Электропроводящее бикомпонентное волокно

 

Использование: в качестве волокнистых электропроводящих материалов для изготовления бытовых нагревательных приборов. Сущность изобретения: электропроводящее биокомпонентное волокно состоит из ядра - углеводородного волокна на основе гидратцеллюлозы линейной плотности 60-600 текс, линейным электросопротивлением 77,5-805 ОМ/м и удельным электросопротивлением 10^-3 Ом. см, и оболочки из кремний-органического каучука или политетрафторэтилена с линейным электрическим сопротивлением, по крайней мере, 1.10 МОм/м. Отношение ядра к оболочке составляет 0,77-1,09. 1 табл.

Изобретение относится к области получения электропроводящих материалов, в частности к электропроводящим бикомпонентным волокнам типа "ядро-оболочка", используемых для изготовления бытовых электронагревательных приборов, как электрогрелка, электропростыня и т.п. а также электронагревателей кресел водителя.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что основными направлениями в области получения электропроводящих волокон являются волокна с наполнителем из металла, солей или окислов металлов и саженаполненные волокна. Как правило, они бикомпонентны и типичной структурой является структура "оболочка-ядро".

Известно электропроводящее бикомпонентное волокно, имеющее ядро-волокнообразующий полимер, в котором диспергированы электропроводящие вещества как сажа, частицы металла, и оболочку, полученную из волокнообразующего полимера как полиэтилен, алифатический и ароматический полиамиды, полиэтилентерефталат. Соотношение оболочки к ядру составляет 1:5-6. Оболочка полностью окружает ядро. Удельное электрическое сопротивление поверхности волокна <10 ом.см. Отношение электрического сопротивления поверхности волокна к внутреннему электрическому сопротивлению <10 [1] Известная электропроводная нить, имеющая структуру "ядро-оболочка", в которой ядро представляет собой пучок электропроводящих нитей, в качестве которых могут быть использованы полиэтиленовые нити, содержащие электропроводную пудру из углерода или металла [2] Ядро покрыто неэлектропроводящей оболочкой, полученной методом формования соответствующего полимерного материала.

Известно электропроводящее волокно, оболочка которого состоит из синтетического термопластичного волокнообразующего полимера, а ядро из электропроводящей сажи, диспергированной в термопластичном синтетическом полимере, причем оболочка составляет ≥50% площади поперечного сечения волокна [3] Известно электропроводящее волокно, в котором оболочка - неэлектропроводящий полимер, содержащий углеродную сажу, а ядро выполнено из неэлектропроводящего полимера. В качестве последнего используют полиэтилен, полиэтилентерефталат и полиуретан. Волокно обладает удельным электрическим сопротивлением 1·10¹⁰ ом.см. при напряжении постоянного тока 0,1 В [4] Также ядро может быть выполнено из полиамидного или стеклянного волокна, а оболочка из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом, содержащем 40-60% вес. сажи при соотношении ядра к оболочке 1:1 7:3 или ядро из полиэфирных, полиамидных и полиакрилонитрильных волокон диаметром 0,6-1,0 мм, а оболочка из резины, толщиной 120-150 мкм, полученной из фторкаучука, содержащего сажу, окись магния и другие наполнители. Полученная нить обладает электросопротивлением 1,5·10⁸ 3,0·10⁸ ом.см и стойкостью к многократным перегибам на 180^o 148300 циклов до разрушения [5] Известно использование в качестве ядра углеродного волокна, а в качестве оболочки ароматического полиамида. Такие волокна обладают повышенными физико-механическими свойствами и применяются в композитах [6] Однако, все вышеописанные электропроводящие волокна, имеющие структуру "ядро-оболочка", где ядро содержит саженаполненные или металлонаполненные волокна, обладают очень низкой устойчивостью к двойным изгибам и имеют коэффициент вариации по электропроводности, достигающий значений 32% Известны бикомпонентные нити электреты, используемые для изготовления электростатических пылесборников, фильтров для очистки воздуха, в которых высокое напряжение подводят к стержневой нити. Нити способны накапливать значительные заряды электричества и сохранять их длительное время [7] Наиболее близким техническим решением является решение, согласно которому электропроводящее волокно представляет собой структуру "ядро-оболочка", где ядро выполнено из металлических, углеродных и т.п. нитей с удельным электрическим сопротивлением ≅10¹¹ ом.см, а оболочка из сополимеров, не содержащих полярные группы, имеющих электрическое сопротивление ≥10¹⁴ ом.см. В качестве оболочки используют полиэтилен, поливинилиденфторид, полиэтилентерефталат [8] Волокна обрабатывают в коронном разряде с получением электронного волокна.

