RU2743934C1 - Электропроводящая композиция для развивающих игр и способ формирования электропроводящих треков - Google Patents
Электропроводящая композиция для развивающих игр и способ формирования электропроводящих треков Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743934C1 RU2743934C1 RU2020119687A RU2020119687A RU2743934C1 RU 2743934 C1 RU2743934 C1 RU 2743934C1 RU 2020119687 A RU2020119687 A RU 2020119687A RU 2020119687 A RU2020119687 A RU 2020119687A RU 2743934 C1 RU2743934 C1 RU 2743934C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrically conductive
- particles
- conductive material
- composition
- educational games
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 87
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 49
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 33
- 239000000945 filler Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N Vinyl acetate Chemical compound CC(=O)OC=C XTXRWKRVRITETP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 6
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 6
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 claims description 4
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 2
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 23
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 16
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 7
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 5
- 238000005325 percolation Methods 0.000 description 5
- PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N Styrene Chemical compound C=CC1=CC=CC=C1 PPBRXRYQALVLMV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 description 4
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 description 4
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 description 4
- TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L barium sulfate Chemical compound [Ba+2].[O-]S([O-])(=O)=O TZCXTZWJZNENPQ-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- 229910052601 baryte Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010428 baryte Substances 0.000 description 3
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 3
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 3
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011231 conductive filler Substances 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- XXJWXESWEXIICW-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol monoethyl ether Chemical compound CCOCCOCCO XXJWXESWEXIICW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007720 emulsion polymerization reaction Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 2
- 239000012764 mineral filler Substances 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 2
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 2
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 2
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 alkyl phenol Chemical compound 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- ORTYMGHCFWKXHO-UHFFFAOYSA-N diethadione Chemical compound CCC1(CC)COC(=O)NC1=O ORTYMGHCFWKXHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000004945 emulsification Methods 0.000 description 1
- 239000003995 emulsifying agent Substances 0.000 description 1
- 230000003203 everyday effect Effects 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000007794 irritation Effects 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 210000004400 mucous membrane Anatomy 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
- A63H33/00—Other toys
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
- A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
- A63H33/00—Other toys
- A63H33/04—Building blocks, strips, or similar building parts
- A63H33/042—Mechanical, electrical, optical, pneumatic or hydraulic arrangements; Motors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/10—Metal compounds
- C08K3/105—Compounds containing metals of Groups 1 to 3 or of Groups 11 to 13 of the Periodic Table
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
- C08K3/00—Use of inorganic substances as compounding ingredients
- C08K3/18—Oxygen-containing compounds, e.g. metal carbonyls
- C08K3/24—Acids; Salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
- C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
- C08L33/00—Compositions of homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and only one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides or nitriles thereof; Compositions of derivatives of such polymers
- C08L33/04—Homopolymers or copolymers of esters
- C08L33/06—Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, which oxygen atoms are present only as part of the carboxyl radical
- C08L33/08—Homopolymers or copolymers of acrylic acid esters
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D133/00—Coating compositions based on homopolymers or copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and at least one being terminated by only one carboxyl radical, or of salts, anhydrides, esters, amides, imides, or nitriles thereof; Coating compositions based on derivatives of such polymers
- C09D133/04—Homopolymers or copolymers of esters
- C09D133/06—Homopolymers or copolymers of esters of esters containing only carbon, hydrogen and oxygen, the oxygen atom being present only as part of the carboxyl radical
- C09D133/08—Homopolymers or copolymers of acrylic acid esters
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D5/00—Coating compositions, e.g. paints, varnishes or lacquers, characterised by their physical nature or the effects produced; Filling pastes
- C09D5/24—Electrically-conducting paints
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
- C09D7/00—Features of coating compositions, not provided for in group C09D5/00; Processes for incorporating ingredients in coating compositions
- C09D7/40—Additives
- C09D7/60—Additives non-macromolecular
- C09D7/61—Additives non-macromolecular inorganic
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Polymers & Plastics (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области индустрии развивающих игр, а именно к электропроводящей композиции для развивающих игр, выполненной на основе дисперсии, в которой дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой являются частицы пленкообразующих полимеров и наполнителя, включающего частицы электропроводящего материала. При этом объемные доли вещества и размеры частиц, входящих в дисперсную фазу, удовлетворяют условиям: Vп ≈ Vдф; Vфк ≤ 0,4Vдф; Vэм ≈ (0,16÷0,4)Vдф; Dп > 6,464Dфк max; Dфк min > 6,464Dэм, где Vдф - объемная доля дисперсной фазы, Vп - объемная доля частиц полимеров, Vфк - объемная доля частиц наполнителя без электропроводящего материала, Vэм - объемная доля частиц электропроводящего материала, Dп - условный диаметр частиц полимеров, Dфк min - минимальный условный диаметр частиц наполнителя без электропроводящего материала, Dфк max - максимальный условный диаметр частиц наполнителя без электропроводящего материала, Dэм - условный диаметр частиц электропроводящего материала. Также предложен способ формирования электропроводящих треков. Технический результат - повышение электрической проводимости за счет снижения пористости. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 пр.
