颗粒填料、其制备和用途的制作方法

颗粒填料、其制备和用途
1.本发明涉及在载体颗粒上具有在每种情况下包覆载体颗粒的涂层的颗粒填料，所述涂层包含掺杂有铌和至少一种其他元素的二氧化钛，还涉及制备这种颗粒填料的方法及其用途，特别是在涂料组合物和模塑料中作为具有非线性电特性的压敏电阻填料的用途。
2.例如，由有机硅、epdm(乙烯-丙烯-二烯单体)、聚氨酯、聚乙烯、环氧化物、酚醛树脂或陶瓷材料组成并包含某些功能性填料的涂料组合物或模塑料例如以各种应用形式在高压技术中使用，以控制那里发生的电场。使用这些功能性填料的目的是在应用介质中的可控电场控制或过电压保护。为此目的使用的功能性填料也称为压敏电阻(“可变的” “电阻器”)。它们的特征在于它们在应用介质中的电导率取决于所施加的场强，即以非线性方式发生。
3.这种填料特别适用于应用介质和在那里使用的材料的保护，其中会出现高恒定或可变场强。
4.此处的典型应用领域是高压电缆中的场控制，为了将其相互连接，例如在套管或端子处，主绝缘体被去除，并且在导电和绝缘组件的接合处建立了大的场强梯度(电应力)，或者替代地也用于针对瞬态负载(例如切换电压、雷击或放电)的过压保护。其他应用领域还包括对大功率电子电路的封装组合物和触点的场控制。
5.填充有压敏电阻材料的应用介质(例如聚合物)表现出电阻场控制和电容场控制的特性。因此，这些材料既适用于直流电压应用，也适用于交流电压应用，并且还能够吸收瞬态事件(脉冲)。其原因在于高压源(例如电缆)和大地(例如外导体)之间的电压降经由压敏电阻填充的应用介质得到良好控制。因为压敏电阻材料的非线性电特性(电导率)，电场被均匀化(电阻场控制)，同时，由于因为压敏电阻材料的存在和低损耗(tanδ)，应用介质的介电常数增加，场强分布变宽(电容场控制)。
6.压敏电阻材料的非线性电特性在几十年前已经用于保护电系统，例如以烧结陶瓷的形式，其中包含sic或zno作为压敏电阻材料并用于保护电话系统。其他压敏电阻材料，通常呈各种形状和尺寸的颗粒形式，也已经被描述，例如碳化钛颗粒、低氧化钛(tio)或铜或炭黑的导电颗粒。
7.因此，例如，wo 97/26693 a1公开了将粉碎的氧化锌颗粒以25-50％浓度作为微压敏电阻掺入各种组成的聚合物组合物中，以在应用介质中引起向更高切换场强度的转变，从而减少电故障的可能性。然而，这里生产的材料仍然具有较高的导电性。
8.ep 2020009 b1描述了用于电子组件和电路的过压保护装置，其包含包括多种可能的材料的微压敏电阻颗粒，例如掺杂的氧化锌、氧化锡、碳化硅或钛酸锶，在单层或链中以限定的方式排列。
9.de 102010052888 a1公开了压敏电阻颗粒，其在薄片状基材例如云母上具有导电层，该导电层由限定组成的锑掺杂的氧化锡组成。
10.现有技术中使用的压敏电阻材料具有各种缺点。因此，例如，sic微颗粒非常坚硬，这使得材料的粉碎更加困难，并导致颗粒在应用介质和加工过程中的高磨蚀性。此外，微粉化的sic颗粒倾向于其表面氧化，这对其电特性产生不利影响。
11.氧化锌具有5.5至6.5g/cm3的非常高的密度，具体取决于烧结过程实现的压实程度。由于压敏电阻颗粒的密度明显大于应用介质的密度，因此这些压敏电阻颗粒早在与应用介质的混合物制备过程中就具有很大的沉降倾向，这使得材料的均匀和持久混合更加难。应用介质的不规律组成相应地导致其电特性的不规律。
12.总体而言，因此继续需要具有压敏电阻特性的填料，其表现出显著的非线性电特性和积极的材料特性，并且可以容易且均匀地机械地引入各种应用介质中而不会表现出沉降行为。
13.因此，本发明的目的在于提供具有压敏电阻特性的填料，该填料可以容易地以稳定的混合物形式引入到多种应用介质中，可以对其组成进行控制以使其可以最佳地适应应用介质的相应要求，表现出可靠的非线性电行为，并且可用于直流应用和交流应用。
14.本发明的另一个目的在于提供制备这种类型的填料的方法。
15.此外，本发明的另一个目的在于说明这种填料的用途。
16.本发明的目的通过由载体颗粒和在每种情况下包覆载体颗粒的涂层组成的颗粒填料实现，其中载体颗粒包含至少一种铝化合物或硅化合物或在每种情况下由至少一种铝化合物或硅化合物组成并且涂层包含掺杂有铌和至少一种其他元素的二氧化钛。
