ПРОМЫШЛЕННАЯ ТКАНЬ С ТЕРМОХРОМНЫМ ИНДИКАТОРОМ
INDUSTRIAL FABRIC WITH THERMOCHROMIC INDICATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к промышленным тканям, в которых для индикации профиля температур используются термохромные материалы.
Промышленная ткань представляет собой бесконечную ленту, такую как ленты, используемые в качестве формующей ткани, прессовой ткани, сушильной ткани или технологической ленты («одежды бумагоделательной машины»). Кроме того, промышленная ткань может использоваться в качестве ткани для тиснения, ткани для сквозной сушки нагретым воздухом, рельефной ткани, ткани, используемой в производстве нетканых материалов такими способами, как выдувание расплава или ткани, используемой при отделке текстильной ткани.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В процессе производства бумаги целлюлозное полотно формуют нанесением волокнистой пульпы, т.е. разбавленной водой целлюлозной массы, на движущуюся формующую сетку в формующей части бумагоделательной машины. Большая часть воды дренирует из целлюлозной массы сквозь формующую сетку, при этом на поверхности сетки формуется бумажное полотно.
Только что сформованное бумажное полотно поступает из формующей части в прессовую часть, которая содержит ряды вальцовых прессов, между валами которых пропускают бумажное полотно на прессовой ткани, обеспечивающей поддержание полотна, или, как это часто бывает, полотно пропускают между двумя такими тканями. Между валами пресса бумажное полотно подвергается прессованию, благодаря чему происходит его обезвоживание, которое вызывает слипание целлюлозных волокон, в результате которого оно превращается в бумажный лист. Влага впитывается прессовой тканью или тканями и в идеальном случае не попадает обратно на бумажный лист.
Только что сформованный бумажный лист транспортируют в сушильную часть, содержащую по меньшей мере один ряд вращающихся сушильных барабанов или цилиндров, нагретых изнутри паром. Только что сформованный бумажный лист перемещается последовательно вокруг каждого барабана в ряду по змеевидной траектории, плотно прижимаемый сушильной тканью к поверхности барабанов. Путем испарения нагретые барабаны уменьшают содержание воды в бумажном листе до требуемого состояния.
Необходимо отметить, что используемые в бумагоделательной машине формующие, прессовые и сушильные ткани имеют форму бесконечной петли и работают наподобие конвейеров. Кроме того, следует учесть, что производство бумаги является непрерывным процессом, протекающим со значительной скоростью, т.е. в то время как в формующей части непрерывно наносят волокнистую пульпу на формующую сетку в формующей части, на выходе из сушильной части только что изготовленное бумажное полотно непрерывно сматывают в рулоны. При использовании промышленной ткани часто оператору полезно получать информацию, касающуюся условий эксплуатации промышленной ткани и/или продукта, который на ней транспортируется, и наиболее важным является используемый в производстве продукта тепловой режим. В особенности, оператору может потребоваться отслеживать профиль температур ткани или ленты с тем, чтобы быть уверенным, что тепловой режим производства продукта одинаковый как в направлении движения ткани в машине, так и в направлении поперек движения ткани в машине.
Известно, что термохромные материалы при изменении температуры проявляют изменение в цвете. Присущее им свойство изменять цвет при изменении температуры нашло применение во многих областях, например в медицине, автомобилях, на складе, в производстве игрушек и т.д.
В патенте США №5806528 описано устройство и способ измерения и обеспечения визуальной индикации температуры жидкости перед ее подачей пациенту. Температурный индикатор содержит термохромный жидкокристаллический полимер, экструдированный или иным способом сформованный в трубу для подачи жидкости. Полимер способен к проявлению по меньшей мере одного изменения цвета в ответ на изменение температуры.
В патенте США №5503583 описана игрушка, окрашенная краской, содержащей термохромный материал, который изменяет цвет по мере изменения температуры игрушки. Выбранные части игрушки окрашены термохромным материалом, чтобы обеспечить множество рисунков, моделей, чисел, букв или других знаков, изменяющих цвет в ответ на изменения температуры. Кроме того, разные части игрушки могут быть окрашены различными красками, содержащими термохромные материалы разных цветов.
j
2
j
2
Патент США №5085607 относится к набору игрушек, содержащему по меньшей мере одну секцию, содержащую запоминающую цвет краску из органического окрашенного компаунда, излучающего электроны, компаунда, принимающего электроны, и сложного эфира. Запоминающая цвет краска принимает первый цвет при температуре ниже t(°C) и второй цвет при температуре выше t(°C). Оба цвета, и первый и второй, могут проявляться в диапазоне между t и t. Для определения подходящего температурного диапазона для цветовой характеристики обеспечены чувствительные к температуре визуальные индикаторы, которые являются обратимыми термохромными материалами, содержащими обратимый термохромный пигмент в форме твердого раствора смолы.
