СПОСОБ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ВОЛОКОН И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ НИТЕЙ
METHOD AND EQUIPMENT FOR PRODUCTION OF CONDUCTIVE FIBERS AND FILAMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Способ и соответствующее оборудование для изготовления токопроводящих волокон и элементарных нитей из натуральных или полимерных волокон в виде волокнистого композитного материала для применения в текстильной промышленности и строительстве.
Уровень техники
6
Изготовление токопроводящих полимерных волокон путем внедрения или наслоения углерода уже давно известно в уровне техники. Так, например, в документе DE 698 30 847 T2 описан, в том числе, способ создания макроскопической молекулярной структуры из тонкотрубчатых молекул угля, причем способ включает следующие технологические этапы: по меньшей мере, примерно 10 тонкотрубчатых молекул углерода, главным образом с одинаковой длиной от 50 до 500 нм, объединяют посредством устройства сопряжения с субстратом, покрытым материалом. Субстрат состоит из золота, ртути и оксида индия и олова.
В документе DE 11 2013 005 811 T5 описан способ изготовления волокон, с покрытием из углеродных наноструктур. При этом способе двумерным структурам придают повышенную электропроводимость. Электропроводящие структуры включают подложку из множества волокон с заданной межволоконной апертурой и множества углеродных наноструктур, соответственно покрывающих волокна, по меньшей мере, частично с образованием мостиков перпендикулярно заданным апертурам между соседними волокнами для создания непрерывной углеродной наноструктуры.
Во всех этих решениях в качестве подложки применяют модифицированные полимеры. Натуральные волокна не используют.
Раскрытие изобретения
Задача данного изобретения - предложить способ и соответствующее оборудование для реализации способа изготовления токопроводящих волокон и элементарных нитей из натуральных или полимерных волокон в виде волокнистого композитного материала. Оборудование по данному изобретению и связанный с ним способ обеспечивают возможность изготовления, как из натуральных, так и из полимерных волокон токопроводящего материала, используемого в качестве основы для токопроводящей ткани.
По сравнению с материалом медных проводников волокнистый материал по данному изобретению обладает значительно более высокой мягкостью и гибкостью и, тем самым, большей универсальностью в применении.
Предлагаемое оборудование включает следующие основные узлы с возможностью их дополнения другими узлами для оптимизации способа по данному изобретению. Вязальную машину для изготовления вязаной ткани из натурального или полимерного волокна, сонохимический реактор с основными агрегатами, ультразвуковой гомогенизатор, ультразвуковой преобразователь с плоскоизлучателем, магнетрон, плоскоизлучатель и сушильную камеру с вибросистемой, несколько последовательно установленных ванн для химической и гальванической металлизации, соединенные в общую ванну, автоклав для обработки волокон, барабан для ультразвукового нагрева и калибровки волокон после выделения волокон из ткани и катушки для намотки готовых и обработанных волокон или нитей, а также систему управления всеми частями оборудования, в частности, для придания необходимых электрических параметров вязаной ткани.
Способ по данному изобретению включает следующие технологические этапы: изготовление вязаной ткани, которую затем подвергают в ванне предварительной активации, обезжириванию щелочным раствором или раствором кислоты в зависимости от материала волокон; затем ткань по натяжным роликам протягивают в сонохимическом реакторе через коллоидный раствор или суспензию, причем суспензию изготавливают ультразвуковом гомогенизаторе и непрерывно закачивают в сонохимический реактор и по трубопроводу отводят снова в ультразвуковой гомогенизатор, а в ультразвуковом гомогенизаторе ткань подвергают по всей ширине воздействию ультразвука и посредством кавитации и вибрации наносят на поверхность ткани наночастицы, которые затем фиксируют магнетроном в и на волокнах ткани; после ультразвукового гомогенизатора ткань проводят через сушильную камеру, причем сушат ее предпочтительно индуктивным методом, при котором вибросистема дополнительно препятствует соединению контактных точек ткани; затем следует химическая металлизация с последовательностью нейтрализации, активации, химической металлизации, окислительно-восстановительной реакции, химической нейтрализации, причем ткань по натяжным роликам проходит через, из и в отдельные участки под воздействием вибросистемы; затем следует гальваническая металлизация ткани с погружением в электролит с последующей гальванической нейтрализацией. Ткань проводят по натяжным роликам через барабаны с впитывающим покрытием и вибросистемой, действующие одновременно в качестве катодов в зоне гальванической металлизации. Нить ткани затем вытягивают из ткани, нагревают и калибруют в барабане и в качестве конечного продукта наматывают на катушки. Все технологические этапы, в частности создание электрических параметров, контролируют и непрерывно регулируют посредством элементов управления и регулирования.