17.本发明的目的同样通过以下方法实现，其中，于在每种情况下具有合适的ph值的水悬浮液中，提供具有包含至少一种钛化合物、至少一种铌化合物和至少一种其他元素的化合物的涂层的、包含至少一种铝化合物或硅化合物或在每种情况下由至少一种铝化合物或硅化合物组成的载体颗粒，其中随后将提供有涂层的载体颗粒干燥和煅烧，在此期间涂层被转化为掺杂铌和至少一种其他元素的颗粒状二氧化钛。
18.此外，本发明的目的还通过使用这种类型的颗粒填料用于涂料组合物和模塑料的着色来实现，其中以这种方式生产的涂料组合物和模塑料具有非线性电特性。
19.因此，本发明涉及在某些载体颗粒上具有涂层的颗粒填料，该涂层影响填料在应用介质中的半导电或导电行为。已证明由各种组成的材料制备具有所需压敏电阻特性的填料是有利的。在这种类型的工序的情况下，可以更好地控制压敏电阻填料的材料特性，例如硬度、密度、尺寸、形状以及最终半导体或导电特性，并且相比于均匀组成的颗粒填料的情况，通常也可以更具体地进行调整。
20.因此，已证明对根据本发明的填料的载体颗粒有利的材料特别地是包含至少一种铝化合物或硅化合物或在每种情况下由至少一种铝化合物或硅化合物组成的那些。在此考虑的特别合适的铝化合物是氧化铝(al2o3)或各种组成的天然和合成铝硅酸盐。特别合适的硅化合物是二氧化硅(sio2)，其可以以结晶形式使用，并且特别优选地以无定形形式使用，例如作为硅藻土使用。
21.由铝硅酸盐组成或包含铝硅酸盐的材料是例如莫来石、粉煤灰、高岭石、浮石或珍珠岩。所有这些材料都非常适合作为本发明的颗粒填料的载体材料，是由于其天然组成或由于特定的加工工艺而具有非常低的密度和有利的尺寸和形状，并且可以被良好地涂覆。在某些情况下，它们可以作为天然材料或大规模工业工艺的废品轻松且廉价地获得。
22.可以特别优选地使用莫来石和粉煤灰。
23.根据本发明的颗粒填料的载体颗粒可以具有各种形状。鉴于后来的应用介质及其特定要求，薄片状或球状载体颗粒是特别合适的，或者替代地也可以是具有各向同性不规
则形状的载体颗粒。
24.球状载体颗粒是指具有实心球体形状、空心球体形状、或不为完美的几何球体形状但可以形成为实心体或作为空心体的类球体形状的那些。鉴于上述材料的特性，几何完美的球体只能在极少数情况下生产，即由于技术原因，类球体形状占主导地位。
25.根据本发明，术语各向同性不规则适用于其中优先轴不能光学确定但在所有空间方向上具有大致相等或相似的直径并且可以具有侧表面的所有粒状颗粒。这样的颗粒也通常被称为颗粒(granular)、粒状颗粒或球状颗粒。
26.根据本发明，薄片状载体颗粒有利地为氧化铝薄片的形式，其或者由纯氧化铝(al2o3)组成，或者除了氧化铝之外，基于载体颗粒的重量，还包含0.1-10重量％，优选0.1-5重量％的比例的其他金属氧化物的外来部分。这些是ti、sn、si、ce、ca、zn、in和/或mg的氧化物或氧化物水合物。优选使用al2o3载体颗粒，其除了al2o3外，还包含基于载体颗粒重量的0.1-5重量％的tio2。
27.这种类型的薄片状al2o3载体颗粒例如可以通过ep 763 573 a2中公开的方法获得。合适粒径的相应产品也可商购获得。
28.薄片状载体颗粒特别适合作为根据本发明的颗粒填料的起始材料，旨在用于在基材上的薄层中或薄壁组件中，例如用于绝缘体、套管、电导体或电机内部配件(如变压器、发电机和发动机)上的树脂或油漆层。由于颗粒填料保持起始载体颗粒的薄片状，它们能够在此类应用的薄层中很好地横向排列，从而在需要时形成必要的导电轨道。
29.由铝硅酸盐组成或包含铝硅酸盐(通式al
x
siyoz；x、y和z可变)的载体颗粒特别地是上述材料，它们是天然降解产物或可作为大规模工业过程的废品大量廉价地获得或作为合成产品获得。相应的产品已经被用作骨料，例如在建筑行业。粉煤灰和莫来石特别优选用作根据本发明的填料的载体颗粒的起始材料，因为它们已经以所需的形式获得，经常且优选地作为所需粒径的球形空心体。如有必要，所有其他提到的材料都可以通过常规研磨工艺达到所需的粒径。
30.无定形二氧化硅颗粒也可以大的工业规模获得，例如硅藻土。
