ЭЛЕКТРОПРОВОДНАЯ ТКАНЬ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H05B3/34 H05B3/14 H01B1/04 

Изобретение относится к области электротермии, в частности к электронагревательным элементам резистивного нагрева на основе стеклоткани с пироуглеродным покрытием, и может найти применение для изготовления нагревательных элементов электронагревателей, используемых как в технике, так и в быту.

Известны электропроводные материалы на основе соединения в нить кремнеземных или кварцевых моноволокон с покрытием из пироуглерода толщиной 2 - 200 нм (патент РФ N 2018492, кл. C 03 B 37/00, 1992 г.) и из пироуглерода слоистой структуры (патент РФ 2100914, кл. H 05 B 3/14, 3/34, 1996 г.).

Однако для получения известных электропроводных материалов можно использовать только высококремнеземные или кварцевые нити с высокой температурой размягчения. Это значительно сужает области применения известных материалов в качестве нагревательных элементов из-за их высокой стоимости.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является электропроводная ткань, состоящая из стеклоткани с пиролитическим углеродным покрытием, содержащим не менее 70% углерода, полученным пиролизом углеводородов при температуре 800 - 1200^oC (патент США N 4825049, кл. H 05 B 3/34, 1989 г.), при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пиролитическое углеродное покрытие - 0,001- 17,0
Стеклоткань - 83,0 - 99,999
Известная электропроводная ткань имеет сопротивления от 0,1 до 1000 Ом/см².

К недостаткам известной ткани можно отнести невозможность повышения ее электросопротивления выше 1000 Ом, что ограничивает область ее применения. Кроме того, необходимость применения стеклоткани, имеющей температуру размягчения выше 800^oC из-за высокой температуры пиролиза, ограничивает диапазон применяемых для ее изготовления стеклотканей, а также сужает области ее применения в различного рода нагревателях из-за ее высокой стоимости.

Известен способ изготовления электропроводящих материалов на основе кремнеземных и кварцевых нитей, покрытых слоем пироуглерода, включающих осаждение из газовой фазы пироуглерода, получаемого при температуре 800 - 1000^oC из природного газа (патент РФ N 2018492, кл. C 03 B 37/00, 1992 г.).

Известен также способ изготовления электропроводящих материалов на основе стеклонитей из кремнеземных и кварцевых моноволокон, покрытых слоем пироуглерода слоистой структуры, включающий подачу углеводородного сырья - диоксидированного уайт-спирита или керосина в потоке инертного газа - азота и стеклонитей в реактор с последующим осаждением из газовой фазы на поверхности нитей пироуглерода при температуре 1000 - 1100^oC (патент РФ N 2100914, кл. H 05 B 3/14, 3/34, 1996 г.).

Недостатком известных способов является высокие температуры осаждения пироуглерода, что приводит к невозможности их использования для получения электропроводных тканей из стеклонитей с низкой температурой размягчения.

Задачей настоящего изобретения является получение электропроводной ткани в широком диапазоне сопротивлений и расширение областей ее применения в качестве нагревательных элементов, а также снижение температуры осаждения пироуглерода для расширения диапазона используемых для ее изготовления стеклотканей при сохранении низкого разброса сопротивления по всему полю.

Задача достигается тем, что электропроводная ткань, состоящая их стеклоткани с пиролитическим углеродным покрытием, содержит стеклоткань с температурой размягчения не менее 650^oC и пироуглерод турбостратной структуры плотностью 0,9 - 1,5 г/см³, содержащий до 2 мас.% водорода, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пироуглерод турбостратной структуры - 0,2 - 15,0
Стеклоткань с температурой размягчения не менее 650^oC - 85,0 - 99,8
Кроме того, электропроводная ткань может дополнительно содержать защитное полимерное покрытие.

