ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

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 литературным данным, число различ­ных источников излучений удваивается, а излучаемые мощности электромагнитной энергии увеличиваются в десятки раз за каждое десятилетие [50, 74, 90]. 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 [74, 90].

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. Степень ослабления или эффективность экранирования представляет собой отно­шение напряженности поля электрической Е или маг­нитной Н составляющей в данной точке при отсутствии экрана к напряженности поля Е2 или Я2 в той же точке при наличии экрана:

Э = Е /Е2 или Н /Н2.

Эффективность экранирования непосредственно зави­сит от электропроводности используемого материала. Поэтому только такие неметаллические материалы, ко­торые имеют сопротивление не более /?0= 10 Ом могут конкурировать с металлическими экранами. 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 [51]. 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, фенолоформальде - гидных, фурановых и полиуретановых смол, поливинила - цетата, полививилхлорида, полистирола и других поли­меров.

Известно, что большинство полимеров — хорошие ди­электрики, т. е. имеют очень высокое электрическое со­противление в пределах от 108 до 101е. 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 [90]. Основные характеристики этого материала приведены в табл. 33. Полученный материал имеет сопротивление #0=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.

Принципиально новое направление по созданию элек­тропроводящих материалов на основе электропроводя­щих полимербетонов разрабатывается в НИИЖБе. Такие материалы имеют много преимуществ по сравнению с существующими - Электропроводящие полимербетоны сравнительно легко перерабатываются (формуются) в изделия и конструкции сложной формы.' Высокие прочностные характеристики обусловливают со­здание несущих и самонесущих конструкций. Они обла­дают высокой коррозионной стойкостью и менее дефе - цитны по сравнению с цветными металлами, могут ис­пользоваться в качестве экранирующих материалов не только от электромагнитных волн, но и различных излу­чений [129].

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. Перечисленные наполнители ха­рактеризуются следующими значениями удельного объ­емного сопротивления (Ом-см): металлический порошок 10-2—10~3; графит—ю-2; сажа — 10—10—1; кокс —

10—ю-1.

Предварительные исследования электропроводящих полимербетонов на основе различных олигомеров пока­зали, что при использовании карбамидных смол можно получить сравнительно высокие электропроводящие ха­рактеристики (объемная удельная электропроводность 8—9 сименс-см). 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 фено - лоформальдегидных смол (табл. 34), 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.