Полиолефиновый композит, наполненный углеродными нанотрубками, для повышения электропроводности, модифицированный смесью полисилоксанов

Изобретение относится к области конструкционных материалов и полимерных нанокомпозитов, а именно к полимерным композициям, содержащим нанодисперсные добавки с целью повышения их электро- и теплофизических свойств.

В данном изобретении предложен материал, являющийся полимерным композиционным материалом, модифицированным углеродными нанотрубками, предназначенный для существенного повышения электро- и теплопроводности.

Интерес к выбранной тематике исследования обусловлен тем, что конструкционные материалы, используемые в авиакосмической технике, автомобилестроении и других высокотехнологичных отраслях, должны обладать комплексом высоких эксплуатационных и технологических характеристик, включая прочностные показатели, тепло- и электропроводность, а также возможность перерабатываться в изделия простыми высокопроизводительными методами. В большинстве случаев для этих целей используются металлы, обладающие требуемым набором характеристик, однако, как показывают исследования последних лет, они могут быть с успехом заменены на полимерные композиты с соответствующим набором свойств.

Из области техники известны полимерные композиции на основе термоотверждающегося полимера и углеродных нанотрубок.

Авторы патента RU 2490204 разработали способ получения нанокомпозитов на основе полиолефинов, используемых при получении различных изделий, таких как пленки, листы, трубы, нити и волокна, обладающих высокой объемной и поверхностной электропроводностью. В технологии используются углеродные нанотрубки, предварительно механически растертые в воде с добавлением водорастворимого полимера с концентрацией 0,01-0,1 мас.%. Полученную суспензию диспергируют ультразвуком при максимальной температуре среды не выше 70°С. Затем полученную суспензию наносят на поверхность гранул полиолефина и сушат. Полученные гранулы нанокомпозита содержат до 0,5 мас.% углеродных нанотрубок.

Недостатком данной технологии является использование нестандартного оборудования, а также добавление дополнительной стадии приготовления полимерного нанокомпозита.

Наиболее близким аналогом разработанного технического решения является патент RU 2389739, авторы которого разработали полимерную композицию, содержащую термоотверждающийся полимер, в качестве которого могут быть использованы термопластичные полиолефины, полиэтилен, полипропилен, сополимеры пропилена, этилен-пропиленовый каучук, тройные сополимеры этилена-пропилена-диена, сополимеры акрилонитрила-бутадиена-стирола, акрилонитрила-ЕРЭМ-стирола, поливинилхлорид, полистирол, полиамиды, поликарбонат, полибутилентерефталат, полиэтилентерефталат, полифениленоскид и простой полифениленовый эфир и углеродные нанотрубки.

Недостатком данного технического решения является невысокая удельная электро- и теплопроводность получаемых полимерных композитов за счет неравномерного распределения наполнителей из углеродных нанотрубок в матрице полимера.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение функциональных свойств полимерных композитов, в частности электро- и теплопроводности.

Требуемый технический результат достигается тем, что теплоэлектропроводный полиолефиновый композит, наполненный углеродными нанотрубками, содержащий полиолефиновый эластометр и смесь полисилоксанов, которая содержит полиметилсилоксан и малорастворимую полиэтилсилоксановую жидкость, с углеродными нанотрубками при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Наличие смеси полисилоксанов в полимерном композите способствует гомогенному распределению углеродных нанотрубок в полимерной матрице, а также снижению их концентрации.

Новый технический результат, достигаемый при использовании данного композиционного материала, заключается в значительном повышении его электро- и теплопроводности за счет гомогенного распределения углеродных нанотрубок в объеме композита. Гомогенному распределению углеродных нанотрубок в объеме полимерной матрицы способствует использование смеси полисилоксанов.

Отличительные признаки предложенного технического решения на порядок повысили электро- и теплопроводность полимерных композитов.

Достижение улучшенных показателей назначения иллюстрируется нижеприведенными данными исследований и опытов.

Увеличение содержания полиметилсилоксана более 1,5 мас.% в полимерном композите приводит к ухудшению реологических свойств смеси при переработке и в дальнейшем к снижению механических свойств композита. При содержании полиметилсилоксана менее 0,1 мас.% не происходит достаточной гомогенизации углеродных нанотрубок в объеме полимерного композита.

Использование маслорастворимой полиэтилсилоксановой жидкости обусловлено необходимостью приготовления дисперсии из углеродных нанотрубок на этапе их введения в композит для придания им требуемых технологических параметров, таких как вязкость и гомогенность распределения в объеме.

При использовании для этих целей менее 1 мас.% маслорастворимой полиэтилсилоксановой жидкости не удается добиться требуемой вязкости жидкости, тогда, как увеличение содержания более 15 мас.% приводит к ухудшению электро- и теплофизических свойств конечного продукта.

Концентрация углеродных нанотрубок обусловлена тем, что при содержании углеродных нанотрубок менее 5 мас.% не достигается перколяционного порога увеличения электро- и теплопроводности, тогда как при содержании углеродных нанотрубок более 15 мас.% не происходит дальнейшего увеличения электро- и теплопроводности, что вероятно связано с агломерацией углеродных нанотрубок.

Опытной проверкой было установлено повышение электропроводности на два порядка и теплопроводности в 2,5 раза в сравнении с полимерным композитом без добавления полиолефинового композита, модифицированного углеродными нанотрубками.

Пример

В качестве исходных материалов используются:

- многослойные углеродные нанотрубки диаметром 20-30 нм, длиной 5-7 мкм (МУНТ);

- полиолефиновый эластомер (LC 370);

- полиметилсилоксан с молекулярной массой от 300000 до 1200000 (ПМС);

- маслорастворимая полиэтилсилоксановая жидкость (ПЭС 5).

Смешение компонентов проводилось на двухвалковой мельнице (BL-6175-A) при температуре 120°С в течение 20 мин. Соотношение компонентов в изготавливаемых экспериментальных образцах представлено в табл. 1

По результатам исследования объемного электросопротивления получены следующие результаты

Образец 1 - 10^-3 См/м

Образец 2 - 10^-2 См/м

Образец 3 - 0,8 См/м

По результатам исследования теплопроводности, получены следующие результаты:

Образец 1 - 0,6 ВТ/мК

Образец 2 - 1,2 Вт/мК

Образец 3 - 1,7 Вт/мК