RU2079584C1 - Conducting bicomponent fiber - Google Patents

Abstract

FIELD: fibrous electric conducting materials for manufacture of household heating devices. SUBSTANCE: conducting bicomponent fiber consists of core - carbon fiber based on hydrated cellulose with linear density of 6O-6OO tex, linear electric resistance of 77.5-805 Ohm/m and resistivity of 10^-3 Ohm. cm, and shell made of organosilicon rubber or polytetrafluoroethylene with linear electric resistance of, at least, 1.10 MOhm/m. Core-to-shell ratio is 0.77-1.09. EFFECT: higher efficiency. 1 tbl

Description

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. The invention relates to the field of producing electrically conductive materials, in particular to conductive bicomponent fibers of the "core-shell" type, used for the manufacture of household electric heating devices, such as heating pads, electric sheets, etc. as well as electric heaters for driver's seats.

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". An analysis of the patent and scientific and technical literature showed that the main directions in the field of producing electrically conductive fibers are fibers with a filler of metal, metal salts or oxides, and carbon black fibers. As a rule, they are bicomponent and a typical structure is the shell-core structure.

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 <10¹⁰ ом.см. Отношение электрического сопротивления поверхности волокна к внутреннему электрическому сопротивлению <10³ [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.It is known an electrically conductive bicomponent fiber having a core-fiber-forming polymer in which electrically conductive substances such as carbon black, metal particles, and a sheath obtained from a fiber-forming polymer such as polyethylene, aliphatic and aromatic polyamides, polyethylene terephthalate are dispersed. The ratio of the shell to the core is 1: 5-6. The shell completely surrounds the core. The electrical resistivity of the fiber surface is <10 ¹⁰ ohm.s. The ratio of the electrical resistance of the fiber surface to the internal electrical resistance <10 ³ [1]
Known electrically conductive filament having a core-shell structure, in which the core is a bunch of electrically conductive filaments, which can be used polyethylene filaments containing electrically conductive powder of carbon or metal [2] The core is coated with a non-conductive shell obtained by molding the corresponding polymer material.

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.It is known electrically conductive fiber, the sheath of which consists of a synthetic thermoplastic fiber-forming polymer, and the core of electrically conductive soot dispersed in a thermoplastic synthetic polymer, and the sheath is ≥50% of the cross-sectional area of the fiber [3]
An electrically conductive fiber is known in which the sheath is a non-conductive polymer containing carbon black, and the core is made of a non-conductive polymer. As the latter, polyethylene, polyethylene terephthalate and polyurethane are used. The fiber has a specific electrical resistance of 1 • 10 ¹⁰ ohm.s. at DC voltage 0.1 V [4]
Also, the core can be made of polyamide or glass fiber, and the shell is a copolymer of tetrafluoroethylene with vinylidene fluoride containing 40-60% by weight. carbon black with a core to shell ratio of 1: 1 7: 3 or a core of polyester, polyamide and polyacrylonitrile fibers with a diameter of 0.6-1.0 mm, and a shell of rubber, 120-150 μm thick, obtained from fluororubber containing soot, oxide magnesium and other fillers. The resulting thread has an electrical resistance of 1.5 • 10 ⁸ 3.0 • 10 ⁸ ohm.cm and resistance to repeated bends of 180 ^o 148300 cycles to failure [5]
It is known to use carbon fiber as a core and an aromatic polyamide as a shell. Such fibers have enhanced physical and mechanical properties and are used in composites [6]
However, all of the above-described electrically conductive fibers having a core-sheath structure, where the core contains carbon black or metal-filled fibers, have very low resistance to double bending and have a coefficient of variation in electrical conductivity reaching 32%
Known bicomponent filaments electrets used for the manufacture of electrostatic dust collectors, filters for air purification, in which high voltage is applied to the core filament. Threads are able to accumulate significant charges of electricity and save them for a long time [7]
The closest technical solution is the solution according to which the electrically conductive fiber is a core-shell structure, where the core is made of metal, carbon, etc. filaments with a specific electrical resistance of ≅10 ¹¹ ohm.cm, and the sheath of copolymers not containing polar groups having an electrical resistance of ≥10 ¹⁴ ohm.cm. As the sheath, polyethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene terephthalate [8] are used. The fibers are corona treated to produce an electronic fiber.

