СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОЖИЛЬНОГО СЕРДЕЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОВОДА И МНОГОЖИЛЬНЫЙ СЕРДЕЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРОВОДА, ИЗГОТОВЛЕННЫЙ ЭТИМ СПОСОБОМ Российский патент 2017 года по МПК H01B5/08 

Изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ), используемых в электротехнике.

Известны способ изготовления сердечника электрического провода методом пултрузии, включающий подачу на пропитку прядей непрерывного волокна, пропитку волокна термопластичным связующим с последующей термообработкой, и сердечник электрического провода, изготовленный этим способом (US 2014102760 A1).

Недостатком известных технических решений являются низкие эксплуатационные характеристики сердечника.

Известны способы изготовления многожильного сердечника электрического провода, включающие скручивание длинномерных гибких стержней, каждый из которых предварительно получают методом пултрузии путем пропитки волокна термореактивным связующим с последующей термообработкой, и многожильные сердечники электрического провода, изготовленные этими способами (RU 105515 U1, RU 2439728 C1, RU 2386183).

Недостатком указанных известных технических решений также являются низкие эксплуатационные характеристики многожильного сердечника электрического провода.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются известный способ изготовления многожильного сердечника электрического провода, включающий скручивание длинномерных гибких стержней, каждый из которых предварительно получают методом пултрузии путем подачи на пропитку прядей непрерывного углеродного волокна через круглые отверстия, расположенные в центральной части, а прядей другого непрерывного волокна (стеклянного) - через круглые отверстия, расположенные в периферийной части распределительной пластины, содержащей указанные отверстия в количестве, соответствующем количеству прядей, пропитки прядей эпоксидным связующим и термообработкой, и многожильный сердечник электрического провода, изготовленный этим способом (ЕА 011625 В1 - прототип).

Недостатком известных технических решений является низкая прочность на разрыв многожильного сердечника электрического провода.

Технической задачей предлагаемой группы изобретений является изготовление многожильного сердечника электрического провода, лишенного указанного недостатка.

Технический результат каждого из изобретений предлагаемой группы состоит в повышении прочности на разрыв многожильного сердечника электрического провода.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления многожильного сердечника электрического провода, включающем скручивание длинномерных гибких стержней, каждый из которых предварительно получают методом пултрузии путем подачи на пропитку прядей непрерывного углеродного волокна через круглые отверстия, расположенные в центральной части, а прядей другого непрерывного волокна - через круглые отверстия, расположенные в периферийной части распределительной пластины, содержащей указанные отверстия в количестве, соответствующем количеству прядей, пропитки прядей эпоксидным связующим и термообработкой, в качестве другого непрерывного волокна используют базальтовое волокно, причем применяют углеродное и базальтовое волокно, имеющее относительное удлинение 1-3%, пропитку проводят в камере, выполненной с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,01-0,10, основание которого выполнено в виде указанной распределительной пластины и в сечении которого, параллельном основанию, расположена пластина с центральным круглым отверстием для выхода пропитанного углеродного волокна в виде одного пучка и по крайней мере пятью одинаковыми круглыми отверстиями, равномерно расположенными по периферии пластины, для выхода пропитанного базальтового волокна в виде соответствующего количества одинаковых пучков, каждый из которых включает не менее двух прядей, при этом диаметр каждого из отверстий для выхода пропитанного волокна рассчитывают по формуле D_вых=a⋅D_c⋅К_п/К, где а=1,0045-1,0050, D_c - заданный диаметр длинномерного гибкого стержня, К_п - количество прядей пропитанного волокна в пучке, К - общее количество прядей углеродного и базальтового волокна, используют камеру пропитки, снабженную двумя соосными отверстиями для подачи эпоксидного связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, а последующую термообработку осуществляют в профилирующей фильере, разделенной на три температурные зоны, поддерживая в первой зоне 120-150°С, во второй зоне 160-190°С, в третьей зоне 140-160°С, и далее - в камере термообработки при 190-205°С.

