УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИТЕВИДНЫЙ МАТЕРИАЛ

УСТРОЙСТВО для НАНЕСЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА НИТЕВИДНЫЙ МАТЕРИАЛ
Полезная модель относится к конструктивному выполнению установки для получения углеродных покрытий на нитевидные материалы, такие как кварцевая нить, пучок кремнеземных волокон и т.п. Указанные углеродсодержащие нитевидные материалы, в свою очередь, применяются для получения материалов, обладающих электропроводными, термическистойкими, антисептическими и иными свойствами.
Известно устройство получения пиролитического графита на поверхности кварцевой нити патент ФРГ № 1646924, 80В 8/15, 1970. Устройство представляет собой теплостойкую трубку, через которую протягивают кварцевую нить, которую вытягивают из стеклянной глыбы в результате обжима валками и разогрева в злею-ромагнитном поле. Указанную кварцевую нить дополнительно пропускают через металлическое кольцо, в котором индицируют электрическое поле. В результате нить дополнительно разогревается. Одновременно нить обдувают горелкой с подачей в зону реакции противотоком углеводородсодержащий газ. В результате пиролиза газообразного углеводорода (например, метан) в инертной атмосфере при температурах «1300°С на поверхности кварцевой нити образуется углеродсодержащее покрытие.
Недостатками указанного устройства для получения углеродсодержащего материала являются:
-высокое удельное сопротивление получаемого углеродсодержащего покрытия (на участке 30 см около 400.000 ОМ);
-вьюокая температура процесса получения (около 1300°С), которая приводит к потере прочности (до 80%) кварцевой нити и уменьшению и без того малой относительной деформации;
вьюокая сложность устройства и его малая производительность. Наиболее близким аналогом является устройство, описанное патент РФ № 2100914, 1997 при получении резистивного нитевидного материала. Сущность устройства заключается в том, что нить, состоящую из пучка кремнезел)1ных моноволокон, пропускают со скоростью 2-10 мм/сек через трубчатый реактор, внутри которого поддерживается температура 1000-1100°С. Одновременно со скоростью 0,5-3,0 л/мин в реактор подают инертный газ - азот, предварительно пропущенный через емкость с углеводородной жидкостью (керосин, уайт-спирит). В результате на кремнеземной нити получают покрытие из пироуглерода слоистой микроструктуры, при этом материал имеет прочность на разрыв не менее 8 кг, удельное линейное сопротивление 3-7 Ком/м и разброс электросопротивления по длине не более 8-10%.
Указанное устройство имеет ряд существенных недостатков:
-высокая температура процесса 1000-1100°С, которая приводит к потере эластичности и до 40%- прочности кремнеземной основы нити, что ограничивает ее применение;
-высокий разброс удельного сопротивления по длине нити в 8-10%, что для современных электропроводящих материалов неприемлемо;
низкая скорость протяжки нити (не более 10 мм/сек) через высокотемпературную зону реактора, вызванная необходимостью завершения реакции образования и осаждения пироуглерода, что обуславливает низкую рентабельность процесса;
-высокая энергоемкость процесса, обусловленная необходимостью поддержания высоких температур в течение длительного времени (из-за низкой скорости протяжки нити);
низкая экопоп/1ческая чистота процесса, обусловленная испарением газообразных углеводородов при подаче их в трубчатый реактор; высокая сложность устройства и его малая производительность (из-за низкой скорости нанесения покрытия).
В связи с вышеизложенным была поставлена техническая задача устранить указанные недостатки, а именно:
-снизить температуру процесса не менее, чем на 300°С;
-снизить разброс удельного сопротивления по длине волокна не более, чем до ± 5%;
-увеличить скорость протяжки волокна и тем самым снизить энергоемкость процесса и повысить его рентабельность;
-улучшить экологическую чистоту способа получения за счет исключения испарения газообразных углеводородов при подаче их в реактор;
-упростить конструкцию установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для получения углеродсодержащего материала сначала осуществляют предварительное растворение в в углеводородном растворителе ферроценсодержащего катализатора с концентрацией 0,51,0 масс.%, затем смачивают или пропитывают в указанном растворе нить или пучок волокон с последующей его подачей с заданной 12-15 мм/сек скоростью в зону предварительного подофева до 400°С, в середину которой подают через специальный ввод инертный газ - азот в направлении, перпендикулярном движению нити или пучка кремнеземной нити. После предварительного подогрева нити или пучка их подают в зону аетивного пиролиза углеводорода при температуре 750-800°С с последующим удалением нити из зоны, охлаждением и намоткой на барабан.