Задача также достигается тем, что в способе изготовления электропроводной ткани на основе стеклотканей, покрытых слоем пироуглерода, включающем подачу углеводородного сырья в потоке инертного газа и стеклонитей в реактор с последующим осаждением из газовой фазы на поверхности нитей пироуглерода при высокой температуре, в качестве углеводородного сырья используют углеводородные масла с вязкостью 5 - 23 сСт, которые предварительно разогревают до температуры 350 - 450^oC и в потоке инертного газа, пропускают через насадку с развитой поверхностью при температуре 450 - 550^oC, а осаждение пироуглерода из газовой фазы осуществляют при температуре 600 - 800^oC на поверхности стеклоткани с температурой размягчения не менее 650^oC с последующей ее обработкой при температуре 350 - 450^oC в вакууме.

Кроме того, в качестве масел используют индустриальные, моторные трансформаторные, вакуумные и соляровые масла или их отходы, в качестве насадки - крупнопористый силикагель, стружку нержавеющей стали и неорганические волокна. Полученную стеклоткань со слоем пироуглерода целесообразно покрывать защитным полимерным покрытием.

Основным преимуществом предлагаемой электропроводной ткани является то, что она может быть изготовлена в широком диапазоне сопротивлений, а именно от 1 до 3000 Ом/см², что позволяет использовать ее в качестве нагревательных элементов широкого спектра применения: от аппаратов химической, фармацевтической и пищевой промышленности до бытовой техники и медицины.

Указанный технический результат достигается включением в состав электропроводной ткани стеклоткани с температурой размягчения не менее 650^oC и пироуглерода турбостратной структуры с указанными выше характеристиками, а также проведением осаждения пироуглерода при значительно более низкой температуре от 600 до 800^oC и технологии подготовки масел. Кроме того, указанное выше позволяет расширить круг применяемых для ее изготовления стеклотканей, расширить сферы применения электропроводной ткани, изготавливая нагревательные элементы в широком диапазоне электрических характеристик, сохранив при этом их равномерность по всему полю ткани, а также экономически упрощая способ ее изготовления, понизив температуру осаждения пироуглерода.

Предлагаемая электропроводная ткань имеет равномерное покрытие из турбостратного пироглерода на каждом отдельном волокне, что достигается предложенной технологией ее нанесения. Указанное выше исключает возможность расслоения покрытия из пироуглерода и обеспечивает равномерность электрических характеристик по всему полю ткани, т.к. разброс электросопротивления по ее длине и ширине не превышает 7 - 10%. Заявляемое соотношение компонентов в электропроводной ткани обеспечивает тот широкий диапазон сопротивлений, с которыми она может быть изготовлена.

На чертеже приведен общий вид установки для получения предлагаемой электропроводной ткани.

Установка включает барабаны 1, печь-реактор 2, лентопротяжный механизм 3, зону осаждения 4, газификатор 5, насадку 6, вакуумную печь 7.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Предлагается электропроводная ткань, содержащая стеклоткань с температурой размягчения не менее 650^oC с покрытием из пироуглерода турбостратной структуры плотностью 0,9 - 1,5 г/см³, содержащего до 2 мас.% водорода, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пироуглерод турбостратной структуры - 0,2 - 15,0
Стеклоткань с температурой размягчения не менее 650^oC - 85,0 - 99,8
Электропроводная ткань может содержать защитное покрытие из каучука или других полимеров.

В качестве стеклоткани с температурой размягчения не менее 650^oC предлагаемая ткань может содержать стеклоткань из алюмоборосиликатных волокон (ГОСТ 19906-83, ГОСТ 19170-73), из магнийалюмосиликатных волокон марок КЛШ-ТО (ТУ 6-11-238-77), КТ-11-ТО (ТУ 6-48-64-91), КТ-600П (ТУ 6-48-64-91), КЛШ-290 и другие.

В качестве полимерного защитного покрытия может быть покрытие из каучуков СКТН (ГОСТ 13 835-73), СКТН-Мед (ТУ 38.103.572-84), сополимера "Смиросил" (ТУ 38.103.454-79) и компаунда Креол (ТУ 38.303-04.1-10-95).