Указанный технический результат достигается тем, что многожильный сердечник электрического провода, представляющий собой скрученные длинномерные гибкие стержни, выполненные из композита на основе эпоксидного связующего и одноосно ориентированного непрерывного армирующего волокна, содержащими внутренний элемент, армированный углеродным волокном, и охватывающую его внешнюю оболочку, армированную другим волокном, изготовлен вышеуказанным способом и включает 60-80% армирующего волокна от массы композита.

В качестве исходного волокна может быть использовано углеродное и базальтовое волокно с различной линейной плотностью (предпочтительно от 54 до 9600 текс) и различным диаметром элементарных волокон (предпочтительно от 6 до 24 мкм) при условии, что относительное удлинение этих волокон находится в узком интервале значений, составляющем 1-3%, что обеспечивает их совместную работу в композите под нагрузкой. Указанный технический результат достигается при любом массовом соотношении количеств углеродного и базальтового волокна, предпочтительно составляющем от 5:95 до 95:5 соответственно.

Осуществление предлагаемого способа состоит в следующем.

Паковки волокна устанавливают на шпулярник пултрузионной установки. Пряди углеродного и базальтового волокна через соответствующие отверстия распределительной пластины последовательно пропускают в камеру пропитки, выполняющую роль блока пропитки и отжима, холодильник, профилирующую обогреваемую фильеру, камеру термообработки и закрепляют в траках тянущего устройства. Предпочтительно в связи с использованием базальтового волокна, являющегося абразивным материалом, всю нитепроводящую гарнитуру изготавливают из материалов с низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью, таких как керамика. Перед включением тянущего устройства включают обогрев профилирующей фильеры и камеры термообработки для достижения необходимых температурных показателей. После этого включают тянущее устройство и выставляют заданную скорость протяжки. Пряди волокна, сходящие со шпулярника, через соответствующее количество отверстий распределительной пластины попадают непосредственно в камеру пропитки, поскольку распределительная пластина выполнена в виде основания конуса внутренней поверхности камеры. Пряди волокна подают через соответствующие отверстия распределительной пластины так, что в камере пропитки углеродное волокно оказывается равномерно окруженным базальтовым волокном. Количество отверстий в распределительной пластине выбирается в зависимости от заданного содержания волокна в получаемом ПКМ. Так, для изготовления длинномерного гибкого стержня с расчетной площадью сечения от 3,8 до 51,9 мм² требуется соответственно от 8 до 64 отверстий. Диаметр отверстий, а также линейные размеры камеры выбираются в зависимости от вида и линейной плотности волокна и заданного его содержания в получаемом ПКМ. Связующее из дозатора подают в камеру пропитки через два соосных отверстия перпендикулярно направлению движения волокна. Выход пропитанного волокна осуществляется через отверстия пластины, размещенной в сечении, параллельном основанию конуса. Количество отверстий в указанной пластине меньше количества отверстий в распределительной пластине, установленной на входе в камеру пропитки, поскольку пропитанное волокно выходит из камеры пропитки не в виде отдельных прядей, а в виде пучков. При этом в центральное круглое отверстие выходит все пропитанное углеродное волокно в виде одного пучка, а в несколько (по крайней мере пять) одинаковых круглых отверстий, равномерно расположенных по периферии пластины, выходит пропитанное базальтовое волокно в виде соответствующего количества одинаковых пучков, каждый из которых включает не менее двух прядей. Диаметр