ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2074519

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ

Имя изобретателя: Мурашов Борис Арсентьевич; Безукладов Владимир Иванович; Орлов Владимир Яковлевич; Офицерьян Роберт Вардгесович; Шумаев Сергей Васильевич 
Имя патентообладателя: Мурашов Борис Арсентьевич; Безукладов Владимир Иванович; Орлов Владимир Яковлевич; Офицерьян Роберт Вардгесович; Шумаев Сергей Васильевич
Адрес для переписки: 
Дата начала действия патента: 1994.05.31 

Изобретение относится к области электротермии и может быть использовано при производстве полимерных, например, стеклопластиковых электронагревателей. В способе изготовления полимерного, например, стеклопластикового электронагревателя, наносят на электроизоляционную подложку путем ее пропитки с уплотнением токопроводящего слоя на основе углерода элементного, графита и модифицированной феноло-формальдегидной смолы с образованием резистивного элемента. Наносят на него слои, пропитанные эпоксидным или эпоксифенольным, или феноло-формальдегидным связующим для образования электроизоляционного покрытия. Затем прессуют все слои при соответствующих температурно-временных режимах и давлении резистивный элемент перед нанесением на него электроизоляционного покрытия стопируют с аналогичными резистивными элементами и в стопированном виде термообрабатывают (отверждают) при температуре 130 - 140oС в течение 10 - 12 мин на каждый миллиметр толщины. Стопы. После термообработки извлекают из стопы, каждый резистивный элемент и наносят на него слои электроизоляционного покрытия с содержанием связующего в прилегающих к резистивному элементу слоях в 1,2 - 1,27 раза меньшем, чем в наружных, равном 40 - 47 мас.%. Технический результат от изобретения заключается в уменьшении брака полимерных электронагревателей по сопротивлению (мощности) и температурному полю, повышении их надежности и долговечности в процессе эксплуатации.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области электротермии и может быть использовано при производстве полимерных электронагревателей.

Известны способы изготовления полимерных электронагревателей, заключающиеся в нанесении на изоляционную подложку токопроводящего слоя на основе углерода элементного (сажи) или графита и связующего синтетической смолы путем пропитки с уплотнением при температурно-временных режимах и давлении, соответствующих виду синтетической смолы, последующем нанесении электроизоляционного покрытия и прессования всех слоев при соответствующих режимах [1,2]

Недостатками известных способов является нестабильность электрических параметров электронагревателя и как следствие неравномерность его температурного поля.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления полимерного электронагревателя, при котором на изоляционную подложку наносят токопроводящий слой на основе углерода (сажи), графита и синтетической смолы и образуют резистивный элемент путем пропитки с уплотнением, затем наносят на него изоляционное покрытие и прессуют все слои, причем пропитку с уплотнением и прессование ведут при температурно-временных режимах и давлении, соответствующих виду синтетической смолы [3]

Основной недостаток способа изготовления полимерного электронагревателя [3] заключается в нестабильности значений R токопроводящего препрега (ТПП) по сравнению с заданным, в связи с неравномерным по поверхности резистивного элемента изменением сопротивления (в сравнении с первоначальным значением) при дополнительном уплотнении (опрессовке), что связано с подвижностью (текучестью) неотвержденного ТПС в процессе нагрева под большим давлением, непараллельностью прокладочных листов, плит пресса и т.п. факторов.

Как следствие указанного недостатка большая (до 40oС) неравномерность температурного поля на поверхности резистивного элемента и полимерного электронагревателя, изготовленного с его применением, как в исходном состоянии, так и в течение длительного (до 15-20 лет) срока эксплуатации. В связи с высокой неоднородностью температурного поля, в отдельных точках резистивного элемента при эксплуатации полимерного электронагревателя возникают зоны перегрева, что, в свою очередь, ведет к прогарам в этих местах и выходу полимерного электронагревателя из строя.

Целью изобретения является разработка такого способа изготовления полимерного электронагревателя, разброс сопротивления по поверхности которого не должен быть больше, чем у ТПС, из которой он изготовлен, а разброс по температурному полю не более 6-8oС.

Техническим результатом изобретения является повышение стабильности полимерного электронагревателя по сопротивлению (мощности), температурному полю, уменьшение брака, повышение его надежности и долговечности в процессе эксплуатации.

