Комплексная электропроводящая нить

Комплексная электропроводящая нить

Реферат

 

Изобретение относится к производству комплексных электропроводящих нитей и резистивных слоев на их основе, которые в составе гибких или жестких нагревательных элементов могут быть использованы в быту, медицине, сельхозобъектах и других отраслях промышленности. Комплексная электропроводящая нить образована двумя фиброгенными полимерами, расположенными друг относительно друга в виде "оболочки" и "ядра", причем "ядро" выполнено из волокон поли--капроамида, а "оболочка" содержит волокнообразующий фторсодержащий полиолефин, предпочтительно сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом, наполненный печной сажей, в массовом соотношении от 1:0,6 до 1:0,8, причем на наружной и внутренней поверхностях "оболочки" образован непрерывный каркас из частиц печной сажи, диспергированной до фракций 0,5 - 1,0 мкм, при этом "ядро" и "оболочка" взяты в массовом соотношении от 1:0,7 до 1:0,8, а линейная плотность комплексной электропроводящей нити составляет 52 - 58 текс. способ изготовления комплексной электропроводящей нити включает в себя приготовление в дессольвере прядильного ацетонового раствора волокнообразующего фторсодержащего полиолефина, фильтрацию его на рамном фильтр-прессе, введение заданного количества печной сажи и подачу полученного многокомпонентного раствора на диспергацию частиц до фракций 0,5 - 1,0 мкм в роторно-пульсационном смесителе методом высокочастотной пульсации интенсивного гидродинамического потока при температуре 20 - 25^oC, скорости вращения ротора 700 - 1400 об/мин и давлении 0,8 - 1,0 кгс/см² с последующим вакуумированием, формованием комплексной нити "ядро - оболочка" в фильерном комплекте с диаметром фильеры 0,9 - 1,1 мм, удалением растворителя в сушильной шахте при температуре 125 - 128^oC и скорости протяжки нити 35 - 40 м/мин. Техническим результатом, который может быть получен от использования изобретения, является повышение надежности и работоспособности комплексной электропроводящей нити в составе резистивного слоя жестких или мягких нагревательных элементов. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 8 ил.

Изобретение относится к области электротермии, а именно к производству комплексных электропроводящих нитей и резистивных слоев на их основе, которые в составе гибких или жестких нагревательных элементов могут быть использованы в быту, медицине, сельхозобъектах и других отраслях промышленности.

Известны патенты последних лет, в которых описаны токопроводящие нити на основе саженаполненных волокон. Наибольшее количество патентов, в которых описаны саженаполненные волокна, принадлежат японским фирмам "Toray" (заявка 55-45856, D 01 F 8/00), "Kaneso" (заявка 56-31028, D 01 F 8/00), "Unimika" (заявка 55-137216, D 01 F 8/00). Анализ этих патентов свидетельствует о том, что количественное соотношение сажи и полимера практически во всех изобретениях одинаково (примерно 10-50%). Различаются же саженаполненные волокна в основном характером распределения сажевого компонента в объеме волокна. Как правило, они - бикомпонентные. Типичны структуры "бок о бок", "оболочка-ядро", "сегментарные" и "многослойные". Поперечные срезы указанных волокон представлены в таблице 1.

Также известны способ получения комплексной электропроводящей нити, образованной двумя фиброгенными полимерами, расположенными относительно друг друга в виде "оболочки" и "ядра", причем "оболочка" инкрустирована проводящим материалом и в виде сплошного покрытия нанесена на поверхность "ядра" нити (см. заявку Франции N 2156767, кл. D 01 F 7/00, 1973 г.), и комплексная электропроводящая нить типа "ядро-оболочка", в которой ядро выполнено из волокон поли--капроамида, а "оболочка" содержит фторсодержащий полиолефин, наполненный печной сажей, в массовом соотношении от 1:0,6 до 1:0,8 (см патент RU N 2001164, кл. D 01 F 8/00 от 15.10.93 г.).

Основным недостатком известных электропроводящих нитей являются недостаточная электропроводность и низкая технологичность, которые не могут обеспечить создание высокоэффективных устройств для нагрева на основе жестких или мягких нагревательных элементов. (см. табл. 1).

Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является изобретение по патенту RU N 2001164, кл. D 01 F 8/00 от 15.10.93 г.

Основной задачей разработки является создание такой комплексной электропроводящей нити, в которой были бы исключены перечисленные недостатки, т. е. комплексная нить должна иметь высокую электропроводность и быть технологичной при переработке в токопроводящую ткань с сохранением свойств токопроводящей "оболочки", которая обеспечивала бы высокую работоспособность электронагревательных элементов при различных условиях эксплуатации.

Техническим результатом, который может быть получен от использования изобретения, является повышение надежности и работоспособности комплексной электропроводящей нити в составе резистивного слоя жестких или мягких нагревательных элементов.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет того, что в комплексной электропроводящей нити типа "ядро-оболочка", в которой "ядро" выполнено из волокон поли--капроамида, а "оболочка" содержит волокнообразующий фторсодержащий полиолефин, наполненный печной сажей, в массовом соотношении от 1:0,6 до 1:0,8, согласно изобретению на наружной и внутренней поверхностях "оболочки" образован непрерывный каркас из частиц печной сажи, диспергированной до фракций 0,5 - 1,0 мкм, при этом "ядро" и "оболочка" взяты в массовом соотношении от 1: 0,7 до 1:0,8, а линейная плотность нити составляет 52-58 текс.

В способе изготовления комплексной электропроводящей нити нанесением прядильного ацетонового раствора волокнообразующего фторсодержащего полиолефина с заданным количеством печной сажи на волокна поли--капроамида, формованием комплексной нити "ядро-оболочка" в фильерном комплекте и удалением растворителя в сушильной камере, согласно изобретению прядильный раствор сначала фильтруют на рамном фильтр-прессе, вводят печную сажу и диспергируют в роторно-пульсационном смесителе высокочастотной пульсацией интенсивного гидродинамического потока при температуре 20-25^oC, скорости вращения ротора 700-1400 об/мин и давлении 0,8-1,0 кгс/см² до получения фракций печной сажи 0,5-1,0 мкм с последующим вакууммированием и формованием через фильеру с диаметром 0,9-1,1 мм, а удаление растворителя в сушильной камере шахты, куда противотоком поступает горячий воздух, производят при температуре 125-128^oC и скорости протяжки нити 35-40 м/мин.

Отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижение нового технического результата.

Непрерывный каркас на наружной и внутренней поверхностях "оболочки" из частиц печной сажи, диспергированных до фракций 0,5-1,0 мкм, обеспечит электропроводность комплексной электропроводящей нити. Массовое соотношение "ядра" и "оболочки" от 1,0:0,7 до 1,0:0,8 обеспечит высокую технологичность в процессе ее переработки в токопроводящую ткань заданной структуры с сохранением электрофизических характеристик комплексной электропроводящей нити в резистивных слоях нагревательных элементов.

Фильтрация прядильного раствора на рамном фильтр-прессе с последующим введением печной сажи и диспергацией полученной композиции в роторно-пульсационном смесителе высокочастотной пульсацией интенсивного гидродинамического потока при температуре 20-25^oC, скорости вращения ротора 700-1400 об/мин и давлении 0,8-1,0 кгс/см² обеспечит получение токопроводящей композиции фракций печной сажи размером 0,5-1,0 мкм.

Указанная токопроводящая композиция в процессе удаления растворителя в сушильной камере шахты при температуре 125-128^oC и скорости протяжки нити 35-40 м/мин обеспечит создание сплошной "оболочки" комплексной электропроводящей нити с высокой долей использования проводящего компонента за счет кристаллизации сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом с образованием непрерывного каркаса из фракций печной сажи на наружной и внутренней поверхностях оболочки.

Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение, соответствующее критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новых технических результатов, что позволяет характеризовать новое техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем техники, аналогами и прототипом. Новое техническое решение является результатом опытно-конструкторской отработки и творческого вклада, получено без использования стандартных проектировочных решений или каких-либо рекомендаций, по своей оригинальности и содержательности исполнения соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена зависимость логарифма электрического сопротивления сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом (далее по тексту "сополимер") от концентрации различных типов сажи. На фиг. 2 показана структура комплексной электропроводящей нити на основе волокон поли--капроамида, имеющего в сечении форму треугольника (поз. A) или форму круга (поз. B). На фиг. 3 - зависимость деформации от температуры образцов сополимера с различным содержанием сажи. На фиг. 4 - зависимость удельного электрического сопротивления саженаполненных пленок сополимера от содержания сажи ПМ-100. На фиг. 5 - зависимость изменения электрического сопротивления саженаполненных пленок от температуры прогрева. На фиг. 6 - зависимость деформации и изменения электрического сопротивления нитей от температуры. На фиг. 7 - технологическая схема получения комплексной электропроводящей нити структуры "оболочка-ядро". На фиг. 8 - фильерный комплект, обеспечивающий формование вышеупомянутой нити заданной структуры и микрофотография комплексной нити.

Как видно из таблицы 1, большинство электропроводящих химических волокон представляют собой двухкомпонентные системы, один из которых волокнообразующий полимер является матрицей, а второй обеспечивает повышенную проводимость.

Основные виды электропроводящих волокон, производимых зарубежными фирмами, различаются в основном типом и характером распределения проводящего компонента (как правило, это печная, канальная или ацетиленовая сажа) в объеме волокнообразующего полимера. Исходя из особенностей работы и условий пожаробезопасности, в качестве волокнообразующего полимера были отобраны фторсодержащие полиолефины, которые не горят и при воздействии высоких температур переходят в газообразное состояние со значительным эндотермическим эффектом.

Так как процесс формования электропроводящих нитей включает в себя две основные технологические операции - приготовление саженаполненного раствора волокнообразующего полимера с последующим формованием нитей, наиболее предпочтительным из всех видов фторсодержащих полиолефинов является сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом структуры [(-CF₂-CF₂-)_m (-CF₂-CH₂-)_p] _n, который является волокнообразующим полиолефином, широко выпускается промышленностью и в настоящее время известен под маркой "Фторопласт 42В" (см. Ю. А. Паншин и др. "Фторопласты", Л., "Химия", 1978 г., с. 127).

Также известны сополимеры тетрафторэтилена с другими фторсодержащими мономерами (см. А.Ф. Николаев. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе, Изд-во "Химия", М., 164, Л, с. 301, табл. 64), однако из всех известных фторсодержащих мономеров винилиденфторид в сочетании с тетрафторэтиленом наиболее устойчив к воздействию высоких температур, что немаловажно для процесса формования комплексных электропроводящих нитей.

Что касается влияния природы полимера на электрофизические свойства саженаполненных электропроводящих нитей было установлено, что при одинаковом содержании проводящего компонента саженаполненные полимеры тетрафторэтилена обладают более низким удельным электросопротивлением, чем другие саженаполненные полимеры. Так, например, при массовой доле 20% печной сажи удельное сопротивление саженаполненного "Фторопласта 42В" в 40 раз меньше, чем у саженаполненного хлорированного поливинилхлорида (см. Химические волокна, 1978 г., 5, с. 13).

На фиг. 1 представлена зависимость логарифма удельного электрического сопротивления (lg) сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом концентрации (C,%) печной сажи (кривая 1), канальной (кривая 2) и ацетиленовой (кривая 3) саж, которая показывает, что наименьшим удельным электрическим объемным сопротивлением при одинаковом содержании проводящего компонента обладает саженаполненный раствор сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом на основе печной сажи.

Обусловлено это тем, что высокоструктурированная печная сажа гидрофобна и хорошо совмещается (в отличие от гидрофильных канальных и ацетиленовых саж) с фторсодержащими полиолефинами. Кроме того, на поверхности элементарных частиц печной сажи практически отсутствуют кислородсодержащие комплексы, что немаловажно для получения композиционного материала с высокой долей использования проводящего компонента. Однако из-за наличия свободного (не связанного с сополимером) токопроводящего наполнителя нити из композиции "сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом + печная сажа" могут подвергаться значительным пластификационным вытяжкам, достигающим 500%, с сохранением необходимых для эксплуатации изделий свойств, что обуславливает повышенную термоусадку и связанную с этим нестабильность электрофизических характеристик армирующего наполнителя и, как следствие, нагревательного элемента в целом.

