Гибкий электронагревательный элемент

 

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в гибких электронагревательных элементах, применяемых в устройствах для нагрова жидких или газообразных сред. Гибкий электронагревательный элемент из полимерного материала содержит плоский резистивный слой из тканого материала полотняного переплетения на основе нитей из поликапроамидного профилированного треугольного волокна, покрытых резистивным магериа- .лом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом,наполненного углеродом, электроды, выполненные из вплетенных в материал параллельных металлизированных арамидных нитей.и электроизоляционные слои. Гибкий электронагревательный элемент обеспечивает стабильное и равномерное распределение температур и обладает повышенной надежностью и экологичностью за счет исключения выделения вредных летучих компонентов . 6 ил. СО

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л Н 05 B 3/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДС}МСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . К ПАТЕНТУ (21) р006869/07 (22) 9,10.91 (46) 30.08.93. Бюл, N 32 (71) Центральный научно-исследовательский институт специального машиностроения, (72) Р,В,Офицерьян, В,И.Смыслов, А.А.Никитин, Н.Н.Долотова, М,С.Артюхов, А.К.Миронов и В.А.Медведев (73) P.Â.Oôèöåðüÿí, В.И,Смыслов, А,А.Никит(лн, Н.Н,Долотова, М.С.Артюхов, А.К.Миронов и В.А,Медведев (56) Авторское свидетельство СССР

N 542361, кл. Н 05 В 3/34, 1974, . Вититин В.С. и др. Тканый электронагреватель. "Легкая промышленность Наук.виробн, зб", 1974, М 5 (77); с. 34 — 36, 63. (54) ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ

ЭЛЕМЕНТ (57) Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в гибких

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано в гибких электронагревательных элементах, применяемых в устройствах для нагрева жидких и газообразных сред, Цель изобретения — обеспечение стабильности и равномерности распределения температур, повышение надежности и экологичности.

Отличительными особенностями гибкого электронагревательного элемента является выполнение его резистивного слоя из нитей типа "оболочка-ядро" из поликапроамидного профилированного треугольного

„„ Ы „„1838896 АЗ электронагревательных элементах, применяемых в устройствах для нагрева жидких или газообразных сред. Гибкий электронагревательный элемент из полимерного материала содержит плоский резистивный слой из тканого материала полотняного переплетения на основе нитей из поликапроамидного профилированного треугольного волокна, покрытых резистивным материа.лом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом, наполненного углеродом, электроды, выполненные из вплетенных в материал параллельных металлизированных арамидных нитей.и электроизоляционные слои. Гибкий электронагревательный элемент обеспечивает стабильное и равномерное распределение температур и обладает повышенной надежностью и экологичностью за счет исключения выделения вредных летучих компонентов. 6 ил.

Ъ волокна, покрытых резистивным материа- Q) лом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и технического углерода, взятых в объемном соотношении от 1;0,6 до

1:0,8 при объемном соотношении резистив- CO ного материала и поликапроамидного про- О филированного треугольного волокна от С

0,8:1 до 0,7:1, размещение электродов между.перекрещивающимися н итями резисти вного слоя и выполнение.их из параллельных jul металлизированных полимерных волокон.

На фиг. 1 представлен общий вид гибкого нагревательного элемента; на фиг. 2 а-в показаны конструктивные особенности то1838896

25

40

50 копроводящей нити; на фиг.-3 представлена зависимость деформации от температуры для сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом с различным содержанием технического углерода; на фиг, 4 показано изменение удельного электрического сопротивления сополимера в зависимости от содержания технического углерода; на фиг.

5 представлена зависимость электрического сопротивления от температуры сополимера тетрафторэтилена с . винилиденфторидом с различным содержанием технического углерода; на фиг. 6 — зависимость деформации и изменение электрического соп.ротивления нитей от температуры.

Гибкий электронагревательный элемент, представленный на фиг. 1, состоит из резистивного слоя 1, выполненного из ткани полотняного переплетения, содержащей в утке и основе поликапроамидные нити 2, покрытые резистивным материалом 3 (фиг.