Description
Группа изобретений, объединенных единым творческим замыслом, относится к индустрии развивающих игр и может быть использована в составе интерактивных учебно-методических комплексов с элементами дизайна, схемотехники, электротехники, химии, черчения, применяемого для развлечения и обучения детей в домашних условиях, а также в детских дошкольных учреждениях и школах, соответствующих требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности продукции, предназначенной для детей и подростков» (далее - TP ТС 007/2011), разработанного в соответствии с Соглашением о единых принципах и правилах технического регулирования в Республике Беларусь, Республике Казахстан и Российской Федерации от 18 ноября 2010 года.
Широкое использование компьютерных игровых и обучающих программ, несмотря на их несомненные преимущества, имеет и ряд недостатков. Во-первых, использование в компьютерных играх мониторов приводит к вредному влиянию на детей рентгеновского и лептонного облучения, причем длительное время нахождения у монитора приводит к ухудшению зрения ребенка. Во-вторых, компьютерные программы не оставляют место творчеству ребенка, поскольку программа игры уже задана и все возможные ситуации заранее смоделированы. В-третьих, рисунок игры разворачивается на относительно маленьком экране, носит виртуальный характер и отсутствует возможность физического перемещения предметов во время игры.
Детские конструкторы, достаточно широко выпускаемые промышленностью, лишены указанных недостатков.
Известен конструктор Circuit Scribe фирмы Electroninks (MAD ROBOTS RU [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://madrobots.ru/blog/post/circuit-scribe-review/, свободный - (30.03.2020), включающий плоскую подложку (оформлена в виде буклета с распечатанными электрическими схемами) с односторонне нанесенной на нее электрической схемой, включающей места размещения функциональных электрических элементов и линии разметки для нанесения электропроводящих треков, набор входящих в упомянутую электрическую схему функциональных электрических элементов (светодиоды, выключатель, батарейка и т.п.) в модульном исполнении, предназначенных для их установки на подложке и выполненных в виде плат с размещенными на них с одной стороны - электрическими элементами, а с другой стороны -контактными элементами, предназначенными для взаимодействия с электропроводящими треками, и инструмент (шариковая ручка или фломастер или иной) с заправляемой в него электропроводящей композицией, предназначенный для формирования на подложке упомянутых электропроводящих треков, соединяющих контактные элементы функциональных электрических элементов в действующую электрическую цепь. Основное предназначение Circuit Scribe - обучение детей и освоение базовых навыков построения электрических схем. Состав упомянутой электропроводящей композиции не раскрыт.
Известна электропроводящая композиция, включающая порошок проводящего сплава, состоящего из Ag, Si, Pb и Cu в определенных весовых пропорциях, ксилоловую смолу в качестве связующего и этилкарбитол в качестве растворителя (заявка Японии JPS63125583 (А), опубл. 28.05.1988). К достоинствам известного технического решения можно отнести невысокую стоимость, хорошую электропроводность, коррозионную стойкость и устойчивость к миграции.
Недостатком известного аналога является его непригодность для детского применения ввиду токсичности входящих в него компонентов, таких как Pb и этилкарбитол, последний, кроме того, легко воспламеняем.
Известна электропроводящая композиция, выполненная на основе дисперсии, в которой дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой являются полимеры, дополнительно включающая частицы электропроводящего материала и дополнительных функциональных компонентов, в частности, сольвентов (заявка Кореи №20060078790 (А), опубл. 05.07.2006).
К недостаткам известного аналога следует отнести его непригодность для детского применения ввиду токсичности входящих в него компонентов, таких как сольвенты.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению - прототипом -является электропроводящая композиция для детского творчества, содержащая в качестве связующего вещества водную эмульсию акрилового полимера с добавкой пластификатора в предельных количествах от 5% до 35% от объема эмульсии и содержащая в качестве наполнителя тонкодисперсный посеребренный порошок электротехнической меди в количестве от 30 до 90 процентов от общей массы композиции (заявка РФ №2019139922 (А), опубл. 27.01.2020).
