Электропроводящие полимербетоны
Ускорение научно-технического прогресса требует непрерывного расширения производства средств автоматики, вычислительной техники, радиоэлектронных приборов и оборудования, используемых в радиоастрономии, радиолокации, радиовещании, рентгеновских уста: новках, промышленных установках электронно-лучевой сварки, ТВЧ и СВЧ и т. д. Резко возросла и продолжает расти насыщенность околоземного пространства излучениями радиотехнических,электронных и тому подобных установок. По имеющимся данным, число различных источников излучений удваивается, а излучаемые мощности электромагнитной энергии увеличиваются в десятки раз за каждое десятилетие. Электромагнитные излучения в настоящее время вполне обоснованно относят к одному из видов загрязнения окружающей среды. Они оказывают неблагоприятное воздействие на здоровье человека, так как при эксплуатации таких установок обслуживающий персонал подвергается длительному и систематическому воздействию электромагнитных и других излучений. Кроме того, они являются помехами при работе различных радиоэлектронных устройств. Таким образом, функционирование радиоэлектронных устройств без ухудшения качественных показателей становится все более сложным, а защита окружающей среды все более актуальной.
К настоящему времени разработаны и освоены достаточно надежные средства защиты от неблагоприятного воздействия электромагнитных излучений на обслуживающий персонал и соответствующее оборудование. Однако вопрос об эффективной борьбе с излучениями такого рода остается весьма важным. Наиболее рациональные способы такой защиты — инженерно-технические решения, непосредственно направленные на снижение интенсивности электромагнитных излучений до допустимого уровня. К этим мерам относятся экранирование и устройство защитных фильтров. Защитные фильтры уменьшают помехи, проникающие в устройства через питающие сети. Экранирование эффективно защищает электронную аппаратуру от внешних помех и одновременно является надежным способом борьбы с собственными излучениями в окружающую среду. Экранирование помещений с электронной аппаратурой осуществляется путем облицовки их стен специальными токо-проводящими материалами.
Хорошими экранирующими свойствами обладают различные металлы, они обеспечивают надежное экранирование в широком диапазоне интенсивности электромагнитных полей. Однако использование металлических обшивок для экранирования помещений имеет определенные недостатки: сравнительно высокая стоимость, ограниченный срок службы, так как многие металлы подвержены коррозии, снижение комфортности помещений и т. д.
Поэтому во многих странах ведутся работы по замене металлических экранов другими электропроводящими материалами, в том числе и на основе полимеров. При этом решение проблемы заключается в том, чтобы получить такие материалы, которые в наибольшей степени должны соответствовать основной характеристике экрана — степени ослабления энергии электромагнитного поля, проникающего за экран.
Создание электропроводящих материалов на основе полимеров является более сложной задачей по сравнению с разработкой диэлектриков на основе полимеров.
Однако сравнительная простота переработки и нанесения защитных покрытий способствовали тому вниманию, которое было уделено использованию полимеров для создания электропроводящих материалов типа эмалей, мастик, паст и клеев. При разработке перечисленных электропроводящих материалов были опробованы многие выпускаемые промышленностью термопластичные и термореактивные мономеры, олигомеры и полимеры. Среди них наиболее полно были изучены электропроводящие материалы на основе каучуков и эпоксидных смол. Менее подробно изучены электропроводящие композиции на основе полиэфирных, фенолоформальдегидных, фурановых и полиуретановых смол, поливинилацетата, поливинилхлорида, полистирола и других полимеров.
