Гибкий электронагревательный элемент Советский патент 1993 года по МПК H05B3/36 

Изобретение относится к электротер- му|и 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 эко- логичности.

Отличительными особенностями гибко- rq электронагревательного элемента является выполнение его резистивного слоя из нитей типа оболочка-ядро из поликапроа- мидного профилированного треугольного

волокна, покрытых резистивным материалом из сополимера тетрафторэтилена с ви- нилиденфторидом 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, размещение электродов между перекрещивающимися нитями резистивного слоя и выполнение их из параллельных металлизированных полимерных волокон.

На фиг. 1 представлен общий вид гибкого нагревательного элемента; на фиг. 2 а-в показаны конструктивные особенности то00 GO 00 СО ЧЭ iO

СА)

копроводящей нити; на фиг.-З представлена зависимость деформации от температуры для сополимера тетрафторэтилена с вини- лиденфторидом 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 вимилиденфторидом с различным содержанием технического углерода; на фиг. 6

- зависимость деформации и изменение электрического сопротивления 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, электроизоляционных слоен 6 и 7, покрывающих с обеих сторон резистивный слой 1, выполненный из электроизоляционной ткани 8 (фиг. 1), пропитанной полимерным связующим на основе, например, эпоксифенолыюго или формальдегидного лака,

Токопрозодящая нить (фиг. 2, а и б) представляют собой структуру оболочка- ядро, ядро 2 которой содержит профилированные треугольные волокна 9 поли- oi-капроамида, а оболочка 3 - негорячую композицию из технического углерода и сополимера тетрафторэтилена с винилиденф- торидом.

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 в широком интервале температур и постоянной скоростью нагрева, равной 15°/мин.

В качестве объекта 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

и

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

сополимера, из которого последиспергации в шаровой мельнице формовались пленки по сухому способу. Сформованные указанным 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 винили- денфторидом 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 перпендикулярном направлении, при температуре 50-80°С обнаруживают деформационное течение (кривая 12). Анизотропия механических свойств ненаполненных пленок (или при небольших заполнениях) связана с ориентацией макромолекул сополимера.

С введением технического углерода в полимерную мат рицу характер деформации пленок резко изменяется. Ток, при наполнении сополимера в количестве 35% (от его массы) усадка пленки происходит при более высокихтемпературах 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).

Из фиг. 4 видно, что наименьшим электрическим сопротивлением обладает пленка с содержанием 60-80 мас.% технического углерода (кривая 20).

В этой области концентраций наполненные пленки показывают незначительные изменения электросопротивления при Прогреве (при наполнении 60 и 80% от мас- с|ы сополимера кривые соответственно 22, 2J3, 24, 25, 26, 27 на фиг. 5).

Для указанных составов не отмечена Также анизотропия электросопротивления при прогреве пленок в интервале температур от 50 до 200°С в отличие от пленок, содержащих 35% сажи от массы сополимера (кривые 22, 23, 24, 2.5 на фиг. 5). Приведенные выше факторы по деформационным Характеристикам свидетельствуют о том, Что по мере увеличения содержания технического углерода в композиции исчезает анизотропия механических и электрофизических свойств.

С рассмотренных позиций наполнение сополимера тетрафторзтилена с винили- денфторидом техническим углеродом в количестве 60-80 мас.% (от массы сополимера) следует считать оптимальным, так как в этой области концентраций достигнута максимальная электропроводность, Оптимальная деформируемость пленочною (покрытия композиции оболочки и отсутствие анизотропии свойств при прогреве в интервале температур от 50 до 200°С.

Для определения оптимальной структуры нити, обеспечивающей создание армированного пластика со стабильными характеристиками, были проведены исследования по изучению деформации и изменению электрического сопротивления or температуры комплексной нити оболочка- ядро на основе профилированных грзу- гольных волокон поли-ш-капропмидэ.

Из данных, представленных на фиг. О видно, что величина деформации усадки зависит не только от температуры прогрева нити, но и от деформационных свойств волокон поли- ft) -капроамида и толщины электропроводящего поверхностного слоя, составляющего оболочку комплексной нити. В этом случае, чем толще пленочное покрытие на ядре - волокнах поли- о -капроамида, тем, при прочих равных условиях, меньше усадка комплексной нити и изменение ее линейного электрического сопротивления.

Кривая 28 соответствуетлинейной плотности 50 текс, соотношение ядро и оболочка - 55:40 м.ас.%, Рлин - не более 10 Ом/см - кривая 29. Кривая 30 - 55 текс, соотношение ядро и оболочка - 50:50 мас.%, Рлин не более 20 Ом/см (кривая 31).

Кривая 32 -- 45:55 текс, соотношение ядро и оболочка 45:55 мас.%. Rni/ш не

более 35 см/см (кривая 33). Свойства (см. таблицу).

Наилучшие показатели в реэистивном слое достигнуты на основе комплексной ни- 5 ти оболочка-ядро по примерам 2 и 3.