Компоненты такой композиции являются вполне приемлемыми для детского творчества (за исключением приведенных в п. 3 и п. 4 формулы изобретения - они способны вызывать раздражение слизистой, кожи и предназначены только для профессионального применения).
К недостаткам прототипа следует отнести низкое качество композиции и наносимых ею электропроводных треков, обусловленное несбалансированной размерностью электропроводного наполнителя по отношению к связующему и, как следствие - пористостью композиции после испарения летучей фракции H2O с сопутствующим снижением ее механических и/или электрических свойств. Кроме того, представляется сложно реализуемой задачей изготовление заявленной водной эмульсии (по определению - дисперсной системы, состоящей из двух не растворяющихся друг в друге жидкостей - см., например, Большой энциклопедический политехнический словарь: https://rus-big-polyheh-dict.slovaronline.com/ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://rus-big-polyheh-dict.slovaronline.com/11143-%D0%AD%D0%9C%D0%A3%D0%9B%D0%AC%D0%A1%D0%98%D0%AF, свободный - 28.04.2020) акрилового полимера.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является улучшение механических и/или электрических свойств композиции.
Технический результат - повышение электрической проводимости за счет снижения пористости.
Поставленная проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в электропроводящей композиции для развивающих игр, выполненной на основе дисперсии, в которой дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой являются частицы пленкообразующих полимеров и наполнителя, включающего частицы электропроводящего материала, объемные доли вещества и размеры частиц, входящих в дисперсную фазу, удовлетворяют условиям: Vп ≈ Vдф; Vфк ≤ 0,4Vдф; Vэм ≈ (0,16÷0,4)Vдф; Dп>6,464Dфк max; Dфк min>6,464Dэм, где Vдф - объемная доля дисперсной фазы; Vп - объемная доля частиц полимеров; Vфк - объемная доля частиц наполнителя без электропроводящего материала; Vэн - объемная доля частиц электропроводящего материала; Dп -условный диаметр частиц полимеров; Dфк min - минимальный условный диаметр частиц наполнителя без электропроводящего материала; Dфк max - максимальный условный диаметр частиц наполнителя без электропроводящего материала; Dэн - условный диаметр частиц электропроводящего материала, рекомендовано формировать частицы наполнителя с размерами, удовлетворяющими условию: Dфк min>7,835Dэм, целесообразно, чтобы объемная доля частиц наполнителя без электропроводящего материала удовлетворяла условию: Vфк<0,335Vдф, предложено полимерную составляющую дисперсной фазы допировать углеродными нанотрубками, рекомендовано в качестве пленкообразующих полимеров использованы акриловые полимеры и/или винилацетатные полимеры, целесообразно в состав наполнителя включать минеральный балласт, а в качестве электропроводящего материала рекомендован медный порошок и/или серебряный порошок и/или медный порошок с серебряным покрытием и/или порошок сплава меди и серебра.
В способе формирования электропроводящих треков заявленной электропроводящей композицией, заключающемся в нанесении композиции на подложку с соединением размещенных на подложке электрических контактов с образованием замыкаемой электрической цепи, предложено упомянутую электрическую цепь замыкать до испарения фракции дисперсионной среды из композиции.
Изобретение иллюстрируется следующими изображениями:
Фиг. 1 - схематичный фрагмент плотной упаковки частиц дисперсной фазы после испарения дисперсионной среды (Н2О);
Фиг. 2 - ручной инструмент для формирования треков;
Фиг. 3 - ручной инструмент для формирования треков.
Позиции на представленных изображениях означают следующее:
1 - частицы полимеров;
2 - частицы наполнителя без частиц электропроводящего материала;
3 - частицы электропроводящего материала;
4 - корпус кисточки;
5 - окончание кисточки;
6 - корпус в виде сжимаемой емкости;
7 - окончание в виде сопла;
8 - резьба для навинчивания плотной (герметичной) крышки.
Заявленная электропроводящая композиция для развивающих игр выполнена на основе дисперсии, в которой дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой являются частицы пленкообразующих полимеров и наполнителя, включающего, помимо красителя и/или балласта и/или, возможно, иных функциональных компонентов, частицы электропроводящего материала.