В патенте США №5053339 описано изменяющее цвет устройство для отслеживания температуры хранения скоропортящихся грузов, т.е. продолжительности работы стеллажа. Устройство сконструировано из активирующей ленты, содержащей матрицу активирующего вещества, индикаторной ленты, содержащей матрицу индикаторного вещества, и необязательной барьерной матрицы между активирующей лентой и индикаторной лентой. Активирующее вещество, например органическая кислота, такая как лимонная кислота, диффундирует через барьерную и/или индикаторную матрицу до непрерывного контакта с индикаторным веществом, например с кислотно-щелочным красителем, для создания визуально различимого изменения цвета при отслеживаемой температуре. Со временем и температурой цвет усиливается настолько, насколько активирующее вещество диффундирует в индикаторную матрицу. Матрицы не являются водопроницаемыми, и устройство предпочтительно обладает энергией активации, и, по существу, цвет изменяется с той же скоростью, с какой разлагается продукт. Благодаря этому устройству обеспечивается возможность точного и постоянного визуального отслеживания продолжительности работы стеллажа скоропортящихся грузов, к которому приклеено такое устройство.
Патент США №4156365 относится к посуде или утвари, сохраняющей температуру пищи, содержащей термохромный слой на поверхности, показывающий находится ли температура содержимого в пределах безопасного интервала выше 60°С и ниже 70°С, соответствующего режиму безопасности, разогрев содержимого выше минимальной температуры диапазона обеспечивает обратимую денатурацию протеинов, ограничивает множественное деление отдельных микроорганизмов, а ниже верхней границы диапазона, соответствующей необратимой денатурации протеинов, не обжигает ткани губ, языка и горла человека. При изменении температуры в указанном диапазоне цвет термохромного слоя изменяется от красного к черному.
Патент США №6706218 описывает термохромное вещество на основе полимера, являющееся температурным индикатором, содержащее политиофен и несущую среду. Вещество характеризуется тем, что содержание политиофена в среде составляет приблизительно от 0,05% до 5,0% от общего веса. Состав вещества составлен с тем, чтобы, когда вещество находится в теплообменной связи с предметом, оно проявляло бы изменение цвета, когда температура предмета достигает расчетной или выходит за расчетную температуру.
В патентах США №5420224 и №5266677 описывается полимер на основе тиофена такой как поликетоны (или арилен), полиамиды и полибензоксазолы, которые содержат кольца тиофена, расположенные внутри цепочки ароматического полимера. Также в этих патентах описаны волокна, пленки и другие изделия, изготовленные из этого полимера.
Однако немного термохромных материалов подходят для использования в промышленных тканях, например используемых в производстве бумаги, из-за плохой экструдируемости (термохромный материал разрушается в процессе экструзии), плохой обратимости цвета на требуемых температурах, плохой живучести в агрессивной химической и тепловой среде, неустойчивости в видимом диапазоне света, слабой интенсивности и контрастности по отношению к цветам промышленной ткани, использующей нити или волокна, содержащие эти материалы.
Следовательно, использование термохромных материалов в промышленных тканях очень ограничено. Например, в патенте WO 97/02360 описана промышленная лента, содержащая полимерную матрицу, которая содержит термохромный материал. Термохромный материал встроен в состав структуры ткани несколькими способами, такими как экструдирование нити из полимерной матрицы, содержащей термохромный материал, заполнение полых волокон термохромным красителем в микроинкапсулированной форме или включение термохромного материала в состав оболочки нити, состоящей из оболочки и сердцевины. Кроме того, различные материалы, дающие переход цвета при разных температурах, используют в полимерной матрице для перехода одного цвета в другой и экструдируют внутрь нитей и волокон.
Следовательно, нет сведений из уровня техники о том, как использовать термохромные материалы в промышленных тканях и какие материалы пригодны для использования в подобных промышленных тканях.
Настоящее изобретение предлагает промышленную ткань, содержащую нити, изготовленные из термохромных материалов или покрытые термохромными материалами, которые действуют как средства контроля производственного процесса, в котором используются промышленные ткани, а также в процессе их изготовления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание промышленных тканей или их компонентов, содержащих термохромные материалы, такие как политиофен, используемые как средства контроля производственного процесса.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание средств мониторинга степени тепловой энергии, испытываемой различными областями промышленной ткани или ленты.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание средств отслеживания температуры отверждения для тканей или лент в процессе их изготовления, например для мониторинга профиля температур и изменений температуры в процессах производства тканей, таких как термофиксация, высушивание или отверждение покрытий. Другие задачи изобретения станут очевидными из нижеследующего описания.