31.此处提到的材料的(规则或不规则)各向同性形状也延续到由其产生的颗粒填料的形状。后者优选用于模塑料中，该模塑料以大量形式使用，例如用于生产电缆套管、绝缘体、套管或电缆终端。这些产品通常由注塑工艺生产，在某些情况下直接在使用现场生产。因此，尽管添加了颗粒填料，但此处使用的体积聚合物(硅氧烷、环氧化物、聚乙烯、聚氨酯、epdm等)具有适合进行注塑成型工艺的流变性能是非常重要的。薄片状颗粒在这里可能不利地影响注塑成型料的流动行为，这意味着不会不利地影响着色的体积聚合物的流动行为，或者仅在小的程度上影响的各向同性颗粒对于这些应用领域是优选的。此外，这些载体材料中的一些的非常低的密度对颗粒填料在应用介质中的沉降趋势具有特别有利的影响。
32.根据本发明，根据本发明的颗粒填料的密度在1.5至4.5g/cm3范围内，优选在1.5至3.0g/cm3范围内，特别是在1.5至2.5g/cm3范围内。它由载体颗粒和涂层的平均密度构成，并且在每种情况下都可以通过相应选择材料，特别是载体颗粒来匹配应用介质中的要求。
33.根据本发明的颗粒填料的载体颗粒在每种情况下被涂层包围，该涂层包含掺杂有铌和至少一种其他元素的掺杂的二氧化钛。此处，涂层单独地包覆每个载体颗粒并且在其上是单独的形式，即不形成包覆多个载体颗粒的连通相。
34.根据本发明，其他元素是选自mn、cr和ce的至少一种元素。
35.掺杂优选以以下组合进行：
36.nb,mn；
37.nb,mn,cr；
38.nb,mn,ce；
39.nb,cr；
40.nb,cr,ce；
41.nb,ce；或
42.nb,mn,cr,ce；
43.其中特别优选nb、mn、ce和nb、cr的组合。掺杂元素在tio2晶格中以阳离子形式存在或位于二氧化钛颗粒的颗粒边界处。
44.二氧化钛中的掺杂物在每种情况下以0.01至5原子％的量存在，基于ti原子和掺杂元素的原子的总数。掺杂元素的比例(掺杂元素的总量)优选为0.02至2原子％的含量。
45.虽然铌决定了应用介质中填料的电导率，而锰或铬决定了电导率非线性特性的陡度，但额外的铈掺杂会导致应用介质中的非线性电导率转移到更高的场强。
46.根据本发明的填料的载体颗粒上的涂层优选由多掺杂的二氧化钛组成，该二氧化钛在载体颗粒的表面上呈颗粒形式，在该处形成基本上连续的颗粒层。
47.载体颗粒上的涂层在每种情况下的几何厚度为100至5000nm，优选150至4000nm，并且特别是200至2000nm。涂层的几何层厚度可以借助于常规测量方法参考颗粒填料的单个颗粒的横截面图像(ar离子束)容易地确定。
48.根据本发明的颗粒填料的平均粒径d
50
为1至150μm，优选2至100μm，并且特别是5至50μm。由于上述各向同性形状的载体材料的来源，单个填料颗粒的粒径可以在相对较宽的范围内变化，这意味着此处通常仅引用与体积相关的平均粒径d
50
似乎是合理的。在使用薄片状载体颗粒时，通常也存在单个颗粒的粒径的特定变化范围。
49.颗粒填料的粒径以及在合适的情况下载体颗粒的粒径优选通过激光衍射法确定，该方法通常是熟悉的并且具有还能够确定颗粒的粒径分布的优点。对于根据本发明的填料及其载体颗粒，粒径已经使用malvern mastersizer 3000，apa 300(来malvern instruments，ltd.，uk的产品)测定。
50.本发明还涉及制备如上所述的颗粒填料的方法，其中于在每种情况下具有合适的ph的水悬浮液中，提供具有包含至少一种钛化合物、至少一种铌化合物和至少一种其他元素的化合物的涂层的载体颗粒，所述载体颗粒包含至少一种铝化合物或硅化合物或在每种情况下由至少一种铝化合物或硅化合物组成。
51.通常，铌的化合物和其他掺杂元素的化合物是水溶性或酸溶性化合物，它们以这种溶解的形式并以根据掺杂程度选择的量用于涂覆过程中。这里需要注意的是，为了使相应元素的氧化物水合物沉淀到载体颗粒的表面上，在某些情况下需要连续设置多个不同的ph值。通常的ph值在ph＝2至ph＝7的酸性至中性范围内。当所有前体化合物都沉积在涂层中的载体颗粒表面上时，随后干燥和煅烧涂覆的载体颗粒。在850至1300℃范围内的煅烧温度下，在载体颗粒的表面上形成掺杂有铌和至少一种其他元素的二氧化钛细颗粒。
52.对应于上面已经描述的细节，在根据本发明的方法中使用的载体颗粒优选为薄片
状、球状或具有各向同性的不规则形状并且包含氧化铝、二氧化硅或铝硅酸盐或在每种情况下由氧化铝、二氧化硅或铝硅酸盐组成。
