электропроводный композиционный материал на основе полипропилена и глобулярного углеродного нанонаполнителя

Формула изобретения

Способ получения нанокомпозитного материала, включающий смешение компонентов в расплаве путем одно- или двухшнековой экструзии, обеспечивающей напряжение сдвига 10-70 Н/мм², отличающийся тем, что в качестве компонентов используют полипропилен и глобулярный углерод с удельной поверхностью 150-1800 м²/г в количестве 0,25-3 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к полимерным материалам с повышенной электропроводностью и может быть использовано преимущественно в токопроводящих изделиях конструкционного назначения.

Целью изобретения является повышение электропроводности полипропилена с улучшением его механических показателей.

Аналогами изобретения является множество полиолефиновых композитов, содержащих мелкодисперсные наполнители, в том числе наноразмерные, электропроводные композиты и композиты с модифицированными механическими свойствами.

Известно электропроводное изделие, предназначенное для использования в качестве электрода в топливном элементе или батарее, содержащее армирующее электропроводное волокно, в частности углеродное волокно, содержащееся в полипропиленовой матрице, имеющей определенную толщину, причем указанное волокно механически ориентировано так, что оно расположено параллельно указанной толщине [Патент Российской Федерации № 2004137659 «Электроды на основе углерода»].

Недостатком данной композиции является необходимость формовки токопроводящих каналов в полученном композите.

Известен электропроводный лакокрасочный материал для антикоррозионной защиты металлических конструкций содержащий полиэтилен и углеродные нанотрубки от 10 до 80% объема материала, который может дополнительно содержать высокодисперсный цинковый порошок от 40 до 90% объема лакокрасочного материала [Патент Российской Федерации № 2318851 «Электропроводный лакокрасочный материал для антикоррозионной защиты металлический конструкций»].

Недостатком данной полимерной композиции является высокое содержание дорогостоящего наполнителя.

Прототипом изобретения является электропроводящая композиция на основе полипропилена и углеродных частиц. Композицию получают полимеризацией пропилена на поверхности частиц углеродного материала с размером частиц от 15 нм, предварительно обработанного алюминийорганическим соединением, в присутствии металлорганической каталитической системы. Концентрация углеродных частиц от 8 до 90% [Патент Российской Федерации № 2200170 «Способ получения тепло- и электропроводного материала и материал, полученный этим способом»].

Недостатком данного способа является высокое содержание углеродного наполнителя 8-90%.

Полимерная электропроводящая композиция на основе полипропилена включает полипропилен и глобулярный углерод с удельной поверхностью 1400 м²/г для создания электропроводности с содержанием глобулярного углерода до 3% масс. Также созданы материалы на основе полипропилена с глобулярным углеродом с удельной поверхностью от 150 до 1800 м² /г.

Глобулярный углерод получали в процессе сжигания метана в хлоре в реакторе, внутренняя поверхность стенок которого орошается водой. Во время синтеза метан и хлор подают в реактор без предварительного смешения при молярных соотношениях в пределах от 1.5:1 до 4.5:1. Горение происходит при температурах от 600 до 700°C в режиме диффузионного пламени. Продукт, получаемый в таких сравнительно мягких условиях, представляет собой наноразмерные глобулы, заключенные в оболочку из гексахлорбензола с незначительной примесью других хлорпроизводных бензола. Гексахлорбензол в процессе образования сажи внедряется в частицы углерода. Удаление гексахлорбензола при последующей термической обработке водородом, азотом или инертными газами способствует образованию микропор, которые обеспечивают исключительно высокую поверхность получаемого углеродного продукта. Величина удельной поверхности определялась методом БЭТ по низкотемпературной адсорбции азота, (патент Российской Федерации № 2325412 «Способ получения сажи»)

Существенные признаки нанокомпозитного материала полипропилен 01030/ глобулярный углерод с удельной поверхностью 1400 м ²/г представлены в таблице 1.