Электропроводящая ткань изготавливается следующим образом.

Рулон стеклоткани помещается в барабан 1 и протягивается через печь-реактор 2 с помощью лентопротяжного механизма 3 со скоростью, обеспечивающей пребывание стеклоткани в зоне 4 осаждения печи-реактора 2 от 0,5 часа до 5,0 часов.

В газификатор 5 печи-реактора 2, разогретый до температуры 350 - 450^oC, подается масло. В качестве углеводородного масла используется вакуумное масло марки ВМ-4 (ТУ-38401-583-90), индустриальные масла марок И-20А и И-20 (ГОСТ 20799-88), моторные масла марок М8B₂, M18Г₂ (ГОСТ 8581-78), трансформаторные масла (ГОСТ 982-80), масло соляровое по ГОСТ 1666-80 и др., а также любые отработанные масла.

Образующиеся в газификаторе 5 печи-реактора 2 пары масла с газом-носителем азотом, проходя через насадку 6 газификатора, разогреваются до температуры 450-550^oC, подаются в зону осаждения 4 печи-реактора 2. В качестве насадки используются крупнопористый силикагель марки КСМГ (ГОСТ 39-56-76), стружка нержавеющей стали и неорганические волокна карбида кремния (ТУ 6-02-1183-79). В зоне 4 печи-реактора 2 проводится осаждение пироуглерода с указанными выше характеристиками при температуре 600 - 800^oC.

На выходе из печи-реактора 2 стеклоткань с покрытием наматывается на барабан 1 лентопротяжного механизма 3, а затем рулон полученной ткани загружается в вакуумную печь 7 и дегазируется при температуре 350 - 450^oC в течение 1 часа. После охлаждения на полученную электропроводную ткань наносится слой защитного полимерного покрытия толщиной до 0,3 мкм.

Ниже приводятся примеры получения предлагаемой электропроводной ткани.

Пример 1.

На барабан 1 лентопротяжного механизма 3 помещают рулон алюмоборосиликатной стеклоткани 100П (95) с температурой размягчения 650^oC. Печь-реактор 2 и газификатор 5 продувают азотом и разогревают до температуры 600^oC и 350^oC соответственно. Затем в газификатор подают масло трансформаторное по ГОСТ 982-80, имеющее вязкость 8 сСт, пары которого, проходя через насадку 6 из силикагеля, разогретую до температуры 450^oC, поступают в зону 4 осаждения печи-реактора 2. В зоне 4 осаждения происходит пиролиз паров масла с образованием пироуглерода турбостратной структуры, который осаждается на стеклоткань, протягиваемую через указанную зону 4 со скоростью 5 м/час с помощью лентопротяжного механизма 3. Полученную стеклоткань с покрытием из пироуглерода наматывают на барабан 1, рулон полученной ткани загружают в вакуумную печь 7 и дегазируют в течение 1 часа при температуре 350^oC, а затем охлаждают. Полученная электропроводная ткань имеет следующий состав:
Пироуглерод турбостратной структуры с содержанием водорода 2,0% и плотностью 0,9 г/см³ - 0,2%
Стеклоткань - 99,8%
Сопротивление получаемой ткани 3000 Ом/см².

При этом разброс сопротивлений по длине и ширине ткани составляет 7 ± 0,5%.

Характеристика полученной электропроводной ткани из этого примера и всех последующих приведена в табл. 1. В табл. 2 приведены характеристики используемых материалов и технологические параметры способа получения ткани.

Примеры 2-5.