Известно, что большинство полимеров — хорошие диэлектрики, т. е. имеют очень высокое электрическое сопротивление в пределах от 108 до 1016. Поэтому при создании электропроводящих материалов на основе полимеров необходимо было преодолеть значительные трудности и, в первую очередь, подобрать наполнители, обладающие высокими электропроводящими свойствами. Естественно было предположить, что такими наполнителями окажутся порошки различных металлов — серебра, меди, никеля, олова, алюминия, железа, ферромагнитных сплавов и др. Однако исследования показали, что введение в полимерную композицию большинства из перечисленных металлических порошков не дало ожидаемого эффекта. Это объясняется тем, что на поверхности мелкодисперсных частиц сравнительно быстро образуются оксидные пленки, и сопротивление таких порошков резко возрастает. Очень хорошие результаты были получены при введении в полимерную композицию порошков серебра с частицами чешуйчатой формы или никеля, но порошки этих металлов чрезвычайно дороги и дефицитны, поэтому вряд ли такие составы найдут практическое применение. В дальнейшем в качестве наполнителей электропроводящих композиций были опробованы графитовая или коксовая мука, сажа, карбонизированные вискозные волокна типа углена и др.
Природа связующего также оказывает существенное влияние как на электрические, так и на физико-механические и эксплуатационные свойства электропроводящих композиций. Исследования показали, что на электрическое сопротивление полимерной композиции полимерное связующее оказывает непосредственное и доминирующее влияние только при сравнительно небольшой степени наполнения электропроводящими наполнителями, т. е. до тех пор, пока в системе не образуется электропроводящая структура. При дальнейшем наполнении фактором, определяющим электропроводность композиции, является не электрическое сопротивление связующего, а плотность упаковки наполнителя, способствующая максимально большему числу контактов его зерен, которые и определяют электропроводность композиции в целом.
Физико-механические свойства электропроводящих материалов зависят от способности полимерного связующего хорошо смачивать частицы выбранных электропроводящих наполнителей с образованием достаточно высоких адгезионных связей. В свою очередь, частицы наполнителей должны хорошо диспергироваться в выбранном полимерном связующем. При плохой совместимости связующего и наполнителя частиц последнего агрегатируются в смеси, что затрудняет образование сплошных электропроводящих структур и ухудшает физико-механические свойства конечного продукта.
Для улучшения совместимости с электропроводящими наполнителями и равномерного их распределения в смеси, в ряде случаев в состав вводят поверхностно-активные вещества, а для улучшения контактов между зернами наполнителей — растворители или разбавители полимерного связующего. Большое влияние на свойства электропроводящих материалов оказывает и технология их приготовления.
Несмотря на большое количество выполненных исследований, электропроводящие материалы на основе полимеров применяют в основном для изготовления нагревательных элементов, клеев, мастик и лакокрасочных покрытий при отводе статического электричества. В последнее время разработан весьма интересный электропроводящий материал на основе минеральной ваты и полиакриламида, наполненного сажей. Полученный материал имеет сопротивление =10 Ом. Принцип действия экрана из такого материала аналогичен принципу действия металлического экрана. Затухание энергии электромагнитных волн обусловлено преимущественно ее отражением от поверхности экрана и лишь незначительная часть энергии рассеивается в виде теплоты в самом экране.
Для изготовления электропроводящих полимербетонов были применены те же смолы, которые использовались для получения диэлектриков. В качестве заполнителя применяли кокс и графит фракции 1—5 мм, а в качестве наполнителей — графитовую муку с удельной поверхностью 3000 см2/г, сажу с удельной поверхностью 20 м2/г и металлический порошок с удельной поверхностью 2000—3000 см2/г.
Предварительные исследования электропроводящих полимербетонов на основе различных олигомеров показали, что при использовании карбамидных смол можно получить сравнительно высокие электропроводящие характеристики. Однако предел прочности на сжатие таких полимербетонов довольно низкий и лежит в пределах 6—6,5 МПа.
Значительно лучшие результаты были получены у полимербетонов на основе фурановых, эпоксидных и фенолоформальдегидных смол, из которых наиболее высокие показатели электропроводности имеют полимербетоны на основе фенолоформальдегидных, а минимальные — на основе фурановых смол. Полимербетоны на эпоксидных смолах занимают промежуточное положение.
Анализ выполненных исследований показывает, что потенциальные возможности таких полимербетонов далеко не исчерпаны. В ближайшие 2—3 года могут быть получены полимербетоны со значительно более высокими электропроводящими и прочностными характеристиками.