Саморегулируемый электронагреватель на основе эластомера, модифицированный многослойными углеродными нанотрубками

Технологии электронагрева широко распространены в различных сферах промышленности. Этому способствовала надежность и возможность регулирования тепловыделений в широком диапазоне мощностей. В качестве объектов электронагрева могут выступать различные трубопроводы, стационарные футеровки, мини-реакторы и различное оборудование, которое предполагает наличие местного обогрева в определенном температурном режиме. В этом отношении особую важность приобретают новые технологии получения электронагревателей. Развитие технологий получения электронагревателей базируется на применении электропроводящих полимеров, которые имеют устойчивое тепловыделение при определенном уровне питающего напряжения. В работе [1] представлен саморегулируемый нагреватель, для изготовления которого используют резистивную углеродную пасту. Авторы отмечают, что к преимуществам разработанного нагревателя можно отнести способность к саморегулированию, низкое питающее напряжение и температура в диапазоне 30–60 °C. В то же время нагреватель получается с небольшим значением мощности.

В качестве электропроводящей фазы в матрицу полимера вводят различны порошки металлов [2]. В работе [3] ученые исследуют чернила наполненные электропроводящим наполнителем, который представляет собой частицы, состоящие из медного ядра и серебряной оболочки. Кроме металлов, используют такие структуры, как углеродная сажа [4], оксид графита, однослойные углеродные нанотрубки [5] и др. Электропроводящие полимеры широко используются в качестве материалов для экранирования электронагревателей, 3D печати [6–9] и др.

Цель работы – изготовление наномоди-фицированного композита для нагревательного элемента.

Задачами работы являются: исследование характеристик модификаторов для наномодифи-цированных нагревателей; подбор модификатора, который лучшим образом распределяется в силиконовой матрице; обеспечение возможности работы готового нагревательного элемента в сетях с переменным напряжением 220 В, а также демонстрация равномерного распределения температурных полей на его поверхности.

Материалы и методы

В качестве основы нагревательных элементов использовали эластомер – силиконовый каучук (Шеньян, Китай), поставляемый в виде гранул размером 1–2 мм. Для придания электропроводящих свойств в силиконе диспергировали 6 видов многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) «Таунит-М» (ТМ), (Тамбов, Россия), синтезированных при разных условиях и имеющих различные характеристики (таблица 1). Удельную поверхность и насыпную плотность данных материалов определяли с помощью анализатора удельной поверхности «Сорбто-метр-М» (Новосибирск, Россия) и прибора для определения физико-механических характеристик сыпучих материалов «BT-1000» от фирмы «Bettersize Instruments Ltd.» (Китай). Изготовление композиционных материалов производили смешиванием в узком зазоре на универсальном смесителе типа BRABENDER. Образцы получали с помощью прессования на «ИП-100М АВТО» (Армавир, Россия) в специальных пуансонах. В качестве токоподводящих электродов использовали алюминиевую фольгу толщиной 100 мкм, выпускаемую ООО «Уральская фольга» (Михайловск, Россия). Питающее напряжение к образцам нагревательных элементов подводили с помощью лабораторного автотрансформатора «Ресанта ЛАТР ТDGС2–1» (Москва, Россия). Удельное объемное сопротивление измеряли c помощью тераомметра «Е6–13А», к которому подключена лабораторная установка. Для измерения температуры нагревательного элемента использовали термопару (ХК), подключенную к двухканальному измерителю – регулятору «2ТРМ1». Подготовку электропроводящих компонентов производили с помощью многофункциональной мельницы «WF-20В». При проведении исследований распределения температурных полей использовали тепловизор «Testo 871-1».

Методика подготовки электропроводящего компонента

На первой стадии МУНТ подвергали механической обработке в многофункциональном смесителе при частоте вращения рабочих лопастей 25 000 об/мин в течение 10 мин. После этого материал помещали в печь, разогретую до 110 °С для удаления влаги, на 12 ч.

Методика приготовления силиконовых нагревателей с электропроводящим компонентом

Силиконовый каучук помещали в смеситель и пластифицировали при 80 °С в течение 30 мин. Затем засыпали определенное количество электропроводящего компонента и продолжали перемешивание при тех же условиях в течение 1 ч. Полученные композиты формовали прессованием при 100 °Св специальных пуансонах.

Перед прессованием в пуансоны закладывали алюминиевую фольгу для образования на поверхностях нагревателя электроподводящих контактов. В итоге получили 24 образца, содержащих 2,8; 3,0; 3,2 мас.% электропроводящего наполнителя. Готовый наномодифицированный нагревательный элемент представлен на рисунке 1.

Методика измерения удельного объемного сопротивления силиконовых нагревателей

Измерение удельного объемного сопротивления композитов производили с помощью лабораторной установки (рисунок 2) . Лабораторная установка включает в себя: основание 1, на котором смонтирована платформа 2 с помощью шпилек. На платформу установлен нижний измерительный электрод 3, который изготовлен из резинового основания 4 и контактной площадки 5 из фольгированного текстолита в форме окружности диаметром 25 мм. На нижний измерительный электрод устанавливается идентичный верхний измерительный электрод 6, сверху которого закреплена пластина 7, соединенная с платформой для грузов 8. Это необходимо для обеспечения лучшего контакта между поверхностями исследуемого образца и поверхностями измерительных электродов. Для обоих измерительных электродов установлена связь с измерительным устройством (тераомметром).