Поставленная задача и технический результат изобретения достигаются за счет:

  • проведения операции термообработки (отверждения) резистивного элемента без уплотнения (опрессовки);

  • изменения режима термообработки (отверждения) резистивного элемента;

  • изменения содержания связующего в электроизоляционных слоях, прилегающих к резистивному элементу.

Для этого в способе изготовления полимерного, например, стеклопластикового электронагревателя, включающем нанесение на электроизоляционную подложку путем ее пропитки с уплотнением токопроводящего слоя на основе углерода элементного, графита и модифицированной феноло-формальдегидной смолы с образованием резистивного элемента, нанесение на него слоев, пропитанных эпоксидным или эпоксифенольным или феноло-формальдегидным связующим для образования электроизоляционного покрытия с последующим прессованием всех слоев при соответствующих температурно-временных режимах и давлении, отличающийся тем, что резистивный элемент перед нанесением на него электроизоляционного покрытия стопируют с аналогичными резистивными элементами и в стопированном виде термообрабатывают (отверждают) при температуре 130-140oС в течение 10-12 мин на каждый миллиметр толщины стопы, после термообработки извлекают из стопы, на него и каждый оставшийся наносят слои электроизоляционного покрытия с содержанием связующего в прилегающих к резистивному элементу слоях в 1,2-1,27 раза меньшем, чем в наружных, равном 40-47 мас. и их прессуют.

Отличительными особенностями предложенного способа изготовления полимерного электронагревателя являются следующие признаки:

  • отверждение резистивных элементов проводят в стопированном из них виде по режиму 130-140oС в течение 10-12 мин на каждый миллиметр стопы, без давления;

  • в прилегающих к резистивному элементу слоях изоляционного покрытия обеспечивают содержание связующего в 1,2-1,27 раза меньше, чем в наружных, равном 40-47 мас.

Указанные отличительные признаки являются существенными, т.к. каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижения нового положительного эффекта в соответствии с целью изобретения.

Так, например, если исключить термообработку (отверждение) резистивного элемента при 130-140oС в течение 10-12 мин на каждый миллиметр толщины стопы или провести отверждение по другому температурно-временному режиму, то полимерный электронагреватель получается с сопротивлением (мощностью), не соответствующим заданному, и с большим разбросом по температурному полю. Более того, если отверждение резистивного элемента производить под давлением, то у него разброс по сопротивлению и, как следствие, у полимерного электронагревателя по температурному полю будет еще больше.

При изготовлении полимерных электронагревателей важной задачей является обеспечение сопротивления таким же или близким, как и у резистивных элементов, на основе которых они изготовляются. Однако, если в прилегающих к резистивному элементу изоляционных слоях не обеспечить содержание связующего в 1,2-1,27 раза меньше, чем в наружных, т.е. 33-37 мас. то невозможно изготовить полимерный электронагреватель с заданным и стабильным (не более ±7 Ом) сопротивлением и разбросом по температурному полю не выше 6-8oС.

Единая совокупность новых и общих известных существенных признаков обеспечивают решение поставленной задачи и достижение нового положительного эффекта, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Техническое решение является результатом исследовательской работы, в нем не использованы стандартные решения и нормативные указания, оно носит характер творческого вклада и характеризуется критерием "Изобретательский уровень".

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В СЛЕДУЮЩЕМ

В шаровой мельнице приготавливают токопроводящее связующие (ТПС), представляющее собой 30-60% -ный спиртовой раствор, состоящий из феноло-формальдегидной смолы, например, бакелитового лака ЛБС-20, модифицированного клеем БФ-4, углерода (сажи) и графита (в соотношении от 4:1 до 6:1) в суммарном количестве 40 мас. (на сухой остаток смоляной части).