Формулируя заявленное техническое решение, исходя из поставленной технической проблемы - снижение пористости композиции после испарения Н2O, автор реализовал подбор гранулометрического состава, максимально приближенный к плотно упакованным многокомпонентным системам с прерывистым гранулометрическим составом. В рамках рассматриваемой дисперсной системы частицы, составляющие дисперсную фазу, принято оценивать, как сферические или приравненные к таковым. В практике материаловедения принято рассматривать три случая плотной упаковки частиц сферической формы в единице объема: ромбоэдрическая упаковка (коэффициент заполнения объема 0,7405), кубическая упаковка (0,5236) и статистически неупорядоченная (или просто - статистическая) упаковка частиц (коэффициент - 0,637). Рассматриваемая дисперсная многокомпонентная система после испарения H2O способна сформировать исключительно статистическую упаковку частиц, причем плотность такой системы будет зависеть исключительно от ее гранулометрического состава. В нашем случае гранулометрический состав дисперсной фазы условно разделен на три составляющие:
- связующее - частицы пленкообразующих полимеров, после испарения H2O образующие полимерную матрицу;
- электропроводящий наполнитель - частицы электропроводящего материала, после испарения H2O непрерывно связные между собой с образованием бесконечного в объеме дисперсной фазы перколяционного кластера;
- иные наполнители - частицы дополнительных функциональных компонентов, таких как, например, краситель, пластификатор, стабилизатор, эмульгатор, балласт и прочее (здесь мы условно принимаем размеры частиц всех дополнительных функциональных компонентов равными между собой).
Сферические частицы связующего условным диаметром Dп полностью заполняют исходный объем дисперсной фазы Vдф=Vп=1 (в относительных единицах объема) с плотностью статистически неупорядоченной упаковки vcy=0,637, которая является величиной постоянной для данного типа упаковки. Тогда vп (концентрация частиц полимеров в дисперсной фазе) характеризует содержание частиц полимерного связующего (материала полимерного связующего без учета пустот между частицами) в объеме Vдф и равно:
Nп - число частиц полимеров в объеме Vдф.
Таким образом, vп=0,637 (63,7%).
Оставшийся свободный объем - Vфк (по сути - объем пустот в дисперсной фазе, заполненной частицами полимеров), составляющий в объемных долях 1-0,637=0,363, заполняют частицы наполнителя без электропроводящего материала с условным диаметром Dфк=0,1547Dп (случай, когда в свободном пространстве между тремя плотно сомкнутыми сферами Dп размещается касающаяся их сфера Dфк) с плотностью упаковки vсу=0,637. Следовательно, концентрация сферических частиц наполнителя без электропроводящего материала диаметром Dфк составит Vфк=0,637⋅0,363=0,231 и, по аналогии с вышесказанным, составляет:
Nфк - число частиц дополнительных функциональных компонентов в объеме
Таким образом, общий занятый частицами полимерного связующего и наполнителя без электропроводящего материала объем составляет 0,637+0,231=0,868. Оставшийся свободный объем (Vэм=1-0,868=0,132) заполняется частицами электропроводного материала условного диаметра Dэм=0,1547Dфк с плотностью упаковки vсу=0,637, и концентрация частиц электропроводного материала в дисперсной фазе составит vэм=0,132⋅0,637=0,084, и, по аналогии с вышесказанным, составляет:
Nэм - число частиц электропроводного материала в объеме Vэм.
Дальнейшее заполнение оставшегося объема (пустот) частицами меньших диаметров в рамках решаемой проблемы не рассматривается, справочно укажем, что оно может быть осуществлено в рамках закономерности, которая выражается в автомодельности заполнения оставшихся пустых объемов (подмножеств низшего уровня иерархии).
Из теории перколяции известно, что порог протекания по касающимся сферам в плотно упакованных многокомпонентных системах Vпep ≥ 0,16, в меньшем объеме соответствующая фракция не имеет непрерывной связности (не образует бесконечного кластера) в плотно упакованной многокомпонентной системе. Соответственно, в нашем случае этому условию удовлетворяют фракции полимерного связующего и наполнителя без электропроводящего материала, а фракция электропроводного материала при Vэм=0,132 не имеет непрерывной связности (не образует бесконечного кластера) в неиспаряемой дисперсной фазе, что означает, что стабильная электропроводность композиции не обеспечена.
