УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРОПИТЫВАНИЯ ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ПОРОШКОМ
DEVICE AND METHOD OF IMPREGNATING POROUS MATERIALS WITH POWDER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области пропитки при помощи переменного электрического поля. Точнее, оно относится к способу и устройству для пропитывания пористого материала, такого как волокнистое полотно, порошком.
Пропитка волокнистого или нитевидного полотна порошком может быть стадией при изготовлении композиционного материала, имеющего связующее, которое создается последующим сплавлением, или некоторым другим превращением этого порошка, в волокнах или нитях полотна. Пропитывание волокнистого полотна для производства композиционного материала, таким образом, является примером одного применения изобретения.
Можно предусмотреть много других применений изобретения. Например, изобретение может использоваться в процессе изготовления бентонитового геотекстиля, чтобы заставить глинистый порошок проникать в текстильное строение. Другим примером применения изобретения является включение антибактериального, пламегасительного, сверхпоглощающего или других активных ингредиентов в пористое полотно в форме сухого порошка или смеси порошков. Другим примером применения изобретения является включение порошкового связующего вещества в волокнистое полотно перед плавлением и последующим затвердением этого связующего вещества так, чтобы оно соединяло волокна, по меньшей мере, по части толщины полотна, с полученным таким образом конечным продуктом, который возможно представляет собой текстильное покрытие, такое как верхнее покрытие, в частности.
Описание предшествующего уровня техники
Международная заявка на патент WO 99/22920 описывает способ пропитывания волокнистого или нитевидного полотна порошком, в частности для того, чтобы произвести композиционный материал. Используя этот способ, и порошок, и полотно из волокон или нитей подвергаются переменному электрическому полю, которое генерируется между двумя электродами, которые подключаются к единственному генератору напряжения. Каждый электрод имеет форму металлической пластины. Диэлектрические пластины обеспечиваются для того, чтобы предотвратить образование электрической дуги между электродами. Было обнаружено, что, особенно при работе с высокими уровнями электрического поля между электродами, диэлектрические пластины имеют тенденцию быстро стареть до момента, где они больше не способны к выполнению их изолирующей функции, следовательно, вызывая пробой, который приводит в результате к образованию электрической дуги, по меньшей мере, сквозь одну из диэлектрических пластин.
Европейская заявка на патент EP-1 526 214 предлагает другой способ создания электрического поля, которое предназначается, чтобы заставить порошок проникать в волокнистое или нитевидное полотно. Более точно, это поле генерируется между двумя рядами электродных трубок, каждая из которых содержит трубчатый изолятор, выполненный из кварца или некоторого другого диэлектрика, а также проводящий слой, который закрывает одну внутреннюю поверхность этого изолятора. Использование таких электродных трубок позволяет пропитывать полотна больших размеров, особенно широкие ленты, которые непрерывно обрабатывают путем перемещения их между двумя рядами электродных трубок. Однако каждая электродная трубка является весьма дорогой, и это является главным недостатком решения, которое предложено в европейской заявке на патент EP-1 526 214.
Цель изобретения заключается, по меньшей мере, в улучшении, как можно экономично, срока службы устройства пропитывания путем использования переменного электрического поля.
Сущность изобретения
Согласно изобретению эта цель достигается устройством для пропитывания пористого материала порошком, содержащим, по меньшей мере, первый диэлектрический изолирующий экран и первый и второй противоположно обращенные электроды, которые отделены проходом для пористого материала, снабженного порошком, и способны к созданию переменного электрического поля в этом проходе после их подключения к генератору переменного напряжения. Первый диэлектрический экран электрически изолирует первый и второй электроды друг от друга на уровне упомянутого прохода. По меньшей мере, первый электрод содержит, по меньшей мере, две проводящие полоски, каждая из которых имеет внутреннюю поверхность, покрытую первым диэлектрическим экраном, и полностью обращена ко второму электроду, и также продольную кромку, проходящую вдоль отделяющего паза, при этом данные полоски отделены друг от друга этим отделяющим пазом и электрически соединены друг с другом.