53.使用的载体颗粒优选由氧化铝、二氧化硅、莫来石、粉煤灰、高岭石、浮石或珍珠岩组成，并且非常特别优选由莫来石或粉煤灰组成。
54.后者具有各向同性的颗粒形状，并且由于至少部分存在各向同性的空心体，因此具有有利的低密度，这使得由此产生的填料注定特别适用于体积聚合物。这些载体材料的《2g/cm3的低密度促进了根据本发明的颗粒填料的整体密度与聚合物应用介质的密度的特别良好的匹配，使得可以避免在应用情况下复合材料在适用期期间或者在交联时分离。这意味着可以很容易地避免填料的沉淀以及随之而来的缺点(例如在应用介质中形成梯度，从而导致所得工件的电性能不均匀)，这在更高密度的填料的情况下只有用过于复杂的设备才能实现。
55.上面已经描述了关于掺杂元素及其有利组合的细节。就此而言，在此对其进行参考。这同样适用于关于载体颗粒的形状、尺寸和密度以及涂层的几何厚度和组成的所有细节。
56.本发明还涉及根据上述描述的颗粒填料用于涂料组合物和模塑料的着色的用途，特别是提供具有非线性电特性，即充当压敏电阻填料的这些涂料组合物和模塑料的目的。
57.相应的未填充的涂料组合物或模塑料通常包含有机硅、epdm、聚氨酯、聚乙烯、环氧化物、酚醛树脂或陶瓷材料作为主要成分或由有机硅、epdm、聚氨酯、聚乙烯、环氧化物、酚醛树脂或陶瓷材料作为主要成分组成。
58.取决于应用介质和所需的电性能，根据本发明的颗粒填料存在于涂料组合物或模塑料中，其颜料体积浓度为3-33体积％，优选3-25体积％，并且特别是4-20体积％，基于涂料组合物或模塑料的(固体)体积。
59.尽管可以很容易地确定应用介质中填料的质量比例(颜料质量浓度pmc)，但为了更好地比较不同体系，在实践中经常确定颜料体积浓度pvc。因为填料具有不同的密度，因此对于引入的相同重量，它们在应用介质中占据不同的体积。特别是在此处描述的渗透颗粒体系的情况下，颗粒-颗粒接触、粒径及其尺寸分布和颗粒几何形状基本上决定了所得复合材料的电性能。因此，通过比较颜料体积浓度可以最好地描述特定压敏电阻填料的效果。
60.颜料质量浓度pmc和颜料体积浓度pvc定义如下(两种情况下均不考虑挥发性组分)：
[0061][0062]
[0063]
m＝质量，d＝密度，v＝体积
[0064]
根据本发明的颗粒填料在应用介质的涂料组合物或模塑料中具有非线性电特性，即压敏电阻特性。由于选择除了不同的形状和尺寸外，还可能具有不同的密度的各种载体颗粒的可能性，并且由于在相应载体颗粒上的涂层的类型和掺杂量的变化的可能性，颗粒填料的电性能和密度可以与应用介质的相应要求最佳匹配。这里的所有起始材料都是容易获得的，并且可以借助于简单的涂覆工艺进行颗粒填料的制备，而无需大量的技术努力。根据本发明的颗粒填料可用于直流电和交流电应用并实现》3000kv/m的高切换场强。在基态中，根据本发明的颗粒填料的电导率基本上对应于包覆它们的绝缘材料的电导率，这意味着在非应力条件下意外产生的电导率不必预期。相反，在应力情况下切换时，涂料组合物或模塑料中测得的电流密度可能会发生几个数量级的变化。此处增加的电流密度代表复合材料的非线性电导率发生了变化。
[0065]
图1：显示了具有电压源(dc)、集成电压测量(u)、皮安表(a)和试样的测量装置(1b，底部)以及具有相关尺寸的试样(1a，顶部)的图解电路。
[0066]
图2：显示了根据实施例1的填料在rtv-2有机硅中颜料质量浓度为15％、20％、25％和30％时的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)。渗滤阈值被标记(实施例5-1至5-4)。
[0067]
图3：显示了根据实施例2的填料在rtv-2有机硅中颜料质量浓度为25％和50.8％时的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)(实施例5-6和5-7)。
[0068]
图4：显示了根据实施例3的填料在rtv-2有机硅中颜料质量浓度为25％和37％时的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)(实施例5-8和5-9)。
[0069]
