Способ и оборудование для изготовления токопроводящих волокон и элементарных нитей

Изобретение относится к изготовлению токопроводящих волокон и элементарных нитей из натуральных или полимерных волокон в виде волокнистого композитного материала для применения в текстильной промышленности и строительстве. Способ включает этап изготовления посредством вязальной машины вязаной ткани, которую затем подвергают предварительной активации. Далее ткань обрабатывают в сонохимическом реакторе, где с помощью ультразвукового гомогенизатора наносят наночастицы на поверхность ткани. Ткань сушат и предотвращают соединение контактных точек в ткани посредством вибросистемы. Затем следует химическая металлизация ткани с последовательностью нейтрализации, химической активации, химической металлизации, окислительно-восстановительной реакции и химической нейтрализации. В заключение из токопроводящей вязаной ткани вытягивают сморщенную вязальную нить, ее нагревают, калибруют и наматывают в качестве конечного продукта на катушку. Обеспечивается повышение мягкости и гибкости нити, что приводит к большей универсальности в применении. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

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

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 10⁶ 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.

1. Способ изготовления токопроводящих волокон и элементарных нитей из натуральных или полимерных волокон в виде волокнистого композитного материала,

отличающийся следующими технологическими этапами:

- изготовление посредством вязальной машины (38) вязаной ткани (1) из натуральных или полимерных волокон, которую затем подвергают в ванне (39) предварительной активации, обезжириванию щелочным раствором или раствором кислоты в зависимости от материала волокон;

- затем ткань (1) по натяжным роликам (7) протягивают через ванну (17) сонохимического реактора через коллоидный раствор (5) или суспензию, причем суспензию изготавливают в ультразвуковом гомогенизаторе (2, 3, 4) и непрерывно закачивают в ванну (17) и по трубопроводу (10) снова отводят в ультразвуковой гомогенизатор (2, 3, 4), а в ванне (17) ткань (1) подвергают по всей ширине воздействию ультразвука и посредством кавитации и вибрации наносят на поверхность ткани (1) наночастицы, которые затем фиксируют магнетроном (8) в и на волокнах ткани (1);

- после ванны (17) ткань (1) проводят через сушильную камеру (12), причем сушат ее предпочтительно индуктивным методом, при котором вибросистема (16) дополнительно препятствует соединению контактных точек ткани (1);

- затем следует химическая металлизация ткани (1) с последовательностью нейтрализации в ванне (22), химической активации в ванне (23), химической металлизации в ванне (24), окислительно-восстановительной реакции в ванне (25), химической нейтрализации в ванне (26), причем ткань (1) по натяжным роликам (7) проходит через, из и в ванны (22, 23, 24, 25, 26), а в ваннах (24, 25) на ткань (1) дополнительно воздействуют барабаны с впитывающим покрытием и вибросистемой (19) и затем следует гальваническая металлизация ткани (1) с погружением в электролит в ванне (27) с последующей гальванической нейтрализацией в ванне (28) с проведением ткани (1) по натяжным роликам (7) через барабаны (20) с впитывающим покрытием и вибросистемой, которые действуют одновременно в качестве катодов в зоне гальванической металлизации;

- в заключение из токопроводящей вязаной ткани (30) сморщенную вязальную нить (31) вытягивают, нагревают и калибруют в барабанах (32) и в качестве конечного продукта наматывают на катушку (34), причем все технологические этапы, в частности создание электрических параметров, контролируют и регулируют посредством системы (36) управления и регулирования.

2. Способ изготовления токопроводящих волокон по п. 1,

отличающийся тем, что

изготовленный в ультразвуковом гомогенизаторе (2, 3, 4) коллоидный раствор (5) перекачивают насосом через фильтр системы (6) фильтрации в сонохимический реактор, при этом коллоидный раствор (5) циркулирует в трубопроводе (10) и системе (15) охлаждения и поступает обратно в ультразвуковой гомогенизатор (2, 3, 4), причем температуру коллоидного раствора (5) замеряют в сонохимическом реакторе и в ультразвуковом гомогенизаторе (2, 3, 4) и доводят с помощью системы (15) охлаждения до соответствующей заданной температуры.

3. Способ изготовления токопроводящих волокон по п. 1,

отличающийся тем, что

магнетрон (8) работает с установленной мощностью до 900 Вт.

4. Способ изготовления токопроводящих волокон по п. 1,

отличающийся тем, что

калибровку в барабане (32) осуществляют одновременно в нескольких параллельных желобках.

5. Оборудование для изготовления токопроводящих волокон и элементарных нитей для осуществления способа по любому из пп. 1–4,

отличающееся тем, что комплект оборудования включает

- вязальную машину (38) для изготовления вязаной ткани (1) из натуральных или полимерных волокон,

- ванну предварительной активации для обезжиривания ткани (1), ванну (17) сонохимического реактора с основными составными частями: ультразвуковым гомогенизатором (2, 3, 4), ультразвуковым преобразователем с плоскоизлучателем (13), магнетроном (8), плоскоизлучателем (14) и сушильной камерой (12) с вибросистемой (16),

- несколько ванн (22, 23, 24, 25, 26) химической металлизации и ванн (27, 28) гальванической металлизации, объединенные в общую ванну (18),

- автоклав (37) для обработки волокон, барабан (32) ультразвукового нагрева и калибровки волокон после их вытягивания из токопроводящей вязаной ткани (30) и катушка (34) для наматывания готовых обработанных нитей или филаментных нитей, а также систему (36) управления всеми частями оборудования, в частности, для обеспечения заданных электрических параметров вязаной ткани (30).

6. Оборудование по п. 5,

отличающееся тем, что

ультразвуковой гомогенизатор (2, 3, 4) состоит из емкости (4) для коллоидного раствора с отводом к системе (6) фильтрации с фильтром и насосом и входом в систему (15) охлаждения, а в емкости (4) для коллоидного раствора установлен ультразвуковой генератор (2) и ультразвуковой преобразователь, причем ультразвуковой преобразователь оснащен точной настройкой и работает с мощностью от 100 до 500 Вт с частотой до 40 кГц.

7. Оборудование по п. 5 или 6,

отличающееся тем, что

ванны (22, 23, 24, 25, 26) химической металлизации, включающие:

участок I – ванна (22) химической нейтрализации,

участок II – ванна (23) химической активации,

участок III – ванна (24) химической металлизации и промотивирования,

участок IV – ванна (25) окислительно-восстановительной реакции,

участок V - ванна (26) химической нейтрализации,

оборудованы натяжными роликами (7), некоторые из которых расположены внутри ванн (22, 23, 24, 25, 26), а некоторые расположены от ванны к ванне, а на участке III и на участке IV оборудованы соответственно тремя или четырьмя барабанами (19) с впитывающим покрытием и вибросистемой.

8. Оборудование по любому из пп. 5–7,

отличающееся тем, что

ванны (27, 28) гальванической металлизации состоят из:

участка VI – ванна (27) электролита с катодом (20) и анодом (21), и

участка VII – ванна (28) гальванической нейтрализации с натяжными роликами (7) внутри ванн (27, 28) и барабанами (20) с впитывающим покрытием и вибросистемой, которые одновременно служат катодом на участке гальванической металлизации и анодом (21) на участке VI.