Электропроводную ткань получают так же, как описано в примере 1, но изменяя технологические параметры способа ее получения, а также изменяют исходную стеклоткань на алюмоборосиликатную ткань марки Т-11 (пример 2), магнийалюмосиликатную ткань марки Т-46 (ВМП) - 76 (пример 3), кремнеземную марки КТ-600П (пример 4) и марки КЛШ-290 (пример 5) и используемые масла на вакуумное масло марки ВМ-4 (пример 2), на индустриальное масло марки И-20А (пример 3), на моторное масло марки М8B₂ (примеры 4), на соляровое масло (пример 5). Разброс сопротивления по ткани не превышает во всех примерах 7 ± 0,5.

Примеры 6, 7.

Электропроводную ткань получают так же, как описано в примере 1, но полученную ткань дополнительно покрывают защитным покрытием из низкомолекулярного каучука марки СКТН толщиной 0,2 мкм (пример 6) и компаундом "Креол" толщиной 0,3 мкм (пример 7). Разброс сопротивления по ткани не превышает в примере 6 7 ± 0,5%, в пример 7 8± 0,5%.

Примеры 8, 9.

Электропроводную ткань готовят так же, как описано в примере 4, но в качестве насадки используют стружку нержавеющей стали (пример 8) и неорганическое волокно нитевидных кристаллов карбида кремния (пример 9). Разброс сопротивления в примерах не превышает 9 ± 0,5%.

Изобретение относится к области электротермии, в частности к электронагревательным элементам резистивного нагрева на основе стеклоткани с пироуглеродным покрытием, и может найти применение для изготовления нагревательных элементов электронагревателей, используемых как в технике, так и в быту. Для получения электропроводной ткани в широком диапазоне сопротивлений и расширения областей ее применения, снижения температуры осаждения и сохранения низкого разброса сопротивления по всему полю ткань включает 0,2-15 мас.% пироуглерода турбостратной структуры плотностью 0,9-1,5 г/см³, содержащего до 2 мас. % водорода, и 85,0-99,8 мас.% стеклоткани с температурой размягчения не менее 650°С. В качестве углеводородного сырья для получения пироуглерода используют углеводородные масла вязкостью 8-23 сСт, которые предварительно разогревают до 350-450°С и в потоке инертного газа пропускают через насадку с развитой поверхностью при 450-550°С, а осаждение пироуглерода из газовой фазы осуществляют при 600-800°С, полученную ткань дегазируют в вакууме при 350-450°С. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 2 табл., 1 ил.

1. Электропроводная ткань, состоящая из стеклоткани и с покрытием из пиролитического углерода, отличающаяся тем, что она содержит стеклоткань с температурой размягчения не менее 650^oС и пироуглерод турбостратной структуры, содержащий до 2 мас.% водорода, и плотностью 0,9 - 1,5 г/см³ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Пироуглерод турбостратной структуры - 0,2 - 15,0
Стеклоткань с температурой размягчения не менее 650^oC - 85,0 - 99,8
2. Электропроводная ткань по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит защитное полимерное покрытие. 3. Способ изготовления электропроводящей ткани на основе стеклонитей, покрытых слоем пироуглерода, включающий подачу углеводородного сырья в потоке инертного газа и стеклонитей в реактор с последующим осаждением из газовой фазы на поверхности нитей пироуглерода при высокой температуре, отличающийся тем, что в качестве углеводородного сырья используют углеводородные масла с вязкостью 5 - 23 сСт, которые предварительно разогревают до 350 - 450^oC, и в потоке инертного газа пропускают через насадку с развитой поверхностью при 450 - 550^oC, а осаждение пироуглерода из газовой фазы осуществляют при 600 - 800^oC на поверхность стеклоткани с температурой размягчения не менее 650^oC с последующей его дегазацией при 350 - 450^oC в вакууме. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве масел используют индустриальные, моторные, трансформаторные, вакуумные и соляровое масла или их отходы. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве насадки используют крупнопористый силикагель, стружку нержавеющей стали и неорганические волокна. 6. Способ по п.3, отличающийся тем, что полученную стеклоткань со слоем пироуглерода дополнительно покрывают защитным полимерным покрытием.