арамидная элементарная нить, снабженная проводящим отделочным покрытием

Формула изобретения

1. Арамидная комплексная нить, снабженная отделочным покрытием, составляющим >1,5 мас.%, из органического вещества с проводимостью >4 мСм/см, измеренной при содержании отделочного вещества 50 мас.% в воде при 20°С, обладающая удельным электрическим сопротивлением <2,5·10⁴ Ом·см.

2. Арамидная комплексная нить по п.1, снабженная отделочным покрытием, составляющим >2 мас.%, из органического вещества с проводимостью >30 мСм/см, измеренной при содержании отделочного вещества 50 мас.% в воде при 20°С, обладающая удельным электрическим сопротивлением <2·10³ Ом·см.

3. Арамидная комплексная нить по п.1 или 2, снабженная отделочным покрытием, составляющим >2 мас.%, из органического вещества с проводимостью >41 мСм/см, измеренной при содержании отделочного вещества 50 мас.% в воде при 20°С, обладающая удельным электрическим сопротивлением <10³ Ом·см.

4. Способ изготовления комплексной нити по п.1, обладающей удельным электрическим сопротивлением <2,5·10⁴ Ом·см, включающий в себя нанесение раствора органического вещества на арамидную нить так, чтобы получить >1,5 мас.% вещества по отношению к общей массе нити без отделочного покрытия, отличающийся тем, что органическое вещество обладает проводимостью >4 мСм/см, измеренной при содержании отделочного вещества 50 мас.% в воде при 20°С.

5. Применение нити по любому из пп.1-3 для транспортировки электрического тока.

6. Применение по п.5 для транспортировки электрического тока в арамидсодержащем материале.

7. Применение по п.5 для транспортировки электрического тока в лифтовом кабеле.

8. Применение по п.5 для транспортировки электрического тока в лифтовом кабеле, по существу состоящем из арамидной нити.

9. Кабель, по существу, состоящий из арамидной нити и по меньшей мере одной арамидной комплексной нити, снабженной отделочным покрытием, составляющим >1,5 мас.%, из органического вещества с проводимостью >4 мСм/см, измеренной при содержании отделочного вещества 50 мас.% в воде при 20°С, и обладающей удельным электрическим сопротивлением <2,5·10 ⁴ Ом·см.

10. Кабель по п.9, который является лифтовым кабелем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к арамидной элементарной нити, снабженной проводящим отделочным покрытием, к способу изготовления такой нити, к применению упомянутой нити и к кабелю, содержащему упомянутую нить.

Общим недостатком нитей является их разрыв при использовании в некоторых областях применения. Разрыв нити может происходить в результате перегрузки, усталости или износа. Повреждение заземленного кабеля может также происходить в результате его повреждения, вызванного грызунами. В лифтовых кабелях разрыв кабелей является серьезной проблемой с точки зрения безопасности. Известно введение в армированные арамидные лифтовые кабели, например, одной или более углеродных нитей или металлической проволоки в качестве детектора разрыва. Такие «обработанные» армированные арамидные кабели, однако, не обладают такими же механическими характеристиками, как кабели, изготовленные только из необработанных арамидных нитей. Кроме того, характеристики на разрыв такой углеродной нити или металлической проволоки отличаются от характеристик на разрыв арамидной нити, что является препятствием для точного определения опасности разрыва армированного арамидного кабеля. Отличающиеся механические свойства неарамидных нитей в сравнении с основным армирующим материалом кабеля существенно усложняют предсказуемость разрыва кабеля. Таким образом, создание арамидной нити, обладающей достаточными электропроводящими свойствами, но при этом обладающей теми же механическими характеристиками, что и необработанные арамидные нити в кабеле, было бы преимуществом.

Предложены некоторые решения упомянутых выше проблем. В WO 9748832 нить покрывали металлом, таким как никель, с использованием кислоты. Такая обработка позволяет получать металлизированные нити, поверхности волокон которых могут быть повреждены в результате обработки кислотой, что приводит к снижению свойств разрывопрочности и/или относительного удлинения. В WO 9325748 раскрыт способ обработки арамидных волокон дисперсией порошкообразного графитового материала в вызывающем набухание растворителе. При использовании этого способа также имеет место риск повреждения поверхности волокна. Кроме того, оба способа являются очень сложными, требуют больших затрат времени и, следовательно, являются дорогостоящими.