Изобретение относится к промышленной ткани, в том числе к тканям, используемым в производстве бумаги, и в других областях промышленности. В частности изобретение относится к промышленной ткани, взятой из группы, содержащей формующие ткани, прессовые ткани, сушильные ткани, технологические ленты, используемые в производстве бумаги, ткани для тиснения или рельефные ткани, ткани, используемые в технологии сквозной сушки нагретым воздухом, ткани, используемые в производстве нетканых материалов, и ткани, используемые при отделке текстильных тканей, содержащих волокна, нити или пленку, содержащие или содержащую термохромный материал, используемый в качестве средств контроля производственного процесса. Приведенные примеры видов тканей не следует понимать как ограничение изобретения.
Ткани могут быть изготовлены, например, из мононитей, содержащих термохромный полимер с обратимым изменением цвета, такой как политиофен, или покрытых таким полимером. Термохромные материалы с обратимым изменением цвета изменяют цвет при изменении температуры, причем каждый термохромный полимер или материал имеет температуру термохромного перехода, при которой происходит изменение цвета. Температуру термохромного перехода можно модифицировать путем изменения длины и/или ориентации или направления молекул в боковой цепи. Таким образом, можно отслеживать температуру ткани. Например, можно визуально или с помощью средств формирования изображения отслеживать профиль температур, в особенности неоднородность профиля. Ткань сама является активным индикатором, который может быть использован для целей контроля или мониторинга производственного процесса.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение контроля температуры промышленных тканей и их отдельных участков при их производстве и использовании.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания, приведено последующее описание со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 показана промышленная ткань согласно настоящему изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Термохромный индикатор представляет собой материал, реагирующий изменением цвета на термические внешние условия. Подобные материалы могут иметь много практических применений для промышленных тканей, используемых в производстве бумаги и других областях промышленности.
Известно, что политиофены являются термохромными материалами, несмотря на то, что до недавнего времени наибольший интерес вызывали их электропроводящие свойства.
В технологии согласно настоящему изобретению использованы тиофеновые полимеры с боковыми цепями. Боковые цепи играют важную роль при определении температурного перехода. Путем изменения длины и расположения боковых цепей можно проектировать температуру термохромного перехода полимера. Например, переход температур может быть в диапазоне от комнатной температуры до 180°С. Переход может быть выполнен, чтобы совершаться в узком диапазоне приблизительно 10°С или в более широком диапазоне 20°С или более. Переход является обратимым и происходит очень быстро. Уникальной особенностью политиофенов является то, что переход цвета - это результат конформационного изменения в полимере, который отличается от механизма изменения цвета в других термохромных материалах, таких как в красках, жидких кристаллах или металлических соединениях. Благодаря тому, что конформационное изменение - это физическое явление, изменение цвета является обратимым и быстрым. Контроль однородности участков, т.е. насколько резким является переход температуры, может иметь свои преимущества в зависимости от требуемой области применения. Кроме того, несмотря на стойкость термохромных покрытий, они имеют собственные недостатки, это не означает исключать использование обратимых термохромных материалов или покрытий в промышленных тканях, нитях, волокнах или моноволокнах, формованных волокнах, наносимых непосредственно на поверхность, или в качестве компонента экструдируемых смол.
В идеале включение термохромного материала внутрь волокон, нитей или пленок обеспечивает наличие термохромного материала по мере износа. Однако большинство термохромных материалов не могут выдержать режим экструзии, за исключением высокотемпературных термохромных материалов, имеющих сравнительно ограниченное использование в производстве промышленных тканей. Тиофены являются термально очень стабильными, и изобретателями они были успешно экструдированы в термопластические материалы, включая полиэтилентерефталат PET. Например, была изготовлена мононить диаметром 0,35 мм путем экструзии термохромного полимера при температуре 105°С. Как только волокно выходит из вытяжных печей, можно наблюдать резкий переход от желтого цвета высокой температуры до бордового цвета низкой температуры (окружающей среды). С помощью данного наблюдения проверяли как обратимость перехода цвета на входе и выходе из печей, так и скорость перехода цвета. Настоящее изобретение направлено на использование подобного материала в качестве компонента промышленной ткани.
