Теплоизоляционный углеродный волок-нистый материал и способ его изготов-ления

 

(r ii834277

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свиЛ-вуФ (51)М. КЛ.

3 04 Н 3/10 (22) За я вл ено 12. 1 1. 79 (2 l ) 2841 853/28-12 с присоединением заявки ¹â€”

Геаулзратеенвый иайитет

CCCÐ и6 леюи изааретеикй и аткрытий (23) (приоритет (53) УДК 677. .6НМ (088.8) Опубликовано 30.05 8 1 Бюллетень ¹ 20.

Дата опубликования. описания 03.06.81 й, Л. С. Малей, Н. И. Волков и Г. M. Коршунов (54) ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ ВОЛОКНИСТЫЙ

МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к текстильной промышленности, а именно к изготовлению теплоизоляционных углеродных волокнистых.материалов, и может быть использовано в электротехнической и химичес5 кой промышленности при изготовлении высокотемпературной углеродной теплоизоляции для электротермического оборудования.

Известен теплоизоляционный углерод.10 ный волокнистый материал, состоящий из слоя штапельных моноволокон, скрепленных прошивными нитями, расположенными в каждой строчке зигзагообразно (11.

Недостатком известного материала

15 является малая толщина (3-4 MM), которая ограничивается способом изготовления, а также невозможность регулирования основных характеристик изделия при эксплуатации. Невозможность изготовления более толстой полосы определяется изгибами.н ломкой игл, пробивающих не; тканый слой повышенной толщины (ст«

10 мм) при прошивке.

Известен способ изготовления теплоизо- ляционного материала, при котором изготавливают слой из штапельных моноволокон, прошивают их нитями, обрабатывают катализатором, а затем подвергают термической обработке.

Недостатком способа является трудность получения углеродной полосы большой толщины при использовании тонких исходных полос - заготовок, сложность операций по предотвращению вытягивания толосы при обработке. В результате реа лизации способа невозможно получить ма териал с регулируемой толщиной.

Получаемый углероцный волокнистый теплоизоляционный материал имеет пониженную прочность при растяжении, вызывающую обрывы материала как при изготовлении, так и при эксплуатации, напри мер при изготовлении тепловой изоляции термических установок методом намотки.

Ilenb изобретения - повышение эксплуа. тационных свойств ма териала.

3 8342 ,Постигается указанная цель тем, что, по крайней мере, на одной стороне слоя штапельных моноволокон вершины углов зигзагов сосецних строчек прошивных нитей совмещены друг с другом, при этом длина стежков прошивной нити соответствует 2-6ol, гце 4 - толщина слоя штапельных моноволокон )

Повышение эксплуатационных свойств материала путем получения продукта с ре- ц> гулируемой толщиной цостигается тем, что слой штапельных моноволокон вытягивают на 10-100Уо, .при этом вытягивание слоя проводят одновременно с термической обработкой. 15

Перед прошивкой нитями слой штапельных моноволокон частично карбонируют при 350 С, а прошивные нити предварительно пропитывают тем же катализато20 ром.

Наложенная на нетканый слой образованная стежками армирующая сетка при приложении растягивающих усилий, например при намотке на теплоизолируемую поверхность, воспринимает на себя прак тически всю нагрузку. Ввиду скрепления сетки и нетканого слоя только по углам ячеек нетканый слой нагружается в точках. При изменении растягивающего уси1 30 лия, например при его увеличении, армирующая сетка претерпевает деформацию.

Углы ячейки, расположенные на линии действия растягивающей силы, уменьшают ся. Остальные углы увеличиваются. Нетканый слой внутри ячейки сжимается в поперечном направлении, что приводит к образованию двустороннего взцутия средней части. В предельном .случае вершины больших углов практически совмещаются, 40 сетка превращается в ряцы параллельных строчек, содержащих сдвоенную нить, перемежающуюся точками соецинений. В этот момент участки нетканого слоя внутри ячейки имэют максимальную деформа- 45 цию и образуют продольные прерывистые гофры. Толщина материала увеличивается ( в 2-6 раз, т. е. цо размера, равного диагонали первоначальной ячейки (перпендикулярной линии действия процольной растягивающей силы). В указанный момент полоса нетканого углеродного материала обладает в 2-4 раза пониженной теплопровоцностью, на 30-50Уо повышенным сопротивлением (прерывистый гофр) в продольном направлении и в 2- 6 раз цо. ниженным электрическим сопротивлением в поперечном направлении. Газопроницае-. мость резко снижается. Вторым предель77 4 ным состоянИем материала является положение при котором он растянут по вза) имно перпендикулярным направлениям. В цанном случае нити, образующие стороны ячейки, сжимают нетканый слой и уменьшают его толщину. Ввиду некоторой извитости нитей армирующей сетки и их относительного удлинения (2-4",o), размеры ячеек увеличиваются, а их центры разреживаются. В указанном состоянии материал имеет минимальную толщину, минимальное электрическое сопротивление, повышенную газопроницаемость и теплопровоцность.

