Способ испытания на электропроводность полимерных композиций

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК Б 27/02 4(5) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(21) 3619310/24-25(56) 1. Василенок Ю,И., Деянова А.С Коноплев Б.А."Пластические массы".1974, Р 8, с.53-55.2. Мак-Келви Д.М. Переработка полимеров. М., "Химия", 1965, с. 10.3, Гуль В,Е., Царский Л.Н., Майзель Н.С. и др. Электропроводящие полимерные материалы. М., "Химия", 1968, с. 64.4. Поляков А.А. Ячейка для исследования электропроводности полимеров.(54) (57) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛИ 2 ЖРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, предназначенных для переработки в изделия, путем измерения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки с помощью двух электродов, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повьппения качества испытаний путем приближения к условиям переработки, в испытуемом образце одновременно с измерением создают однородную деформацию сдвига со скоростью сдвига 10 - 1 спутем вращения одного иэ электродов, при этом один из используемых электродов плоский, а другой с конусной поверхностью с углом при основании, лежаощим в пределах от 15до 5.Изобретение относится к методам испытаний пластмасс, в частности к испытаниям на электропроводность термопластичных электропроводящих полимерных композиций путем измерения нх удельного объемного электрического сопротивления, и может быть использовано для выбора оптимальных режимов переработки указанных материалов с целью получения изделий с требуемой 1 О величиной электрического сопротивления.Известно, что удельное объемное электросонротивление одного и того же полимерного материала существенно ме няется в зависимости от условий переработки. Так, удельное объемное электросопротивление полиэтилена высокого давления (ПЭВД), содержащего в качестве электропроводящей добавки сажу, уО колебалось от 1,4 10 Ом см для образца, полученного экструзией, до 1,5 10" Ом си для образца, полученного литьем под давлением Я .Такой большой разброс в характе ристиках диктует необходимость создания метода испытаний на электропроводность полимерных материалов, в котором осуществлялся бы способ измерения электросопротивления в состоянии, близком к тому, которое реализуется в процессах переработки материалов в изделия.Процессы переработки (формирования) электропроводящих полимерных композиций включают в себя прессование, экструзию, литье под давлением, каландрование и т.п, Как правило, все эти процессы происходят в расплавленном состоянии, и в большинстве иэ них имеют место деформация и течение расплавов полимерных материалов 21 .Однако в существующих методах испытания на электропроводность этот 45 Фактор не учитывается,Известен способ измерения электрического сопротивления термопластичных злектропроводящих полимерных композиций при комнатных температурах, 50 включающий плотное закрепление металлических электродов на поверхности плоского полимерного образца путем запрессования в образец, вакуумного напыления или приклеивания, прило - 55 жения к электродам разности потенциалов и измерения электросопротивления 31 . Величина удельного объемно. го электрического сопротивления лл.- В -Ом см (1)где к- показатель измерительногоприбора, Ом;Г - плошадь измерительногоэлектрода, см2,с 1 - толщина образца, см,Образец получен прессованием вусловиях, обычных для изготовленияплоских образцов того или иного полимера,Недостатком этого способа является то, что с его помощью невозможнополучить значения электрического сопротивления композиций, отвечающихразным способам и различным режимампереработки.