В данной области техники известны также арамидные волокна и нити с антистатическим отделочным покрытием. В патенте США № 5478648 раскрыты арамидные волокна с отделочным покрытием, наносимым после их формования, обладающие полезными свойствами для изготовления листового материала. Эти волокна содержат антистатическое отделочное покрытие на основе фосфористых и/или фосфоновых сложных эфиров, однако в этом патенте не раскрыто, что они обладают очень низким удельным электрическим сопротивлением, таким как <2,5·10 ⁴ Ом·см. Аналогично в патенте США № 5674615 описаны отделанные арамидные волокна для текстильных листовых материалов, про которые не сказано, что они обладают очень низким удельным электрическим сопротивлением, а в ЕР 416486 были раскрыты отделанные арамидные волокна с относительно высоким удельным электрическим сопротивлением, предназначенные для использования при армировании эластомерных и пластиковых материалов. В WO 9215747 были раскрыты арамидные волокна, которые обработаны путем нанесения антистатического покрытия. Эти волокна могут быть использованы для армирования ремней, канатов (строп), оптических кабелей, каучука и композитов. Однако нигде не сказано, что раскрытые в этом документе кабели обладают очень низким удельным электрическим сопротивлением или пригодны для использования в качестве детекторов разрыва в лифтовых кабелях.

В настоящем изобретении, таким образом, предложено решение упомянутых выше проблем с использованием простого способа, не требующего больших затрат времени, недорогого и не связанного с каким-либо риском повреждения волокон, для получения отделанных волокон с очень низким удельным электрическим сопротивлением, в частности - для использования в качестве детектора разрыва лифтовых кабелей (подъемных тросов). Было установлено, что арамидная комплексная нить, снабженная отделочным покрытием, составляющим >1,5 мас.%, из органического вещества с проводимостью >4 мСм/см, измеренной при содержании отделочного вещества 50 мас.% в воде при 20°С, обладающая удельным электрическим сопротивлением <2,5·10⁴ Ом·см, имеет достаточную проводимость для ее использования в качестве детектора разрыва, причем без какого-либо воздействия на ее механические свойства. Это является существенным преимуществом по сравнению с использованием, например, углеродной нити или металлической проволоки в качестве детектора разрыва в армированных арамидных лифтовых кабелях, например таких, которые известны из патента США № 5834942. Электрическая проводимость обработанной органическим веществом и поврежденной нити снижается в результате разрывов, вызванных износом или усталостью, и предоставляет пользователю информацию об оставшемся сроке службы кабеля. Электрическая проводимость нити или кабеля может быть определена с помощью омметра или универсального измерительного прибора (мультиметра). Когда на арамидную комплексную нить наносят отделочные покрытия, содержащие проводящее органическое вещество (ПОВ), то электрическое сопротивление нити понижается. В зависимости от количества отделочного покрытия и от проводимости нанесенного органического вещества обработанная нить может быть использована как таковая или в сочетании с необработанной арамидной комплексной нитью в качестве детектора для раннего обнаружения разрыва в (лифтовых, несущих, заземленных) кабелях или благодаря ее низкому электрическому сопротивлению во вспомогательных устройствах (щетках, роликах), которые должны наводить или удалять статическое электричество, например, в плеерах, накопителях на магнитной ленте, компакт-дисках и т.п.

Проводящее органическое вещество (ПОВ) может быть нанесено на мокрую или высушенную нить в виде отделочного покрытия после ее формования (до или после сушки, как таковое или разбавленное растворителем, таким как вода) в процессе формования (вытягивания) или на отдельной технологической стадии при относительно высокой скорости нити.

Предпочтительными являются арамидные комплексные нити, обработанные проводящим органическим веществом в количестве >2 мас.% с проводимостью >30 мСм/см. Более предпочтительными являются нити, обработанные проводящим органическим веществом в количестве >2 мас.% с проводимостью >41 мСм/см. Удельное электрическое сопротивление такой нити предпочтительно составляет <2·10³ Ом·см, более предпочтительно <10³ Ом·см. Особенно подходящие количества ПОВ находятся в пределах диапазона от 3 до 12 мас.%, более предпочтительно - в пределах диапазона 4-9 мас.%. Доля (мас.%) дана по отношению к общей массе нити без отделочного покрытия.