Логичным решением было бы поменять местами гранулометрический состав фракции электропроводного материала и фракции наполнителя без электропроводящего материала, однако в этом случае расход электропроводящего материала увеличится почти вдвое, что, соответственно, с учетом стоимости электропроводящего материала, негативно повлияет на себестоимость композиции.
Тем не менее, задача обеспечения гарантированной электропроводности решаема ужесточением диапазонов (п. 2 и п. 3 формулы изобретения) и/или введением дополнительных компонентов (п. 4 формулы изобретения), а экспериментальная проработка с опорой на исторические данные показывает, что гарантированная электропроводность композиции обеспечена совокупностью признаков п. 1 формулы изобретения, и речь здесь идет о следующем. Научное исследование статистически неупорядоченной упаковки предпринял в 1950-х годах английский ученый Г. Скотт. Он заполнял шариками от подшипников сферические бутылки разных размеров. Если заполнять бутылки без потряхивания так, чтобы шарики располагались случайным образом, экспериментально наблюдается следующая зависимость плотности упаковки от числа шариков:
где N - полное число шариков. Очевидно, что при очень больших значениях N плотность упаковки стремится стать постоянной и соответствующей заполнению 60% пространства упаковки. Это утверждение Г. Скотта нашло полное подтверждение и в опытах автора настоящего изобретения. Тогда, проведя соответствующий перерасчет, получим соотношения для п. 1 формулы изобретения:
Vп ≈ Vдф,
Vфк ≤ 0,4Vдф;
Vэм=(0,16÷0,4)Vдф;
Dп>6,4640фк max;
Dфк min>6,464Dэм,
обеспечивающие преодоление порога перколяции для фракции электропроводного материала при максимально возможной плотности композиции после испарения летучей фракции Н2O. Так же, с учетом того, что на самом деле компоненты наполнителя без электропроводящего материала могут быть представлены группой компонентов, различных как по выполняемой функции, так и по размеру частиц, в формулу изобретения введены Dфк min и Dфк max, обозначающие, соответственно, наименьшие и наибольшие размеры частиц компонентов, входящих в группу «наполнителя без электропроводящего материала».
Как было отмечено ранее, теоретически возможной является плотность упаковки vcy=0,637, которая встречается на практике лишь при вибрационном воздействии на упаковываемую композицию в процессе ее упаковки, что сложно не только реализовать, но и представить в случае с нормальной эксплуатацией заявленной композиции для развивающих игр. Тем не менее, пп. 2-4 формулы изобретения раскрывают технические решения, обеспечивающие преодоление порога перколяции даже в случае достижения плотности упаковки значения vcy=0,637, что и было подтверждено ниже описанными экспериментами.
Согласно пп. 5-6 формулы изобретения в состав дисперсной фазы входят акриловые и/или винилацетатные полимеры. Эти пункты не ограничивают использование в композиции иных полимеров, а их наличие обусловлено следующим. Полимерные дисперсии делятся на первичные и вторичные. Первичные получают полимеризацией мономеров в жидкой фазе (эмульсионная полимеризация в воде), вторичные - путем эмульгирования при перемешивании готового полимера, например раствора олигомерного пленкообразователя в жидкой среде. Поскольку вторичные дисперсии весьма дороги, наибольший интерес для лакокрасочной промышленности представляют первичные дисперсии, получаемые методом эмульсионной полимеризации. Наиболее распространенными пленкообразователями, используемыми в рецептурах лакокрасочных материалов, являются водные дисперсии акриловых, акрилстирольных и винилацетатных полимеров. Поскольку акрилстирольные полимеры не соответствуют, а акриловые и винилацетатные полимеры соответствуют требованиям выше упомянутого Технического регламента TP ТС 007/2011, выбор очевиден. Кроме того, частицы акриловой дисперсной фазы, как правило, являются твердыми, а частицы винилацетатной дисперсной фазы могут быть представлены в виде капель/гранул, при этом при смешении винилацетатная дисперсная фаза является пластификатором акриловой дисперсной фазы, а акриловая дисперсная фаза, в свою очередь, является стабилизатором винилацетатной дисперсной фазы, что позволяет не использовать и/или использовать в меньшем количестве зачастую дорогостоящие и не всегда абсолютно безопасные соответствующие функциональные компоненты, заменив их на балласт из дешевого и абсолютно безвредного минерального наполнителя, что нашло отражение в п. 1 формулы изобретения.
