Резистивный углеродный композиционный материал

Резистивный углеродный композиционный материал

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, в частности к композиционному резистивному углеродному материалу, может найти применение для приготовления высокоэлектропроводных, обеспечивающих надежный электрический контакт паст и клеев, а также при изготовлении промышленных и бытовых нагревателей.

Для изготовления электропроводящих клеев и паст, а также промышленных и бытовых нагревателей необходимы гибкие и термостойкие, до 100-150°С, резистивные композиционные материалы, имеющие согласно расчетам поверхностное сопротивление в пределах 5-200 Ом на квадрат, конкретные значения зависят от типа нагревателя и топологии нагревательного элемента.

Углеродные материалы хорошо известны и применяются в качестве электропроводящей фазы в составе различных композиционных материалов.

Известен композиционный резистивный материал (Пугачев Г.А. Электропроводные бетоны. Новосибирск, ВО "Наука", 1993 г., с. 225), состоящий из бетэловой смеси, в состав которой входят в качестве токопроводящей фазы сажа П-80Э - 11,43%, вяжущее - портландцемент М-400 - 45,72%, а в качестве минеральной добавки - кварцевый песок - 42,85%.

Такой материал имеет большое количество недостатков: невозможен длительный нагрев до температур порядка 90°С и выше, непостоянство проводящих свойств бетонной матрицы, низкая электропроводность и т.д.

Материалы, состоящие из высокопроводящих саж и растворов полимерных связующих, широко применяются для изготовления пленочных нагревателей с небольшой температурой нагрева (теплые полы и т.д.).

Недостатком известных материалов является ограничение по температуре нагрева в 70°С, невозможность использования удельной мощности порядка 10 ватт на квадратный дециметр, необходимой для любого нагревателя.

Известен состав для электропроводящих покрытий (Патент РФ №2460750, МПК C09D 133/04, опубл. 10.09.2012), содержащий пленкообразующий сополимер, органический растворитель и токопроводящую смесь на основе порошков графита и карбонильного железа, отличающийся тем, что токопроводящая смесь дополнительно содержит порошок технического углерода (сажу).

Недостаток известного технического решения заключается в низкой проводимости (практически на два порядка ниже, чем в предлагаемом изобретении) в силу неоптимального использования графитового компонента (слишком большой размер частиц) и использования несоответствующего типа технического углерода. Карбонильное железо не обеспечивает высокой электропроводности вследствие заметного поверхностного сопротивления и склонности к окислению поверхности.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является композиционный резистивный материал (патент РФ №2364967, Н01С 7/00, опубл. 20.08.2009), содержит токопроводящую фазу на основе технического углерода, полученного канальным способом, с высокоразвитой удельной площадью поверхности, которая составляет 400-500 м²/г, с размерами частиц от 15 до 25 нм и полиуретановый лак, при следующем соотношении компонентов, в мас. %: технический углерод 18-22, полиуретановый лак - остальное. Минимальное отклонение температуры нагрева от заданной по всей площади тепловыделяющего покрытия в пределах ±0,4°С в диапазоне температур от 25 до 110°С, наименьшее удельное сопротивление, согласно патенту -0.349 Ом·см (3.49·10^-3 Ом·м).

Недостаток известного решения заключается в том, что такое удельное сопротивление максимально наполненного техническим углеродом материала приводит к поверхностному сопротивлению слоя резистивного толщиной 0.1 мм, равному 34.9 Ом на квадрат, что слишком много для некоторых вариантов нагревателей, а также для высокопроводящих паст и клеев. Высоконаполненные дисперсными углеродными компонентами материалы имеют, как правило, неудовлетворительные механические свойства ввиду недостатка связующего.

Задача изобретения заключается в получении композиционного резистивного углеродного материала, обладающего высокой удельной проводимостью, превышающей заявляемые в известных технических решениях не менее чем на порядок, т.е. в 10-15 раз и более.

Техническим результатом от применения предложенного изобретения является повышение удельной электропроводности и уменьшение сопротивления за счет оптимизации содержания связующего и выбора эффективных, с точки зрения теории перколяции, проводящих компонентов, при сохранении гибкости и прочности проводящего композита, при этом удельная электропроводность значительно, на порядки превышает максимально заявленные в аналогах значения, а изменение содержания растворителя позволяет регулировать вязкость коллоидных дисперсий в широких пределах.