Краткое описание чертежей
Вариант осуществления изобретения со способом и соответствующими частями оборудования более подробно раскрыт на примере чертежей, на которых изображено:
Фиг.1 схема последовательности технологических этапов изготовления электропроводящих волокон и элементарных нитей,
- схема последовательности технологических этапов термической стабилизации и калибровки волокон и элементарных нитей;
Фиг.2 изображение ткани в связанном состоянии;
Фиг.3 схема сонохимического реактора с ультразвуковым гомогенизатором, ультразвуковым преобразователем с плоскоизлучателем, магнетроном и сушильной камерой с вибросистемой;
Фиг.4 схема гальванической металлизации ткани с, в общей сложности, семью участками (нейтрализации, активации, химической металлизации, окислительно-восстановительной реакции, нейтрализации, электролитной ванны, нейтрализации) и
Фиг. 5 схема последовательности завершающих технологических этапов - вытягивание нити из ткани, калибровка и термостабилизация нити, наматывание готовой нити на катушку.
Способ описан далее во взаимосвязи с необходимыми частями оборудования.
Осуществление изобретения
Способ основан на выработке вязаной ткани 1 или тканых полос. Для этого посредством вязальной машины 38 натуральные и полимерные волокна перерабатывают с изготовлением вязаной ткани 1 или тканых полос. Ткань 1 в ванне 39 подвергают предварительной активации, обезжириванию щелочным раствором или раствором кислоты. Соответствующие растворы используют в зависимости от типа материала волокон.
Затем ткань 1 по натяжным роликам протягивают через ванну 17 сонохимического реактора (Фиг.3) сквозь коллоидный раствор 5 или суспензию. Суспензию изготавливают в ультразвуковом гомогенизаторе 2, 3, 4 и непрерывно закачивают в ванну 17 сонохимического реактора. Ультразвуковой гомогенизатор 2, 3, 4 состоит из емкости 4 для коллоидного раствора, ультразвукового генератора 2 и ультразвукового преобразователя 3. Емкость 4 для коллоидного раствора имеет отвод к системе 6 фильтрации с фильтром и насосом и вход в систему 15 охлаждения. Ультразвуковой генератор работает в диапазоне от 1000 до 2000 Вт и 20 кГц. Коллоидный раствор содержит различные наночастицы субстанций, выбираемых в зависимости от необходимых свойств готовых нитей, например серебра, углерода, меди, никеля или других металлов. Размеры наночастиц составляют до 200 нм. Концентрация наночастиц составляет до 70 г/л.
Изготовленный в ультразвуковом гомогенизаторе 2, 3, 4 коллоидный раствор 5 перекачивают насосом через фильтр системы 6 фильтрации в сонохимический реактор. Раствор 5 циркулирует в общей системе по состыкованному с системой 15 охлаждения трубопроводу 10 с регулировочным клапаном 9. Температуру раствора 5 замеряют в сонохимическом реакторе и в ультразвуковом гомогенизаторе 2, 3, 4 и доводят с помощью системы 15 охлаждения до соответствующе заданной температуры. Система 15 охлаждения работает на основе полупроводниковых термопар (элементов Пельтье).
В ванне 17 ткань 1 по всей ширине подвергают посредством плоскоизлучателей 14 воздействию ультразвука от ультразвукового преобразователя 13 и за счет этого методом кавитации и вибрации в диапазоне от 100 до 500 Вт наносят на поверхность ткани 1 наночастицы. В заключении ткань 1 протягивают через магнетрон 8. Магнетрон 8 работает с установленной мощностью до 900 Вт и фиксирует наночастицы в волокнах ткани 1.