图5：显示了根据实施例4的填料在rtv-2有机硅中颜料质量浓度为15％、20％、25％、30％和35％时的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)。渗滤阈值在15％至30％pmc之间(实施例5-10至5-14)。
[0070]
图6：显示了根据实施例1和4的填料在rtv-2有机硅中作为颜料体积浓度pvc的函数的渗滤曲线。绘制了在20kv/m场强下样品的比电导率。
[0071]
图7：显示了根据实施例1的填料在lsr有机硅中颜料质量浓度为25％和35％时的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)(实施例6-1和6-2)。
[0072]
图8：显示了根据实施例4的填料在环氧化物中颜料质量浓度为20％和35％时的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)(实施例7-1和7-2)。
[0073]
图9：显示了根据实施例1的填料在hd-pe中浓度为30重量％和40重量％时的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)(实施例8-1和8-2)。
[0074]
图10：显示了根据实施例5-10至5-18(表3)在rtv-2有机硅中的试样的特征直流场强/电流密度曲线(e/j)。试样5-10、5-15和5-17具有25％的pmc，试样％-14、5-16和5-18具有约27％的pvc。
[0075]
图11：显示了根据实施例1的填料在hdpe中具有各种填料浓度(0至40重量％)时在50hz的交流电压下阻抗z、介电常数ε'和损耗因子tanδ(x100)的变化。
[0076]
图12：显示a)根据本发明的具有介电载体颗粒(particle)(1)和颗粒(granular)非线性导电涂层(2)的颗粒(particulate)填料的图解表示，和b)填充有本发明填料的聚合物基质(3)的图解表示。
[0077]
本发明旨在参考实施例在下文进行描述，但不旨在限制于此。
实施例：
[0078]
颗粒填料的制备：
[0079]
实施例1：
[0080]
将100g氧化铝薄片(bet 3.3m2/g，密度3.75g/cm3，粒径5-40μm)悬浮在约2l去离子水中。在75℃下，将700g氯氧化钛(400g/l)、3.3g五氯化铌在24ml盐酸(37％)中的溶液和0.8g一水合硫酸锰滴加到悬浮液中，在酸性介质中搅拌。通过同时调节计量添加氢氧化钠溶液来保持ph恒定为2。加入所有溶液后，将混合物在75℃下再搅拌15分钟，然后均匀加入13.5g七水氯化铈在150ml去离子水中的溶液，并在恒定为7的ph下计量加入氢氧化钠溶液。随后在搅拌下将混合物冷却至室温，并再次中和反应混合物。将所得颜料经由吸滤器滤出，用水洗涤，在140℃干燥并在1100℃煅烧120分钟，得到浅赭色颜料粉末。获得的颜料颗粒具有作为载体颗粒的氧化铝薄片(粒径《15μm)和粘附沉淀在后者上的包含掺杂铌、锰和铈的二氧化钛的涂层。
[0081]
实施例2：
[0082]
将100g球状氧化铝颗粒(bet 1.4m2/g，密度2.85g/cm3，粒径d
5-d
95
＝14μm-45μm)悬浮在约2l去离子水中。在90℃下将577g氯氧化钛(400g/l)、5.04g五氯化铌在24ml盐酸(37％)中的溶液和0.16g一水合硫酸锰在滴加到悬浮液中，在酸性介质中搅拌。通过同时调节计量添加氢氧化钠溶液来保持ph恒定为2。加入所有溶液后，将混合物在90℃下再搅拌15分钟，然后均匀加入7.6g七水合氯化铈在150ml去离子水中的溶液，并在恒定为7的ph下计量加入氢氧化钠溶液。随后在搅拌下将混合物冷却至室温，并再次中和反应混合物。将所得颜料经由吸滤器滤出，用水洗涤，在140℃干燥并在1100℃煅烧120分钟，得到赭色颜料粉末。获得的颜料颗粒具有作为载体颗粒的空心氧化铝球体(粒径《70μm)和粘附沉淀在后者上的包含掺杂铌、锰和铈的二氧化钛的涂层。
[0083]
实施例3：
[0084]
将100g球状铝硅酸盐颗粒(bet 1.4m2/g，密度0.87g/cm3，粒径d
5-d
95