Было выявлено, что, если один или оба электрода, которые генерируют переменное электрическое поле, является/являются прерывистым и подходящим образом подразделять в последовательные полоски, диэлектрический экран, который закрывает его внутреннюю поверхность, является значительно меньше склонным к старению, в том смысле, что никакой пробой через этот диэлектрический экран не происходит, даже после продолжительной работы с высокими величинами переменного электрического поля. Было также замечено, что повышение температуры электрода при надлежащим разделении в последующие полоски, было меньше, чем в случае непрерывного электрода, который закрывает ту же поверхность, что и все поочередные полоски. Считается, что более малое повышение температуры на электроде, который поделен на полоски, объясняет, почему диэлектрический экран является более стойким в течение долгого времени, так как это понижает тепловые напряжения, которым подвергается экран, когда устройство работает.
Преимущественно, устройство пропитывания содержит устройство для перемещения пористого материала через упомянутый проход в направлении, в котором имеются поочередные проводящие полоски первого электрода.
Преимущественно, первый диэлектрический экран формирует подложку для проводящих полосок первого электрода.
Преимущественно, устройство содержит второй диэлектрический экран, который электрически изолирует первый и второй электроды друг от друга на уровне упомянутого прохода, при этом второй электрод содержит, по меньшей мере, две проводящие полоски, каждая из которых имеет внутреннюю поверхность, покрытую вторым диэлектрическим экраном, и полностью обращена к первому электроду и также продольную кромку, проходящую вдоль отделяющего паза, причем данные полоски отделены друг от друга этим отделяющим пазом и электрически связаны друг с другом.
Также объектом изобретения является способ пропитывания пористого материала порошком, при котором и пористый материал, и порошок подвергаются переменному электрическому полю, созданному первым и вторым противоположно обращенными электродами, с по меньшей мере первым диэлектрическим экраном, электрически изолирующим первый и второй электроды друг от друга между этими первым и вторым электродами. По меньшей мере, первый электрод содержит, по меньшей мере, две проводящие полоски, каждая из которых имеет внутреннюю поверхность, покрытую первым диэлектрическим экраном, и полностью обращена ко второму электроду, и также продольную кромку, проходящую вдоль отделяющего паза, причем упомянутые полоски отделены друг от друга этим отделяющим пазом и электрически связаны друг с другом.
Преимущественно, этот способ осуществляется при использовании устройства как определено выше.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет сделано более понятным следующим описанием, которое представлено посредством примера и имеет отношение к чертежам, на которых:
фиг.1 представляет собой схему устройства пропитывания в соответствии с изобретением, в котором волокнистое полотно, показанное в продольном поперечном сечении, подвергается пропитке порошком;
фиг.2 представляет собой схематический вид в перспективе пары противоположно обращенных компоновочных узлов устройства пропитывания, показанного на фиг.1;
фиг.3 представляет собой график, который визуально изображает зависимость двух максимальных изменений температуры по времени, а именно, максимальное изменение температуры на электроде в устройстве, показанном на фиг.1, и максимальное изменение температуры на электроде в устройстве пропитывания согласно предшествующему уровню техники;
фиг.4 представляет собой схему, подобную фиг.1, и показывает пару противоположно обращенных компоновочных узлов, способных к замене узлов на фиг.2 согласно первой разновидности варианта осуществления изобретения; и
фиг.5 представляет собой вид в плане компоновочного узла, который способен к замене двух компоновочных узлов, показанных на фиг.2 согласно второй разновидности варианта осуществления изобретения.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг.1 показывает устройство 1 пропитывания, через которое волокнистое полотно 2 постепенно перемещается в направлении, представленном стрелкой F, и в котором это волокнистое полотно 2 пропитывается порошком 3.
Устройство 1 пропитывания содержит пару противоположно обращенных электродов, каждый из которых соединяется с одной из двух клемм источника переменного напряжения или генератора 6 и которые составляют нижний электрод 4 и верхний электрод 5. Каждый из этих двух электродов 4 и 5 поддерживается пластиной, которая выполнена из диэлектрического материала и формирует изолирующий экран 7. Экраны 7 расположены между электродами 4 и 5 с тем, чтобы электрически изолировать их друг от друга. Между ними они разграничивают плоский проход 8 для волокнистого полотна 2.