Исходя из технологических возможностей формования комплексной нити типа оболочка-ядро и ее эффективных эксплуатационных характеристик (электропровод0 ности материала, рабочей температуры), был определен оптимальный состав комплексной нити структуры оболочка-ядро, при общей толщине нити 50-55 текс. 3 этом случае рабочая температура нити составля5. ет 110-120°С, усэдка нити не превышает 5%, а изменение электропроводности в сторону уменьшения - 10%.

На основе данной комплексной нити структуры оболочка-ядро и электроизоля0 ционных пигей был разработан тканый наполнитель ПР.ЧОГНЯНОГО переплетения, схематически представленный в составе электронагревательного элемента па фиг. 1. Выбор указанного переплетения обуслов5 лен тем, чго материал должен обладать равнопрочными характеристиками как по утку, так и по основе. С учетом вышеизложенного было выбрано полотняное переплетение, при котором кзхдая нить основы перепле0 таетс.ч с нитью утка, обеспечивая тем самым наибольшее сопротивление при разрыве, а также длительное сохранение упругих свойств.

Кроме того, в электропроводящую нить

5 при ткачестие вводили электроды из ыетал- лизирозлнных питой, что позволяло надежно перераспределять ток в мостах перекрещивания уточных yi основных нитей, в результате чего па всой поверхности на0 гревателя достигалось равномерное распределение температуры. Структура резистианого слоя н зависимости от размеров, требуемой температуры на поверхности нагревателя, заданной потребляемой

5 мощности 11 напряжения пилаиил может меняться как по утку, тзк и по основе путем введения з токопроводящий слой изоляционных нитей из ацетохлорина,лавсана или капрона.

0Технология изготовления разработанного электронагревательного элемента представляет собой процесс, основными операциями которого являются сборка пакета из электроизоляционных слоео и рези5 стивного элемента в соответствии с фиг. 1, прессование нагревательного элемента в соответствии с режимом структурирования электроизоляционных слоев,торцовка в соответствии с заданными габаритными раз- .

мерами и последующий мойтаж 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 электронагре- вательном элементе резистивного слоя из ткани полотняного переплетения на основе поликапроамидных профилированных треугольных волокон, покрытых реяистивным материалом из сополимера тетрафторэти- лена с винилиденфторидом и технического углерода, содержащий электроды из параллельных металлизированных полимерных волокон, размещенных между перекрещивающимися нитями резистивного слоя, по- зволило 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 токо- проводящая оболочка надежно охватывает сердцевину и прочно скреплена с ней по меньшей контактной поверхности; треугольные волокна в нити лучше пакетируются в пучок, занимают меньший обьем, чем цилиндрические, при многократных перегибах, оболочка не 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 токопроподящих нитей исключаются поводки и коробления электронагревателя, повышается надежность; вплегение металлизированных нитей в качестве электродов между токолроводящими нитями резистивного слоя обеспечивает надежный их контакт и равномерное распределение подводимого тока к резистпвному слою; соотношение сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и технического углерода в оболочке и объемное соотношение такой оболочки с сердцевиной - ядром волокна-высокую эффективность электронагревателя и стойкость к интенсивным и многократным циклическим нагрузкам при высоких температурах - 120°С. Изготовление экспериментальных образцов гибкого электронагревательного элемента, основанного на новом техническом решении, и испытания в экстремальных условиях подтвердили их высокую эффективность и надежность.

Формула изобретения Гибкий электронагревательный элемент из полимерного материала, содержащий плоский резистивный слой из ткани полотняного плетения с электродами и покрывающие его с обеих сторон электроизоляционные слои, отличающийся тем, что резистивный слой выполнен из нитей типа оболочка-ядро из поликапроамидного профилированного треугольного волокна, покрытых резистивным материалом из сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом 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, при этом электроды размещены между перекрещивающимися нитями резистивного слоя и выполнены из параллельных металлизированных полимерных волокон.

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 поликапроамидно- го профилированного треугольного волокна, покрытых резистивным магериа- .лом из сополимера тетрафторэтилена с ви- нилиденфторидом,наполненного углеродом, электроды, выполненные из вплетенных в материал параллельных металлизированных арамидных нитей.и элект- роизоляционные 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

Объемное соотношение материалов оболочки - резистивного покрытия и ядра - профилированного треугольного волокна

в%

в ед.

50:50

45:55 40:60

35:65

1:1

0,8:1) 0.7:1J

0.5:1

Низкие эксплуатационные характеристики ,

В процессе текстильных операций происходит нарушение оболочки

Наименьшая усадка комплексной нити, не превышающая 5%.

наименьшее сопротивление комплексной нити

Недостаточная электропроводность для резистивного слоя

Достигнутые свойства в нити

Фиг.2

D

ем

20

10

ю

-20

60ШО 150

. Фиг. Ј

-12,(

1838896

а т,°с

Фиг. 6