Это достигается за счет того, что резистивный углеродный композиционный материал, включающий токопроводящие фазы на основе технического углерода и полимерное связующее, согласно изобретению содержит токопроводящие фазы на основе высокоэлектропроводных марок технического углерода в сочетании с высокоэлектропроводными коллоидными марками графита и термостойкое полимерное связующее в виде раствора; при этом технический углерод, обеспечивающий высокую электропроводность имеет удельную поверхность, 300÷600 м²/г и выше, с размером частиц от 10 до 50 нм; при этом коллоидные графитовые имеют размеры частиц графита менее 4 мкм. В качестве среды для приготовления коллоидной суспензии применен раствор термостойкого полимерного связующего. Кроме этого в качестве термостойкого полимерного связующего использован сложный полиэфир на основе или терефталевой кислоты, или себациновой кислоты, или адипиновой кислоты, или этиленгликоля, или диэтиленгликоля, либо части упомянутых компонентов, например смолы ТФ-60 в виде раствора, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Высокоэлектропроводный технический углерод (сажа) марки
СН-210,220,230,600	1-50
Графит коллоидный С-0,С-1 либо графит,
размолотый до размеров частиц менее 4 мкм	1-50
Термостойкое полимерное связующее	1-50
Растворитель: хлороформ, хлористый метилен,
дихлорэтан	Остальное

Получение композиционного резистивного материала показано на примере с его использованием.

Для создания электропроводности предлагаемых композитов применялся промышленный коллоидный графитовый препарат С-0 и/или С-1, а также размолотый карандашный природный графит как качественный и высокоэлектропроводный. Применялись также отечественные промышленно выпускаемые марки техуглерода с высокой электропроводностью OMCARB™ СН210, и/или СН220, и/или СН230 и OMCARB™ СН600.

Для получения необходимых характеристик композитов был приготовлен ряд коллоидных суспензий на основе графит - технический углерод в растворе термостойкой смолы. Системы суспензий готовились в бисерной мельнице в соответствии с ГОСТ Ρ 50563.4-93. Размеры частиц после диспергирования не превышали 4 мкм.

Получаемые образцы коллоидных суспензий отбирались шприцем и ровным слоем наносились на квадратную подложку. После формирования слоя жидкости и испарения растворителя получался образец резистивного композита. Некоторые полученные результаты приведены ниже.

Увеличение содержания связующего очевидно повышает сопротивление, вплоть до полной изоляции.

Изменение содержания растворителя позволяет регулировать вязкость дисперсий в широких пределах.

Удельная электропроводность значительно, на порядки, превышает максимально заявленные в патентах значения при сохранении гибкости и прочности проводящего композита.

В предлагаемом изобретении достигнут уровень удельной проводимости композиционного углеродного резистивного материала порядка 5·10³ См/м, превышающий заявляемые в прототипах удельные проводимости не менее чем на порядок, т.е. в 10-15 раз и более.

Предложенный материал промышленно применим. Он может быть многократно реализован с достижением одного и того же технического результата.

Простота изготовления и применения материала, низкая себестоимость, также, являются техническим результатом изобретения.

1. Резистивный углеродный композиционный материал, включающий токопроводящие фазы на основе технического углерода и полимерное связующее, отличающийся тем, что содержит токопроводящие фазы на основе высокоэлектропроводных марок технического углерода в сочетании с высокоэлектропроводными коллоидными марками графита и термостойкое полимерное связующее в виде раствора; при этом технический углерод, обеспечивающий высокую электропроводность, имеет удельную поверхность, 300÷600 м²/г и выше, с размером частиц от 10 до 50 нм; при этом коллоидные графитовые имеют размеры частиц графита менее 4 мкм.

2. Резистивный углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве технического углерода использован технический углерод марки OMCARB™ и/или CH210, и/или CH220, и/или CH230 и OMCARB™ CH600.

3. Резистивный углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве коллоидного графита использован графит марки или С-0, или С-1.

4. Резистивный углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве коллоидного графита использован природный графит, размолотый до размера частиц менее 4 мкм.

5. Резистивный углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве коллоидного графита использована смола ТФ-60.

6. Резистивный углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего использован сложный полиэфир на основе или терефталевой и адипиновой кислоты, или себациновой кислоты, или этиленгликоля, или диэтиленгликоля.

7. Резистивный углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворителя применен или хлороформ, или хлористый метилен, или дихлорэтан.

8. Резистивный углеродный композиционный материал по п. 1, отличающийся тем, что материал состоит из следующих компонентов, вес.%:

Высокоэлектропроводный технический углерод (сажа) марки
СН-210,220,230,600	1-50
Графит коллоидный С-0, С-1 либо графит,
размолотый до размеров частиц менее 4 мкм	1-50
Термостойкое полимерное связующее	1-50
Растворитель	Остальное