В показанном примере устройство, которое перемещает волокнистое полотно 2 через проход 8 в направлении F подачи, содержит два ленточных конвейера 9, которые располагаются один над другим так, чтобы они были по существу параллельны друг другу. Соответствующие ленты 10 этих двух конвейеров 9 проходят через проход 8 параллельно друг другу и в одном и том же направлении F. Как только волокнистое полотно 2 было захвачено между этими лентами, вместе они могут подавать его через проход 8. Чтобы сделать возможным перемещение волокнистых полотен 2 различных толщин, вертикальное расстояние между конвейерами 9 является регулируемым способом, который известен по своей сущности.
Каждый из электродов 4 и 5 является прерывистым и состоит из ряда поочередных проводящих полосок 11, которые отделены друг от друга разрывами в форме паза или промежутками 12, где нет никакого проводящего материала. Как можно увидеть на фиг.2, ленты 11 простираются от левой стороны к правой стороне прохода 8 по всей ширине прохода 8 и не являются параллельными направлению движения F. Хотя они прокладываются друг рядом с другом, проводящие полоски 11 одного электрода 4 или 5 могут иметь различные формы. В примере на фиг.1 и 2 они являются прямыми и параллельными друг другу.
Каждая проводящая полоска 11 содержит две продольные кромки 13 и две основные противоположные поверхности, которые связывают продольные кромки 13 друг с другом и являются внутренней поверхностью 14, которая, в целом, обращена к проходу 8, и внешней поверхностью 15. Каждый паз 12 разграничен двумя продольными кромками 13, каждая из которых расположена на одной из двух поочередных лент 11. Каждая проводящая полоска 11 имеет продольную кромку 13, которая проходит рядом с одним из пазов 12, который отделяет ее от другой проводящей полоски 11.
Ширина пазов 12, то есть расстояние e между двумя последующими проводящими полосками 11, составляет предпочтительно больше чем 20 мм. Расстояние e предпочтительно меньше, чем 200 мм. Расстояние преимущественно находится в пределах от 25 до 50 мм.
Ширина l каждой проводящей полоски 11 преимущественно находится в пределах от 10 мм до 1000 мм и предпочтительно от 20 мм до 100 мм.
В конструктивном исполнении, которое показало хорошие результаты, каждая проводящая полоска 11 имела ширину l около 50 мм, тогда как пазы 12 имели ширину e около 25 мм.
Проводящие полоски 11 могут быть выполнены различными способами. Например, каждая проводящая полоска 11 может быть в форме металлического покрытия, которое осаждают локально на один из электродов 7 при помощи методики металлизации. Каждая проводящая полоска 11 может также состоять из слоя смолы, которая в большой степени загружается с металлическими частицами, такими как токопроводящий лак на основе серебра. В любом случае нет никакого воздушного промежутка между проводящими полосками 11 и их основанием. Отсутствие таких воздушных промежутков означает, что при генерировании электрического поля между электродами, никакая плазма не вырабатывается между экраном 7 и проводящими полосками 11, что поддержит этот экран 7. Это является преимущественным с точки зрения способности противостоять старению.
Электроды 4 и 5 обеспечиваются, чтобы генерировать переменное электрическое поле между электродами на уровне прохода 8. Для достижения этого, проводящие полоски 11 одного из двух электродов 4 и 5 могут быть расположены несколькими способами относительно проводящих полосок 11 другого электрода. В примере на фиг.1 каждая проводящая полоска 11 нижнего электрода 4 обращена к проводящей полоске 11 верхнего электрода 5.
Диэлектрические экраны 7 электрически изолируют электроды 4 и 5 друг от друга, с тем чтобы предотвратить образование электрической дуги между этими двумя электродами 4 и 5. Для выполнения этого, они располагаются между электродами 4 и 5, с каждой стороны прохода 8. В частности, диэлектрический материал, используемый для изготовления экранов 7, может быть стеклом.
Является возможным только покрывать один из двух электродов 4 и 5 экраном 7, особенно если выбранное применение позволяет использование относительно низких уровней электрического поля. Однако каждый электрод 4 или 5 предпочтительно обеспечивается изолирующим экраном 7.