Ввиду того, что углерод не обладает пластической цеформацией (при температурах ниже конечной температуры обработ.ки на 30-50%), после снятия растягивающих нагрузок предлагаемый материал самостоятельно возвращается практически к исходному состоянию. Некоторые остаточные явления ликвидируются приложением небольшой нагрузки в перпендикулярном направлении по отношению к . ранее цействовавшей, Описанные эффекты наиболее полно реализуются при наложении армируюших сеток с цвух сторон полосы нетканого материала.

Прочность предлагаемого материала определяется прочностью нитей армирую=.щей сетки и может быть получена в требуемых пределах путем изменения толщины прошивной нити или материала, из которого она выполнена. Наиболее целесообразно цля прошива нетканого слоя применять гидратцеллюлозный корц или щелк, хотя достаточно высокие характеристики получаются и при использовании нитей на основе цолиакрилонитрила. Применение нитей на основе хлопка значительно ухудшает свойства материала ввиду их быстрого разрушения.

Предлагаемый материал позволяет значительно упростить способ его изготовления. Во-первых, при однонаправленном растяжении материала (справецливо и цля процесса переработки) уплотнение нетканого слоя исключено. Во-вторых, возможность повышения газопроницаемости и теплопроводности, например при пропитке материала раствором катализатора и сушке или при обработке его газообразным катализатором, привоцит к сокращению затрат энергии и повышению однородности процукта по сечению.

В то же время приложение растягива» ющих продольных усилий к материалу.в

5 834 момент термообработки, когца волокна обладают свойствами пластичности, позволяет зафиксировать все вышеуказанные деформации ячейки армирующей сетки и нетканого слоя, т. е. получить материал

5 с толщиной, в 2-3 раза превышающей толщину исходной заготовки.

Возможности предлагаемого способа увеличиваются, если при изготовлении материала применять нить, обладающую 10 большей усацкой (например исходную гидратцеллюлозную) или моноволокна нетI каного слоя (например предварительно термоокисленные).. В этом случае большее сокращение цлинь1 участка нитей, образую щих ячейку армируюшей сетки, привоцит к вспучиванию центральной части расположенного в ячейке участка нетканого слоя, что способствует увеличению габаритной толщины материала и снижению его теплопроводности.

Одним из вариантов способа получения прецлагаемого материала является выполнение нетканого слоя из частично карбонизованных на воздухе в присутствии Й Н4, СВ гидратцеллюлозных штапельных монаволокон и поошив его пвопитанной и Н < C8 исходной гидратцеллюлозной кордной или шелковой нитью или нитью на основе полиакрилонитрита. 1

При необходимости получения материала пониженной толщины его термообработку осуществляют при растяжении армирующей сетки Ilo взаимно перпендикулярным направлениям. Йля получения толстых материалов термообработку исходной заготов- ки, соцержащей катализатор, осуществляют с вытягиванием в оцном из направлений, предпочтительно вдоль полосы, на

10-1004. Уцлинение заготовки менее, 40 чем на 10Уо мало изменяет толщину материала, так как в момент термообработки происходит взаимное смешение и торможение усацки моноволокон нетканого слоя.

Вытягивание заготовки более чем на

100% приводит к значительному повышению модуля упругости нитей армирующей сетки ввицу их вытягивания, что снижает эластичные свойства послецней.

С учетом усацочных явлений в материа- .

50 ле при термообработке в момент изготовления заготовки размеры исходной сеткиячейки, образованной прошивными нитями (размеры стежка), должны быть увеличе» ны на 25-50%.

При этом образование сетки со стороной ячейки менее цвух толщин нетканого слоя приводит к повышению теплопроводности готового продукта из-за насьицения

77 6 его непрерывными нитями и уплотнения слоя внутри ячейки. Ввиду уменьшения ячейки возрастает упругость моноволокон нетканого слоя (бол»ший изгиб) и снижается цеформируемость I otohor0 «роцукта.

Выполнение ячейки с цлиной стороны более шести толщин нетканого слоя привоAIIT к образованию неупорядоченного гофра из а изгибов слоя внутри ячейки вместо .цвустороннего вспучивания. В этом случа материал сохраняет ряц преимуществ, одна ко однородность характеристик по площади заметно ухудшается.

Пример 1. Исходный нетканый слой толщиной 6 мм на основе вискозного штапельного моноволокна прошивают строчкой .зиг-заг непрерывной вискозной нитью М 10 с длиной стежка 12мм.

Смещают полосу на один шаг и прошивают послецующими рядами строчек, совмещая при этом углы ломаных линий. Лолученную заготовку с ячейкой образовавшейся армирующей сетки 1 2 х12 мм, с толщиной в центре ячейки 6-7 мм и в углах ячейки 2-3 мм пропитывают 2О9оным водным раствором хлористого аммония. Сушку выполняют при 100 С на воздухе цо остаточной влажности 9-10 вес.%, Заготовку нагревают на возцухе в течение 2 мин до 350 С. Полученный черный неэлектропроводный продукт карбонизуют в среце азота в течение 4 мин с повышением температуры до 2500 С. По- лученный углеродный нетканый волокнистый материал имеет габаритную толщину 4-5 мм.