2а), полимерных металлизированных нитей

4, введенных в структуру ткани, тоководов

5, электроизоляцио ных слоев 6 и 7, покрывающих с обеих сторон резистивный слой 1, выполненный из электроизоллционной ткани 8 (фиг, 1), пропитанной полимерным связующим на основе, например, эпоксифенольного или формальдегидного лака, Токопрозодящая нить (фиг. 2, а и б) представляют собой структуру "оболочкаядро", "ядро" 2 которой содержит профилированные треугольные волокна 9 полив -капроамида, а "оболочка" 3 — негорячую

«омпозпци1о из технического углерода и сополимера тетрафторэтилена с винилиденфто ридом.

Для оптимизации компонентного состава "оболочка" комплексной нити были изучены термомеханические и электрофизические свойства сополимера, наполненного техническим углеродом при постоянном подьеме температуры от 20 до

300 С и сделана сравнительная оценка зависимости электропроводности материала от воздействия указанных факторов. При проведении исследований был использован метод, который позволяет проводить эксперименты в инертной среде s широком интервале температур и постоянной скоростью нагрева, равной 15 /мин.

В качестве обьекта исследований использовали пленки 10 (фиг, 2,в) из сополимера тетрафторэтилена с различным содержанием технического углерода (от 35 до 150.мас.ч, от массы сополимера).

Электропроводящий наполнитель вводился в прядильные ацетоновые растворы сополимера, из которого после диспергации в шаровой мельнице формовались г|ленки по сухому способу. Сформованные укаэанным способом пленки по толщине и количественному содержанию технического углерода имитировали негорючую электропроводящую композицию "оболочки" комплексной нити, На фиг. 3 представлены термомеханические кривые ненаполненных пленок из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и пленок содержащих различное количество технического углерода. Как видно из фиг. 3, ненаполненная пленка (кривые 11 и 12) проявляет большую склонность к деформации уже при низких температурах. При этом четко прослеживается анизотропия механических свойств ненаполненной пленки: полоски пленок, вырезанные вдоль действия механического поля при формовании склонные к усадке (кривая 11), образцы, вырезанные в перпендикулярноM направлении, при температуре 50 — 80 С обнаруживают деформационное течение (кривая 12). Анизотропия механических свойств ненаполненных плеI1îI; (или при небольLUèх 3ап0лнениях) связана с ориентацией макромолекул сополимера, С введением технического углерода в полимерную ма1 рицу характер деформации пленок резко изменяется. Так, при наполнении сополимера в количестве 35% (от его массы) усадка пленки происходит при более высоких температурах по сравнению с ненаполненной пленкой.

При этом анизотропия свойств хотя и имеет место, однако проявляется в значительно меньшей степени, чем в ненаполненном сополимере (кривые 13 и 14 фиг. 3) Пленки, содержащие 60 и 80% технического углерода, практически не деформируются и, как видно, фиг. 3 (кривые 15, 16, 17) не показывают анизотропии свойств. Совсем иначе ведут себя пленки, содержащие 100 и 150% технического углерода (кривые 18 и 19), для которых характерна тенденция к увеличению длины, и тем значительному, чем выше содержание технического углерода в сополимере.

Приведенные на фиг. 3 данные по деформации наполненных пленок хорошо коррелируют с изменением электропроводности материала в зависимости от содержания в нем технического углерода и температуры прогрева (фиг. 5).

И3 фиг. 4 видно, что íàv,.ëpньшим электрическим сопротивлением обладает пленка с содержанием 60- ВО мыс.% технического углерода (кривая 20).

1838896

В этой области ко11центраций наполllBHHbl0 пленки показыва от IIB3!!3÷èòåëüные изменения электросопротинления lpL1

IlporpeBe (при наполнении 60 и 80 от массь1 сополимера кривые соответственно 22, 5

2,3, 24, 25, 26, 27 на фиг, 5).