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности и достигаемому эффекту является способ испытания на электропроводность полимерныхкомпозиций путем измерения удельногообъемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработки спомощью двух электродов 41,Используемые электроды имеют формуплоских, дисков и располагаются в закрытой термостатируемой камере. Удельное объемное электрическое сопротивление полимерной композиции рассчитывают по формуле (1),Известный способ позволяет определить электропроводность расплавовэлектропроводящих композиций, однакоон не дает возможность провести испытание на электропроводность расплавов электропроводящих полимерных композиций при различных условиях переработки.Цель изобретения - повышение качества испытаний полимерных композиций на электропроводность путем приближения условий испытания к условиям переработки,1Поставленная цель достигается тем,что согласно способу испытания наэлектропроводность полимерных композиций, предназ.наченных для переработки в изделия, путем определения удельного объемного электрического сопротивления образца в расплавленном состоянии при температуре переработкис помощью двух электродов, в испытуемом образце одновременно с измерением создают однородную деформациюсдвига со скоростью сдвига от 10 " -10 спутем вращения одного из электродов, при этом один из используемыхэлектродов плоский, а другой с конусной поверхностью с углом при основа/ онии, лежащим в пределах от 15 до 5,На чертеже схематически показаноустройстчо, реализующее предлагаемыйспособ.Устройство содержит электрод 1, 10имеющий форму плоского диска диаметром Р и электрод 2 в виде диска, рабочая поверхность которого имеет коническую форму с усеченной вершиной,между которыми размещают во время испытаний образец 3, а также измерительный прибор 4, электронагревательную печь 5 и штатив 6 для перемещенияи фиксации электрода 2.Конусы с угла/ми при основании менее 15 не могутбыть использованы вследствие экспериментальных трудностей при точном установлении столь малого зазора междуконусом и плоскостью, а также малогообъема образца. Конусы с углом конусоности более 5 также не могут быть использованы, так как при этом не соблюдаются условия однородности деформации в объеме испытуемого материала.Электроды должны быть размещены отно-.ЗОсительно друг друга так, чтобы воображаемая вершина усеченного конуса находилась на поверхности электрода 1.Для перемещения электрода 2 в вертикальном направлении и его фиксации35служит штатив 6. Между электродамиразмещен образец 3 электропроводящей полимерной композиции. Электронагревательная печь 5 обеспечиваетнагрев образца и электродов до тем -пературы испытаний и ее поддержаниево время измерений. Один из электродов приводят во вращение с определенной постоянной скоростью, приэтом в образце создается однородноеполе деформации сдвига.Для испытаний используют прессованные, литые или вальцованные образцы в форме диска диаметром П итолщиной 0,8-1,0 мм, Измерение проводят при температуре переработкиполимерных композиций, которая должна быть не ниже температуры плавления (температура текучести), но невыше ее температуры разложения,55Образец помещают между электродаии, нагревают до температуры испытаний и опускают электрод 2 так, чтобы воображаемая вершина конуса находилась на поверхности плоского диска. После этого электрод 1 приводят во вращение с заданной скоростью, на электроды подают напряжение и измеряют сопротивление К. деформируемого расплава композиции с помощью измерительного прибора 4, наприиер тераомметра. Удельное объемное сопротивление о рассчитывают по формулеи 1 у 2Р"Ом си (2)Установив другую скорость вращения, повторяют измерение при другой ско- рости деформации сдвига. Проведя ряд испытаний и определив значения удельного объемного сопротивления при различных значениях скорости деформации сдвига, можно с высокой достоверностью выбрать условия переработки композиции (температуру и определенную скорость деформации сдвига), необходимые для получения изделий с заданными значениями удельного объемного сопротивления.