Указанное обстоятельство потребовало введения в структуру нити армирующего элемента ("ядра"). Основными требованиями к армирующему элементу нити являлись достаточная механическая прочность (исключающая обрыв нити в процессе их формирования и переработки в тканный наполнитель), хемостойкость и низкая стоимость. Наиболее полно указанным требованиям удовлетворяет термопластичный волокнообразующий полимер на основе поли--капроамида.

На фиг. 2 представлена структура комплексной нити, в которой токопроводящая композиция на основе саженаполненного сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом в виде непрерывного покрытия 4 ("оболочка") локализована вокруг армирующего наполнителя 5 ("ядро") из волокон поли--капроамида, поперечный срез которых имеет форму треугольника 6 и круга 7.

Для оптимизации компонентного состава "оболочки" комплексной электропроводящей нити были изучены термомеханические и электрофизические свойства саженаполненного сополимера при постоянном подъеме температуры от 20 до 300^oC и сделана сравнительная оценка зависимости электропроводности от воздействия указанных факторов.

Для проведения испытаний был использован метод, который позволяет проводить испытания в инертной среде в широком интервале температур и постоянной скорости нагрева, равной 15^oC/мин (Канашин А.Т., Кузнецов Л.К., Андреева Н. П. , Метод непрерывного определения деформационных и химических изменений в волокнах в широком интервале температур и нагрузок, ВМС, 1977, том XVI, N 7. С 1680). В качестве объектов исследования использовали пленки из саженаполненного сополимера с различным содержанием печной сажи от 35 до 150 мас. ч. от массы сополимера. Технология изготовления вышеуказанных пленок представляет собой процесс, основные операции которого изложены в нижеприведенных примерах: Пример 1. Из мерника в аппарат-дессольвер поступает ацетон и сополимер. Через патрубок загружают заданное количество сажи. После диспергации в роторно-пульсационном смесителе формуют пленки по "сухому" способу при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом - 100 печная сажа ПМ-100 - 35 Пример 2. Осуществляют аналогично примеру 1 при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом - 100 печная сажа ПМ-100 - 60 Пример 3. Осуществляют аналогично примеру 1 при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом - 100 печная сажа ПМ-100 - 80 Пример 4. Осуществляют аналогично примеру 1 при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом - 100 печная сажа ПМ-100 - 100 Пример 5. Осуществляют аналогично примеру 1 при следующем соотношении ингредиентов, мас.ч.: сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом - 100 печная сажа ПМ-100 - 150 На фиг. 3 представлена зависимость деформации от температуры вышеуказанных пленок (кривые 9, 9'-13, 13') и пленки из ненаполненного сополимера (кривые 8, 8'). Как видно из рисунка, ненаполненная пленка проявляет большую склонность к деформации при низких температурах. При этом четко прослеживается анизотропия свойств ненаполненной пленки: полоски пленок, вырезанные вдоль действия механического поля при их формовании, склонны к усадке (кривая 8); образцы, вырезанные в перпендикулярном направлении, уже при температуре 50-80^oC обнаруживают деформационные течения (кривая 8').

С введением сажи в полимерную матрицу характер деформации пленок резко изменяется. Так, при наполнении сополимера печной сажей в количестве 35% от массы сополимера усадка пленки происходит при более высокой температуре. При этом анизотропия свойств хотя и имеет место, однако проявляется в значительно меньшей степени (кривые 9, 9'). Пленки, содержащие 60 и 80% сажи, практически не деформируются и не показывают анизотропии свойств (кривые 10, 10', 11, 11'). Совсем иначе ведут себя пленки, содержащие 100 и 150% сажи (кривые 12, 12', 13, 13'), для которых характерна тенденция к увеличению длины, и тем значительнее, чем выше содержание сажи в сополимере.

Приведенные на фиг. 3 данные хорошо коррелируют с изменением электропроводности саженаполненного сополимера в зависимости от содержания в нем печной сажи (см. фиг. 4) и температуры прогрева (см. фиг. 5).

