Композиція для одержання електронагрівачів

Изобретение относится к области создания электрических нагревателей, в частности, непроволочных, и может быть использовано для обогрева жилых или сельскохозяйственных помещений, деревянной опалубки для железобетонных конструкций, для подогрева пищи, лабораторной посуды и других целей. Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является композиция на основе неорганического полимера, состоящая из жидкого калиевого стекла и синтетического графита - графитированного коксика, - являющегося продуктом отхода при графитизации углеграфитовых изделий. Для реализации композиции смешивают, например, 67мас. частей графита (крупность частиц £90мкм) со 100мас. частями жидкого калиевого стекла, имеющего плотность 1,28г/см3. В 100мас. частей жидкого стекла содержится 33мас. части силиката калия и 67мас. частей воды, поэтому если делать расчеты исходя только из сухих веществ, этот состав состоит из 67мас.% силиката калия. Если же учесть воду и сделать пересчет на массовые части, приняв содержание силиката калия по сухому веществу за 100мас. частей, то тогда на это количество силиката калия для получения того же состава необходимо взять 203мас. части графита и 203мас. части воды. Для получения НЭН композиция наносится на диэлектрическую подложку, например, деревянные щиты опалубки, методом пневмораспыления толщиной 0,03см. Токоподводы в виде полос черного железа толщиной 0,03 и шириной 2см крепятся мелкими гвоздями у краев щита, сверху проводящее покрытие защищается листовой резиной толщиной 0,5см. Электропроводность состава и механическая прочность покрытия зависят от относительного содержания графита в композиции. Для сухих компонентов (графит и силикат калия) при увеличении содержания графита от 55мас.% до 80мас.% удельное объемное электрическое сопротивление композиции /rV/1 уменьшается от 0,31 до 0,08ом/см, а потеря материала при истирании увеличивается от 0,1 до 4,5мм. НЭН на основе известной композиции предлагается использовать при напряжениях на токоподводах 49, 60, 70, 85, 103 и 121В. Известная композиция по сравнению с композицией [1] более термостойкая, ее производство и эксплуатация НЭН на ее основе - экологически чистые процессы, технология получения упрощена отсутствует громоздкое оборудование, не требуются нагрев и давление. Кроме этого, метод пневмораспыления, а также окрашивание кистью или валиком, позволяет с помощью известной композиции получать пленочный нагреватель, повторяющий сколь угодно сложную форму равномернообогреваемого объекта. Однако, проводящее покрытие на основе известной композиции обладает недостаточной механической прочностью. В известной композиции предлагается использовать покрытие толщиной 0,3мм. В то же время при истирании образца из материала композиции уменьшение его толщины составляет от 0,1 до 4,5мм (примеры 27-32). Таким образом, механические воздействия при транспортировке НЭН, а также любые случайные царапины могут нарушить целостность покрытия и тем самым вывести из строя НЭН. Как нами установлено, покрытие на основе известной композиции обладает недостаточной водостойкостью - оно либо полностью разрушается после выдержки в воде в течение трех суток, либо его электросопротивление увеличивается в 100 раз (примеры 27 - 32). При эксплуатации таких покрытий в условиях повышенной влажности электросопротивление покрытия будет нарастать пока нагреватель не выйдет из строя. И, наконец, существенно сдерживает широкое использование известной композиции ее малая жизнеспособность, составляющая по нашим данным 24-48 часов. Это крайне нетехнологично, так как необходимо готовить свежий состав непосредственно перед применением композиции на каждом конкретном производстве и трудно наладить централизованное производство композиции и транспортировку ее к месту использования. Таким образом, недостатками известной композиции являются ее малая жизнеспособность, а также низкая механическая прочность и малая водостойкость проводящего покрытия на ее основе. Задачей настоящего изобретения является разработка композиции, обладающей высокой жизнеспособностью и обеспечивающей получение электропроводящего покрытия с высокой механической прочностью и стабильностью электрического сопротивления в процессе эксплуатации в условиях повышенной влажности, Достигается это за счет образования в композиции малорастворимых структурированных полимерных кремний-кислородных анионов и регулирования кинетики этого