Для указанных составов не отмечена также анизотропия электросопротинления при прогреве пленок в интервале температур от 50 до 200 С в отличие от пленок, 10 содержащих 35 сажи от массы сополимера (кривые 22, 23, 24, 25 на фиг. 5), Приведенные Bb!LL!B факторы по деформационным характеристикам свидетельству.от î том, /To по леере увеличения содерх<ания техни- 15 ческого углерода в композиции исчезает анизотропия механи <еских I электрофизических свойств, С рассмотренных позиций наполнение сополимера тетрафторэтилена с винили- 20 денфторидом техническим углеродом в количестве 60-80 мас."/, (от массы сополимера) следует cчитать оптимальным, так как в этой области концентраций достигнута максимальная электропроводilcicTb, 25 оптимальная деформируемость пле1юч11ого покрытия коь1пoзиiции "оболочки" и отсутствие анизотропии свойств при прогреве в интервале температур от 50 до 200"С, Для определения оптимальной структу- 30 ры нити, обеспечивающей создание армироваflíoãо пластика со стабипы1ыми

ХараКтврИСтИКаМИ, бЫЛИ ПронадЕНЫ "ICC!lBдонания по изучению дсформации и изг",енени10 электрического сопротивления ог 35 температуры комплексной нити оболочкаядро" на основе профилированных треугольных волокон поли- M-капроамида, Из данных, представ 1BIIHL!x на фиг. 6 видно, что величина деформации усвдкп за- 40 висит не только от температуры прсгренэ нити, но и от деформационных свойств волокон поли- в -капроамида и тол.цины злектропроводящего поверхностного слоя, составляющего "оболочку" комплексной ни- 45 ти. В этом случае, чем толще пленочное покрытие на "ядре" — волокнах полио)-капроамида, тем, при проч11х равных условиях, меньше усадка комплексной нити и изменение ее линейного электрического со- 50 противления.

Кривая 28 соответствует линейной плотности 50 текс, соотношение "ядро" и "оболочка" — 55:40 мас. /., В,ин — не более 10

Ом/см — кривая 29. Кривая 30 — 55 текс, 55 соот 10ше11ие "ядро" «50;50, мас,, Bnffff не более 20 Ом/см (кривая 31).

Кривая 32 — 45:55 текс, соотношение

"ядро" и "оболочка" 45:55 1иас.%, R»ff не более 35 см/см (кривая 33). Свойства (см. таблицу).

Наилучшие показатели в резистивном слое достигнуты на основе кол плексной нити "аболо1ка — ядро" по примерам 2 и 3.

Исходя из технологических возмо>кностей формования комплексной нити типа

"оболочка-ядро" и ее эффективных эксплуатационных характеристик (электропроводности материала, рабочей тел пературы), был определен оптимальный состав комплексной нити структуры "оболочка — ядро", при общей толщине нити 50 — 55 текс. В этом случае рабочая температура нити составляет 110 — 120 С, усадка нити не превышает

5, а изменение электроироводности в сторону уменьшения — 10 "/, На 0сноье данf!OLI к0мплексной нити ст руктуры оболочка-ядро" 11 эпектроизоляционных 11игай был разработаll каный наполнитель пс 10гнянсго переплетения, схематически представленный в составе электронагрева гельно10 элемента па фиг, l.

Выбор указанного переплетения обусловлен ем, чго матер.!I!if доля:ен обладать равнопрочными:<арактарис! III:!!èè как по утку, так и по основ з. С учетом BbfLIIBL;çffî;L.BH Ioãо было выбрано полотняное пераплс-.тение, 11ри;<01 ором I;B;<ädя Hl тb ос! Iоны пореflëåтается с IIL!Tüf

Кроме того, н электропронодящую нигь при ткачестве BUo,öLIл11 зле1<т роды из металлизирон If!I!bi>; нитей, что позволяпо надежно перераспределять ток в focLdx перBKðBùèBBHLI>", утсчных и îcHoшlbo< нитеи, н результз е чего lid нсой поверхности нагревателя досгигапось равномерное распределение температуры. Структура резисгивного слоя в BBBIlcL1MocTLI 0Т размеров, требуемой температурь! на поверхноcT1l на1ревателя, згдан1loì по. ребляемой мощности и напряжения пи1ан1,я может меняться как по утку, тгк и по основе путем введения в токопроводящий слой изоляционных нитей из ацетохлорпна, лавсана или капрона.