Как видно из рисунка, представленного на фиг. 4, наименьшим электрическим сопротивлением обладает пленка с содержанием 60-80 мас.% печной сажи. В этой области концентраций наполненные пленки показывают незначительное изменение электросопротивления при прогреве, что подтверждается кривыми 16, 16', 17, 17', представленными на фиг. 5. Для указанных составов не отмечена также и анизотропия электросопротивления при прогреве пленок в интервале температур от 50 до 200^oC в отличие от пленок, содержащих 35% печной сажи (кривые 15, 15' на фиг. 5). Приведенные факторы по деформационным характеристикам свидетельствуют о том, что по мере увеличения содержания сажи в сополимере исчезает анизотропия механических и электрофизических свойств.

С рассматриваемых позиций наполнение сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом печной сажей в количестве 60-80% от массы сополимера (что соответствует массовому соотношению сополимера и сажи от 1:0,6 до 1:0,8) следует считать оптимальным, так как в этой области концентраций достигнуты максимальная электропроводность и минимальная деформируемость саженаполненного сополимера, а также отсутствие анизотропии свойств при прогреве в интервале температур от 50 до 200^oC.

На фиг. 6 представлены результаты исследований по изучению деформации и изменению электрического сопротивления от температуры комплексных нитей "оболочка-ядро", содержащих в "оболочке" токопроводящую композицию на основе сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и печной сажи, взятых в соотношении от 1:0,7 до 1:0,8, а в "ядре" - волокна поли--капроамида. Кривая 21 соответствует характеристикам материала "ядра" - нити из волокон поли--капроамида с общей линейной плотностью 29 текс; кривые 19, 22 соответствуют комплексной нити при соотношении "ядра" и "оболочки" 1:0,6 при общей линейной плотности 45 текс; кривые 20, 23 соответствуют комплексной нити при соотношении "ядра" и "оболочки" 1:0,7 при общей линейной плотности 52 текс; кривые 21, 24 соответствуют комплексной нити при соотношении "ядра" и "оболочки" 1:0,8 при общей линейной плотности 58 текс. Дальнейшее увеличение линейной плотности комплексной нити за счет увеличения толщины пленочного покрытия нецелесообразно, так как в этом случае наблюдается нарушение целостности "оболочки" и, как следствие, ухудшение как электрофизических (см. фиг. 3, 4, 5), так и эксплуатационных свойств комплексной нити.

Из данных, представленных на фиг. 6, видно, что величина деформации усадки зависит не только от температуры прогрева нити, но и от деформационных свойств волокон поли--капроамида и толщины электропроводящего поверхностного слоя, составляющего "оболочку" нити. В этом случае чем толще пленочное покрытие на "ядре" из волокон поли--капроамида, тем, при прочих равных условиях, меньше усадка комплексной нити и изменение ее линейного электрического сопротивления. Исходя из компромисного решения между технологическими возможностями формования комплексной нити и ее эксплуатационными характеристиками (электропроводность материала, рабочая температура) был определен оптимальный состав комплексной нити, в которой "оболочка" и "ядро" взяты в соотношениях от 1:0,7 до 1:0,8 при общей линейной плотности 52-58 текс. В этом случае рабочая температура нити составляет 110-120^oC и усадка нити не превышает 5%, а изменение электропроводности в сторону ее уменьшения - 10%.

На фиг. 7 представлена технологическая схема получения комплексных нитей типа "оболочка-ядро", содержащих в "оболочке" сополимер тетрафторэтилена с винилиденфторидом и печную сажу, взятых в массовом соотношении от 1:0,6 до 1: 0,8, а в "ядре" волокна поли--капроамида, и представляет собой процесс, основными операциями которого являются: загрузка 12% раствора сополимера в ацетоне из мерника 25 и расчетного количества печной сажи из мерника 27 в аппарат-дессольвер 26; предварительное смешение (гомогенизация) и подача полученной суспензии посредством насоса 28 в роторно-пульсационный смеситель 29 с последующей диспергацией; обезвоздушивание полученной композиции в теплообменнике 30 и подача ее в прядильный бак 31 с последующим формованием комплексной нити структуры "оболочка-ядро" на реконструированной машине "Гамель" с помощью фильерного комплекта 32. При формовании указанных нитей в фильерном комплекте (см. фиг. 8, поз. A) исходная капроновая нить 34 через систему натяжных устройств 33 поступает в фильерный комплект 32, куда одновременно дискретным измерителем веса 36 подается саженаполненный раствор сополимера 35. Фильерный раствор заканчивается фильерой 37 с диаметром отверстия 0,9-1,0 мм, которая регламентирует толщину наносимого на поверхность капроновой нити сплошного покрытия. По выходу из фильеры указанная нить 38 поступает в шахту 39, куда противотоком подается горячий воздух при температуре 125-135^oC и скорости протяжки 35-40 м/мин. При этом растворитель-ацетон испаряется из композиции и удаляется из шахты 39 на регенерацию, а комплексная нить 38 поступает на дальнейшую переработку 40.