процесса. Поставленная задача решается композицией для получения непроволочного электрического нагревателя, включающей жидкое стекло щелочного металла, графит и воду, которая, согласно изобретению, дополнительно содержит анионное поверхностно-активное вещество и водонерастворимый оксид двух или трехвалентного металла или его соль и компоненты берут при следующем соотношении (мас. части): жидкое стекло щелочного металла в пересчете на сухое вещество 100 графит 10-50 водорастворимый оксид двух- или трехвалентного металла или его соль 1-10 анионное поверхностно-активное вещество 0,1-1 вода 150-3000 Дополнительное введение в композицию водонерастворимого оксида двух- или трехвалентного металла или его соли в заявляемых количествах 1-10мас. частей приводит к протеканию твердофазной реакции замены катионов щелочного металла на катионы двух- или трехвалентного металла, что сопровождается увеличением степени полимеризации кремний-кислородных анионов, и в результате механическая прочность и водостойкость электропроводящего покрытия увеличиваются. Введение в композицию АПАВ в заявляемых количествах 0,1-1мас.ч. позволяет регулировать скорость протекания этого процесса таким образом, чтобы обеспечить достаточную жизнеспособность композиции в процессе ее приготовления и хранения и эффективное протекание процесса полимеризации после нанесения композиции на подложку. Таким образом, совокупность существенных признаков предложенной композиции приводит к достижению обеспечиваемого изобретением технического результата: - увеличение жизнеспособности композиции до 20-60 суток, - повышение механической прочности электропроводящего покрытия, что характеризуется уменьшением при истирании образца толщины покрытия до 0,01-0,06мм, - стабильность электрического сопротивления покрытия в условиях повышенной влажности, что характеризуется изменением rV0/rV3 от 0,99 до 0,75кд., т. е. электросопротивление покрытия увеличивается только в 1,01-1,33 раза. Композицию готовят путем смешения компонентов в заявляемых соотношениях в смесителе, например, шаровой мельнице, до получения однородной массы. Графит (ГОСТ 10274-62) предварительно просеивают через сито 100мкм. В качестве жидкого стекла щелочного металла используют жидкое натриевое стекло или жидкое калиевое стекло (ГОСТ 13078-67). В качестве оксидов двух- или трехвалентных металлов используют оксид алюминия (ГОСТ 6912-64), двух- или трехвалентные оксиды железа (ГОСТ 8135%62), оксид хрома (ГОСТ 2912-66). В качестве водонерастворимой соли двух- или трехвалентного металла используют углекислый кальций (ГОСТ 4530-76), муравьинокислое закисное железо (ТУ 6-09-01-340-76), углекислый хром (ТУ 6-09-02-271-77). В качестве анионного поверхностно-активного вещества используют алкилсульфаты, алкилсульфонаты, например, сульфонат - смесь изомерных натриевых солей алкил-сульфоновых кислот (ГОСТ 12390-66). В качестве диэлектрической подложки используют плиту из мрамора, в том числе искусственного, керамическую плитку, дерево, хлопчатобумажную ткань, стеклоткань, бетон, кирпич, алюминий, сталь и другие неорганические материалы. Токоподводы в виде медной или алюминиевой фольги приклеивают к диэлектрической подложке с помощью предложенной композиции. Композиция наносится на подложку с помощью кисточки, валика или краскораспылителем толщиной 0,2-1мм, Композиция окончательно полимеризуется в течение 5-24 часов на воздухе при 20°С либо в течение 1-3 часов при нагревании до 150°С. Состав предложенной композиции позволяет использовать НЭН на ее основе для работы от сети переменного тока с напряжением 220В. Для соблюдения правил техники безопасности при эксплуатации НЭН на электропроводящее покрытие сверху дополнительно наносится любой известный термостойкий защитный диэлектрический слой. Жизнестойкость композиции определяют по времени, после которого наступают необратимые процессы коагуляции или "схватывания" состава и выражают в сутках. Удельное объемное электрическое сопротивление покрытия (rV) определяют согласно ГОСТ 20214-74, измеряют с помощью вольтметра В7-27А/1 и выражают в ом/см. Прочность материала покрытия на абразивный износ определяют в соответствии с ГОСТ 11012-64 как уменьшение толщины образца материала и выражают в мм. Водостойкость покрытия оценивают по изменению удельного объемного электрического сопротивления после выдержки образца с покрытием в воде в течение 3-х суток и выражают как отношение rV0/rV3 где rV0 исходное сопротивление, rV3 сопротивление после выдержки образца в воде в течение 3-х суток. Чем ближе это значение к единице, тем выше водостойкость покрытия. Пример 1 (поизобретению) Берем 4г графита, просеянного через сито 100мкм, к нему добавляем 19,7г жидкого натриевого стекла плотностью 1,33г/см3, содержащего 45,14мас.