позволяв, задавать скорость протяжки нити, по мере сматывания нити с катушки ось симметрии ее стабилизируют с помощью пружинного механизма (3), после чего нить попадает в ванную (4), в которой находится углеводородный растворитель с предварительно растворенным в нем ферроценсодержащим катализатором. В указанной ванне осуществляется смачивание или пропитка нити или пучка раствором. Далее нить или пучок попадает в реактор (5), представляющий собой изолированный корпус с двумя зонами температур. Первая зона предварительного подогрева нити до 400°С и вторая а1сгивная зона пиролиза 750-800°С. Внутри реактора установлена кварцевая трубка диаметром 4 мм, которая соединена со специальным вводом (6) инертного газа (азот), который расположен в середине зоны подогрева нити, пучка и позволяет вводить инертный газ из баллона (7) перпендикулярно движению нити, пучка со скоростью 1,5 л/мин.
Длина активной зоны реактора составляет 400 мм, а зоны подогрева 300 мм. Температуру в зонах реактора, а также в печи регистрировали и регулировали с помощью термопар и потенциометров, сгруппированных в блоки управления (8).
Решаемые данной полезной моделью задачи достигаются тем, что первая стадия нанесения углеродных покрытий выполнена в виде герметичной ванны (4), которая позволяет осуществлять пропитку или смачивание нитевидного материала, поступающего с катушки (1). Ось симметрии нити плавно изменяется по мере сматывания нитевидного материала с помощью пружинного элемента (3), а также за счет того, что пропиточный материал представляет собой раствор ферроценсодержащего катализатора з углеводородном растворителе, выбранном из ряда: керосин, уайт-спирит.
Кроме того, реактор (5) выполнен в виде изолированного корпуса с разделенными двумя зонами температур: первая зона предварительного подогрева нитевидного материала до 400°С имеет протяженность 300 мм, вторая зона активного пиролиза углеводорода при 750-800°С имеет протяженность 400 мм. При этом нитевидный материал протягивают через кварцевую трубку, которая проходит сквозь эти две зоны.
Поиск, проведенный по патентно-технической литературе показал, что заявленная совокупность отличительных признаков неизвестна, т.е. она соответствует условию патентоспособности «новизна.
Так как заявленная полезная модель изготавливается из известных составляющих, то она соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость.
Ниже приводим пример работы устройства по нанесению углеродного покрытия на нить в виде пучка кремнеземного волокна, выпускаемого отечественной промышленностью марки К-11сб-180 (ТУ 6-48-52-80) линейной плотностью 180 текс. : Пример 1.
получения углеродсодержащего материала. При этом кремнеземную нить подвергали следующим стадиям обработки:
-Пропитка нити в ванной при комнатной температуре в 0,6% растворе ферроцена в керосине, который готовили предварительно в лопастном смесителе.
-Протяжка нити через изолированный трубчатый реактор из кварцевого стекла длиной 700 мм и внутренним диаметром 4 мм, который разделен по температурным зонам. .Первая зона.предварительного подогрева нити до 400°С составляла 300 мм, в середину которой через штуцер подавали газообразный азот со скоростью 1,5 л/мин. Подачу осуществляли перпендикулярно движению нити. Вторая зона активного пиролиза при температуре .750°С составляла 400 мм.
В результате совокупности физико-химических процессов на всех стадиях обработки на выходе из реактора получили углеродсодержащий материал прочностью 12 кг с относительным удлинением 3%, который имел электрическое сопротивление 5 Ком/м с разбросом его значений ло длине (на участках 1 м) не превышал ± 5%.
Измерение прочности и относительного удлинения проводили по стандартной методике на разрывной машине типа «Инстрон. Измерение электрического сопротивления проводили на участке нити 1 м стандартным омметром. Значения сопротивления и его разброс назначали из 10-ти измерений.
Таким образом, предлагаемая полезная модель устройства по получению углеродного покрытия на поверхности нитевидного материала позволяет:
1.Существенно, более чем на 300°С снизить температуру пиролиза;
2.Повьюить равномерность электропроводящих свойств по длине волокна (отклонение составило не более ± 5 %);
3.Получать углеродсодержащий материал на основе кремнеземных волокон с удельным сопротивлением 3-5 Ком/м и высокими физико-механическими характеристиками: прочность на разрыв 10-12 кг при относительном удлинении 5-3%;
4.Повьюить эколоп/1ческую чистоту процесса.
Полученные технические результаты невозможно было прогнозировать или рассчитать заранее, так как впервые в установке по нанесению углеродных покрытий на нитевидный материал были применены оригинальные устройства, позволяющие эффективно реализовать многостадийные режимы обработки с различными температурами, газо-паровыми, каталитическими средами, различающимися по своей физико-химической природе, оказывающими сложные взаимные влияния друг на друга.
.