каждого из отверстий для выхода пропитанного волокна, рассчитанный по вышеуказанной формуле, обеспечивает отжим излишка связующего. На основе рассчитанного таким образом диаметра отверстий для выхода пропитанного волокна, с учетом их необходимого количества и того, что значение конусности внутренней поверхности камеры должно быть выбрано из интервала от 0,01 до 0,10, определяются длина камеры и диаметр распределительной пластины, достаточный для равномерного размещения необходимого количества отверстий для входа волокна в камеру пропитки. Под конусностью, в соответствии с ГОСТ «Основные нормы взаимозаменяемости. Нормальные конусности и углы конусов», понимается величина С, рассчитанная по следующей формуле: С=(D-d)/L, где D - диаметр основания конуса, d - диаметр сечения, параллельного основанию, L - расстояние между основанием конуса и указанным сечением. Отверстия для входа и выхода волокна могут размещаться на пластинах с расстоянием, обусловленным технологическими возможностями используемого для их выполнения инструмента, т.к., как показали эксперименты, при условии выполнения внутренней поверхности камеры с вышеуказанными параметрами полная однородность продукта пропитки по составу достигается при любом указанном размещении отверстий. Пропитанные пучки волокна из камеры пропитки через холодильник проходят в профилирующую фильеру, где происходит формирование композитного длинномерного гибкого стержня. Холодильник может быть выполнен в виде фланца с водяным охлаждением. Задача холодильника - изолировать теплопередачу от профилирующей фильеры, работающей при высокой температуре (от 120 до 190°С), к камере пропитки, температура в которой значительно ниже (не выше 35°С), что позволяет поддерживать в камере пропитки заданный температурный режим. Профилирующая фильера может быть выполнена, например, в виде разъемной стальной конструкции, состоящей из двух параллелепипедов с отфрезерованной и обработанной цилиндрической канавкой по длине каждой части, которые при смыкании образуют цилиндрическую поверхность, соответствующую диаметру целевого продукта. Профилирующие фильеры обжаты по всей длине обогреваемыми тэнами, разделенными на три зоны контроля температур. Разделение профилирующей фильеры на зоны с заданной температурой (в первой зоне 120-150°С, во второй 160-190°С, в третьей 140-160°С) обеспечивает следующее: в первой зоне происходит разогрев связующего, во второй зоне - процесс гелеобразования и отверждения связующего, в третьей - релаксация (снятие внутренних напряжений). На выходе из профилирующей фильеры сформированный профиль поступает в камеру термообработки. Камера термообработки может представлять собой многосекционную туннельную печь. В камере термообработки устанавливается температура в диапазоне 190-205°С, достаточная для окончательного отверждения полимерной матрицы и термообработки профиля, необходимой для достижения оптимальных прочностных и эксплуатационных характеристик целевого продукта. Превышение данных температур может привести к деструкции полимерной матрицы профиля. Профилирующая фильера и камера термообработки снабжены пультом управления, обеспечивающим поддержание заданной температуры. На конечном участке технологической линии полученные длинномерные гибкие стержни группируются вместе и для повышения гибкости скручиваются, как описано в RU 2439728 C1 и RU 2386183, на стандартных крутильных машинах с откруткой, например, по стандартной схеме с одной центральной жилой и скрученными вокруг нее несколькими (преимущественно шестью) жилами. Все составные части используемой в предлагаемом способе установки, за исключением камеры пропитки, являются промышленно выпускаемыми изделиями, предназначенными для пултрузионных установок.