При растяжении материала в одном направлении по линии, проходящей через противоположные углы ячейки, на 10100% толщина материала увеличивается соответственно цо 7-18 мм, температуропроводность (по сравнению с температурой одной поверхности материала при поднесении другой поверхности к нагретой до. 1000 С площадке) снижается в 3 раза

0 (с 480 С до 160 С). Электрическое сопротивление в направлении растяжения повышается с 2 до 50 Ом, а в ерпендикулярном направлении снижается цо 1 Ом.

Пример 2. Подготовленную в ус ловиях примера 1 заготовку подвергают (как варианты) термообработке иа воз духе при 10%-ном вытягивании. Толщина полученного материала увеличивается цо 6-7 мм. Поверхность материала имеет форму ориентированных вцоль полосы элипсовидных подушек. Ячейка сетки имеет ромбовидную форму. При поперечном рас7 834277 тяжении готового продукта толщина увеличивается до 10-15 мм. После снятия .нагрузки материал полностью восстанавливает исхоцную форму. Замена при тер.мообработке воздука азотом результатов не изменяет.

Пример 3. Исходную заготовку, ° \ уцлинении полосы в продольном направлении. Готовый продукт имеет рубчатую поверхность в виде продольных полосок.

Образованная стежками армирующая сетка на поверкности не различается. Толщина материала составляет 15 мм. Прочность материала (полоска 5 см) в про- gp дольном направлении составляет 12 кг по сравнению с прочностью такой же полоски, полученной в условиях примера

1(2,5 кг) и прочностью серийного материала ВИНН-250 (0,4 кг) и ВВПН-250 2s (1,7. кг). При поперечном растяжении полоска уцлиняется до 20-30 см без обры1 ва и возвращается в исходное состояние послр сня ия нагрузки.

В Формула изобретения

Продолжение таблицы

Как видно из таблицы, использование предлагаемого углеродного волокнистого теплоизоляционного материала позволяет управляемо изменять в широких пределах теплопровоцность и электропровоцность; при изменении натяжения позволяет изменить его толшину; увеличить прочность при разрыве в 5-6 раз;

Способ изготовления предлагаемого материала позволяет получать толстые полосы при использовании тонких исхоцных заготовок без уплотнения нетканого слоя, поцготовленную путем прошивки предва" . электрическое о

: рительно термоокнсленной при 350 С сопротивление нетканой полосы, пропитанной ИйдЖ ip полоски 5 непрерывной нитью на основе гидратцел- Регулирует- Не регулюлозы, строчкой аналогично примеру 1 ся натяже- лируется подвергают термообработке при 100/ном нием

В таблице представлены результаты сравнения характеристик получаемых материалов по предлагаемому и известному способам.

Толщина полученного готово5-1 8

Прочность полоски 5см,,кгс 2,5-12 0,4-1, 7

Толщина исходной заготовки, мм го продукта, максимальная, мм

Температуропроводность единич- ного слоя при

100CF С, С

До 160 Qo 480

1 . Теплоизоляционный углеродный волокнистый" материал, состоящий из слоя штапельных моноволокон, .скрепленных прошивными нитями, расположенными в каждой строчке зигзагообразно, о т— л и ч а ю шийся тем, что, .с целью повышения эксплуатационнык свойств, по крайней мере на оцной стороне слоя шта4р пельнык моноволокон вершины углов зигзагов соседник строчек прошивных нитей совмещены цруг с другом, при этом длина стежков прошивных нитей соответст« вует 2-6d, где Д - толщина слоя.

45 2. Способ изготовления теплоизоляционного углеродного волокнистого материала, при котором слой изготавливают из штапельных моноволокон, прошивают их нитями, обрабатывают катализатором, а затем подвергают термической обработке, отличающийся тем,что,с целью повышения эксплуатационных свойств материала путем получения продукта с регулируемой толщиной, слой штапельных моновлокон вытягивают на 10-1007, при этом вытягивание слоя проводят одновременно с термической обработкой.

3. Способ по и. 2, о т л и ч а юшийся тем, что перец прошивкой ни10

Источники информации; принятые во внимание при экспертизе

1. Отчет предприятия п/я А-1837

¹ 76008614, 1975..

9 834277 тями слоя штапельнык MoHoBoëoêîí частично карбонизуют преимущественно при

0 -

350 (, а прошивные нити предварительно пропитывают тем же катализатороМ.

Составитель Ю. Смоляков

Редактор Л. Филь Техред М.Голинка Корректор М. Шарошн

Заказ 4020/55. Тираж 448 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ПГ1П Патент, г. Ужгород, ул..Проектная, 4