Согласно одному варианту, может быть создана полоса в направлении поперек движения ткани в машине (CD) с использованием в ткани или ее части нитей из моноволокна, содержащего термохромный полимер. Как показано на фиг.1, ткань 10, сформированная из нитей 12, 14, 16, ориентированных в направлении поперек движения ткани в машине (CD) и ориентированных в направлении движения ткани в машине (MD) нитей 18, может быть сконструирована из полос, ориентированных в направлении поперек движения ткани в машине (CD), изготовленных из комплексного моноволокна, которые могут свободно чередоваться с термохромными полимерами с разными переходами температур, постепенно изменяясь, например за полосой со средней температурой перехода 95°C (16) может следовать полоса со средней температурой перехода 105°С (14), а за ней - полоса со средней температурой перехода 115°C (12), согласно одному варианту изобретения. Длина полосы в направлении движения ткани в машине (MD) может быть требуемой длины для осмотра ткани в процессе работы визуально или с использованием средств формирования изображения, например стробоскопов или камер видеонаблюдения.
Другими словами, каждая полоса, ориентированная в направлении поперек движения ткани в машине (CD), содержит по меньшей мере одну или предпочтительно более нитей, содержащих термохромный полимер. Таким образом, можно отслеживать профиль температур и в особенности неоднородность профиля.
Например, на полосу, ориентированную в направлении поперек движения ткани в машине (CD), было нанесено покрытие, содержащее тиофен с температурным переходом при 105°С, посредством напыления на сушильную ткань. Для герметизации термохромного покрытия было нанесено покрытие из полиуретана.
Образец ткани был помещен в Матис духовку (стандартную лабораторную печь), в которой можно свободно программировать и контролировать температуру и время. Сначала ткань подвергли воздействию температуры 85°С в течение одной минуты, и затем увеличивали температуру с шагом 5°С. Наблюдение показало, что термохромный переход начинался при температуре приблизительно 100°С и закончился при температуре около 110°С.
Ткань согласно настоящему изобретению в процессе работы становится активным индикатором. Из этого примера могут быть выведены многие другие концепции, использующие термохромные элементы. Кроме того, несмотря на то что проиллюстрирована текстильная ткань, подразумевается использование других тканей, содержащих термохромные элементы, таких как указанные выше, а также нетканых структур, таких как системы ориентированных в направлении движения ткани в машине нитей и/или ориентированных в направлении поперек движения ткани в машине нитей, сеток, трикотажа, спиралью скрученных полос или формируемые из перечисленных структур многослойные структуры.
Используемый в настоящем описании термин «ткань» означает структуру согласно настоящему изобретению, содержащую нити или пленки, или даже волокнистые материалы, выбранные из группы, включающей моноволокно, комплексное волокно, двухкомпонентное волокно (содержащее оболочку с сердцевиной) или даже штапельное волокно в зависимости от области применения, причем некоторые из них или все содержат термохромный материал. Структура может содержать по меньшей мере один слой, содержащий термохромный материал. Например, тонкий слой термохромного материала может быть изготовлен или с использованием двухкомпонентной нити, экструдированной в форме «оболочка-сердцевина», сформированных из одинаковых или различных материалов. Альтернативно, тонкий слой термохромного материала может быть нанесен на нити известными средствами, включая, но не ограничивая, покрытие погружением, распыление, струйный способ нанесения покрытий, нанесение покрытий шабером, трафаретную печать, нанесение краски или другой подходящий для этой цели способ. Несмотря на то что с использованием указанных способов может быть получен толстый слой покрытия, согласно настоящему изобретению предпочтительно получить тонкий слой. В качестве еще одной альтернативы, сама ткань может быть покрыта тонким слоем термохромного материала с использованием любого из вышеуказанных способов.
Переход цвета тиофенового полимера является результатом химического строения и является присущим данному материалу. Типично, при повышении температуры переход цвета от одного к другому происходит путем конформационного изменения боковых цепей полимера. Однако для моноволокна существует возможность настраивать переход цвета путем добавления пигмента с политиофеном во время экструзии. Например, с добавлением синего пигмента цвет будет изменяться от пурпурно-красного до зеленого, когда температура повысится выше температуры термохромного перехода.
Кроме того, термохромные материалы могут быть использованы для контроля производственного процесса в режиме реального времени при изготовлении промышленной ткани или ленты, в качестве средства контроля температуры отверждения покрытий. Специалисту очевидны модификации к вышеуказанному, но при этом модификации не должны выходить за объем настоящего изобретения, который ограничен следующей формулой изобретения.