Подходящими органическими веществами, которые пригодны для использования в настоящем изобретении, являются соли или материалы, имеющие статически заряжаемые кислотные или щелочные группы. Материалы с кислотными группами предпочтительно имеют карбоксилатные, фосфонатные или сульфонатные группы. Материалы с щелочными группами предпочтительно имеют аминогруппы.

Особенно предпочтительными материалами являются жирные кислоты, карбоновые кислоты, циклоалкилфосфаты, циклоалкилфосфонаты, циклоалкилсульфаты, циклоалкилсульфонаты, производные имидазолина и полимеры, такие как полидиаллилдиметиламмонийхлорид и т.п.

Арамидные нити предпочтительно изготавливают из поли-п-фенилентерефталамида (ПФТА), но они могут также содержать небольшие количества других мономеров.

ПОВ наносят на нить обычными способами, известными в данной области техники. ПОВ может быть нанесено в растворе. Растворителем может быть любой подходящий растворитель, такой как спирт, простой эфир, тетрагидрофуран, ацетон, бензол, толуол, этилацетат, дихлорметан и т.п. Наиболее предпочтительно наносить ПОВ в виде водного раствора. Некоторые ПОВ продаются в виде водосодержащего препарата, который может быть нанесен в таком виде, как он есть.

Подходящее количество наносимого ПОВ может быть очень легко определено путем простого измерения проводимости, которое само по себе известно в данной области техники. Когда проводимость ПОВ или раствора ПОВ определена, квалифицированный специалист легко сможет нанести требуемое количество отделочного покрытия, которое требуется для конкретного применения.

Изобретение относится также к применению этих нитей в кабелях и к кабелям, содержащим упомянутые нити, причем эти кабели обладают теми же самыми механическими характеристиками, что и кабели, изготовленные из необработанных арамидных нитей. Изобретение особенно пригодно для изготовления лифтовых кабелей, которые обычно содержат детектор разрыва из отличающегося материала, такого как углеродное волокно, что приводит к получению кабелей с измененными механическими свойствам. Настоящее изобретение обеспечивает возможность изготовления кабелей, в частности - лифтовых кабелей (подъемных тросов), из сходных нитей, т.е. состоящих из необработанной нити и такой же или подобной нити, обработанной отделочным составом согласно изобретению.

Методика определения проводимости отделочного состава

Подходящая методика определения проводимости отделочного состава согласно изобретению заключается в следующем.

Достаточное количество испытываемого водного отделочного раствора (50 мас.% воды и 50 мас.% ПОВ) заливают в химический стакан. Затем определяют проводимость этого раствора в соответствии со стандартом DIN 38404, часть 8 (9.1985) при температуре 20°С.

Если содержащий ПОВ отделочный раствор имеет меньшее или большее содержание воды, чем 50 мас.%, то концентрацию отделочного раствора необходимо довести до 50 мас.% путем соответствующего добавления деминерализованной воды или выпаривания воды посредством нагрева раствора на горячей плите при перемешивании при повышенной температуре ниже 100°С. Для измерения проводимости использовали прибор-измеритель проводимости типа LF 537 компании Wissenschaftlich-Technische Werkstätten GmbH, г. Вельхейм, Германия.

Содержание воды в отделочном растворе определяли по методу Карла Фишера. Точное описание этого метода определения содержания воды посредством реагента Карла Фишера приведено в руководстве «Титрование Карла Фишера, метод определения содержания воды» Югена Шольца, Спрингер-Ферлаг, 1984 г.

Методика определения удельного электрического сопротивления

Для определения удельного электрического сопротивления арамидных нитей использовали держатель образцов, состоящий из двух медных прутков, отделенных двумя политетрафторэтиленовыми стержнями. Расстояние между прутками составляло 52 мм. Испытываемую нить наматывали в виде нескольких витков (предпочтительно 3-7) вокруг двух этих медных прутков, которые подсоединяли к источнику постоянного тока высокого напряжения и электрометру Keithley. Электрометром Keithley измеряли силу тока после того, как к медным прутками прикладывали напряжение 500 В при температуре 20°С и при относительной влажности 65%. Удельное электрическое сопротивление нити вычисляли на основе закона Ома, учитывая длину нити между медными прутками, число сложений нити и площадь поперечного сечения нити.