Из великого множества электропроводных материалов, их сплавов и композиций, отобраны и включены в пп. 8-11 соответственно медный порошок, серебряный порошок, медный порошок с серебряным покрытием и порошок сплава меди и серебра, как обладающие наибольшей электропроводностью и в полной мере соответствующие требованиям безопасности TP ТС 007/2011.
В процессе испытаний заявленной композиции было установлено, что сформированный заявленной композицией электропроводящий трек способен проводить электрический ток до испарения из композиции дисперсионной среды - летучей фракции Н2О. При этом, как установлено экспериментально, трек формируется чрезвычайно стабильным даже в условиях большого размерного разброса частиц дисперсной фазы. Это обстоятельство нашло отражение в п. 12 формулы изобретения, как способ формирования электропроводящих треков электропроводящей композицией для развивающих игр по п. 1 - п. 11.
В процессе испытаний, с учетом предшествующего опыта, установлено, что в процессе формирования электропроводящих треков за счет трения между частицами и/или частиц с инструментом и/или с подложкой, имеющие наименьший размер частицы композиции (в нашем случае это частицы электропроводного материала) подвергаются трибологической отрицательной ионизации в процессе нанесения композиции на подложку, следствием чего является максимально равномерное распределение этих частиц в композиции трека, качественно улучшая тем самым электропроводные свойства композиции/трека. Исходя из изложенного, в качестве оптимальных инструментов, обеспечивающих максимальную трибологическую ионизацию, для формирования электропроводящих треков рекомендованы кисточка и тюбик с сопловидным выходным окончанием. В первом варианте (Фиг. 2) ребенок, удерживая кисточку за корпус 4 окунает окончание 5 в композицию и наносит трек на подложку, ворсинки окончания 5 с захваченными частицами композиции при этом за счет трения между собой и/или об емкость с композицией и/или об подложку обеспечивают вполне эффективную отрицательную ионизацию самых мелких частиц композиции - частиц электропроводящего материала, которые, в свою очередь, весьма равномерно распределяются в композиции с обеспечением непрерывного электропроводящего кластера.
Во втором варианте (Фиг. 3) ребенок, удерживая сжимаемый корпус 6 нажатием на последний выдавливает композицию через окончание в виде сопла 7 на подложку, формируя электропроводный трек, при этом сопловидностью окончания обеспечено интенсивное трение частиц композиции как между собой, так и с поверхностью окончания, что обеспечивает вполне эффективную отрицательную ионизацию самых мелких частиц композиции - частиц электропроводящего материала, которые, в свою очередь, весьма равномерно распределяются в композиции с обеспечением непрерывного электропроводящего кластера.
Ниже представлен пример реализации заявленной группы изобретений.
В качестве основы композиции выбрана СНР 557 - недорогая непластифицированная акриловая дисперсия на водной основе с высоким содержанием сухого полимера (60%), не содержащая сольвента, анионно стабилизированная, с размером частиц 5 мкм, формирует высокоэластичную пленку, устойчивую к действию влаги, не содержит алкилфенолэтоксилата (взято 5000 мл, относительный объем полимерных частиц - 3000 мл). В качестве наполнителя без электропроводящего материала, обеспечивающего функцию красителя/балласта, использован дешевый минеральный наполнитель барит необработанный (цвет серый) с размером частиц 0,8 мкм (приготовлена водная дисперсия с высоким содержанием барита (60%) в объеме 2000 мл, относительный объем частиц барита - 1200 мл). В качестве электропроводного материала использован недорогой порошок сферических частиц посеребренной меди Dendritic Flake (Китай) с размером частиц 0,1 мкм (приготовлена водная дисперсия с высоким содержанием означенных частиц (60%) в объеме 800 мл, относительный объем сферических частиц посеребренной меди - 480 мл). Все компоненты добавлены в акриловую дисперсию СНР 557 с последующим вымешиванием композиции на лабораторном диссольвере BGD 745 в течение 6 часов. В результате получена однородная композиция серого цвета средней текучести. Композиция разлита по пластиковым емкостям 50 мл с плотно завинчивающимися крышками. До половины пластиковых емкостей выполнены в форме тюбика 6 с окончанием в форме сопла 7 с резьбой 8 для навинчивания плотной крышки. Далее, в течение месяца, ежедневно, с использованием как тюбиков с окончанием в виде сопла (Фиг. 3) в качестве инструмента, так и кисточек (Фиг. 2), обмакиваемых в обычные емкости, формировались электропроводящие треки как с замкнутой, так и разомкнутой электрическими цепями. Во всех случаях цепь уверенно замыкалась как до, так и после полного высыхания композиции, к моменту завершения эксперимента треки, сформированные в начале эксперимента, работали так же хорошо, как и в день их формирования. Растрескивания треков и/или их деформации на всем протяжении эксперимента не наблюдалось. Последующие эксперименты с реализацией всех заявленных граничных и компонентных условий по всем пунктам формулы изобретения показали аналогичный вышеописанному эксперименту результат. Таким образом, работоспособность и эффективность заявленной группы технических решений можно считать доказанной.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная проблема - улучшение механических и/или электрических свойств композиции - решена, а заявленный технический результат - повышение электрической проводимости за счет снижения пористости - достигнут.