＝5μm-63μm)悬浮在约2l去离子水中。在90℃下将577g氯氧化钛(400g/l)、5.04g五氯化铌在24ml盐酸(37％)中的溶液和0.16g一水合硫酸锰滴加到悬浮液中，在酸性介质中搅拌。通过同时调节计量添加氢氧化钠溶液来保持ph恒定为2。加入所有溶液后，将混合物在90℃下再搅拌15分钟，然后均匀加入7.6g七水合氯化铈在150ml去离子水中的溶液，并在恒定为7的ph下计量加入氢氧化钠溶液。随后在搅拌下将混合物冷却至室温，并再次中和反应混合物。将所得颜料经由吸滤器滤出，用水洗涤，在140℃干燥并在1100℃煅烧120分钟，得到赭色颜料粉末。获得的颜料颗粒具有作为载体颗粒的空心铝硅酸盐球体(粒径《100μm)和粘附沉淀在后者上的包含掺杂铌、锰和铈的二氧化钛的涂层。
[0085]
实施例4：
[0086]
填料的制备与实施例3类似，不同之处在于，在598g氯氧化钛溶液中，除加入2.5g五氯化铌(12.5％的hcl溶液)外，还仅加入0.35g三氯化铬。获得几乎白色的颜料粉末。所获得的颜料颗粒具有作为载体颗粒的空心铝硅酸盐球体(粒径《100μm)和粘附沉淀在后者上的包含掺铌和铬的二氧化钛的涂层。
[0087]
表1显示了来自实施例1至4的根据本发明的颗粒填料的组成。tio2涂层的掺杂以二氧化钛中的原子％表示。
[0088]
表1：
[0089][0090][0091]
表2显示了根据实施例1至4的颗粒填料的密度和尺寸分布。
[0092]
表2：
[0093]
实施例密度[g/cm3]d5[μm]d
50
[μm]d
90
[μm]13.947.918.532.522.872.46.659.931.617.630.854.241.507.130.753.3
[0094]
实施例5：
[0095]
由室温交联有机硅制作试样
[0096]
将表3中示出的量的来自实施例1至4的核/壳颗粒和对比材料α-sic(alfa aesar art.#40155，密度3.51g/cm3)和zno微压敏电阻粉末(abb/瑞士，密度5.22g/cm3)在罐中与相应比例的市售室温交联有机硅树脂rtv-2的组分a进行粗略预混合(制造商的材料数据：a:b＝9:1，在23℃下混合物的粘度3500mpa*s，肖氏a硬度45
°
)并在真空speedmixer(hauschild)中在4mbar的减压条件下和每分钟1600转下均化至少2分钟。随后添加相应量的相同rtv2有机硅树脂的组分b，再次将组分粗略预混合并在真空speedmixer中在4mbar和每分钟1600转下均化至少1分钟。然后在观察适用期的同时将粘性材料快速倒入确定试样的几何尺寸的模具中。有机硅树脂在模具中在70℃下固化至少30分钟。模具冷却后，打开模具，取出试样并在无尘条件下保存。交联试样的层厚度在500μm至600μm之间，并在每个圆形试样(直径60mm)的不同点处使用涡流层厚度测量仪器(具有fd10传感器的fischer dualscope fmp30，根据din en iso 2360)作为十次测量的平均值确定。实施例5-17和5-18的试样很难生产，即使是少量，因为在speedmixer罐中的制备过程中已经开始沉降，导致试样中的填料分布不均匀。
[0097]
表3：rtv-2有机硅试样：
[0098]
[0099][0100]
实施例6：
[0101]
在lsr中的试样的制作
[0102]
液体有机硅橡胶lsr样品的制备与实施例5类似，但在聚丙烯注模中在120℃的热压下固化20分钟。对于lsr，组分a和b的混合比为1:1(见表4)。
[0103]
表4：lsr有机硅试样：
[0104][0105]
实施例7：
[0106]
环氧树脂试样的制作
[0107]
初始将来自实施例4的填料以表5中所示的量与所述比例的在每种情况下由4％的苯甲醇、76％的araldite dbf bd和20％的aradur hy 2966组成的粘合剂引入罐中,粗略预混合并在真空speedmixer(hauschild)中在4mbar的减压下依次以每分钟1000转的速度均化2分钟，以每分钟1800转的速度均化2分钟，并以每分钟800转的速度连续均化30秒。然后将混合或均化的环氧树脂迅速倒入特氟隆浇注室中，并在60℃下固化约1小时。样品冷却
后，取下环氧板并钻出圆形试样。使用千分表确定层厚度。
[0108]
表5：环氧化物试样
[0109][0110]
实施例8：
[0111]
