Результат интеллектуальной деятельности: Наполненный полимерный композиционный материал

Изобретение относится к области электроизоляционных композиционных материалов на силиконовой основе, применяемых для герметизации радио и электротехнических изделий.

К электроизоляционным композиционным материалам предъявляются требования в отношении диэлектрических и механических свойств при их сочетании с технологическими свойствами: невысокой исходной вязкостью, достаточной жизнеспособностью и скоростью полного отверждения, а также с высоким уровнем теплопроводности для предотвращения перегрева и выхода из строя герметизируемого изделия.

Известен компаунд КТК-1 (ТУ 2252-037-89021704-2013), применяемый для заливки изделий радио и электротехнической аппаратуры, состоящей из низкомолекулярного силиконового каучука, отвердителя и теплопроводящего наполнителя. При коэффициенте теплопроводности не более 1,1 Вт/м°К компаунд имеет предел прочности на растяжение 0,6 МПа, относительное удлинение при разрыве не более 30%. При достаточно высокой теплопроводности он значительно уступает по физико-механическим характеристикам большинству композиционных силиконовых материалов, применяемых для герметизации. Это существенно ограничивает целевое применение данного компаунда.

Известны компаунды группы КПТД-1/1, выпускаемые фирмой «НОМАКОН» (Белоруссия) по ТУ РБ 100009933.004-2001, в частности, компаунды 1 Л-1,00, 1Л-1,50, 1Л-2,50, имеющие высокий уровень диэлектрических свойств. Компаунды состоят из силиконовых связующих на основе жидких каучуков, а также мелкодисперсных теплопроводящих наполнителей. Однако теплопроводность этих компаундов не превышает значений 0,60 Вт/м°К. Этого в большинстве случаев не достаточно для надежной работы технических устройств, выделяющих значительные количества тепла.

Известен состав и способ получения герметизирующей композиции для герметизации изделий, работающих в условиях повышенной влажности воздуха и при высоких питающих напряжениях, приведенные в описании к патенту RU 2472833 С1 (прототип). Герметизирующая композиция имеет следующий состав: компаунд на основе низкомолекулярного силоксанового каучука содержится в количестве 100 массовых частей, полиметилсилоксан (ПМС) с кинематической вязкостью 10-350 мм²/с - в количестве 10-50 массовых частей, диоксид кремния с удельной поверхностью от 50 до 300 м²/с - в количестве 10-40 массовых частей. Такая композиция обеспечивает улучшенные механические характеристики и электроизоляционную стабильность в условиях повышенной влажности и высоких питающих напряжений. Этот эффект достигается за счет предлагаемого состава и способа подготовки, включающего как выделение влаги при нагревании основы, так и поэтапное обезгаживание смеси диоксида кремния с полиметилсилоксаном.

Недостаток известного технического решения заключается в том, что предлагаемая герметизирующая композиция имеет низкую теплопроводность, величина которой обусловлена количеством вводимого диоксида кремния. Из-за своей высокой удельной поверхности диоксид кремния не может быть введен в известный состав в количестве, большем указанного в прототипе, без значительного ухудшения технологических свойств герметизирующей композиции, в частности, вследствие снижения минимально необходимой текучести.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в увеличении теплопроводности наполненного полимерного композиционного материала.

Для решения этой задачи, в отличие от известного наполненного полимерного композиционного материала, включающего низкомолекулярный силоксановый каучук, полиметилсилоксан и мелкодисперсный диоксид кремния, предлагаемый композиционный материал дополнительно содержит этилсиликат, причем соотношение между полиметилсилоксаном и этилсиликатом составляет от 1:1 до 6:1, а массовое соотношение компонентов, входящих в состав материала, составляет:

низкомолекулярный силоксановый каучук 100 массовых частей,

мелкодисперсный диоксид кремния 400-580 массовых частей,

суммарное количество полиметилсилоксана и этилсиликата 25-55 массовых частей.

В качестве низкомолекулярного силоксанового каучука может быть использованы каучуки, имеющие молекулярную массу в интервале от 20000 до 50000. Каучуки с молекулярной массой менее 20000 не обеспечивают необходимую прочность композиционного материала после его полимеризации. Использование каучуков с молекулярной массой более 50 000, ввиду их высокой вязкости, приводит к ухудшению технологических свойств композиционного материала после введения в его состав необходимого количества теплопроводящего наполнителя.

Введение в наполненный полимерный композиционный материал мелкодисперсного диоксида кремния в количестве 400-580 массовых частей позволяет обеспечить его теплопроводность в диапазоне 1,15-1,50 Вт/м°К, что достаточно для эффективного отвода тепла от герметизируемых радио и электротехнических изделий в режимах эксплуатации.

Сочетание низкомолекулярного силоксанового каучука, полиметилсилоксана и этилсиликата позволяет обеспечить сочетание термостойкости, термической стабильности и морозостойкости композиционного материала после его полимеризации, сохранить его высокую эластичность в широком интервале температур.