Изготовление резистивного элемента производят путем пропитки стеклоткани (марок Т-10 или Т-13) ТПС с уплотнением между отжимными валами (при цеховой температуре) с удельным давлением 1-5 кгс/см2. В зависимости от требуемой величины сопротивления квадрата (100х100 мм) ткани (при замере на машине) производят однократную (или 2-3-х кратную) пропитку по следующему режиму:

  • Скорость пропитки, м/мин 0,6 1,25

  • Температура в шахте, oС:

    • электрической 100±10

    • паровой 110±5

  • Расход воздуха, м3/ч 1500 1800

  • Зазор между отжимными валками, мм 0,35-0,6

  • Cопротивление квадрата ткани, Ом 30-160

Из полученной токопроводящей ткани (ТПТ) изготовляют резистивный элемент по размерам, исходя из размеров электронагревателя.

Затем резистивные элементы в стопированном виде (не более 100 шт. в каждой стопе) помещают в термошкаф (с равномерной циркуляцией нагретого воздуха) и термообрабатывают (отверждают) без давления по режиму: 130-140oС в течение 10-12 мин на каждый миллиметр толщины стопы.

После отверждения осуществляют замер сопротивления каждого резистивного элемента, а затем закрепляют (одним из известных способов) токоведущие шинки из латуни или меди, расположенные параллельно на поверхности резистивного элемента.

Полученный резистивный элемент изолируют с обеих сторон одним слоем стеклоткани Т-10 или Т-13, пропитанной электроизоляционным связующим эпоксидного или эпоксифенольного или фенолоформальдегидного типа с содержанием связующего 33-37 мас. и двумя слоями стеклоткани Э31-100П (или Э31-125П), пропитанной связующим той же марки, что и стеклоткань Т-10 (или Т-13), но с содержанием связующего 40-47 мас.

В качестве электроизоляционных связующих были опробованы: эпоксидные - марки ЭХД-У (ТУ В3-708-85), эпоксифенольное лак ЭП-5122 (ТУ 16-504.010-84) и феноло-формальдегидное бакелитовый лак ЛБС-20 (ГОСТ 901-78).

Для всех указанных марок электроизоляционных связующих был выбран один и тот же (близкий к оптимальному) режим прессования (указан ниже). Данный режим позволяет получить стеклопластиковый электронагреватель с высокими диэлектрическими показателями электроизоляционных слоев (стеклопластика): тангенс угла диэлектрических потерь не более 0,015; удельное объемное электрическое сопротивление не менее 2х1013 Ом·см; диэлектрическая проницаемость не менее 5,5; электрическая прочность не ниже 15 кВт/мм. Приведенные в табл. 2,3 данные, соответствуют всем трем указанным типам электроизоляционных связующих.

Пакетным способом производят прессование полимерного электронагревателя по следующему режиму:

подъем температуры до 145-150oС в течение 35-40 мин, выдержка при этой температуре 20-25 мин на миллиметр толщины прессуемого электронагревателя, удельное давление прессования 25 кгс/см2.

В табл. 1 даны сравнительные данные по операциям и режимам изготовления полимерного электронагревателя по прототипу и изобретению.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ. Патент Российской Федерации RU2074519

Как следует из табл. 1 в прототипе резистивный элемент отверждается в прессе под удельным давлением 5-40 кг/см2, в связи с этим нарушается структура проводящего слоя, созданная в процессе пропитки стеклоткани ТПС (с уплотнением между отжимными валками).

В предлагаемом техническом решении резистивный элемент отверждается при указанных температурах и временных режимах в стопированном из них виде без давления, что позволяет застабилизировать нанесенный токопроводящий слой.

Как видно из табл. 2, стабильность резистивного элемента, а следовательно, и ННЭ по температурному полю максимальный разброс состаляет 6-8oC (против 12-30oС для прототипа). При этом разброс по сопротивлению материала резистивного элемента остается таким же, как и у ТПТ (токопроводящей ткани) после пропитки, то есть, ±2 Ом (по основе).

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ. Патент Российской Федерации RU2074519

Наиболее оптимальным режимом отверждения резистивного элемента, когда разброс по температуре составляет 6-8oС, достигается при температуре отверждения 130-140oС и выдержке 10-12 мин на каждый миллиметр толщины стопы из резистивных элементов.