Рисунок 1. Образец полимера, модифицированного МУНТ (ТМП)

Figure 1. A polymer sample, modifying MWNT (TMP)

Для измерения сопротивления образец закладывали между измерительными электродами (позиция 9). На платформу устанавливали груз массой 200 г. Измерительную установку подключали к тераомметру и фиксировали значения. После чего все данные были пересчитаны по формуле (1):

ρ v = R ⋅ ^S , n

где ρ – удельное объемное сопротивление, Ом·см; R – измеренное сопротивление, Ом; S – площадь поперечного сечения измерительного электрода, см2; n – толщина образца, см.

Рисунок 2. Лабораторная установка для измерения удельного объемного сопротивления

Figure 2. Installation for measuring the specific volume resistance

Методика исследований на элемент однородности распределения углеродного наноматериала в полимерной матрице с различными видами ТМ

Полученные образцы саморегулируемых нагревателей (ТМП), наполненные различными видами ТМ, делили на четыре одинаковых квадрата с размерами: 50×50×3 мм (рисунок 3) .

Рисунок 3. Образцы для исследования однородности распределения ТМ в полимерной матрице по четырем точкам

Figure 3. Samples for the study of the homogeneity of the distribution of МWNТs in a polymer matrix by four points

Об однородности судили по постоянству удельного объемного электрического сопротивления каждого нагревательного элемента [10], измерения которого производили по ранее представленной методике.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований по измерению удельной поверхности и насыпной плотности наноматериалов представлены в таблице 1.

В таблице 2 приведены результаты исследования при содержании 2,8 мас.% наполнителя.

Таблица 1.

Удельная поверхность и насыпная плотность ТМ

Table 1.

Specific surface and bulk density of ТМ

№	Вид МУНТ Type of MWNT	Удельная поверхность, м2/г Specific surface area, m2/g	Насыпная плотность, кг/м3 Bulk density, kg/m3
1	ТМ1 | ТМ1	233,8	32,0
2	ТМ2 | ТМ2	374,5	47,4
3	ТМ3 | ТМ3	328,1	31,5
4	ТМ4 | ТМ4	355,2	46,1
5	ТМ5 | ТМ5	541,5	48,9
6	ТМ6 | ТМ6	202,3	42,6

Таблица 2.

Удельное объемное сопротивление модифицированного полимера в разных областях измерения с различным типом ТМ

Table 2.

Specific volumetric resistance of the modified polymer in different measurement areas with different types of TM

№	Тип модифицированного полимера Type of modified polymer	Удельное объемное сопротивление, Ω·см Specific volume resistance, Ω·cm
		Точка измерения | Measuring point
		1	2	3	4
1	ТМП1 | ТМP1	1·106	6,3·105	1,67·106	5,02·105
2	ТМП2 | ТМP2	> 4,19·1015
3	ТМП3 | ТМP3	9,6·105	1,1·106	4,2·105	3,8·106
4	ТМП4 | ТМP4	> 4,19·1015
5	ТМП5 | ТМP5	5·107	4,2·107	3,4·107	2,1·107
6	ТМП6 |ТМP1	4,2·105	3,8·105	3,8·105	3,8·105

Полимер ТМП6, модифицированный ТМ6, обладает меньшим удельным сопротивлением (3,8·105 Ω·см). Модификатор ТМ6 с удельной поверхностью 202,3 м2/г, которая является меньшей по сравнению с остальными типами МУНТ, и насыпной плотностью 42,6 кг/м3 позволяет получить стабильные электропроводящие сети в полимерной матрице. Это, в свою очередь, позволяет получать стабильные результаты, которые следуют из измерений удельного сопротивления образцов.

На рисунке 4 представлена термограмма нагревательного элемента, подключенного к сети переменного тока с номинальным напряжением 220 В.

Рисунок 4. Термограмма нагревательного элемента

Figure 4. Thermogram of the heating element

Полученные нагревательные элементы имеют незначительные отклонения друг от друга по электропроводности, а соответственно углеродный наноматериал равномерно распределен в силиконовой матрице. Особенно это заметно на нагревательном элементе на основе модифицированного полимера ТМП6 с используемым в качестве наполнителя модификатора ТМ6.

Следует заметить, исходя из данных по удельному объемному сопротивлению нагревателей (таблица 2) , что использование модификаторов ТМ2 и ТМ4 приведет к повышению концентрации наполнителя, что, возможно, приведет к проблемам их диспергирования.

Заключение

Разработана методика изготовления нагревательных элементов на основе силиконового каучука, наполненного различными типами «Таунит-М». Проведены измерения удельного объемного сопротивления данных композитов, в результате которых выбран модификатор ТМ6 для дальнейшего изготовления нагревателей. Исследована поверхность нагревателя, подключенного к сети переменного тока с напряжением 220 В, на элемент равномерности его разогрева по всей площади поверхности.

Использование таких типов нагревателей позволит обеспечить равномерный разогрев обогреваемых поверхностей агрегатов или отдельных узлов технологического оборудования.