Полиметилсилоксан выполняет структурообразующую функцию, а также функцию активного разбавителя полимерной матрицы, повышает изотропность композиционного материала. При этом улучшается текучесть композиционного материала, необходимая при нанесении на поверхность изделия, а также повышается его эластичность после полимеризации.

Этилсиликат частично, снижает эластичность, но повышает прочность композиционного материала после его полимеризации.

Соотношение между полиметилсилоксаном и этилсиликатом от 1:1 до 6:1 позволяет обеспечить достаточную текучесть композиционного материала для его качественного нанесения на поверхность герметизируемого изделия и оптимальные механические свойства после его полимеризации.

Суммарное содержание полиметилсилоксана и этилсиликата в количестве 25-55 массовых частей на 100 массовых частей низкомолекулярного силоксанового каучука позволяет обеспечить требуемые технологические свойства полимерного композиционного материала при введении в него мелкодисперсного диоксида кремния в количестве 400-580 массовых частей. При содержании наполнителя в количестве, меньшем указанных пределов, не обеспечивается необходимая теплопроводность. При содержании наполнителя в количестве, превышающем указанные пределы, не обеспечиваются технологические свойства материала, поскольку значительная исходная вязкость не позволяет производить его бездефектное нанесение на сложно профильные поверхности изделий.

В качестве низкомолекулярного силоксанового каучука могут быть использованы каучуки СКТН марки А ГОСТ 13835-73 и/или СКТН марки Б ГОСТ 13835-73.

В качестве полиметилсилоксана могут быть использованы ПМС-20 ГОСТ 13032-77 и/или ПМС-50 ГОСТ 13032-77.

В качестве этилсиликата могут быть использованы ЭС-32 ГОСТ 26371-84 и/или ЭС-40 ГОСТ 26371-84.

В качестве мелкодисперсного диоксида кремния кварц молотый пылевидный марки А и/или марки Б ГОСТ 9077-82 и/или кристобалит размерностью частиц 5-35 мкм.

Далее приведены конкретные примеры получения наполненного полимерного композиционного материала.

Пример 1

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки А, добавляют в эту емкость 20 г ПМС-50, 10 г этилсиликата ЭС-40 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 500 г кварца молотого пылевидного марки Б частями, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде не менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 2

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки А, добавляют в эту емкость 36 г ПМС-50, 6 г этилсиликата ЭС-40 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 400 г кварца молотого пылевидного марки А и 50 г кристобалита частями, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде не менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 3

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки А, добавляют в эту емкость 40 г ПМС-50, 10 г этилсиликата ЭС-40 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 420 г кристоболита частями, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде не менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 4

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки А, добавляют в эту емкость 15 г ПМС-50, 15 г этилсиликата ЭС-40 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 480 г кварца молотого пылевидного марки Б частями, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 5

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки Б, добавляют в эту емкость 20 г ПМС-20,8 г этилсиликата ЭС-32. В полученную смесь вносят 490 г кварца молотого пылевидного марки А частями, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 6

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки Б, добавляют в эту емкость 30 г ПМС-20, 10 г этилсиликата ЭС-32 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 50 г кристоболита, 420 г кварца молотого пылевидного марки Б частями, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 7

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки А, добавляют в эту емкость 30 г ПМС-50, 10 г этилсиликата ЭС-32 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 420 г кварца молотого пылевидного марки А и 60 г кристобалита, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 8

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки Б, добавляют в эту емкость 40 г ПМС-20, 15 г этилсиликата ЭС-32 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 580 г кварца молотого пылевидного марки Б периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 9

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки А, добавляют в эту емкость 20 г ПМС-20, 15 г этилсиликата ЭС-32 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 480 г кристобалита, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

Пример 10

В емкость для смешения помещают 100 г каучука СКТН марки Б, добавляют в эту емкость 15 г ПМС-20, 10 г этилсиликата ЭС-40 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят 270 г кварца молотого пылевидного марки Б, 100 г кварца молотого пылевидного марки А и 50 г кристобалита, периодически перемешивая. Перемешивают и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Смесь переносят в закрывающуюся емкость и выдерживают в закрытом виде менее 24 ч. Полученный наполненный полимерный композиционный материал непосредственно перед применением смешивают с оловоорганическим катализатором.

В качестве оловоорганического катализатора может быть использован октоат олова (ТУ 6-02-539-75), диэтил-дикаприлат олова (МРТУ 6-02-417-67 МРТУ 6-02-417-67) или другой серийный оловоорганический катализатор отверждения силиконовых компаундов.

Примеры состава наполненного полимерного композиционного материала сведены в таблицу.

Далее приведены характеристики наполненного полимерного композиционного материала