Изобретение далее проиллюстрировано следующими неограничивающими примерами.

Пример 1

Этот пример иллюстрирует способ нанесения отделочного покрытия, содержащего проводящее органическое вещество (ПОВ), на мокрую, предварительно не просушенную нить в ходе операции, интегрированной с процессом формования нити. Прядильную массу готовили путем смешивания «снега» концентрированной (99,8 мас.%) серной кислоты с порошковым поли-п-фенилентерефталамидом. Прядильную массу деаэрировали, нагревали до 90°С в двухшнековом экструдере и подавали в фильеру через фильтр посредством прядильного насоса. Фильера имела 1000 отверстий диаметром 59 микрометров. Прядильную массу экструдировали через отверстия фильеры и после этого последовательно пропускали через воздушную зону длиной 8 мм и коагуляционную ванну. Эта ванна представляла собой разбавленный раствор серной кислоты в воде (примерно 19% по массе) с температурой 5°С. Пучок сформованных таким образом элементарных нитей последовательно пропускали через нейтрализационную ванну, содержавшую разбавленный раствор карбоната натрия, и через промывочную ванну, в которой элементарные нити тщательно промывали водой при температуре примерно 75°С. Излишнюю захваченную воду удаляли с помощью пары отжимных валов. Затем непросушенный пучок элементарных нитей обрабатывали водным отделочным раствором, содержавшим ПОВ, с помощью аппликатора жидкости и питающего насоса. Затем нить пропускали по ряду из 3-х сушильных барабанов (6 витков при 160°С; 6 витков при 180°С; 4 витка при 200°С). Нить находилась в контакте с поверхностью барабанов суммарно в течение 5-6 секунд.

Далее нить пропускали по транспортирующему барабану (4 витка при температуре примерно 20°С) и сматывали в паковку со скоростью 400 м/мин. Полученная нить обладала линейной плотностью 1610 дтекс. Варьировали следующие технологические условия (см. таблицы А и В):

а) состав отделочного раствора, содержащего ПОВ;

b) количество ПОВ на нити.

Таблица А Водные отделочные растворы, содержащие проводящие органические вещества (ПОВ)
Концентрация отделочного раствора в мас.%	Код отделочного состава
	a1 20	b1 20	c1 20	d1 20
Содержание ПОВ в растворе (%)
Afilan V4855 (37,6%)	53,2	37,2
Afilan PTU		6,0
PolyDADMAC (42,4%)			47,1
Tallopol ACF (50,5%)				39,6
Деминерализованная вода	46,8	56,8	52,9	60,4

Afilan V4855 представляет собой алканфосфонат, калийную соль, компания-изготовитель ex-Clariant GmbH, г.Франкфурт, Германия.

Afilan PTU представляет собой этоксилированную и пропоксилированную олеиновую кислоту, с концевым СН₃, компания-изготовитель ex-Clariant GmbH, г.Франкфурт, Германия.

PolyDADMAC представляет собой аббревиатуру полидиаллилдиметиламмонийхлорида с малой молекулярной массой, каталожный №52237-6, компания-поставщик Aldrich Chemical Company, Inc., г.Милуоки, США.

Tallopol ACF представляет собой продукт в виде смеси калийных и натриевых солей карбоновых кислот, компания-изготовитель ex-Stockhausen, г.Крефельд, Германия.

Таблица В

Удельное электрическое сопротивление

Эксперимент №	1А	1В	1C	1D	1E
Нанесенный аппликатором отделочный состав	а1	b1	b1	c1	d1
Количество ПОВ на нити (мас.%)	3,0	3,0	4,0	4,0	4,0
Проводимость 50 мас.%-ного отделочного состава при 20°С, мСм/см	42,6	43,7	43,7	45,4	215,0
Удельное электрическое сопротивление нити, Ом·см	3,5Е+03	6,5Е+03	2,8Е+03	2,8E+03	5,8E+03

Сравнительный пример 1 Этот сравнительный пример относится к эксперименту, в котором нить из примера 1 была снабжена неионным отделочным покрытием в количестве 0,9%, обычно используемым при формовании нитей Twaron®. Проводимость отделочного раствора (50 мас.%) составляла 0,009 мСм/см. Полученная нить продемонстрировала удельное электрическое сопротивление 7,2Е+07 Ом·см.

