ПРЯДЬ НА ОСНОВЕ СТЕКЛОВОЛОКНА Российский патент 2008 года по МПК D02G3/18 

Изобретение относится к пряди, выполненной из множества нитей на основе стекловолокна. Прядь представляет собой паковку, известную как "ровница".

Ровницы предназначены для многих применений. В области композитных материалов ровницы используются для армирования пластмассы. Способы использования стекловолоконных ровниц очень разнообразны. В числе этих способов можно упомянуть:

А - Ткацкое переплетение и другие способы с применением текстильного оборудования, которые дают гладкое тканое или нетканое армирование.

Ткани и прочее тяжелое армирование на основе ровниц (около 1000 г/м² и более) используются прежде всего для изготовления композитных компонентов, которые могут подвергаться очень сильным механическим напряжениям. Они применяются в таких статических изделиях, как панели для изотермических камер грузовиков-рефрижераторов или в деталях для динамического применения, таких как лопасти ветроэлектрических установок, которые подвержены сильным вибрационным колебаниям.

Б - Процесс получения одноосноориентированного волокнистого пластика заключается в пропитке армирования в виде сплошной пряжи смолой и в последующем ее формировании волочением через нагретую пресс-форму (фильеру), с отверждением получаемой таким образом профилированной структуры. Этот способ позволяет изготавливать продолговатую армированную продукцию, например полосы или элементы для изготовления решеток.

В - Экструзия термопластов, заключающаяся в изготовлении гранул пластика, содержащих т.н. длинные волокна; при этом непрерывные волокна вводят в экструдер и покрывают пластмассой при выходе из экструдера, и нарезают на гранулы. Этот способ позволяет изготавливать армированные детали для автомобилестроения.

Г - Намотка нити: заключается в намотке пропитанного смолой армирования в виде непрерывных нитей, при постоянном натяжении, на вращающуюся оправку соответствующей формы для получения после отверждения такого полого тела вращения, как труба.

Изобретение, в частности, относится к прядям, предназначенным для изготовления армирования из ровниц, плотность которых доходит до 1200 текс и более, диаметром нити 12 μm или с более крупным диаметром. Нужно отметить, что плотность пряжи или пряди соответствует линейной плотности (1 текс = 1 г/км). Плотность изменяется пропорционально квадрату диаметра нитей и пропорционально числу нитей, дающих данную плотность.

Плотность есть фактор, от которого зависит механическая прочность нитей, а диаметр нитей влияет на способность пряжи или пряди изгибаться для обеспечения гибкости ткани. Чем выше будет плотность, прочнее пряжа и больше диаметр нитей, тем труднее она будет гнуться.

Ровницы получают либо непосредственно из нитей из фильеры, и их соединяют под фильерой в единую намотанную прядь (непосредственные ровницы), или косвенно из пряжи первичных паковок, т.н. брикетов, которую составляют в окончательную прядь с нужной плотностью (составленные ровницы).

Максимальное число нитей, создающих прядь непосредственной ровницы, ограничивается числом отверстий в фильере, из которой выходят потоки стекла, которые после их волочения механическими средствами формируют указанные нити. Число нитей строго равно числу отверстий в фильере. Это число отверстий в настоящее время не превышает около 4000 отверстий, возможно - 4500: для получения непосредственных ровниц, например ровниц с показателями 1200 текс/12 μm, 2400 текс/17 μm, или 4800 текс/24 μm, или даже 9600 текс/33 μm.

Обычно диаметр нитей и число нитей указывают целыми числами, т.е. для простоты число отверстий в фильере и число нитей в пряди указываются округленными числами (например, прядь из 4024 нитей будет указана как прядь из 4000 нитей). Округленная цифра может отличаться от точного числа на десятки.

Диаметр нитей является номинальной величиной, и обычно он указывается целым числом в микронах. Обычно он отличается от среднего значения диаметра всех нитей пряди менее чем на 0,5 μm.