Измерения проводят при скоростях деформации сдвига 10. - 1 с . Проведение измерений при скоростях деформации сдвига менее 10 снецелесообразно, вследствие того,что такие низкие скорости деформации сдвига не применяются в процессах переработки полимеров, так как они экономически невыгодны. Измерения при скоростях деформации сдвига свыше 1 с" невозможны из-за наступления режима неустойчивого течения расплава композиций, при котором образец отрывается от поверхности электродов, а измеряемые величины электрического сопротивления имеют завышенные значения вследствие плохого контакта между электродами и расплавои композиции (контрольные примеры 5.6 и 6.8). П р и м е р 1. Исследовалась полимерная композици., включающая ПЗВД с плотностью 0,9 19 г/см ч показате 3пем текучести расплава (ПТР) 1 ф 9 г/ 10 мин (марка 10802-020 по ГОСТ 16337-77) и 12 мас.Х сажи с удельной поверхностью 95 м /г и насыпной плот 3ностью 240 кг/м (марка ПМЭВ). Образец изготовили прессованием при 160 С, давлении 25 кгс/см, времени выдержки под давлением 10 мин. Образец диаметром 2,5 см и толщиной 1 ммпомещали между электродами диаметром2,5 см, угол конусности 4 =2 О 13. Систему нагревали до 150 С. Электрод 1вращали со скоростью 1 98 10 оо/с,что обеспечивало скорость деформациисдвига в зазоре между эчектродамиравную 3,2 1 О с 1 . На электроды гсдавали напряжение 10 В, Сопротивление образца измеряли с по 1 ощью тераомметра марки Е 6-13 Л, оно равнялось 101,5 10 Ом.Удельное объемное сопротивлениерассчитывали по формуле (2)1- -3,1 10 Ом смО 0385П р и м е р 2, Исследовалась полимерная композиция, содержащая ПЭВД сплотностью 0,919 г/см и ПТР 2,1 г/9/10 мин (марка 15803-020 по ГОСТ16337-77) и 12 мас.% сажи ПМЭВ. щУсловия опыта аналогичны примеру 1,. но температура испытаний 170 С, ско рость вращения электрода 2 10 об/с,скорость деформации сдвига 3,2 1 О ссопротивление образца 1,1 10 Ом, 254удельное объемное сопротивление1 10 Ом см.П р и и е р 3. Исследовалась полимерная композиция, содержащая поли -этилен низкого давления (ПЭНД) с плот- ЗОчостью 0,951 г/см и ПТР 4,3 г/ 10 мин(марка 209-01 по ГОСТ 16338-77) и15 мыс.% сажи ПМЭВ. Условия испытания англ эгичны примеру 1, скоростьвращенич электрода ,9 10 об/с, ско-зрость дзф:рмации сдвига 1,28 10 з сСопротивление образца 4,1 ф 10 Ом,Фудельное объемное сопротивление 8,510 Омсм.П р и и е р 4. Исследовалась поли-мерная композиция,включающая ПЭВДмарки 10802-020 и 20 мас.% сажи ПМЗ 100 В. Условия испытания аналогичныхримеру 1,Ре ультаты испытания предс 1 авле 45ны в табл.Н р и м е р 5. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭВДмарки 15803-020 и 20 мас.% сажи ПМЭ 100 В. Условия испытания аналогичны50примеру 2.Результаты испытания препставленыв табл. 2. П р и м е р 6, Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭНД 55 марки 209-01 и 20 мас.% сажи марки ПМЭВ, Условия испытания аналогичны примеру 2. Испытания проводились с 8 различными скоростями вращения электрода,Результаты испытаний приведеныв табл 3,П р и м е р 7. Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭВПмарки 10802-20 и 20 мас,7 сажи судельной поверхностью 100 м /г и насыпной плотностью 330 кг/м 1 (маркаПМ). Условия опыта аналогичныпримеру 1. Скорость вращения электрода 6 10об/с, скорость деформациисдвига 1,0 10 с 1, сопротивлениеобразца 2,0 10 Ом, удельное объем 3ное сопротивление 4,2 10 Ом-смП р и м е р 8, Исследовалась полимерная композиция, включающая ПЭНДмарки 209-01 и 30 мас,% сажи маркиПМЭВ. Условия опыта аналогичныпримеру 2. Скорость вращения электрода 2,0 10 об/с, скорость деформациисдвига 3,2. 