Пример 2

Этот пример иллюстрирует способ нанесения отделочного покрытия, содержащего проводящее органическое вещество (ПОВ), на высушенную нить в ходе операции, интегрированной с процессом формования нитей. Прядильную массу из примера 1 экструдировали через фильеру, содержавшую 2000 отверстий диаметром 59 микрометров, и затем пропускали через ту же воздушную зону, коагуляционную, нейтрализационную и промывочную ванны, как это было описано в Примере 1. Избыточную захваченную воду удаляли с помощью пары отжимных валов. Затем нить пропускали по ряду из 3-х сушильных барабанов (6 витков при 160°С; 6 витков при 180°С; 4 витка при 250°С). Нить находилась в контакте с поверхностями барабанов суммарно в течение 7 секунд. Далее полностью высушенный пучок элементарных нитей обрабатывали водным отделочным раствором, содержавшим ПОВ, с помощью аппликатора жидкости и питающего насоса. Далее нить пропускали по транспортирующему барабану (4 витка при температуре примерно 20°С) и сматывали в паковку со скоростью 300 м/мин. Полученная нить обладала линейной плотностью 3220 дтекс. Варьировали следующие технологические условия (см. таблицы С и D):

а) состав отделочного раствора, содержащего ПОВ;

b) количество ПОВ на нити;

c) концентрацию отделочного раствора.

Таблица С Водные отделочные растворы, содержащие проводящие органические вещества (ПОВ)
Концентрация отделочного раствора в мас.%	Код отделочного состава
	a2 37,6	b2 46,3	d2 50
Содержание ПОВ в растворе (%)
Afilan V4855 (37,6%)	100,0	86,1
Afilan PTU		13,9
Tallopol ACF (50,5%)			99,0
Деминерализованная вода			1,0

Таблица D

Удельное электрическое сопротивление

Эксперимент №	2A	2B	2C
Нанесенный аппликатором отделочный состав	a2	b2	d2
Количество ПОВ на нити (мас.%)	3,0	3,5	2,5
Проводимость 50 мас.%-ного отделочного состава при 20°С, мСм/см	42,6	43,7	215,0
Удельное электрическое сопротивление нити, Ом·см	7,8Е+03	7,2Е+03	9,6Е+02

Пример 3

Этот пример иллюстрирует способ нанесения отделочного покрытия, содержащего проводящее органическое вещество (ПОВ), на высушенную нить, который непосредственно не связан с процессом ее формования. Коммерчески поставляемую нить Twaron® 2200 (линейная плотность нити 1610 дтекс, количество элементарных нитей в комплексной нити - 1000) подвергали следующим обработкам. Комплексную нить сматывали с паковки и последовательно пропускали через аппликатор жидкости, через запарочную камеру (температура 240°С, время пребывания 8 секунд) и в конце сматывали в паковку со скоростью 75 м/мин. С помощью аппликатора жидкости и питающего насоса нить покрывали отделочными растворами, упомянутыми в таблицах Е и F. Варьировали следующие технологические условия:

а) состав отделочного раствора, содержащего ПОВ;

b) количество ПОВ на нити;

c) концентрацию отделочного раствора.

Таблица Е Водные отделочные растворы, содержащие проводящие органические вещества (ПОВ)
Концентрация отделочного раствора, в мас.%	Код отделочного состава
	a3 15	d3 10	d4 15	d1 20
Содержание ПОВ в растворе (%)
Afilan V4855 (37,6%)	40,0
Tallopol ACF (50,5%)		19,8	29,7	39,6
Деминерализованная вода	60,0	80,2	70,3	60,4

Таблица F Удельное электрическое сопротивление
Эксперимент №	3A	3B	3C	3D
Нанесенный аппликатором отделочный состав	а3	d3	d4	d1
Количество ПОВ на нити (мас.%)	2,5	2,0	3,0	4,0
Проводимость 50 мас.%-ного отделочного состава при 20°С, мСм/см	42,6	215,0	215,0	215,0
Удельное электрическое сопротивление нити, Ом·см	3,9Е+03	2,9Е+03	1,8Е+03	8,8Е+02

