CS272402B1 - Kompozity se zvýšenou elektrickou a tepelnou vodivostí - Google Patents

Abstract

Tyto materiály obsahují 18,9 až 50 % nmot. plastů, 1 až 80 % elektricky vodivého plniva, do 80 % hmot. dalších plniv a 0,1 až 20 % hmot. aditiv. Elektricky vodivé plnivo je tvořeno homogenní směsí 5 až 50 hmot. dílů elektricky vodivých-sazí o specifickém povrchu 50Q až 1 300 ar/g a 50 až 95 hmot. dílů anorganické složky o jemnosti lepší, než odpovídá granulometrii d.50 = 15 .um. Anorganická složka je opatřena nánosem 0,1 až 2 % hmot. povrchově aktivních látek, jako jsou vyšší mastné kyseliny, jejich estery, silany a titanáty.

Description

Vynález se týká kompozitních materiálů plastů s anorganickými plnivy.

Kompozitní materiály plastů se zvýšenou, elektrickou vodivostí Jsou známy a vyžadovány spotřebiteli, kteří používají výrobky z těchto kompozitů všude tam, kde statická elektřina je na závadu užitným vlastnostem výrobků. Kompozitní materiály se zvýšenou elektrickou vodivostí se obvykle připravují kompaundací plastů s větším množstvím speciálních sazí. Jak se však v současnosti ukazuje, aplikační možnosti těchto materiálů jsou v mnoha případech limitovány isotropností elektrické vodivosti a nízkou tepelnou vodivostí. Typickými příklady těchto aplikací jsou vzduchovody s vyššími teplotami připravovaných vzdušin, kde velmi-snadno dochází ke ztrátě tvaru vzduehovodu, podobně jako v aplikacích, kde tvarované profily nebo desky jsou v kontaktu s předměty s většími tepelnýni diferencemi - součásti elektrických spotřebičů nebo elektrických rozvodů, popřípadě polovodivé desky pro vytváření stavebních objektů.

Značným technologickým a často neřešitelným problémem je využívání speciálních elektricky vodivých kompozitů se zvýšenou vodivostí. Zpracování těchto typů sazí je provázeno obtížemi se špatnými sypnými vlastnostmi sazí, které ztěžují veškerou manipulaci a dávkování, nerovnoměrným zapracováním sazí do taveniny plastu, nesnadnou dispergací, úletem prachových podílů sazí, černěním manipulačních cest materiálového proudu sazí, které nutí zpracovatele využívat kompaundační linku pouze pro zpracování černých nebo velmi temných typů kompozitů, protože vyčištění linky je prakticky nemožné, dále potenciálním nebezpečím výbuchu vzdušné suspenze sazí. Výše uvedené nesnadné zapracování sazí do kompozitu a jejich obtížná dispergace se projeví mimo nepříjemné kolísání kroutícího momentu a obtížné udržování regulérního režimu linky, především v anisotropních elektrických vlastnostech kompozitu, které jsou v mnoha případech velkou závadou pro použivatelnost materiálu pro daný výrobek - například v prostředí vyžadujícím použití antistatických materiálů není možno využít obkladové desky, jejichž měrný elektrický odpor, byt jen lokálně převýší hodnotu %= 10⁵Λ.cm. U materiálů, které mají hodnotu tohoto odporu řádově 103 až 10^41.cm je přitom běžné, že měrný odpor při lekálním měření kolísá i o více než 2 řády. Ještě příznivější požadavky na homogenitu materiálu promítnutou do isotropních elektrických vlastností jsou při výrobě polovodivých vytápějících desek, kde každá změna v elektrickém odporu se přímo odrazí na průchodu topného proudu, Proto jsou zde v současnosti vyžadovány tolerance v lekálních měrných odporech menší, než je 30 $ a dále zvýšená tepelná vodivost těchto materiálů na minimálních 0,25 W/m . K, které rozdíly v měrném elektrickém odporu částečně stírá. Protože na druhé straně využití sazí pro výrobu kompozitních materiálů se zvýšenou tepelnou i elektrickou vodivostí je oproti jiným vodivým aditivům z cenových důvodů výhodné, je vhodné takové materiály vyrábět.

Materiály, které řeší nevýhody doposavad známých typů kompozitů se zvýšenou elektrickou a tepelnou vodivostí jsou předmětem tohoto vynálezu.

