Электропроводящие полимерные композиты с повышенным положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления для саморегулирующихся нагревателей

• Автор: Марков, Василий Анатольевич
• Шифр специальности: 05.17.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 120 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1Л Применение электропроводящих полимерных композитов с ТУ с повышенным положительным коэффициентом электрического сопротивления
1.2 Современные представления о структуре и свойствах технического углерода
1.3 Структурообразование и электропроводность в полимерных композитах с ТУ
1.4 Механизмы электропроводности в полимерных композитах с ТУ
1.5 Особенности в поведении электропроводящих полимерных композитов с ТУ
1.6 Электропроводящие полимерные композиты с ТУ на основе смесей полимеров
1.7 Сшивание полимерных композитов с ТУ
1.8 Влияние деформирования на электрическое сопротивление полимерных композитов с ТУ
1.9 Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования
ГЛАВА 2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.2 Методы исследования
ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЯВЛЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПКМ С ТУ
3.1 Влияние полимерной матрицы на термоэлектрические свойства композитов с ТУ
3.2 Термоэлектрические свойства и теплостойкость композитов с ТУ на основе смесей полиэтилена и полипропилена
3.3 Влияние силанольного сшивания на структуру, электрические свойства и теплостойкость полиэтиленовых композитов с техническим углеродом
3.4 Влияние модифицирующих добавок на термоэлектрические свойства ПКМ с ТУ
3.5 Влияние деформирования на электрические свойства полиэтиленовых композитов с техническим углеродом
3.6 Разработка и испытание саморегулирующихся нагревателей из полиэтиленового композита с ТУ
ВЫВОДЫ
Список сокращений и условных обозначений
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Саморегулирующиеся нагревательные элементы из полимерных композитов с ТУ производятся в настоящее время в ограниченном числе развитых стран: в США, Германии, Франции, Корее и Китае, но уже нашли широкое распространение при производстве саморегулирующихся нагревательных кабелей и других нагревательных элементов. Полимерные композиты с техническим углеродом (ТУ), используемые при производстве саморегулирующихся нагревателей, начали массово разрабатываться и патентоваться лишь с середины 1980-х годов. Их применение считается эффективным и перспективным направлением энергосберегающих технологий. Саморегулирующиеся нагреватели всё чаще используются при обогреве жилых помещений и для подогрева промышленных трубопроводов, в том числе и нефтепроводов, и резервуаров, что особенно важно для России с её холодными зимами. Различают полимерные резистивные и саморегулирующиеся нагреватели. В настоящее время саморегулирующиеся нагреватели вытесняют с рынка традиционные резистивные нагреватели. В основе особых термоэлектрических свойств полимерных композитов с ТУ, используемых в саморегулирующихся нагревателях, лежит резкое повышение электрического сопротивления при приближении к температурам плавления полимерной матрицы - эффект повышенного положительного температурного коэффициента электрического сопротивления (ПТК). Однако при более высоких температурах у подобных композитов наблюдается резкое падение электрического сопротивления — эффект отрицательного температурного коэффициента электрического сопротивления (ОТК), который может привести к перегреву и выходу нагревателя из строя. Явления ПТК и ОТК начали активно исследовать лишь в последние десятилетия, поэтому вопрос о механизме этих явлений до сих пор остаётся открытым. Дальнейшее развитие технологии производства подобных материалов требует изучения влияния на их термоэлектрические свойства рецептуры, условий изготовления и эксплуатации.
Цель работы заключается в создании электропроводящих полимерных композитов с ТУ и установлении влияния рецептурных, структурных, технологических и эксплуатационных факторов на характерные для данных материалов эффекты положительного и отрицательного температурных коэффициентов электрического сопротивления.
Научная новизна работы состоит в следующем.
1. Изучено изменение удельного объёмного электрического сопротивления полимерных композитов с техническим углеродом (ТУ) при фазовых переходах в процессе плавления и кристаллизации полимерной матрицы. Высказано предположение, что эффект повышенного положительного температурного коэффициента электрического сопротивления (ПТК) на

можно выделить два участка: прямолинейный участок в начале релаксации и последующий за ним криволинейный участок. Первый участок близок к области упругой деформации (Гука) макромолекулярной системы, которая проходит быстро как при растяжении, так и сокращении, и определяется упругими свойствами полимерной матрицы. Однако в полимерах этот процесс часто трудно выделить. В полимерных композиционных материалах электропроводящие системы могут чётко реагировать на малейшие структурные изменения, например, глобул, тем самым давая информацию о состоянии окружающего полимера на «языке» электропроводности. Второй участок соответствует процессу восстановления исходного состояния (до деформации), в котором участвуют частицы наполнителя. Как известно, эти частицы замедляют упорядочивание (перестройку) макромолекул, увеличивают внутреннее трение и нелинейные эффекты при больших деформациях. По этой причине их присутствие в композите всегда приводит к увеличению длительности релаксационного процесса. Вероятно, из-за этого замедляется восстановление электропроводящих путей. Таким образом, очевидно замедление полного восстановления равновесной структуры в высоконаполненных полимерных матрицах при более высоких содержаниях наполнителя, что, однако, на первый взгляд выглядит парадоксально. Экспоненциальные участки хорошо описываются уравнением (5) [237].
Таким образом, деформирование изделий из полимерных композитов с ТУ оказывает огромное влияние на их электрические характеристики. Особого внимания требует изучение влияния изгибающего деформирование на проявление эффектов ПТК и ОТК, от которых зависит работа саморегулирующих нагревательных элементов.