hd-pe试样的制作
[0112]
使用实施例1中制备的填料在dse leistritz micro 27双螺杆挤出机中生产在hdpe(purell ga 7760)中40％的母料。用其他hdpe将其稀释至30％。由10％的母料生产5％和2％的稀释物。将挤出物骤冷并造粒。在注塑机中由粒料生产出层厚为1mm的60mm*90mm板，使用取芯钻从中生产出直径为50mm的试样。
[0113]
表6：hd-pe试样
[0114]
实施例填料组成填充程度wt％8-11实施例1:hdpe 400g:600g40％8-21实施例8-1:hdpe 750g:250g30％8-31实施例1:hdpe 100g:900g10％8-41实施例8-3:hdpe 500g:500g5％8-51实施例8-3:hdpe 200g:800g2％
[0115]
试样电特性的测量：
[0116]
试样的非线性导电特性源于旨在显示与欧姆行为的以下偏差的电流/电压测量：
[0117]
u～i
α
ꢀꢀ
(1)
[0118]
偏差由非线性指数α描述，在欧姆电阻的情况下其值为1。
[0119]
使用heinzinger 10kv dc电压源(pnchp 10000-20ump)和kethley皮安表(6514系统静电计)在环形电极上根据dinen61340-2-3测量生产的压敏电阻填料/聚合物试样的电流/电压特性。
[0120]
测量装置的图解结构和要观察的试样尺寸如图1所示。
[0121]
为了使结果标准化，根据公式(2-4)计算电场强度e和电流密度j，其中样品和电极尺寸如图1所示：
[0122]
e＝v/h
ꢀꢀ
(2)
[0123]
j＝i/a
ꢀꢀ
(3)
[0124]
a＝(d1 g)2*π/4
ꢀꢀ
(4)
[0125]
α＝ln(j2/j1)/ln(e2/e1)
ꢀꢀ
(5)
[0126]
v＝以伏为单位的电压(v)
[0127]
i＝以安培(a)为单位的电流强度，
[0128]
a＝有效电极面积(m2)
[0129]
h＝电极间距(样品厚度)：～0.5mm
[0130]d1-d4＝电极直径(见图1)
[0131]
d1＝中心电极直径：25mm
[0132]
g＝环形电极与中心电极的间距：2.5mm
[0133]
α＝非线性指数
[0134]
j1,j2＝2个测量点的电流密度
[0135]
e1,e2＝2个测量点的电场强度
[0136]
在室温和20％至30％之间的相对大气湿度下使用阶梯形电压斜坡进行电流测量。
[0137]
根据方程(5)，非线性作为e-j特性的双对数图中曲线的斜率出现。通常，在计算非线性指数α时，只考虑大于5000kv/m的部分。
[0138]
阻抗测量在具有phecos温度控制的novocontrol gmbh alpha-a宽带介电光谱仪中在25℃下对来自实施例8-1至8-5的pe试样在0.01hz至100mhz之间进行。
[0139]
图2，实施例5-1至5-4：
[0140]
来自实施例1的薄片状压敏电阻填料显示出明显的非线性导电性。在1000kv/m至20000kv/m之间的场强下，这种非线性特性(图2中的斜率)以清晰可见的方式增加，并且有机硅复合材料的非线性指数α自大约5000kv/m达到2.3至3.7。在实施例5-1至5-4中，压敏电阻填料的颜料质量浓度pmc以5％的步长从15％增加到30％。渗滤阈值作为实施例5-2和实施例5-3的曲线之间清晰的分离是明显的。在所考虑的场强范围内，曲线在约10的2.5次方的电流密度上延伸，其中基本电导率取决于复合材料中的压敏电阻含量。不能再用薄片状压敏电阻填料生产颜料体积浓度pvc为26.8％(58.5％pmc)的样品。在如此高的填充程度下，薄片状填料倾向于在聚合物基质内形成流变学上不利的所谓“纸牌屋”结构。
[0141]
图3，实施例5-6和5-7：
[0142]
来自实施例2的球状压敏电阻填料在25％pmc的填充程度从约5000kv/m时表现出甚至更加明显的非线性电导率，在电流密度的约2个数量级上具有4.4的非线性指数α。颜料体积浓度为26.8％的高填充程度，对应于该填料的50.8％颜料质量浓度，导致曲线更平坦，即为3的稍低的非线性指数α，但相应地更高的电导率(整条曲线移向更高的电流密度)
[0143]
图4，实施例5-8和5-9