Поэтому в данном описании целые числа нужно понимать как округленные значения.

В некоторых применениях, например в лопастях ветроэлектрических установок, подверженных феномену усталости из-за почти постоянного напряжения от ветра, желательно, чтобы плотность, в настоящее время - 2400 текс, была бы еще выше, чтобы, с одной стороны, обеспечить возможность изготовления лопастей очень крупных размеров (40 м и более), для чего сейчас требуется очень большое число слоев армирования.

Возможно повышение плотности ровницы за счет увеличения диаметра нитей и/или их числа.

Увеличить диаметр легче, но не всегда желательно, поскольку при этом затрудняется сгибание пряди, и это обстоятельство затрудняет ткацкое переплетение, что снижает качество продукции. Ткацкое переплетение при этом часто прерывается поломкой нитей, в ткани нередко получаются дефекты с точки зрения требований ровности и единообразия для динамических применений, в частности. Помимо этого площадь стекла, контактирующего со смолой пропитки, при этом уменьшается, и поэтому сцепление стекла со смолой ухудшается, и механические характеристики композита снижаются. По этим причинам в некоторых отраслях разработаны нормы, ограничивающие допустимый диаметр нити до 17 μm.

В случае процесса получения одноосноориентированного волокнистого пластика в настоящее время выпускают пряди с плотностью до 4800 текс; и по соображениям производительности и размера компонентов также желательно повысить плотность, но увеличение диаметра нитей приводит к трудностям использования этих прядей, так как нити ломаются и образуют некие гребни, которые, с одной стороны, доставляют неудобства операторам из-за их колкости и, с другой стороны, пачкают смолу, которой пропитывают армирование. По этой причине в этом случае для конверторов требуется, чтобы диаметр нити не превышал 24 μm, и в некоторых случаях даже 19 μm.

Поэтому предпочтительно повышать плотность путем увеличения числа нитей.

Увеличение числа нитей обеспечивают либо комбинированием нескольких прядей из множества брикетов, но этот метод не упрощает изготовление и скорее повышает себестоимость, либо комбинированием нескольких прядей нитей из нескольких фильер, сгруппированных вместе на одном мотальщике, но в этом случае может снижаться эффективность по причине статистического роста числа поломок с пряди в целом из-за зависимости от множества фильер.

Комбинирование множества прядей имеет тот недостаток, что на этом методе сказывается качество продаваемых паковок, и этот метод сказывается на продукции, изготавливаемой из паковок. Поэтому при комбинировании нескольких прядей из брикетов получаемая паковка имеет петли на поверхности края, что неприемлемо с точки зрения внешнего вида для реализации, и существует риск того, что по причине наличия этих петель прядь может перепутаться во время сматывания, когда одна прядь будет вытягиваться более другой (или других), например при ткацком переплетении. Это неровное натяжение нарушает ровность ткани, которая будет сворачиваться; и ткань, помимо прочего, не сможет надлежащим образом пропитаться смолой и в результате ухудшатся механические свойства композитного материала.

Задача данного изобретения заключается в создании пряди на основе стекловолокна, плотность которой выше выпускаемой в настоящее время или та же, и при этом без увеличения диаметра нитей, с обеспечением по меньшей мере эквивалентного качества (в частности, во время использования) и с обеспечением простоты изготовления.

В соответствии с данным изобретением прядь отличается соотношением τ/μ² выше 9, где τ есть плотность пряди в текса, и μ есть диаметр нитей в μm. Согласно признаку данного изобретения прядь поступает из одной фильеры. Прядью может быть ровница, непосредственно наматываемая под фильерой.

Согласно еще одному признаку изобретения прядь содержит по меньшей мере 6000 нитей с плотностью более 1200 текс, при этом диаметр нити превышает 11 μm.