Předmětem vynálezu jsou, kompozitní materiály se zvýšenou elektrickou a tepelnou vodivostí na bázi plastů a elektricky vodivých plniv, které obsahují 18,9 až 50 % hmot, plastů, 1 až 80 X hmot, elektricky vodivého plniva, do 80 % hmot, dalších plniv a 0,1 až 20 Ž hmot, aditiv, přičemž elektricky vodivé plnivo je tvořeno homogenní směsí 5 až 50 hmot, dílů elektricky vodivých sazí o specifickém povrchu 500 až 1 300 m^/g a 50 až 95 hmot, dílů anorganické složky o jemnosti lepší než odpovídá granulometrii d^Q = 15 yum, která je opatřena 0,1 až 2 % nánosem povrchově aktivních látek, jako jsou vyšší mastné kyseliny, jejich estery, soli, sílány a titanáty.

Princip vynálezu spočívá především ve využití vysoké aktivity povrchu elektricky vodivých sazí, které jsou schopny vytvoření relativně velmi pevné vazby s asymetrickými molekulami povrchově aktivních látek zakotvených na acidobazických centrech anorganické mikrojemné složky. Tímto způsobem dochází k velmi těsnému obalení jednotlivých částic shluků sazí částicemi anorganické příměsi, při kterém se uplatní především mikronové a submikronové frakce této příměsi, které sekundárně působí na shluky sazí bublinovým efektem, kdy dostředivá výslednice sil brání obaleným shlukům sazí se roztrhnout do menších

OS 272 402 Bl 2 celků. Kombinace specifického povrchu aktivních sazí, velikost částic anorganické příměsi a množství a kvalita Jejího povrchového nánosu společně s hmotnostními poměry elektricky vodivého plniva jsou oblastí, kdy výše uvedený mechanismus nabývá v praxi využitelných hodnot. Podmínka přebytku anorganické příměsi vůči sazím je dána nutností dosažení vysokého stupně dispergace sazí v kompozitním materiálu, které jsou diktovány požadavky isotropní elektrické a tepelné vodivosti. Požadovaného vysokého stupně dispergace není možno bez přítomnosti výše uvedeného přebytku anorganické příměsi vůbec dosáhnout. Další podmínkou použitelnosti sazí Je maximální specifický povrch těchto sazí, omezující mechanické vlastnosti kompozitů. Aditivace kompozitu dalšími plnivy je obvykle výhodná, protože se nic nezmění na primárním mechanismu silové rovnováhy povrchu shluků sazí obalených mikročásticemi anorganické příměsi upravené povrchově aktivní látkou, která je také funkční na straně polymeru. Proto Je při promíchání taveniny se shluky sazí obalených specifikovanou anorganickou příměsí velmi snadné tyto shluky roztrhat a dispergovat. Aditivací dalšími látkami se tato mikrostruktura saze - anorganická příměs pouze ředí, volbou vhodného dalšího plniva lze dosáhnout výhodného ztužení, aditivací dalších látek zase požadovaných Jiných mechanických a povrchových vlastností. Použití elektricky vodivého plniva tvořeného mikroshluky sazí obalených anorganickou příměsí Je při výrobě kompozitů velmi výhodná, tento materiál má podstatně vyšší sypnou hmotnost a celkově lepší sypné vlastnosti, než samotné elektricky vodivé saze, způsobené vysokou pohybovou autonomií jednotlivých navzájem se odpuzujících kulových shluků.

Dále je výroba materiálu podle vynálezu velmi výhodná tím, že zpracovává relativně levné elektricky vodivé plnivo, které při manipulaci neznečišťuje okolí prachovými frakcemi sazí, takže manipulace není provázena nebezpečím výbuchu, dopravní cesty nejsou svým znečištěním určeny pouze ke zpracovávání Černých nebo velmi tmavých materiálů.

Jako aditiva se v těchto typech kompozitních materiálů uplatňují obvyklé stabilizátory, jejich složení odpovídá většímu chemotermickému namáhání při zpracování, vyplývajícímu z přítomnosti vysokého procenta aktivních sazí a na druhé straně menší citlivostí materiálu na UV složku záření, kterou saze velmi dobře odstiňuji, a dále především látky napomáhající dispergaci a zvyšující houževnatost jako jsou nízkomolekulární uhlovodíky a kaučuky. Tato aditiva je možno přidávat buň přímo do vstupů extruderu při výrobě kompozitu, je možné Je přidávat také do předmíchané směsi s elektricky vodivým plnivem, nebo popřípadě je možné oba způsoby kombinovat.