Таблица 1.
Существенные признаки композиции.
Состав материала	Твердость по Шору D Через 15 с / через 1 с	Ударная вязкость по Шарли с надрезом, КДж/м2	Предел текучести, МПа	Модуль упругости, ГПа	Удельная проводимость , См·м-1
Полипропилен 01030	60/71	5,7	31,4	1,01	<10-13
Полипропилен 01030-99,75%; глобулярный углерод - 0,25%	70/76	6,3	32,0	1,07	>10-7
Полипропилен 01030-99,5%; глобулярный углерод - 0,5%	65/73	6,7	35,0	1,11	>5·10-6
Полипропилен 01030-99,0%; глобулярный углерод - 1,0%	66/75	6,6	35,8	1,13	>8·10 -5
Полипропилен 01030-98,0%; глобулярный углерод - 2,0%	63/71	6,6	35,3	1,20	>7·10-4
Полипропилен 01030-97,0%; глобулярный углерод - 3,0%	66/73	6,9	35,0	1,19	>2·10 -4

Твердость по Шору D определялась согласно ГОСТ 24621-91 на на твердомере HD-3000 модели OS-2 фирмы «Hildebrand».

Ударная вязкость определялась по методу Шарпи на образцах с надрезом согласно ГОСТ 4647-80, с запасом энергии маятникового копра 1 Дж на маятниковом копре модели GT-7045-MD компании GOTECH.

Модуль упругости при растяжении и предел текучести определялись по ГОСТ 11262-80 и ГОСТ 9550-81 соответственно. Данные растяжения получены на универсальной испытательной машине модели GOTECH TCS-2000 при скорости раздвижения зажимов 10 мм/мин.

Для приготовления концентрата глобулярный углерод вводили в полипропилен в соотношении 1:10 с последующей экструзией концентрата с полипропиленом.

При приготовлении концентрата гранулированный полипропилен предварительно опудривается глобулярным наноуглеродом. Процесс опудривания проводится в металлической ультразвуковой виброванне. В следствии трения гранул полипропилена, на их поверхности накапливается статический заряд, что способствует налипанию частиц глобулярного наноуглерода. Полученную смесь перерабатывают методом двухшнековой экструзии при вращении шнеков в одну сторону. Температура: в зоне загрузки 50-100°C, в последующих зонах экструдера и головки не ниже 170°C, но не выше 280°C. Скорость вращения шнеков выбирается в зависимости от диаметра шнеков и должна обеспечивать напряжение сдвига в расплаве не менее 10-70 H/мм² для качественного смешения полипропилена и глобулярного углерода. В этом процессе используется гранулирующая головка любого типа.

Полученный концентрат глобулярного углерода, совместно с полипропиленом, экструдируют в профильные изделия методами одно- и двухшнековой экструзии. Смешение концентрата и полипропилена происходит в бункере экструдера. Если экструдер обеспечивает качественное смешение компонентов, возможно введение глобулярного наноуглерода в полипропилен непосредсвенно в бункере экструдера, литьевой машины или в форме для ротационного формования, либо другого формовочного оборудования при изготовлении изделия.

Технологические режимы процессов подбираются исходя из типа используемого оборудования.

Результатом изобретения является создание нанокомпозитного полимерного материала на основе полипропилена, который обладает удельной электрической проводимостью, достаточной для отвода с поверхности изделия, изготовленного из этого материала, накапливающегося статического заряда.

Подобный эффект возможно достичь применяя в качестве матрицы полиэтилены разных марок, как низкого, так и высокого давления.

Использование изобретенной композиции возможно в трубопроводных системах транспортировки сыпучих материалов, жидкостей и газов, в качестве защиты силовых кабелей и в других конструкциях, для которых обязательным условием эксплуатации является отвод накапливающегося статического заряда. Применение указанной композиции позволит снизить трудозатраты при монтаже, время проведения монтажа, вес конструкции. Использование изобретенного материала для производства пленки может упростить технологический процесс ее изготовления.