На фиг.1 волокнистое полотно пропитывается порошком 3, который предварительно был разбросан на его верхней поверхности. Разбрасывание, в общем случае, имеет место по всей площади поверхности полотна, которое должно быть пропитано. Однако, в определенных случаях, также возможно выполнять локальное разбрасывание, например, при использовании трафарета. Кроме того, по меньшей мере, часть порошка 3 необязательно должна быть осаждена сверху волокнистого полотна 2; она может быть приложена снизу волокнистого полотна 2 перед тем, как оно проходит между электродами 4 и 5, например, путем осаждения ее на нижнем конвейере 9 после изменения этого соответственно.
Порошок 3 может состоять из частиц полимера, предназначенных для сплавления, чтобы сформировать, после охлаждения, связующее композиционного материала, который усиливается волокнами полотна 2, или обеспечить когезию текстильного покрытия, такого как верхнее покрытие, путем соединения волокон этого текстильного покрытия, например, на уровне зоны связывания, которая может содержать полотно 2 по части его толщины, и где волокна соединяются вместе и плотно спутываются. Порошок 3 может представлять собой порошковый материал, отличный от полимерных частиц, предназначенных для сплавления однократно внутри полотна 2. Например, он может также быть бентонитовой глиной или активным ингредиентом. Волокна полотна 2 могут также быть в форме циновки или могут быть связаны вместе иглопробиванием или любым другим способом. Кроме того, материал, который предназначается для пропитки порошком 3, необязательно должен быть волокнистым, поскольку он является пористым и способным быть пропитанным.
Конвейеры 9 сводят волокнистое полотно 2 и порошок 3 между электродами 4 и 5, в проходе 8, и транспортируют их, по сути, непрерывно. На уровне прохода 8, переменное электрическое поле, генерируемое электродами 4 и 5, побуждает порошок 3 проникать в волокнистое полотно 2. Поскольку оно является переменным полем, поле, генерируемое между электродами 4 и 5, имеет максимальную величину, которая выбирается в зависимости от применения, особенно принимая во внимание отличительные особенности полотна 2 порошка 3. Максимальные величины поля от 0,10 до 20 кВ/мм оказались подходящими в многочисленных применениях. Кроме того, напряжение источника питания электродов 4 и 5 может иметь различные формы волны. Например, генератор 6 может производить синусоидальный, прямоугольный импульс или даже пилообразное напряжение.
Частота электрического поля, генерируемого между электродами 4 и 5, выбирается в зависимости от конкретного применения. Частоты от 50 до 60 Гц оказались подходящими в многочисленных применениях.
Удовлетворительное пропитывание достигается лишь после того, как волокнистое полотно 2 и порошок 3 были подвергнуты переменному электрическому полю в течение достаточного количества времени. Это зависит от рассматриваемых применений и других параметров процесса. Это может быть легко определено экспериментально. Вообще говоря, это время является большим, чем одна секунда.
1
2
2
Инфракрасная камера использовалась для регистрации максимальной температуры на уровне одного из электродов 4 и 5, где ширина l полосок 11 и расстояние e между полосками 11 составляли 50 мм и 25 мм, соответственно. Изменение этой температуры с течением времени и после запуска устройства 1 и без какого-либо охлаждения показано графически кривой C на фиг.3. На этой же фиг.3 кривая C также графически представляет изменение максимальной температуры, измеренной инфракрасной камерой на уровне электродов, без какого-либо охлаждения электродов. Эта кривая была получена с использованием непрерывных электродов, которые были сравнимы с электродами согласно предшествующему уровню техники, как упомянуто в вышеупомянутой заявке на патент WO 99/22920, при прочих равных условиях. Более точно, каждый из этих непрерывных электродов, на которых максимальные температуры, используемые для вычерчивания кривой C, были измерены, имеет прямоугольную форму с шириной, приблизительно равной длине одной полоски 11.
1
2
2
Поскольку сравнение кривых C и C ясно показывается, прерывистые электроды 4 и 5 нагреваются значительно меньше, чем непрерывные электроды, при прочих равных условиях. В то же время, было обнаружено, что изолирующие экраны 7, связанные с электродами 4 и 5, имели намного лучшую способность противостоять старению, чем подобные изолирующие экраны, связанные с непрерывными электродами. В частности, не наблюдалось никакого пробоя через экраны 7 после использования устройства, показанного на фиг.1, в течение нескольких часов. Впоследствии, устройство пропитывания, для которого были получены измерения, используемые для вычерчивания кривой C, было использовано последовательно в течение нескольких часов при идентичных состояниях.