Jako polymerní matrici je možno použít všechny běžné polymerní materiály, které se používají k výrobě kompozitních materiálů s větším procentem plnění polyolefiny, PVC a další. Vynález osvětlí následující příklady, % v příkladech jsou hmotnostní.

Příklad 1

Na dvoj šnekovém extruderu WP 53 byl připraven materiál pro desky 5 mm určené k výrobě vzduchovodů pro provoz, kde je vyžadována požární bezpečnost podle ČSN 730862, odolnost za tepla podle Vicata podle ČSN 640521 120 °C, zvýšená tepelná vodivost minimálně Λ

A. = 0,5 W/bT . K, zaručující rozvod krátkodobých tepelných šoků bez ztráty tvarové stálosti vzduchovodů, maximální měrný vnitřní odpor podle ISO 3915 na úrovni lO^Xl.cm, zaručující dosažení antistatických vlastností pro dané prostředí a akustické vlastnosti, které zabrání rozvodu vibrací vzduchovody. Materiál sestával z 22 % polymerní matrice VLD polyetylénu a 78 % elektricky vodivého plniva vytvořeného obalením sazí Chezacarb EC o spécio fickém povrchu 800 m /g anorganickou příměsí mastku GT-40 doupraveného 1,5 % sílánu Ϊ 9771 Union Carbide v hmotnostním poměru 1 : 10 s následnou homogenizací takto obaleného plniva s 12 % (vztaženo na plnivo) běžných aditiv jako jsou stabilizátory, mazadla a karbonátová plniva. Z tohoto materiálu byly vyrobeny desky o vyhovujících mechanických vlastnostech, které vykázaly hodnotu Q = 125 podle ČSN 730682, tepelnou vodivost X = 0,8 W/m² . K, výborné akustické vlastnosti a maximální vnitřní měrný odpor ζv = 300 X1 .cm. Materiál tedy plně vyhověl všem požadavkům na něho kladeným, navíc při zpracování nešpinil sazemi dopravní cesty, jak je tomu běžně u zpracování sazových pigmentů, ušetřilo se téměř 1/2 r

CS 272 402 Bl * sazových, pigmentů oproti přímé aditivaci sazovými pigmenty pro dosažení daného měrného odporu, a především celé zpracovávání tohoto materiálu bylo bez problémů, extruze byla bez pulzací kroutícího momentu, struny se netrhaly a práškové složky materiálu v násypkách. extruderu nemostovaly, což jsou všechno efekty, které jsou při výrobě materiálů s vyššími obsahy sazového pigmentu a daném vysokém specifickém povrchu běžné.

Příklad 2

Ha poloprovozním hnětiči Buss byl připraven materiál pro polovodivé desky na bázi polyvinylchloridu tak, že bylo kompaundováno 48 %Neralitu a 652 á'8 $ elektricky vodivého plniva, 10 % běžných, aditiv jako jsou stabilizátory, mazadla a 34 % ztužujících. plniv GT - 40. Jako elektricky vodivé plnivo bylo použito sazí Chezacarb EC s měrným pop vrchem sazí 1 000 m /g obalených anorganickou přísadou na bázi karbonátového plniva P20 ⁰ ^50 ⁼ 4,5 yum s povrchovou úpravou 0,3 % kyseliny stearové v hmotnostním poměru 1:1. Výsledný kompozit vykázal při zpracování podobné velmi dobré zpracovatelské vlastnosti jako kompozit v příkladu 1, měrný specifický odpor při 18 °C ζ_ν= 10^41.cm s lokálními maximálními odchylkami £ 12 % a minimální tepelnou vodivostí Á = 0,55 W/m^ . K. Kompozitní materiál pro danou aplikaci plně vyhověl.

Claims (1)

1. Kompozitní materiály se zvýšenou elektrickou a tepelnou vodivostí plastů a elektricky vodivých plniv, vyznačující se tím, že obsahují 18,9 až 50 $ hmot, plastů, 1 až 80 % hmot, elektricky vodivého plniva, do 80 % hmot, dalších, plniv a 0,1 až 20 % hmot, aditiv, přičemž elektricky vodivé plnivo je tvořeno homogenní směsí 5 až 50 hmot, dílů elektricky vodivých sazí o specifickém povrchu 500 až 1 300 m /g a 50 až 95 hmot, dílů anorganickéslo'žky o jemnosti lepší, než odpovídá granulometrii = 15 yum, která je opatřena 0,1 až 2,0 % hmot, povrchově aktivních látek, jako jsou, vyšší mastné kyseliny, jejich estery, silany a titanáty.