Claims (27)
1. Электропроводящая композиция для развивающих игр, выполненная на основе дисперсии, в которой дисперсионной средой является вода, а дисперсной фазой являются частицы пленкообразующих полимеров и наполнителя, включающего частицы электропроводящего материала, отличающаяся тем, что объемные доли вещества и размеры частиц, входящих в дисперсную фазу, удовлетворяют условиям:
Vп ≈ Vдф;
Vфк ≤ 0,4Vдф;
Vэм ≈ (0,16÷0,4)Vдф;
Dп > 6,464Dфк max;
Dфк min > 6,464Dэм, где
Vдф - объемная доля дисперсной фазы;
Vп - объемная доля частиц полимеров;
Vфк - объемная доля частиц наполнителя без электропроводящего материала;
Vэм - объемная доля частиц электропроводящего материала;
Dп - условный диаметр частиц полимеров;
Dфк min - минимальный условный диаметр частиц наполнителя без электропроводящего материала;
Dфк max - максимальный условный диаметр частиц наполнителя без электропроводящего материала;
Dэм - условный диаметр частиц электропроводящего материала.
2. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что размеры частиц наполнителя удовлетворяют условию:
Dфк min > 7,835Dэм.
3. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что объемная доля частиц наполнителя без электропроводящего материала удовлетворяет условию:
Vфк < 0,335Vдф.
4. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что полимерная составляющая дисперсной фазы допирована углеродными нанотрубками.
5. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве пленкообразующих полимеров использованы акриловые полимеры.
6. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве пленкообразующих полимеров использованы винилацетатные полимеры.
7. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что наполнитель включает минеральный балласт.
8. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего материала использован медный порошок.
9. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего материала использован серебряный порошок.
10. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего материала использован медный порошок с серебряным покрытием.
11. Электропроводящая композиция для развивающих игр по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве электропроводящего материала использован порошок сплава меди и серебра.
12. Способ формирования электропроводящих треков электропроводящей композицией для развивающих игр по пп. 1-11, заключающийся в нанесении композиции на подложку с соединением размещенных на подложке электрических контактов с образованием замыкаемой электрической цепи, характеризующийся тем, что упомянутую электрическую цепь замыкают до испарения дисперсионной среды из композиции.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020119687A RU2743934C1 (ru) | 2020-06-15 | 2020-06-15 | Электропроводящая композиция для развивающих игр и способ формирования электропроводящих треков |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020119687A RU2743934C1 (ru) | 2020-06-15 | 2020-06-15 | Электропроводящая композиция для развивающих игр и способ формирования электропроводящих треков |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2743934C1 true RU2743934C1 (ru) | 2021-03-01 |
Family
ID=74857498
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020119687A RU2743934C1 (ru) | 2020-06-15 | 2020-06-15 | Электропроводящая композиция для развивающих игр и способ формирования электропроводящих треков |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2743934C1 (ru) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU149390A1 (ru) * | 1961-11-01 | 1961-11-30 | Д.А. Штейн | Кисть, например, рисовальна |
| EP0292190A2 (en) * | 1987-05-19 | 1988-11-23 | Lion Corporation | Electrically conductive coating composition |
| RU2096847C1 (ru) * | 1990-02-23 | 1997-11-20 | Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся | Композиция на основе сплава меди |
| RU2176611C2 (ru) * | 1996-11-01 | 2001-12-10 | Колгейт-Палмолив Компани | Трубчатый контейнер инжекционного формования с дутьевой вытяжкой (варианты) |
| KR20060078790A (ko) * | 2004-12-31 | 2006-07-05 | 제일모직주식회사 | 도전성 페인트 조성물 |