Анализ литературных данных по диспергирующему оборудованию и опыт работы на указанных аппаратах в смежных отраслях промышленности показали, что процесс производства саженаполненных растворов делится на две технологические операции: предварительное смешение сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и печной сажей в ацетоне; тонкое диспергирование токопроводящего компонента в прядильном растворе, при этом частицы печной сажи диспергированы до фракций 0,5-1 мкм. Для первой стадии процесса был выбран аппарат с фрезерной мешалкой, как наиболее простой и эффективный аппарат, применяемый в лакокрасочной промышленности. С учетом требований технологии производства саженаполненных комплексных нитей типа "оболочка-ядро" в указанный аппарат были внесены необходимые конструктивные изменения, а именно: в аппарате-дессольвере была установлена двухъярусная зубчатая мешалка, обеспечивающая высокую турбулизацию внутри рабочего потока, что позволяет быстро и эффективно растворять сополимер и смешивать его с токопроводящим компонентом - печной сажей.

Для осуществления второй стадии процесса в качестве аналога был выбран аппарат роторного типа, принцип действия которого основан на высокочастотной пульсации потока и интенсивном гидродинамическом режиме, так называемый роторно-пульсационный смеситель (далее по тексту РПС). В аппарате РПС в отличие от других аппаратов с роторным смешением (коллоидные мельницы, зубчатые смесители и т.д.) разрушение агрегатов происходит не за счет больших сдвиговых усилий и скорости деформации, а за счет высокочастотных (импульсных) потоков.

Технические характеристики РПС, обеспечивающие высокие технические и эксплуатационные свойства саженаполненного сополимера и, как следствие, комплексной нити в целом, представлены ниже: давление в корпусе РПС до 1 кгс/см², давление в торцевом уплотнении до 1,5 кгс/см², рабочая температура до 20^oC, скорость вращения вала 700-1400 об/мин.

Формование комплексной нити с использованием пленочного покрытия ("оболочка"), полученного в соответствии с вышеприведенными технологической схемой и техническими характеристиками РПС, позволило получить высококачественную комплексную нить с минимальной засоряемостью фильер (6-8 бобин/фильера) и высокими электропроводящими характеристиками удельного электросопротивления токопроводящей композиции "оболочки" нити (R_v = 0,8-1,0 Омсм).

Скорость формования комплексной нити по "сухому способу" определяется в основном временем, необходимым для испарения растворителя - ацетона из формуемого на нити из волокон поли--капроамида сплошного пленочного покрытия. Существенное значение на условия и скорость испарения ацетона в прядильной шахте оказывает температура технологического воздуха в шахте, которая должна быть тем выше, чем больше скорость формования. Результаты исследований по формованию комплексных нитей в зависимости от скорости протяжки в сушильной шахте представлены в таблице 2. В качестве объекта исследований использовалась нить, содержащая "оболочку" из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и сажи, взятые в соотношении от 1:0,6 до 1:0,8, при этом "ядро" и "оболочка" взяты в соотношении от 1:0,7 до 1:0,8 при общей линейной плотности 52-58 текс.

Анализ результатов, представленных в таблице 2, показывает, что наиболее оптимальной скоростью формования комплексной нити при температуре 125-128^oC в сушильной шахте является скорость формования, равная 35-40 м/мин. В этом случае содержание растворителя - ацетона в нити минимальное, погонное электросопротивление максимальное, а комплексная нить поступает на дальнейшую переработку без склеек, без проблесков (т. е. абсолютно черная), что способствует созданию высокотехнологичного и эффективного резистивного слоя нагревательного элемента.