В конце ванны 17 ткань 1 проходит через вибросистему 16, а за пределами ванны 17 ткань 1 пропускают через сушильную камеру 12, причем сушку осуществляют, предпочтительно индукцией, а дополнительная вибросистема 16 препятствует посредством своей вибрации соединению контактных точек ткани 1. В качестве заключительных технологических этапов согласно Фиг.4 следуют химическая металлизация 40 ткани 1 в общей ванне 18 с последовательность нейтрализации/очистки, например, полиэфирного материала в слабом растворе соляной кислоты при интенсивной циркуляции в ванне 22 в качестве участка I, химической активации, например, полиэфирного материала с погружением в раствор хлорида палладиума (PdCl2) и хлорида олова (SnCl4) при интенсивной циркуляции в ванне 23 в качестве участка II, химической металлизации и химического промотивирования, например, с AgNО3 в барабанах с впитывающим покрытием и вибрацией в ванне 24 в качестве участка III, окислительно-восстановительной реакции в ванне 25 в качестве участка IV, химической нейтрализации в ванне 26 в качестве участка V, причем ткань 1 натяжными роликами 7, некоторые из которых расположены внутри ванн, а некоторые расположены от ванны к ванне, пропускают через, из и в ванны 22, 23, 24, 25, 26, а в ваннах 24, 25 подвергают ткань 1 воздействию в дополнительных трех или четырех барабанах (19) с впитывающим покрытием и вибросистемой.
В заключении следует гальваническая металлизация 40 ткани 1 электролитом в ванне 27 в качестве участка VI с последующей гальванической нейтрализацией в ванне 28 в качестве участка VII. Здесь ткань 1 также пропускают по натяжным роликам 7 через барабаны 20 с впитывающим покрытием и вибросистемой, при этом барабаны одновременно служат катодом на участке гальванической металлизации и анодом 21 (на участке VI). Ткань 1 выходит из участка VII в качестве токопроводящей вязаной ткани 30. При необходимости перед каждым технологическим этапом химической обработки осуществляют промывание дистиллированной водой.
Также существует возможность химического нанесения дополнительного металлического слоя. Для этого используют дополнительную ванну с раствором окиси калия, гидроокиси калия с добавлением этилендиамина, щавелевой кислоты, молочной кислоты и окиси серебра. В заключение из токопроводящей вязаной ткани 30 вытягивают морщинистую нить 31, нагревают и калибруют ее в барабанах 32, а затем наматывают в качестве конечного продукта на катушку 34. Катушка 34 предназначена для намотки на нее готовых обработанных нитей/филаментных нитей. Калибровка в барабане 32 возможна одновременно через несколько параллельных желобков.
Все технологические этапы и, в частности, образование электрических параметров контролируют и регулируют посредством системы 36 управления и системы 36 регулировки.
Перечень условных обозначений
1 – вязаная ткань, вязанные тканые полосы
2 – ультразвуковой генератор
3 – ультразвуковой преобразователь
4 – емкость для коллоидного раствора
2 до 4 – ультразвуковой гомогенизатор
5 – коллоидный раствор, суспензия
6 – система фильтрации (фильтр и насос)
7 – натяжные ролики, направляющие ролики
8 - магнетрон
9 - клапан
10 - трубопровод
11 - полупроводниковая термопара (элемент Пельтье)
12 – сушильная камера
13 – ультразвуковой преобразователь с плоскоизлучателем
14 - плоскоизлучатель
15 – система охлаждения
16 - вибросистема
17 – ванна сонохимического реактора
18 – ванна с разделением на химическую металлизацию и гальваническую металлизацию
19 – барабаны с впитывающим покрытием и вибрацией в зоне химической металлизации
20 - барабаны с впитывающим покрытием и вибрацией в качестве катодов в зоне гальванической металлизации
21 - анод
22 – участок I, ванна химической нейтрализации
23 - участок II, ванна химической активации
24 - участок III, ванна химической металлизации
25 – участок IV, ванна окислительно-восстановительной реакции
26 - участок V, ванна химической нейтрализации
27 - участок VI, ванна с электролитом
28 - участок VII, ванна гальванической нейтрализации
29 – поверхность жидкости
30 – токопроводящая, вязаная ткань
31 – размотанная, тканая нить или сморщенное волокно
32 – барабан ультразвукового нагрева и калибровки
33 – нить или калиброванные и несморщенные волокна
34 – катушка для наматывания готовых обработанных нитей/филаментных нитей
35 – натяжные ролики
36 - система управления электрическими параметрами вязаной ткани
37 - автоклав
38 – вязальная машина
39 – ванна предварительной активации
40 - химическая и гальваническая металлизация.