Гибкий электронагревательный элемент

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕ СКИЕСПУБЛИК 3 51)5 Н 0 Я Т ПИ ПАТЕН но-иссле ого маш тротер- гибких ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДС 1 МСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(71) Центральный науч довател ьский институт специальн иностроения,(73) Р.В.Офицерьян, В.И,Смыслов, А,А.Никитин, Н.Н,Долотова, М,С.Артюхов, А.К.Миронов и В,А,Медведев56) Авторское свидетельство СССРМ 542361, кл. Н 05 В 3/34, 1974.(54) ГИБКИЙ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ(57) Изобретк мии и може в ение относится к элет быть использовано 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 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 материалом 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 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, 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 то 1838896копроводящей нити; на фиг.-3 представлена зависимость деформации от температуры для сополимера тетрдфторэтилена 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 тетрафторэтилеца с . винилиденфторидом 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 поликапродмидные нити 2, покрытые резистивным материалом 3 (фиг, 2 а), полимерных металлизированных нитей 4, введенных в структуру ткани, тоководов 5, электроизоляционых 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 "оболочка- ядро", "ядро" 2 которой содержит профилированные треугольные волокна 0 полив -капроамида, а "оболочка" 3 - негорячую омпозцци 1 о из технического углерода и сополимера тетрафторэтилена с винилиденфто ридом,Для оптимизации компонентного состава "оболочка" комплексной нити были изучены термомеханические и электро- физические 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 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 растворы15 20 ненная 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 (кривдя 11), образцы, вырезанные в перпендикулярном направлении, при температуре 50 - 80 С обнаруживают деформа 25 ционное течение (кривая 12), Анизотропия механических свойств ненаполненных пленок (или при небольших заполнениях) связана с ориентацией мдкромолекул соцолимера,30 С введением технического углерода в полимерную ма 1 рицу характер деформации пленок резко изменяется. Тдк, при наполнении сополимера в количестве 350, (от его массы) усддка 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 ненаполнен 40 ном сополимере (кривые 13 и 14 фиг, 3) Пленки, содержащие 60 и 80 О технического углерода, практически не деформируются и,как видно, фиг. 3 (кривые 15, 16, 17) не показывают анизотропии свойств, Совсем иначе 45 ведут себя пленки, содержащие 100 и 150 О технического углерода (кривые 18 и 19), для которых характерна тенденция к увеличению длины, и тем значительному, чем выше содержание технического углерода в сопо 50 лимере.Приведенные на фиг. 3 данные по деформации наполненных пленок хорошо коррелируют с изменением электропроводности материала в зависимости от со 55 держания в нем технического углерода итемпературы прогрева (фиг. 5),Из фиг. 4 видно, что накменьшим электрическим сопротивлением обладает пленка с содержанием 60 ВО мыс, технического углерода (кривая 20). сополимера, из которого после диспергации в шаровой мельнице формовались пленки по сухому способу. Сформованные укаэанным способом пленки по толщине и количественному содержанию технического углерода имитировали негорючую электро- проводящую композицию "оболочки" комплексной нити,На фиг, 3 представлены термомеханиче ские кривые ненаполненных пленок изсополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом и пленок содержащих различное количество технического углерода, Как видно из фиг. 3, ненапол 1838896В этой области концентраций наполенные пленки показываот незначительные изменения электросопротивления цри1 рогреве (при наполнении 60 и 80% от массы сополимера кривые соответственно 22, 523, 24, 25, 26, 27 на Фиг, 5).Для указанных составов не отмеченатакже анизотропия электросопротивленияпри прогреве пленок в интервале температур от 50 до 200 С в отличие от пленок, 10содержащих 35% сажл от массы сополимера (кривые 22, 23, 24, 25 на Фиг. 5), ПривеЦенные выше Факторы по деформационнымхарактеристикам свидетельствуот о том,Что по лере увеличения содерхания технического углерода в композиции исчезаетанизотропия механических электрофизиЧесклх свойств,С рассмотренных позиций наполнеиесополимера тетрафторэтиена с виниллденфторидом техническим углеродол в ол ич естве 60-80 м ас. % (от массисо полимера) следует считать оптилал ьн ы м,так как в этой области концентраций достигнута максимальная электропроводность, 25Оптилальная деформируемость плеючногопокрытия копозиции "оболочки" и отсутствие анзотропи свойств при прогреве витервале темцератур от 50 до 200"С,Для определения оптимальной струтуры нити, обеспечивающей создание армированного цластика со стабиьнькихарактеристиками, были проведены исследования по изучению дсформации и измеению элегрического сопротивления ог 35температуры комплесной нити "оболочаядро" на основе профилированных грэугольных волокон поли- и-аровлида,Из данных, представленных на фиг, 6видно, что величина де) ормацни усвдкц зависит не только от телпературь црсгревэнити, но и от деформационных свойств волокон поли- в -капроамида и тол.