% силиката натрия по сухому веществу, 0,5г оксида алюминия, 0,05 сульфоната и 787,5 воды. Все тщательно перемешиваем в фарфоровой ступке. Получаем композицию следующего состава (мас. части): силикат натрия - 100, графит - 40, оксид алюминия - 5, сульфонат - 0,5, вода - 800. Полученную композицию наносим толщиной 0,3 мм валиком на керамическую подложку. Предварительно приклеиваем с помощью этой же композиции токоподводы в виде медной фольги. Сушку композиции проводом на воздухе в течение 10 часов. Жизнеспособность полученной композиции составляет 40 суток. Водостойкость равняется 0,8 единицам, уменьшение толщины покрылся при стирании составляет 0,03мм, rV равняется 0,80ом/см. Пример 2 (по прототипу) Берем 6,7г графита, просеиваем через сито 90мкм и добавляем к нему 10г жидкого калиевого стекла плотностью 1,28г/см3. Компоненты тщательно перемешиваем в фарфоровой ступке. Получаем композицию следующего состава (мас. части): силикат калия - 100, графит - 203, вода - 203. Полученную композицию толщиной 0,3мм наносим валиком на деревянную подложку. Предварительно прибиваем к подложке мелкими гвоздями токоподводы - полоски черного железа. Сушку композиции проводим на воздухе в течение 10 часов. Жизнеспособность полученной композиции составляет 1 сутки, уменьшение толщины покрытия при истирании составляет 1,8мм, после выдержки в воде в течение 3-х суток покрытие полностью разрушается и смывается с подложки. Аналогично примеру 2 были приготовлены композиции, содержащие компоненты в пределах, описанных в прототипе. Составы композиций, их жизнеспособность и характеристики покрытий на их основе приведены в таблице (примеры 27-32). Аналогично примеру 1 были приготовлены композиции, содержащие компоненты в заявляемых и запредельных соотношениях. Составы композиций, их жизнеспособность и характеристики покрытий на их основе приведены в таблице. Заявленное содержание компонентов композиции выбрано из условий получения композиции с высокой жизнеспособностью, а покрытия на ее основе - с высокой механической прочностью и водостойкостью (таблица, примеры 1-18). Запредельные значения содержания графита в композиции приводят к значительному уменьшению механической прочности и водостойкости покрытия (примеры 19 и 20). Запредельные значения содержания оксида двух- или трехвалентного металла (или его соли приводят при переходе за нижний предел к разрушению покрытия под действием воды (пример 21), а при переходе через верхний предел - к значительному уменьшению жизнестойкости композиции (пример 22). Запредельные значения содержания АПАВ при переходе за нижний предел (пример 23) приводят к уменьшению жизнестойкости композиции, а при переходе через верхний предел (пример 24) - к разрушению покрытия под действием воды. И, наконец, запредельные значения содержания воды также приводят к значительному уменьшению жизнеспособность композиции и водостойкости покрытия (примеры 25 и 26). Для всех приведенных примеров запредельных значений параметров наблюдается уменьшение механической прочности покрытия. Предложенная композиция, по сравнению с известной, имеет следующие преимущества: - жизнеспособность композиции увеличивается с 2-х суток до 20-60 суток, т. е. в 10-30 раз - механическая прочность электропроводящего покрытия увеличивается, что характеризуется уменьшением толщины покрытия при истирании с 0,1мм до 0,01-0,06мм, т. е. в 1,7 -10 раз - водостойкость проводящего покрытия увеличивается, что оценивается по изменению отношения rV0/rV3 от 0,01 до 0,75-0,99, т. е. в 75-99 раз. Предложенная композиция, как и известная, обеспечивает экологическую чистоту всех стадий приготовления и эксплуатации НЭН на ее основе, простоту технологии получения композиции и НЭН, возможность создавать на ее основе пленочные нагреватели сколь угодно сложной формы. Наряду с этим, достоинством предложенной композиции является возможность расширить ассортимент диэлектрических подложек и тем самым сферы применения НЭН, перейти к использованию более доступных и дешевых материалов (использовать вместо жидкого калиевого стекла жидкое натриевое стекло), а также получать нагреватели с рабочей температурой 250°С и выше.