Также было выявлено, что использование прерывистых электродов 4 и 5 имеет другие преимущества. Одним из этих преимуществ является более однородное пропитывание, особенно если удельная электропроводимость порошка 3 увеличена. В частности, концентрации порошка 3 формируются между непрерывными электродами согласно предшествующему уровню техники. Эти концентрации простираются в направлении, которое перпендикулярно электродам, и следуют движению транспортировки волокнистого полотна. Такие порошковые концентрации не возникали, когда пропитывание было выполнено с использованием устройства 1.
Более эффективное пропитывание также наблюдалось, когда пропитывание было произведено с использованием электродов 4 и 5. Эта повышенная эффективность объясняется тем фактом, что существуют несколько скачкообразных изменений поля в направлении, параллельном направлению F подачи, потому что электроды 4 и 5 являются прерывистыми. Достигнутая с использованием электродов 4 и 5 повышенная эффективность пропитывания может также быть объяснена количеством поперечных кромок, которые имеет каждый из электродов 4 и 5. Электрическое поле, генерируемое у кромки электрода, имеет большую напряженность; это называется «краевым эффектом». Когда используются электроды 4 и 5 и, волокнистое полотно 2 и порошок 3 подвергаются множеству краевых эффектов, по мере того, как они перемещаются вдоль прохода 8.
Изобретение не ограничено вариантом осуществления, показанным на фиг.1-3. В частности каждая проводящая полоска 11 нижнего электрода необязательно должна быть обращена к проводящей полоске 11 верхнего электрода 5. Это имеет место, например, на фиг.4, которая показывает пару противоположно обращенных электродов 104 и 105 в соответствии с первой разновидностью варианта осуществления изобретения. Эти электроды 104 и 105 эквивалентны электродам 4 и 5 и могут заменять их в устройстве 1. Каждый из них состоит из ряда проводящих полосок 111. Проводящие полоски 111 электрода 104 и проводящие полоски электрода 105 смещены относительно друг друга параллельно направлению F подачи так, что они располагаются в шахматном порядке. Очевидно что, они также могут подвергаться меньшему смещению относительно друг друга. В дополнение, одна проводящая полоска электрода может быть частично обращена к проводящей полоске другого электрода и частично обращена к пазу, который отделяет две последовательных проводящих полоски того другого электрода.
Кроме того, проводящие полоски 11 или 111 одного из электродов могут быть направлены в направлениях, которые не являются параллельными к проводящим полоскам 11 или 111 другого электрода.
Проводящие полоски противоположно обращенных электродов могут также иметь различные формы. В частности они необязательно должны быть прямыми; это имеет место с проводящими полосками 211, показанными на фиг.5. Эти проводящие полоски 211 формируют один из двух противоположно обращенных электродов устройства пропитывания согласно второй разновидности варианта осуществления изобретения. Они выполняют ту же функцию, что и проводящие полоски 11 и 111, но являются волнообразными, как пазы 212, которые отделяют их друг от друга. Каждая проводящая полоска 211 имеет волнистость, которая может принять формы, отличные от той, которая показана на фиг.5, и, например, может иметь форму прямоугольной волны или пилообразную форму.
Также проводящие полоски 11, 111 или 211 одного устройства 1 пропитывания необязательно должны все иметь одинаковую ширину l. Например, широкие проводящие полоски 11, 111 или 211 могут чередоваться с более узкими проводящими полосками 11, 111 или 211. Подобным образом, проводящие полоски 11, 111 или 211 одного из двух противоположно обращенных электродов необязательно должны иметь ту же ширину, что и проводящие полоски 11, 111 или 211 другого электрода из пары противоположно обращенных электродов. В более обобщенном смысле, проводящие полоски двух противоположно обращенных электродов необязательно должны иметь одинаковую форму.
Кроме того, по меньшей мере, одна из проводящих полосок 11, 111 или 211 необязательно должна иметь постоянную ширину l. Например, она может быть более тонкой по направлению к одному ее концу и иметь полную трапецеидальную форму.