10 с , сопротивление образца 2,1 10 , удельное объемное со 2противление 4,4 10 Ом см.4П р и м е р 9. Исследовалась поли -мерная композиция, содержащая ПЭНЦи 27 мас,% сажи марки ПМЭВ, полученная полимеризацией этилена вприсутствии катализатора Циглера-Натта, нанесенного на поверхность сажи,при 40 С в присутствии 20 мас.7 воодорода. Условия опыта аналогичныпримеру 1, но температура испытания160 С, скорость вращения электродао6 10 об/с, скорость деформации сдвига 1,0 10 с 1, сопротивление образца 60 Ом, удельное объемное сопротивление 1,3 10 Ом см.1П р и м е р 10. Исследовалась полимерная композиция, содержащая полистирол и 16 мас.7 сажи с удельнойповерхностью 95 м з/г и насыпной плотностью 310 кг/м (марка ДГ), полученная полимеризапией стирола вприсутствии инициирующей системы,нанесенной на поверхность сажи, прио70 С. Условия опыта аналогичны примеру 1, но температура испытанияо200 С, скорость вращения электрода7,910 об/с, скорость деформациисдвига 1,28 10 с , сопротивлениеобразца 4,510 Ом, удельное объемное сопротивление 9,4 10 Ом см.7П р и м е р 11Исследовалась полимерная композиция, содержащая сополимер 85% мол. этилена, 157 мол.бутилена и 19 мас,7. сажи марки ПМЭ 100 В. Опыт проводили аналогично при1150528 Таблица 1 Удельное объемное сопротивление,Ом см Сопротивление образцаОм Скорость деформации сдвига, с 1 Скорость вращения электрода,об/с Опыт, Р 1,3 10 1,7 10 2,2 10 3,4 10 1,38 10 3,2 10 1,010 3,2 10 7,9 10 1,98 10 6,25 "10 1,98 10 2,7 10 3,610 4,6 10 7,210 4.1 4.2 43 4.4 Таблица 2 Скорость деформации сдвига, с Скорость вращения электрода,об/с Опыт, В 7,9 10 1,98 1 О 2,510 3,410 1,28 103,2 10 1,2 101,6 10 5.1 5.2 меру 1, скорость вращения электрода 6,25 10 об/с, скорость деформации сдвига 1,0 -10 с 1, сопротивление образца 4,5 10 Ом, удельное объемное сопротивление 9,45 10 Ом см. 5П р и м е р 12. Исследовалв ПЭНД марки 209-01 по ГОСТ 16338-77 (плотность 0,951 г/см , ПТР,3 г/10 мин), содержащий 25 мас.Ж сажи ПМЭВ (удельная поверхность 95 мг/г, насып ная плотность 24,0 кг/м). Температура испытания 150 С. Электроды - ко/ нус с углом при основании 15 и плоскость диаметром 2,5 см. Скорость вращения электрода 2 10 об/с, скорость 15 деформации сдвига 2,9 10 с , сопротивление образца 3 1 ООм, удельное объемное сопротивление 6,0 10 Ом см.П р и м е р 13. Исследовали ПЭНД марки 209-01 по ГОСТ 16338-77 (плот ность 0,951 г/см, ПТР=4,3 г/10 мин, содержащий 15 мас,7, сажи ПМЭВ (удельная поверхность 95 кг/г, насыпная плотность 240 кг/м). Температура испытания 150 С. Электроды - конус 5оос углом при основании 5 и плоскость диаметром 2,5 см. Скорость вращения электрода 2 10об/с, скорость деформации сдвига 1,4 10 1 с , сопротивление образца 2,4 10 Ом, удельное объемное сопротивление 4,8 О Ом см.6Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ применим к определению удельного объемного сопротивления до 10 Ом см любых термопластич 8ных электропроводящих полимерных ком" позиций. При этом при изменении скорости вращения электрода можно изменять скорость деформации сдвига от 1 О до 1,0 с 1, Превьаение скорости деформации сдвига выше 1,0 с 1 приводит к неустойчивому течению расплава композиции, вызывает резкое возрастание сопротивления расплава вследствие частичного отрыва образца от поверхности электрода (контрольные примеры 5.6 и 6.8). По данным измерений каждой композиции можно определить. условия переработки (скорость деформации сдвига и температуру) для получения изделий с заданным значением удельного объемного сопротивления. Сопротивле- Удельное объние образца, емное сопротивОм ление, Ом см,2 10 4,2 101,3,10 дельное об мнсе сопроивление,Ом см11 Ю 52 ВСоставитель Г.Владимирова Редактор С.Лисина Техред Л.Микещ Корректор С.Черни Заказ 2134/33 Тираж Р 97 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-Э 5, Раушская наб., д. 4(5 Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4