Например, нить содержит 8000 нитей диаметром 17 μm каждая и имеет плотность 4800 текс. Этот тип пряди особо целесообразен для изготовления однонаправленных или многоосных армирований, используемых, например, для лопастей ветроэлектрических установок. Диаметр нитей тот же - 17 μm, который имеют выпускаемые в настоящее время нити для лопастей ветроэлектрических установок, и поэтому ткацкое переплетение совсем не затрудняется. При этом плотность превышает существующую: 2400 текс для диаметра 17 μm, в результате чего армирование утяжеляется.

Согласно еще одному примеру прядь содержит 8000 нитей диаметром 24 μm и имеет плотность 9600 текс. Эта прядь целесообразна для изготовления очень длинных, имеющих малое поперечное сечение профилированных деталей с помощью процесса получения одноосноориентированного волокнистого пластика.

В качестве еще одного примера, прядь содержит 8000 нитей диаметром 12 μm каждая и имеет плотность 2400 текс для изготовления полос с помощью процесса получения одноосноориентированного волокнистого пластика.

Поэтому прядь в соответствии с настоящим изобретением можно использовать для изготовления композитных материалов способами ткацкого переплетения, процесса получения одноосноориентированного волокнистого пластика или экструзии, или путем намотки нити; и конкретным применением такой нити является ее использование в лопастях ветроэлектрических установок.

Прядь можно также выполнить полностью из стеклянных волокон, и она может быть композитным материалом смешанных стекловолокон и волокон из термопластика.

Эти пряди поэтому получают путем увеличения числа нитей, вытягиваемых из фильеры, что вызывает необходимость обеспечения фильер с повышенным по сравнению с известным уровнем техники числом отверстий.

До настоящего времени паковки с большим числом нитей, например до 8000, как в этом изобретении, и получаемые из одной фильеры, не выпускались, поскольку действующие установки волочения стекловолокна выполнены для фильер определенных размеров, имеющих максимум 4500 отверстий. Для дальнейшего увеличения числа отверстий необходимо, для той же площади фильеры, расположить отверстия еще ближе друг к другу, в результате чего выходящие из них нити приблизятся друг к другу. При этом появится почти определенный риск того, что нити соединятся и слипнутся, и тем самым будут мешать волочению.

До настоящего времени не предлагалась возможность изготовления новых фильер, концы которых будут иметь большее число отверстий, почти в два раза больше существующего на сегодня числа: за счет увеличения концевой площади фильеры с указанными сквозными отверстиями и которые при этом будут совместимы с существующими установками волочения волокна. Поэтому согласно настоящему изобретению устройство для изготовления пряди имеет фильеру, конец которой является пластиной, имеющей более 4500 отверстий, в частности 8000 отверстий, и с площадью большей, чем у пластин известного уровня техники, имеющих не более 4500 отверстий.

Другие преимущества и признаки настоящего изобретения станут очевидными из приводимого ниже описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых

на фиг.1 схематически изображено устройство для изготовления пряди согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 показаны кривые, характеризующие плотность пряди, число нитей в пряди в зависимости от диаметра нитей.

Прядь стекловолокон 1 согласно настоящему изобретению состоит из более чем 4000 нитей, полученных из одной фильеры 10, как показано на фиг.1. Прядь 1 наматывается и образует непосредственную ровницу R.

Состав стекла является составом боросиликатного стекла.

Фильера 13 на одном конце имеет пластину 14 с множеством таких отверстий 15, как мундштуки, из которых расплавленное стекло вытекает и затем вытягивается во множество нитей 16. Число отверстий превышает 4500, предпочтительно - более 6000, и достигает, например, 8000 или даже больше.

Нити составляются в единое полотно 17, которое контактирует с устройством 20 нанесения покрытия, которое пропитывает каждую нить и которое является устройством водного или безводного типа. Устройство 20 может состоять из ванны, в которую постоянно поступает пропитывающий раствор, и из вращающегося валка, нижняя часть которого постоянно погружена в раствор. Валок постоянно покрыт пленкой пропитки, которая захватывается нитями 16 с его поверхности при их прохождении через него.