Технология изготовления разработанного электронагревательного элемента представляет собой процесс, основными операциями которого являются сборка пакета из электроизоляционных c!;OBB ll резистивного элемента н соответствии с фиг. 1, прессонзние нагревательного элемента в соответствии с режимом структурирования электроизоляционных слоев, торцовка н соответствии с заданными габаритными раз1830096

Объемное соотношение материалов "оболочки" — резистивного покрытия и "ядра" — профилированного треугольного волокна в%

Достигнутые свойства в нити в ед.

Низкие эксплуатацио ные характеристики, В процессе текстильных операций происходит нарушение обол

50:50

0.7 .11

Наименьшая усадка комплексной нити, не превышающая

40:60 наименьшее сопротивление комплексной нити

35:65 0.5:1 . Недостаточная электропроводность для резистивного сл мерами и последующий монтаж проводов питания.

Полученные по вышеуказанному способу электронагревательные элемента подвергались всестороннему исследованию с целью определения изменения сопротивления в процессе эксплуатации. Результаты испытаний электронагревателей показали стабильность их параметров, Использование в гибком электронагревательном элементе резистивного слоя из ткани полотняного переплетения на основе поликапроамидных профилированных треугольных волокон, покрытых резистивным ьлатериалом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и технического углерода, содержащий электроды из параллельных металлизированных полимерных волокон, размещенных между перекрещивающимися нитями резистивного слоя, позволило значительно повысить стабильность и надежность нагревательного элемента, экологичность при применении без выделения вредных летучих компонентов.

Эти результаты достигнуты благодаря профилированию сердцевины волокон "ядра" в виде треугольника, в этом случае токопроводящая оболочка надежно охватывает сердцевину и прочно скреплена с ней по меньшей контактной поверхности; треугольные волокна в нитилучше пакетируются в пучок, занимают меньший обьем, чем цилиндрические, при многократных перегибах, "оболочка" «е осыпается с "ядра", лучше обеспечивается между ними и соседними волокнами электрический контакт, что важно для равномерного распределения температуры по поверхности электронагревателя; тканый резистивный слой выполнен полотняным переплетением с одинаковым количеством нитей в утке и по основе, благодаря такому равномерному распределению токопроводящих нитей исключаются поводки и коробления электронагревателя, повышается надежность; вплегение металлизированных нитей в качестве электродов

5 между токопроводящими нитями резистивного слоя обеспечивает надежный их коHтакт и равномерное распределение подводимого тока к резистиBHoMó слою; соотношение сополимера тетрафторэтилена с

10 винилиденфторидом и технического углерода в "оболочке" и объемное соотношение такой "оболочки" с сердцевиной — "ядром"

BoJloKíà — высокую эффективность электронагревателя и стойкость к интенсивным и

15 многократным циклическим нагрузкам при высоких температурах — 120 С. Изготовление экспериментальных образцов гибкого электронагревательного элемента, основанного на новом техническом решении, и

20 испытания в экстремальных условиях подтвердили их высокую эффективность и надежность.

Формула изобретения

Гибкий электронагревательнь и эле25 мент из полимерного материала, содержащий плоский резистивный слой из ткани полотняного плетения с электродами и покрывающие его с обеих сторон электроизоляционные слои, отличающийся тем, 30 что резистивный слой выполнен из нитей типа оболочка-ядро из поликапроамидного профилированного треугольного волокна, iloKpblTblx резистивным материалом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденф35 торидом и технического углерода, взятых в объемном соотношении от 1;0,6 до 1;0,8, при объемном соотношении резистивного материала и поликапроамидного профилированного треугольного волокна от 0,8:1 до 0,7:1, 40 при этом электроды размещены между перекрещивающимися нитями резистивного слоя и выполнены из параллельных металлизированных полимерных волокон.

1838898

Я,Омхсм IO

I,6

z,о

0,5 пю

C,Хиасс

1838896

200 Т, C

ШО

Фиг, 5

--6,0

-9,P

-I2

Составитель M. Артюхов

Техред М.Моргентал Корректор M.Ñàìáîðcêàß

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2929 Тираж -Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5