Следует отметить, что дальнейшее изменение скорости формования нитей, обеспечивающее получение высококачественной комплексной нити, ограничено возможностью повысить температуру технологического воздуха в сушильной шахте выше 125-128^oC.

Полученная по вышеописанной технологии комплексная нить обладает более низким линейным электрическим сопротивлением, чем нити из саженаполненного сополимера. Поэтому представлялось интересным исследовать поверхность и поперечный срез комплексной нити структуры "оболочка-ядро" методом сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения, который дает значительное количество информации для изучения микроструктуры исследуемых материалов. Исследования проводились на электронном растровом микроскопе фирмы JEOLS при ускоряющем напряжении 25 кВ.

Электронная фотография комплексной нити (фиг. 8, поз. В) показывает, что электропроводящий наполнитель - печная сажа распределен по наружной поверхности кристаллизованного сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом. Это связано с тем, что условия кристаллизации полимерных цепей сополимера, нанесенного на поверхность волокна носителя ("ядра"), облегчаются, так как заторможена их конформационная поверхность. В нашем случае, когда для компенсации поверхностной энергии электропроводящего наполнителя расходуется сравнительно небольшая доля сополимера, оставшаяся доля образует структуру, близкую к равновесной, и при максимуме скорости кристаллизации в области температур 130-140^oC вытесняет сажевую фазу. На границе раздела фаз сополимер и печная сажа взаимодействуют между собой с образованием ковалентных связей между атомами фтора и нескомпенсированными электронами бензольных циклов, поскольку межядерные расстояния между атомами углерода и фтора в сополимере и атомами углерода в саже практически равны (C-F равно 0,136 нм, C=C равно 0,134 нм, C-C равно 0,146 нм при среднем значении для графита 0,140 нм).

При достаточно высокой концентрации электропроводящего наполнителя и одноосной деформации комплексной нити в процессе ее формования происходит перестройка электропроводящих частиц, в результате которой средний размер токопроводящих агрегатов уменьшается и увеличивается концентрация частиц в единице объема с образованием цепочек, между которыми имеется непосредственный электрический контакт.

Испытания разработанной комплексной нити с использованием нового технического решения, произведенного промышленным способом, показали положительные результаты в процессе создания высокоэффективного резистивного слоя нагревательных элементов.

Таким образом, предложенное новое техническое решение в указанной совокупности существенных признаков соответствует критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.

Формула изобретения

1. Комплексная электропроводящая нить типа "ядро-оболочка", в которой "ядро" выполнено из волокон поли--капроамида, а "оболочка" содержит волокнообразующий фторсодержащий полиолефин, наполненный печной сажей в массовом соотношении от 1 : 0,6 до 1 : 0,8, отличающаяся тем, что на наружной и внутренней поверхностях "оболочки" образован непрерывный каркас из частиц печной сажи, диспергированной до фракций 0,5 - 1,0 мкм, при этом "ядро" и "оболочка" взяты в массовом соотношении от 1 : 0,7 до 1 : 0,8, а линейная плотность комплексной электропроводящей нити составляет 52 - 58 текс.

2. Способ изготовления комплексной электропроводящей нити нанесением прядильного ацетонового раствора волокнообразующего фторсодержащего полиолефина с заданным количеством печной сажи на волокна из поли--капроамида, формованием комплексной нити "ядро - оболочка" в фильерном комплекте и удалением растворителя в сушильной шахте, отличающийся тем, что прядильный раствор сначала фильтруют на рамном фильтр-прессе, вводят печную сажу и диспергируют в роторно-пульсационном смесителе высокочастотной пульсацией интенсивного гидродинамического потока при температуре 20 - 25^oС, скорости вращения ротора 700 - 1400 об/мин и давлении 0,8 - 1,0 кгс/см² до получения фракций печной сажи 0,5 - 1,0 мкм с последующим вакуумированием и формованием через фильеру с диаметром 0,9 - 1,1 мм, а удаление растворителя в сушильной шахте, куда противотоком поступает горячий воздух, производят при температуре 125 - 128^oС и скорости протяжки нити 35 - 40 мин м/мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.06.2009

Дата публикации: 10.08.2011