Полотно 17 затем сходится к составляющему устройству 21, в котором отдельные нити соединяются вместе и образуют прядь 1. Соединяющее устройство 1 может представлять собой простой шкив с пазом или пластину с вырезом.

Выйдя из соединяющего устройства 21, прядь входит в направляющую 22 пряжи и наматывается вокруг опоры 23, ось которой горизонтальна по отношению к вертикальному ходу пряжи в направляющей для пряжи. При этом пряжа сматывается непосредственно с фильеры и образует непосредственную ровницу. Обычная скорость волочения: 10 - 60 м/сек.

Концевая пластина 14 фильеры имеет более 4500 отверстий, в данном примере - 8000 отверстий, с формированием 8000 нитей. Увеличение числа получаемых нитей, по сравнению с числом известного уровня техники - 4500, является действительным преимуществом. В некоторых случаях для обеспечения постоянной заданной плотности предпочтительно, чтобы число нитей увеличилось за счет уменьшения их размера или чтобы диаметр оставался постоянным вместо меньшего числа нитей с более крупным диаметром. При этом пропитываемая смолой ткань будет иметь повышенную усталостную прочность при динамическом применении, когда площадь контакта между смолой и стекловолокном будет больше. Этот более плотный контакт для одинаковой пропитки пряди 4800 текс лучше с составом из 8000 нитей диаметром 17 μm, чем с составом из 4000 нитей диаметром 24 μm. Коэффициент плотности контакта выше в случае 8000, чем в случае 4000 нитей, и составляет около 1,4.

Эта прядь из 8000 нитей диаметром 17 μm и плотностью 4800 текс будет целесообразна при изготовлении однонаправленных и многоосных армирований для армирования лопастей вентиляторов.

Нужно отметить, что число нитей, плотность пряди и диаметр нити соотносятся согласно следующей формуле:

f/490=τ/μ²

где f - число нитей, τ- плотность, и μ - диаметр в μm; 490 - множитель, включающий в себя плотность стекла.

При этом прядь согласно настоящему изобретению имеет более 4500 нитей и характеризуется соотношением τ/μ² свыше, в целых числах, 9. Хотя в готовой продукции подсчитать число волокон нелегко, но при этом легче подсчитать соотношение τ/μ², имеющее измеренные τ и μ, с помощью стандартных способов согласно нормам ISO1889 и ISO1888, соответственно.

На фиг.2 показан ряд кривых, характеризующих - согласно плотности пряди - число нитей в зависимости от диаметра нитей. Выведена исходная прямая линия τ/μ²=9, являющаяся нижним пределом пряди согласно настоящему изобретению. Фильеры с числом свыше 4500 отверстий (точно - 4410 отверстий) позволяют получить соотношение τ/μ²>9, причем фильеры известного уровня техники с 4000 отверстий и менее не соответствуют этой характеристике.

Таким образом, увеличивая число нитей, можно увеличить плотность пряди, при этом не изменяя диаметр нитей. Для 17 μm плотность составляет лишь 2400 текс с фильерой с 4000 отверстий; в то время как обеспечен показатель в 4800 текс (в два раза выше указанной величины) для фильеры с 8000 отверстий.

При этом увеличение числа нитей позволяет без увеличения плотности уменьшить диаметр нитей. Для 4800 текс прядь имеет нити диаметром 24 μm с 4000 нитей, в то время как для 8000 нитей диаметр составляет лишь 17 μm.

Также имеется возможность производить пряди плотностью 600 или 900 текс, например, диаметр нити в которой не превышает 8 или 10 μm соответственно.