[0144]
来自实施例3的球状压敏电阻填料在以25％pmc的填充程度下在整个测量范围内在电流密度的四个数量级上表现出明显的非线性电导率，非线性指数α为4.4。颜料体积浓度为26.8％的高填充程度导致曲线更平坦，即为1.4的稍低的非线性指数α，和更高的电导率。
[0145]
图5，实施例5-10至5-14
[0146]
来自实施例4的球状压敏电阻填料表现出明显的非线性电导率。实施例复合材料的非线性特性开始出现的切换点(在图5中由箭头表示)移动到较低的电场强度和较高的填充程度。在填充度为15％pmc的实施例5-10中，该切换点为约6000kv/m。在具有20％pmc的实施例5-11的情况下，切换点已经出现在4000kv/m处，而在具有25％pmc的实施例5-12的情况下，切换点已经出现在约2000kv/m处。在具有30％pmc的实施例5-13的情况下，曲率范围显然是在1000kv/m的测量开始时记录的，而在具有35％pmc的实施例5-14的情况下，曲率范围低于这个测量限。来自实施例5-11的材料曲线在渗滤阈值之前是最陡峭的，非线性指数α为4.5。在这里，材料的电导率也随着填充程度的增加而增加，并且实施例的曲线移向更高
的电流密度。
[0147]
图6：
[0148]
在具有来自实施例4的低密度球状材料的复合材料的情况下，渗透效应比在具有来自实施例1的高密度薄片状材料的复合材料的情况下更加明显(图6)。对于引入的相同重量(对于rtv-2有机硅中的实施例1和实施例4的复合材料，pmc为15％-35％)，这些压敏电阻填料实现了显著更高的体积填充(rtv-2有机硅中的pvc：实施例1为4.4％-12.3％且实施例4为10.7％-26.8％)。
[0149]
图7至9：
[0150]
实施例1至4中生产的材料可以转化为各种聚合物基体中的场控制绝缘材料。从这些复合材料的非线性导电特性可以看出这一点。图7中所示的曲线显示了来自实施例1的压敏电阻填料在交联度更高的lsr有机硅(实施例6-1和6-2)中的这种特性，图8显示了来自实施例4的压敏电阻填料在环氧化物复合材料中具有非线性电导率的曲线(实施例7-1和7-2)。导电行为的产生与迄今为止所示的复合材料类似。除了这些双组分体系外，图9还显示了通过直接用颗粒挤出(实施例8-1)或从母料(实施例8-2)生产的具有hd-pe的复合材料的非线性电特性。
[0151]
图10：
[0152]
图10描绘了根据本发明的压敏电阻填料(这里是实施例5-10和5-14的配方中的实施例4)与其他场控制材料之间的比较。为此，选择了碳化硅(实施例5-15/5-16)和氧化锌微压敏电阻(实施例5-17/5-18)。为了更好的可比性，一方面制备在每种情况下对应于25％pmc的颜料质量浓度的配方(实施例5-10、5-15和5-17)和另一种以26.8％pvc的相同体积填充的具有高浓度的配方(实施例5-14、5-16和5-18)。
[0153]
来自实施例5-15的压敏电阻填料的曲线与来自实施例5-16的碳化硅曲线相交。然而，根据浓度的不同，绝缘材料中的电导率也可能低于碳化硅，如实施例5-10(压敏电阻填料)和实施例5-15(碳化硅)的曲线比较所示。相比之下，填充氧化锌微压敏电阻的实施例5-17和5-18的曲线清楚地表明，这种材料难以控制。它要么仅表现出低填充的低非线性(实施例5-17)，要么在高填充的情况下明显太导电(实施例5-18)。然后，非线性导电区域的切换点处于非常低的电场强度(《《100kv/m)。
[0154]
图11：
[0155]
阻抗谱仪上的介电测量还允许在交流环境中确定根据本发明的压敏电阻填料的特性。图11显示了在实施例8-1至8-5的配方中，包含实施例1的压敏电阻填料和hd-pe的复合材料在50hz下的阻抗(交流电阻)z和介电常数ε
‘
和损耗因子tanδ。介电常数ε
‘
仅随填料比例缓慢增加(作为聚乙烯和掺杂压敏电阻填料比例的平均值)。相比之下，阻抗以及损耗因子表明经典渗透曲线的形状，其台阶从约25％的填料比例开始。介电常数和损耗因子仍然很小。对于纯hdpe，文献表明介电常数为约2.4，损耗因子为约2*10-4
。然而，对于未填充的hdpe测量的损耗因子已经是4*10-2
，并且在填充程度为37重量％压敏电阻填料的情况下仅超过了10倍。