При изготовлении стеклопластиковых ННЭ (обычно толщиной 1,2-1,5 мм) содержание связующего в изоляционных слоях пропитанной стеклоткани должно обеспечивать высокую монолитность стеклопластика (отсутствие расслоений, трещин, пустот и т.п.), т. е. межслоевая прочность, или прочность при скалывании должна составлять не менее 300 кг/см2. Применяемые при изготовлении ННЭ, особенно для бытовых целей, для улучшения внешнего вида различные декоративные материалы (бумага, хлопчатобумажные ткани и т.п.) требуют для обеспечения пропитываемости дополнительное количество связующего в изоляционных слоях.

Установлено, что для выполнения этих требований необходимо и достаточно содержание связующего в изоляционных слоях 40-47 мас.

Однако, если в прилегающих к резистивному элементу слоях изоляционного покрытия оставить такое содержание связующего, то сопротивление ННЭ будет существенно отличаться от сопротивления резистивного элемента после термообработки (примеры 6, 7 табл. 3).

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ. Патент Российской Федерации RU2074519

В связи с этим содержание связующего в изоляционных слоях прилегающих к резистивному элементу, должно быть в 1,2-1,27 раза меньше, чем в наружных, т. е. 33-37 мас. (примеры 3 5, табл. 3).

При содержании связующего менее 33 мас. (примеры 1, 2 табл. 3) не выполняется требование по межслоевой прочности, а также имеют место расслоения на границе раздела резистивный элемент -электроизоляционный слой.

Электроизоляционное покрытие с каждой стороны резистивного элемента (примеры 2-10 состоит из одного (прилегающего к резистивному элементу) слоя ткани Т-10 или Т-13, пропитанной эпоксидным или эпоксифенольным или феноло-формальдегидным связующим с содержанием последнего 33-37 мас. а затем двух слоев стеклоткани Э31-100П (или Э31-125П), пропитанной тем же связующим, но с содержанием последнего 40-47 мас.

При этом изменение удельного давления прессования при изготовлении ННЭ в пределах 20-25 кгс/см2 практически не изменяет сопротивления резистивного элемента и обеспечивает получение заданного (в пределах допустимого ГОСТ разброса не более ± 7 Ом) сопротивления ННЭ.

Снижение удельного давления прессования менее 20 кгс/см2, как показали опыты, ведет к ухудшению внешнего вида ННЭ (непропрессовки, непропитанные участки декоративного материала, снижение межслоевой прочности и т.п.), а увеличение более 25 кгс/см2, к чрезмерному выдавливанию связующего из изоляционных слоев и также к появлению вышеназванных дефектов.

По предложенному способу были изготовлены полимерные электронагреватели (в количестве 400 шт.) со следующими характеристиками: рабочее напряжение - 220 В; мощность 350 Вт.

Результаты испытаний полимерных электронагревателей, полученных предложенным способом, являются положительными. Разброс по сопротивлению резистивных элементов по поверхности и полимерных электронагревателей не превышал ±7Ом, средняя температура поверхности составляла 110oC, а ее разброс 4-8oC.

Таким образом предложенное новое техническое решение является воспроизводимым в условиях промышеленного производства полимерных электронагревателей и характеризуется соответствием критерию "Промышленная пнименимость", т.е. уровню изобретения.

На его создание и использование целесообразно обеспечение защиты исключительных прав патентом.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ изготовления полимерного, например стеклопластикового, электронагревателя, при котором наносят на электроизоляционную подложку путем ее пропитки с уплотнением токопроводящий слой на основе углерода элементного, графита и модифицированной фенолоформальдегидной смолы с образованием резистивного элемента, наносят на него слои, пропитанные эпоксидным, или эпоксифенольным, или фенолоформальдегидным связующим для образования электроизоляционного покрытия с последующим прессованием всех слоев при соответствующих температурно-временных режимах и давлении, отличающийся тем, что резистивный элемент перед нанесением на него электроизоляционного покрытия стопируют с аналогичными резистивными элементами и в стопированном виде термообрабатывают (отверждают) при 130-140oС в течение 10-12 мин на каждый миллиметр толщины стопы, после термообработки извлекают из стопы каждый резистивный элемент и наносят на него слои электроизоляционного покрытия с содержанием связующего в прилегающих к резистивному элементу слоях, в 1,2-1,27 раза меньшим, чем в наружных, равным 40-47 мас.

Версия для печати
Дата публикации 02.12.2006гг


вверх