Однако, волокна, полученные согласно прототипу, не могут быть использованы для изготовления электронагревательных элементов вследствие высоких значений удельного электросопротивления. However, the fibers obtained according to the prototype cannot be used for the manufacture of electric heating elements due to the high values of electrical resistivity.

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. The technical problem to which this invention is directed is the creation of an electrically conductive fiber with high performance properties while maintaining electrical insulation characteristics, which can be used for the manufacture of electric heaters.

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.The problem is solved due to the fact that in an electrically conductive bicomponent fiber, consisting of a carbon fiber core and a sheath of a non-conductive polymer, the core is made of carbon fiber based on hydrated cellulose fiber with a linear density of 60-600 tex with a linear electrical resistance of 77.5-805 ohm / m and electrical resistivity of 10 ³ ohm.cm, and the shell is made of a polymer selected from the group: silicone rubber, polytetrafluoroethylene (fluoroplast), with the following ratio of core to shell 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.The resulting electrically conductive fiber withstands a test of 1500 V AC at a frequency of 50 Hz for 1 min, is heat-resistant, withstands temperatures up to 120 ^o C and is cold-resistant withstands temperatures up to -40 ^o C. Resource of wires during the service life under the above conditions is not less than 10000 h

Испытание напряжением проводят согласно ГОСТу 2990-78, определение электрического сопротивления изоляции-оболочки согласно ГОСТу 33345-76. The voltage test is carried out according to GOST 2990-78, the determination of the electrical resistance of the insulation-shell according to GOST 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.The test for exposure to elevated temperature is carried out according to GOST 20.57.406-81 on samples with a length of at least 1.5 m. Before the test, the samples are kept in normal climatic conditions for at least 1 hour. Then, the samples are placed with the ends brought out into the chamber, and then in the camera set the temperature to 120 ^o C and the samples were kept at this temperature for 4 days. At the end of exposure under these conditions, the electrical insulation resistance is determined. After being removed from the chamber, the samples can withstand at least 1 hour in normal climatic conditions and conduct a voltage test.

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.The test for the effect of low ambient temperature is carried out according to GOST 20.57.406-81, method 203-1 on samples of at least 1.5 m. The tests are carried out as described above, only in the chamber the temperature is set equal to -40 ^o C and maintained for 2 hours. After being removed from the chamber, the samples can withstand at least 1 hour in normal climatic conditions and conduct a voltage test.

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). According to the invention, carbon fiber URAL-N-24/320 (TU 6-12-31-717-90), silicone rubber (TU 38.103684-90), polytetrafluoroethylene floroplast 40Sh (TU 6-05-402-80) and 2M fluoroplast are used (TU-605-1781-84).

Изобретение иллюстрируется нижеприведенными примерами и таблицей. The invention is illustrated by the following examples and table.

Пример N 1. Example No. 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.An electrically conductive bicomponent fiber consisting of a core made of carbon fiber based on cellulose hydrate, URAL-N-24/320 with a linear density of 600 tex with a linear electrical resistance of 77.5 ohm / m and a specific electrical resistance of 10 ³ ohm.cm, and a shell based on organosilicon rubber (TU 38.103694-90) with a core to shell ratio of 0.86 is obtained as follows.

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.A core of 0.55 mm thickness is applied to a carbon fiber core with a diameter of 0.95 mm by extruding it through a silicone rubber melt at 320-350 ^° C. An electrically conductive fiber with an outer diameter of 2.05 mm is obtained, which can withstand for 1 minute. voltage 1500 V at an alternating current frequency of 50 Hz, electrical insulation resistance of the fiber over a length of 1 m 1.10 MΩ.

Примеры NN 2-8. Examples 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. An electrically conductive bicomponent fiber is obtained analogously to example N 1, except that the composition of the shell and core, as well as the temperature of the coating, are changed depending on the type of polymer. The composition, properties and preparation conditions are given in the table.

Claims (1)

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.An electrically conductive bicomponent fiber consisting of a carbon fiber core and a sheath of a non-conductive polymer, characterized in that the core is made of carbon fiber based on a cell density of 60,600 tex linear cellulose with a linear electrical resistance of 77.5 80.5 Ohm / m and a specific electrical resistance of 10 ^{- 3} Ohm • cm, and the shell is made of a polymer selected from the group of silicone rubber, polytetrafluoroethylene with a linear electrical resistance of at least 1.10 MΩ / m with a core to shell ratio of 0.77 1.09.

Images