цины злектропроводящего поверхностного слоя,составляющего "оболочку" комплексной нити. В этом случае, чем толще пленочное покрытие на "ядре" - волокнах полис-капроамида, тем, при прочх равных условиях, меньше усадка комплексной нити иизменение ее линейного электрического сопротивления.Кривая 28 соответствует линейной плотности 50 текс, соотношение "ядро" и "оболочка" - 55:40 мас,%, Влив - не более 10Ом/см - кривая 29. Кривая 30 - 55 текс, 55соотношение "ядро" и "оболочка" - 5050,мас,%, лине более 20 Ом/см (кривая 31),Кривая 32 - 45:55 текс, соотношение"ядро" и "оболочка" 45:55 лас.%, лин не более 35 см/см (кривая 33). Свойства (см.таблицу),Наилучшие показатели в резистивномслое достигнуты на основе колплексной нити "оболочка - ядро" по примерам 2 и 3,Исходя из технологических возможностей формования комплексной нити типа"оболочка-ядро" и ее эффективных эксплуатационных характеристик (электропроводности материала, рабочей телпературь),был определен оптимальный состав комплексной нити структуры "оболочка - ядро",при общей толщине нити 50 - 55 текс. В этомслучае рабочая темцература нити составляет 110 - 120 С, усадка нити не превышает5%, а изменение электроцроводности в сторону уменьшения - 10%,На осноье данной комплексной нитисруктурь оболочка-чдро" и электроизоляционных н Гой бьл разработахан ый дполнитель пс.огняцсго переплеения,схематически цредставленьй в составеэлектронагревагельноо элемента а Фиг, 1.Выбор указанного переплете;ия обусловлен ем, чго мгперцал дол:ец обадать рав.нопро ныки х;ректорсиэли как по уту,так и по основе. С учетом вышеизложенногобыло выбрано полотняное переплетеие,цри;снором а;дая н ть осовы переплетается с лтьк ут а, Обэспечв, тем семьУнабольшее согротцвление цри разрыве, атакже длительно сохранение упругихсвойст в.Кроме того, в электропроводящую цигьпри тачестве вводили электроды из металлизированных питай, что позволяло надежно перераспределять ток в мосахперекрещивания утсчных и основых нитеи,в результате чего ца всей поверхности нагревателя досгигалось равномерное распределение температуры. Структурарезисгивного слоя в аавсилоси от размеров, требуемой температуры на поверхности нарееател, заданной потребляемоймощности и напряжения пиан;я ожет меняться как по утку, тгк и по основе путелвведения в токопроводящий слой изоляционных нитей из ацетохлорпна, лавсана иликапрона,Технология изготовления разр,".ботанного электронагревательного злелентапредставляет собой процесс, основнымиоперациями которого являются сборка пакета из электроизоляционных слоев и резистивного элемента в соответствии с Фиг. 1,прессовзние нагревательного элемента всооветствии с режимом структурированияэлетроизоляционных слоев, торцова в соответствии с заданными габаритными раз183889 Б Объемное соотношение материалов оболочки" - резистивного покрытия и "ядра" - профилированного треугольного волокна:50 В процессе Наименьш экие э сплу ациог ные характеристики,раций происходит нарушение обо кстил ая усадка ком меньшее сопр лекснои нити, не превышающая 40:60 от ие комплекснои нит 35:65 остаточная электропроводность для резистивного сл глерами и последующий монтаж проводов питания.Полученные по вышеуказанному способу электронагревательные элемента подвергались всестороннему исследованию с цельо определения изменения сопротивлегия в процессе эксплуатации. Результаты испытаний электронагревателей показали стабильггость их параглетров,Использование в гибком электронагревательном элементе резистивного слоя из ткани полотггяного переплетения на основе поликапроамидных профилированных треугольных волокон, покрытых резистивным ьгатериалогл 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 токо- проводящая оболочка надежно охватывает сердцевину и прочноскреплена с ней по меньшей контактной поверхности; треугольные волокна в нитилучше 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 распределе 5 10 15 20 25 30 35 40 нию токопроводящих нитей исключаются поводки и коробления электронагревателя, повышается надежность; вплетение металлизированных нитей в качестве электродов между токопроводящими нитями резистивного слоя обеспечивает надежный их контакт и равномерное распределение подводимого тока к резистивному 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 электронагревательньй элемент из полимерного материала, содержащий плоский резистивный слой из ткани полотняного плетения с электродами и покрывающие его с обеих сторон электроизоляционные слои, о т л и ч а ю щ и й с я 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.1838896 9,Составитель М. АртюховТехред М.Моргентал ектор М,Самборская едакто каз 2929 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыт 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 ГКНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101