Введение к работе
Актуальность работы: Создание материалов нового поколения с дополнительными функциональными свойствами, отличающихся высокой надежностью и долговечностью, в том числе электротехнического назначения актуально для современной промышленности. Особенно интересным направлением в этой области является создание электропроводящих полимерных композиционных материалов с эффектом саморегулирования температуры нагрева. В настоящее время греющие кабели с эффектом саморегулирования являются наиболее перспективными материалами, используемыми в промышленности для поддержания температуры. Они обеспечивают не только экономию электроэнергии, но повышают работоспособность оборудования при эксплуатации в холодном климате. Известные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) характеризуются высокими температурами нагрева и широкими диапазонами саморегулирования, но невысокими физико-механическими параметрами, что ограничивает области их применения. Отечественной промышленностью выпускается продукция из материалов, закупаемых за рубежом, что связано с отсутствием полимерных электропроводящих материалов, характеризуемых высокой эластичностью.
Одним из способов создания материалов электротехнического назначения является введение дисперсных электропроводящих наполнителей. Ограничение температуры нагревателя может быть обеспечено и без применения терморегулирующих устройств, а именно реализацией при их эксплуатации особых электрических характеристик электропроводящих полимерных материалов. Одной из таких характеристик является положительный температурный коэффициент сопротивления (ТКС), обеспечивающий электропроводящим композиционным материалам способность резко повышать удельное электрическое сопротивление с повышением температуры и наоборот.
Изучение закономерностей влияния углеродного наполнителя, технологических факторов на процессы формирования пространственной сетки в композитах, образованной из контактирующих токопроводящих частиц, их электрофизические характеристики позволит управлять служебными свойствами материалов, что в свою очередь является одной их актуальных задач современного материаловедения.
Связь работы с крупными научными программами: в основу диссертации положены результаты исследований по следующим научно-исследовательским программам и темам: Президиума СО РАН темы 8 «Создание электропроводящих полимерных композиционных материалов и нагревателей на их основе с эффектом саморегулирования температуры нагрева»; по направлению СО РАН на 2004-2005 гг. «8.2. Физико-химические основы технологий создания композиционных материалов и неразъемных соединений с заданными механическими и теплофизическими свойствами на металлической, керамической и полимерной основах»; программе СО РАН 8.2. ПСО №79 «8.2.4. Исследование механизмов формирования и управления свойствами полимерных композитов и создание материалов технического назначения» на 2005-2006 гг. (гос. рег. № 0120.0408281), Госконтракт РС (Я) № 2.5.12 «Разработка гибкого композиционного материала с эффектом саморегулирования температуры нагрева для электроподогрева трубопроводов в условиях Крайнего Севера», 2006-2007 гг., Междисциплинарный интеграционный проект № 12 «Разработка научных основ и методов получения композиционных полимерных материалов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, обладающих уникальными физико-техническими характеристиками», 2006-2008 гг.
Цель работы – создание перспективных гибких электропроводящих полимерных композиционных материалов с эффектом саморегулирования температуры нагрева на основе бутадиен-нитрильного каучука и бинарного наполнителя.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
анализ современных направлений создания электропроводящих композиционных материалов на полимерной основе;
исследование влияния технологии смешения компонентов на процессы формирования наполненной полимерной системы в зависимости от природы и концентрации бинарного наполнителя;
установление закономерностей формирования пространственной токопроводящей структуры в объеме электропроводящего композиционного материала на основе бутадиен-нитрильного каучука, модифицированного бинарным наполнителем;
разработка методов создания гибких электропроводящих полимерных композиционных материалов с эффектом саморегулирования температуры нагрева, базирующихся на: 1) использовании бинарного наполнителя; 2) прессовании компонентов бинарного наполнителя, усиливающего адгезионное взаимодействие на границе полимер-наполнитель.
Научная новизна и значимость полученных результатов.
Разработаны новые технологические приемы получения гибких электропроводящих композиционных материалов с эффектом саморегулирования температуры нагрева, включающие предварительное прессование компонентов перед введением в эластомерную матрицу. Показано, что прессование компонентов бинарного наполнителя приводит к существенному улучшению электрофизических свойств композитов.
Определены закономерности формирования пространственной токопроводящей сетки в электропроводящем полимерном композиционном материале, модифицированном бинарным наполнителем на основе кокса и сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Показано, что прессование компонентов бинарного наполнителя усиливает адгезионное взаимодействие на границе полимер-наполнитель. Это позволяет направленно формировать надмолекулярную структуру связующего и получать материалы с оптимальным сочетанием электрофизических характеристик.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением стандартных методов испытаний электропроводящих композиционных материалов на современном оборудовании, которое характеризуется высоким уровнем точности измерений, а также соответствием результатов лабораторных и опытно-промышленных испытаний.
Практическая значимость полученных результатов. Разработаны новые технологические способы получения гибких электропроводящих композиционных материалов, содержащих бинарный наполнитель, базирующиеся на предварительном прессовании компонентов бинарного наполнителя перед введением в эластомерную матрицу.
Разработаны рецептуры электропроводящих полимерных композиционных материалов, отличающиеся высокими электрофизическими характеристиками и эластичностью, позволяющие повысить работоспособность технологического оборудования. Разработанные нагреватели из этих материалов предназначены для обогрева трубопроводов и поддержания температуры в промышленных процессах, устранения последствий аварий систем водо- и теплоснабжения.
На разработанные составы и способ получения электропроводящих ПКМ, применяемых для обогрева технологического оборудования, получены положительные решения о выдаче Патентов РФ «Электропроводящий композиционный полимерный материал» от 05.03.2009 г. и «Способ получения электропроводящего композиционного полимерного материала» от 04.03.2009 г.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
технологические приемы совмещения компонентов электропроводящих композиционных материалов, заключающиеся в предварительном прессовании компонентов бинарного наполнителя с целью обеспечения равномерного распределения в объеме связующего;
закономерности формирования пространственной токопроводящей сетки электропроводящих композиционных материалов в зависимости от природы и концентрации компонентов бинарного наполнителя;
новые составы материалов электротехнического назначения на основе бутадиен-нитрильного каучука, модифицированного бинарным наполнителем, отличающиеся высокими электрофизическими характеристиками и эластичностью.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на конференциях: научной конференции студентов и молодых ученых «VII, X Лаврентьевские чтения» (г. Якутск, 2003, 2006 гг.); I международном форуме «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2005); VIII научно-практической конференции «Химия – ХХI век: Новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2005); II и III Евразийском симпозиумах «EURASTRENCOLD» (Якутск, 2004, 2006); XXVIII международной конференции «Композиционные материалы в промышленности» (г. Ялта, 2008 г.); XII международном симпозиуме имени академика М.А.Усова (г.Томск, 2008 г.).
Опубликованность результатов. Основные положения и результаты исследований отражены в 13 научных работах: в 12 статьях в научных журналах и сборниках трудов конференций, в том числе 1 рецензируемом журнале ВАК, 2 положительных решениях о выдаче Патентов РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 123 наименований и приложения. Полный объем диссертации составляет 118 стр., включая 20 рисунков и 7 таблиц.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. Охлопковой А.А. и к.т.н. Соколовой М.Д. за ценные советы по диссертации на завершающем этапе работы.
