2. А.с. SU N 606602, 1978. 3. Кочервинский В.В., Воробьева Г.А., Шкинев В.М. Журнал прикладной химии, т. 68, N 7, 1995, с. 1111-1115. 4. А.с. SU N 1788601, 1993. 5. RU N 94028725, 1996. 6. А.с. U N 429072, 1974.
Класс H01B3/18 содержащие в основном органические вещества
Класс C08J7/12 химическая модификация