Однако, волокна, полученные согласно прототипу, не могут быть использованы для изготовления электронагревательных элементов вследствие высоких значений удельного электросопротивления.

Технической задачей, на которую направлено данное изобретение, является создание электропроводного волокна с высокими эксплуатационными свойствами при сохранении электроизоляционных характеристик, которое может быть использовано для изготовления электронагревательных приборов.

Задача решается за счет того, что в электропроводящем бикомпонентном волокне, состоящем из ядра углеродного волокна и оболочки-неэлектропроводящего полимера, ядро выполнено из углеродного волокна на основе гидратцеллюлозного волокна линейной плотности 60-600 текс с линейным электросопротивлением 77,5-805 ом/м и удельным электросопротивлением 10³ ом.см, а оболочка из полимера, выбранного из группы: кремнийорганический каучук, политетрафторэтилен (фторопласт), при следующем отношении ядра к оболочке 0,77-1,09.

Полученное электропроводящее волокно выдерживает в течение 1 мин испытание напряжением 1500 В переменного тока частотой 50 Гц, является теплоустойчивым выдерживает воздействие температуры до 120^oC и холодоустойчивым выдерживает воздействие температуры до -40^oC. Ресурс проводов в течение срока службы в вышеуказанных условиях не менее 10000 ч.

Испытание напряжением проводят согласно ГОСТу 2990-78, определение электрического сопротивления изоляции-оболочки согласно ГОСТу 33345-76.

Испытание на воздействие повышенной температуры проводят согласно ГОСТу 20.57.406-81 на образцах длиной не менее 1,5 м. До начала испытаний образцы выдерживают в нормальных климатических условиях не менее 1 ч. Затем образцы помещают с выведенными наружу концами в камеру, после чего в камере устанавливают температуру 120^oC и образцы выдерживают при этой температуре 4 суток. В конце выдержки в этих условиях определяют электрическое сопротивление изоляции. После извлечения из камеры образцы выдерживают не менее 1 ч. в нормальных климатических условиях и проводят испытание напряжением.

Испытание на воздействие пониженной температуры среды проводят по ГОСТу 20.57.406-81, метод 203-1 на образцах не менее 1,5 м. Испытания проводят как описано выше, только в камере температуру устанавливают, равной -40^oC, и выдерживают в течение 2-х часов. После извлечения из камеры образцы выдерживают не менее 1 ч. в нормальных климатических условиях и проводят испытание напряжением.

Согласно изобретению используют углеродное волокно УРАЛ-Н-24/320 (ТУ 6-12-31-717-90), кремнийорганический каучук (ТУ 38.103684-90), политетрафторэтилен флоропласт 40Ш (ТУ 6-05-402-80) и фторопласт 2М (ТУ-605-1781-84).

Изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами и таблицей.

Пример N 1.

Электропроводящее бикомпонентное волокно, состоящее из ядра, выполненного из углеродистого волокна на основе гидратцеллюлозного, УРАЛ -Н-24/320 линейной плотности 600 текс с линейным электросопротивлением 77,5 ом/м и удельным электросопротивлением 10³ ом.см, и оболочки на основе кремнийорганического каучука (ТУ 38.103694-90) при отношении ядра к оболочке, равным 0,86, получают следующим образом.

На ядро из углеродного волокна диаметром 0,95 мм наносят оболочку толщиной 0,55 мм путем экструдирования его через расплав кремнийорганического каучука при 320-350^oC. Получают электропроводящее волокно с наружным диаметром 2,05 мм, выдерживающее в течение 1 мин. напряжение 1500 В при частоте переменного тока 50 Гц, электрическое сопротивление изоляции волокна на длине 1 м 1.10 МОм.

Примеры NN 2-8.

Электропроводящее бикомпонентное волокно получают аналогично примеру N 1, за исключением того, что изменяют состав оболочки и ядра, а также температуру нанесения оболочки в зависимости от вида полимера. Состав, свойства и условия получения приведены в таблице.

Формула изобретения

Электропроводящее бикомпонентное волокно, состоящее из ядра углеродного волокна и оболочки неэлектропроводящего полимера, отличающееся тем, что ядро выполнено из углеродного волокна на основе гидратцеллюлозы линейной плотности 60 600 текс с линейным электросопротивлением 77,5 80,5 Ом/м и удельным электросопротивлением 10^-3 Ом·см, а оболочка из полимера, выбранного из группы кремнийорганический каучук, политетрафторэтилен с линейным электрическим сопротивлением по крайней мере 1,10 МОм/м при отношении ядра к оболочке 0,77 1,09.

РИСУНКИ

Рисунок 1