Пример 4

Этот пример иллюстрирует способ нанесения отделочного покрытия, содержащего проводящее органическое вещество (ПОВ), на высушенную нить, который непосредственно не связан с процессом ее формования. Коммерчески поставляемую нить Twaron® 2200 (линейная плотность нити 3220 дтекс, количество элементарных нитей в комплексной нити - 2000) подвергали следующим обработкам. Комплексную нить сматывали с паковки и последовательно пропускали через пару вращаемых соприкасающихся валов и через воздушную термокамеру (температура 180°С, время пребывания 18 секунд) и в конце сматывали в паковку со скоростью 100 м/мин. С помощью пары вращаемых соприкасающихся валов нить покрывали отделочными растворами, упомянутыми в таблицах G и H. Варьировали следующие технологические условия:

а) состав отделочного раствора, содержащего ПОВ;

b) количество ПОВ на нити;

c) концентрацию отделочного раствора.

Таблица G Водные отделочные растворы, содержащие проводящие органические вещества (ПОВ)
Концентрация отделочного раствора, в мас.%	Код отделочного состава
	a1 20	d4 15
Содержание ПОВ в растворе (%)
Afilan V4855 (37,6%)	53,2
Tallopol ACF (50,5%)		29,7
Деминерализованная вода	46,8	70,3

Таблица H Удельное электрическое сопротивление
Эксперимент №	4A	4B
Нанесенный аппликатором отделочный состав	a1	d4
Количество ПОВ на нити (мас.%)	10,3	5,6
Проводимость 50 мас.%-ного отделочного состава при 20°С, мСм/см	42,6	215,0
Удельное электрическое сопротивление нити, Ом·см	3,5Е+03	1,2Е+03

Пример 5

Этот пример иллюстрирует способ нанесения отделочного покрытия, содержащего проводящее органическое вещество (ПОВ), на высушенную и неотделанную нить, который непосредственно не связан с процессом ее формования. Паковку неотделанной комплексной нити Twaron® (линейная плотность нити 1610 дтекс, количество элементарных нитей в комплексной нити - 1000) подвергали следующим обработкам. Комплексную нить сматывали с паковки и последовательно пропускали через аппликатор жидкости, через воздушную термокамеру (температура 90°С, время пребывания 32 секунды) и в конце сматывали в паковку со скоростью 50 м/мин. С помощью аппликатора жидкости и питающего насоса нить покрывали отделочными растворами, упомянутыми в таблицах К и L. Варьировали следующие технологические условия:

а) состав отделочного раствора, содержащего ПОВ;

b) количество ПОВ на нити;

c) концентрацию отделочного раствора.

Таблица K Водные отделочные растворы, содержащие проводящие органические вещества (ПОВ)
Концентрация отделочного раствора, в мас.%	Код отделочного состава
	e1 20	f1 32	g1 20
Содержание ПОВ в растворе (%)
Leomin AN	20,0	16,0
Leomin OR		16,0
Atlas G3634a			20,0
Деминерализованная вода	80,0	68,0	80,0

Leomin AN представляет собой этилоктанфосфонат, калийную соль, компания-изготовитель ex-Clariant GmbH, г. Франкфурт, Германия.

Leomin OR представляет собой полигликолевый сложный эфир жирной кислоты, компания-изготовитель ex-Clariant GmbH, г. Франкфурт, Германия.

Atlas G3634a представляет собой производное имидазолина, четвертичное, компания-изготовитель ex Uniqema, г. Мидлсбро, Англия.

Таблица L Удельное электрическое сопротивление
Эксперимент №	5A	5B	5C
Нанесенный аппликатором отделочный состав	e1	f1	g1
Количество ПОВ на нити (мас.%)	5,0	8,0	5,0
Проводимость 50 мас.%-ного отделочного состава при 20°С, мСм/см	40,8	15,2	4,7
Удельное электрическое сопротивление нити, Ом·см	2,2Е+03	5,6Е+03	2,2Е+04