| RU2710688C1 (ru) * | 2019-04-24 | 2020-01-09 | Джамиля Викторовна Чайкина | Детский конструктор, электропроводящая композиция и способ ее изготовления (варианты), способ формирования электропроводящих треков и ручной инструмент (варианты) |
| RU2019139922A (ru) * | 2019-12-06 | 2020-01-27 | Денис Александрович Чурзин | Электропроводящая композиция для детского творчества |
-
2020
- 2020-06-15 RU RU2020119687A patent/RU2743934C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU149390A1 (ru) * | 1961-11-01 | 1961-11-30 | Д.А. Штейн | Кисть, например, рисовальна |
| EP0292190A2 (en) * | 1987-05-19 | 1988-11-23 | Lion Corporation | Electrically conductive coating composition |
| RU2096847C1 (ru) * | 1990-02-23 | 1997-11-20 | Асахи Касеи Когио Кабусики Кайся | Композиция на основе сплава меди |
| RU2176611C2 (ru) * | 1996-11-01 | 2001-12-10 | Колгейт-Палмолив Компани | Трубчатый контейнер инжекционного формования с дутьевой вытяжкой (варианты) |
| KR20060078790A (ko) * | 2004-12-31 | 2006-07-05 | 제일모직주식회사 | 도전성 페인트 조성물 |
| RU2710688C1 (ru) * | 2019-04-24 | 2020-01-09 | Джамиля Викторовна Чайкина | Детский конструктор, электропроводящая композиция и способ ее изготовления (варианты), способ формирования электропроводящих треков и ручной инструмент (варианты) |
| RU2019139922A (ru) * | 2019-12-06 | 2020-01-27 | Денис Александрович Чурзин | Электропроводящая композиция для детского творчества |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hoffman | Discontinuous and dilatant viscosity behavior in concentrated suspensions. II. Theory and experimental tests | |
| Li et al. | A robust salt-tolerant superoleophobic alginate/graphene oxide aerogel for efficient oil/water separation in marine environments | |
| Osuji et al. | Shear thickening and scaling of the elastic modulus in a fractal colloidal system with attractive interactions | |
| Jia et al. | Study on hydrophobicity transfer of RTV coatings based on a modification of absorption and cohesion theory | |
| JPWO2004077140A1 (ja) | 画像表示用パネル及び画像表示装置 | |
| Kwak et al. | A pickering emulsion stabilized by chlorella microalgae as an eco-friendly extrusion-based 3D printing ink processable under ambient conditions | |
| KR890012196A (ko) | 합성 입자 분산물 | |
| RU2743934C1 (ru) | Электропроводящая композиция для развивающих игр и способ формирования электропроводящих треков | |
| Shin et al. | Dispersion of aqueous nano-sized alumina suspensions using cationic polyelectrolyte | |
| Strubbe et al. | Charge transport by inverse micelles in non-polar media | |
| Heinze et al. | The influence of fumed silica content, dispersion energy, and humidity on the stability of shear thickening fluids | |
| KR930004091A (ko) | 스크린-인쇄성 후막 페이스트 조성물 | |
| US4830922A (en) | Removable controlled thickness conformal coating | |
| Torrie et al. | Molecular solvent model for an electrical double layer: Reference hypernetted‐chain results for ion behavior at infinite dilution | |
| Lobel et al. | Electrostatic Transfer of Conductive Particles for the Formation of Liquid Marbles–Charge Transfer Behavior | |
| Amoabeng et al. | Fumed silica induces co-continuity across a wide composition range in immiscible polymer blends | |
| Yang et al. | Preparation of a yield stress Pickering emulsion ink stabilized by naturally occurring bee pollen microparticles | |
| Dunstan et al. | Capillary structured suspensions from in situ hydrophobized calcium carbonate particles suspended in a polar liquid media | |
| Verwey et al. | Dilatancy | |
| Princen et al. | Effect of particle size on the mutual flocculation between zinc oxide and titanium dioxide | |
| Bell et al. | Rheological properties of nanopowder alumina coated with adsorbed fatty acids | |
| Satoh | Sedimentation behavior of dispersions composed of large and small charged colloidal particles: development of new technology to improve the visibility of small lakes and ponds | |
| Bareigts et al. | Jellium and cell model for titratable colloids with continuous size distribution | |
| RU2720190C1 (ru) | Электропроводящая композиция для нанесения токопроводящих линий для использования в детских играх | |
| JPH08127790A (ja) | 電気レオロジー流体組成物とこれを用いた装置 |