Поэтому настоящее изобретение, заключающееся в обеспечении пряди с τ/μ²>9, позволяет получить продукцию, обладающую новизной по сравнению с продукцией известного уровня техники, со следующими характеристиками:

- для одинаковой плотности: уменьшение диаметра нити, в результате чего нити могут сохранять гибкость и не ломаться и поэтому исключается накапливание этих сломанных нитей в виде комка, из-за чего прерывается работа машин и нарушается единообразность пропитки; либо

- для постоянного диаметра: увеличение плотности, что дает возможность получить более тяжелое армирование для изготовления более крупных компонентов с повышенным количеством армирования, при этом не увеличивая число используемых паковок, и поэтому не усложняя преобразования нитей в материал, и без необходимости обеспечивания новых установок. За счет этого повышается производительность и оборудования изготовления волокон, и конвертера.

В обоих случаях вопрос заключается в улучшении соотношения качество/цена. Приводимая ниже таблица показывает, для разных применений, характеристики прядей известного уровня техники для преобразования их в материал и прядей, которые можно получить согласно настоящему изобретению.

ПрименениеПреобразованиеУровень техники (4000 нитей)Прядь согласно изобретению (8000 нитей)ПреимуществаЛопасти для ветроэлектрической установкиТкацкое переплетение или нетканые материалы17 μm, 2400 текс17 μm, 4800 тексПроизводительность, легкость обработки, крупные компонентыСекции, решеткиПолучение одноосноориентированного волокнистого пластика34 μm, 9600 текс24 μm, 9600 тексГибкость, устранение дефектов в виде гребнейПолосы, секцииПолучение тонкого одноосноориентированного волокнистого пластика12 μm, 1200 текс12 μm, 2400 тексПроизводительность, легкость обработкиАвтомобилестроениеЭкструдирование термопластов17 μm, 2400 текс17 μm, 4000 тексПроизводительность, легкость обработки, ударная вязкость

Настоящее изобретение излагается на примере пряди стекловолокна, но также возможно и изготовление композитной пряди типа TWINTEX из стеклянных нитей посредством фильеры, с которыми смешиваются нити термопласта.

Изобретение касается пряди на основе стекловолокна, которая позволяет упростить изготовление изделий из нее без снижения их качества. Прядь выполнена посредством использования одиночной фильеры, имеет соотношение τ/μ² свыше 9, где τ - плотность пряди в тексах, и μ - диаметр нитей в μm и содержит по меньшей мере 6000 нитей, с плотностью свыше 1200 текс, и с диаметром нити свыше 11 μm. Прядь может полностью состоять из стеклянных нитей или быть композитом и состоять из смешанных стеклянных нитей и нитей термопласта. Возможно применение пряди для изготовления изделий в способах ткацкого переплетения, получения одноосноориентированного волокнистого пластика, экструдирования или намотки нити, или для изготовления композитных материалов, лопастей ветроэлектрических установок. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Прядь (1) на основе стекловолокна, имеющая соотношение τ/μ² свыше 9, где τ - плотность пряди в тексах, и μ - диаметр нитей в μm, и содержащая по меньшей мере 6000 нитей, с плотностью свыше 1200 текс, и с диаметром нити свыше 11 μm, при этом прядь выполнена посредством использования одиночной фильеры (10).2. Прядь по п.1, отличающаяся тем, что она является ровницей (R), непосредственно наматываемой под фильерой.3. Прядь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит 8000 нитей диаметром 12 μm каждая и имеет плотность, равную 2400 текс.4. Прядь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит 8000 нитей диаметром 17 μm каждая и имеет плотность, равную 4800 текс.5. Прядь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она содержит 8000 нитей диаметром 24 μm каждая и имеет плотность, равную 9600 текс.6. Прядь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она полностью состоит из стеклянных нитей.7. Прядь по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она является композитом и состоит из смешанных стеклянных нитей и нитей термопласта.8. Применение пряди по одному из предыдущих пунктов для изготовления композитных материалов.9. Применение пряди по одному из предыдущих пунктов в способах ткацкого переплетения, получения одноосноориентированного волокнистого пластика, экструдирования или намотки нити.10. Применение пряди по одному из предыдущих пунктов для изготовления лопастей ветроэлектрических установок.