В предлагаемом способе используют пултрузионную установку, включающую закрытую камеру пропитки, выполняющую функцию блока пропитки и отжима, что упрощает конструктивное оформление процесса, исключает выброс вредных веществ, а также способствует снижению теплопотерь. Снижению теплопотерь способствует также выполнение внешней поверхности камеры пропитки цилиндрической. Отсутствие в установке, используемой в предлагаемом способе, направляющих и прижимных приспособлений (прижимных рам, роликов и пр.) в составе камеры пропитки, выполнение внутренней поверхности камеры пропитки в виде прямого кругового усеченного конуса, а отверстий для входа и выхода волокна круглыми упрощает конструктивное оформление процесса и повышает сохранность целостности волокна, т.к. исключает возникновение контактов волокна с углами на внутренней поверхности камеры пропитки (в связи с отсутствием таких углов), т.е. возникновение в нем микротрещин.

Как показали проведенные эксперименты, способ по предлагаемому изобретению обеспечивает по сравнению со способом-прототипом повышение прочности на разрыв целевого продукта. Изготовленный предлагаемым способом многожильный сердечник электрического провода, содержащий в своем составе 60 мас. % армирующего волокна, имеет минимальное значение прочности на разрыв 1710 МПа по сравнению с минимальным значением прочности на разрыв сердечника многожильной конструкции, полученного способом-прототипом при прочих равных условиях, 1480 МПа. При изготовлении сердечников по предлагаемому способу и способу-прототипу в конкретных примерах осуществления способов было использовано эпоксидное связующее, включающее эпоксидную смолу, отвердитель изофорондиамин, ускоритель циклоалифатический амин (аминное число 500-540 мг КОН/г). Камера пропитки для изготовления сердечника предлагаемым способом была выполнена снабженной двумя соосными отверстиями для подачи связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, и имеющей внутреннюю поверхность в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,05, отверстия для выхода пропитанного волокна были выполнены имеющими диаметр, рассчитанный по вышеприведенной формуле при а=0,0045. Исходные углеродное и базальтовое волокна имели относительное удлинение 2%. В профилирующей фильере температурный режим был разделен на следующие зоны: в первой зоне средняя температура 135°С, во второй 175°С, в третьей 150°С, а в камере термообработки 200°С. Дальнейшее повышение прочности сердечника в предлагаемом способе может быть достигнуто увеличением количества армирующего волокна в композите (до 80 мас. %) и оптимальным подбором соотношений связующее:волокно и количеств углеродного и базальтового волокна. Предпочтительно диаметр внутреннего элемента длинномерного гибкого стержня, выполненный из углеродного волокна, равен толщине слоя охватывающей его оболочки, выполненной из базальтового волокна, что достигается соответствующим подбором соотношений количеств исходных волокон. Рассчитанные по вышеприведенной формуле диаметр отверстия для выхода пучка пропитанных углеродных волокон и диаметры отверстий для выхода пучков пропитанных базальтовых волокон, при условии, что количество таких отверстий не менее 5, а количество прядей базальтовых волокон в пучке не менее 2-х, позволяют обеспечить оптимальное содержание связующего во внутреннем элементе длинномерного гибкого стержня 30-40 мас. % (60-70 мас. % армирующего углеродного волокна) и 20-25 мас. % связующего во внешней охватывающей оболочке (75-80% армирующего базальтового волокна). В результате проведенных экспериментов при оптимальных условиях осуществления способа было получено максимальное значение прочности на разрыв предлагаемого сердечника 2800 МПа по сравнению с максимальным значением прочности на разрыв, равным 2620 МПа, для сердечника многожильной конструкции, полученного способом-прототипом при прочих равных условиях. Кроме того, так же, как и в способе-прототипе, дальнейшее повышение прочности на разрыв сердечника и его других эксплуатационных характеристик достигается дополнительным последующим формированием различных защитных слоев на поверхности каждого из длинномерных гибких стержней и/или на поверхности готовой многожильной конструкции, например, как описано в ЕА 011625 В1, RU 2439728 C1, RU 2386183 C1. Испытания, проведенные при использовании в качестве исходного сырья другого эпоксидного связующего, а также других базальтовых и углеродных волокон, имеющих относительное удлинение в интервале 1-3%, показали те же результаты: прочность продукта предлагаемого способа, содержащего 60-80% армирующего волокна от массы композита, на 7-16% превышает прочность продукта способа-прототипа. Указанный технический результат обусловлен следующим.

Величина конусности определяет форму внутренней поверхности камеры пропитки и является фактором, определяющим кинетику и физико-химические характеристики процесса пропитки волокна связующим. Проведенными экспериментами было подтверждено следующее: даже при минимально допустимой, согласно предлагаемому изобретению, конусности внутренней поверхности камеры пропитки, при выполнении отверстий для выхода пучков пропитанного волокна с диаметрами, рассчитанными по вышеприведенной формуле, и любом диаметре пластины на входе в камеру пропитки, достаточном для размещения отверстий в количестве, соответствующем количеству прядей углеродного и базальтового волокон, обеспечивается равномерная однородная пропитка прядей волокна связующим при условии, что распределительная пластина с отверстиями для входа волокна является конструктивной частью камеры пропитки и располагается непосредственно на входе в нее волокна. Последнее обеспечивает, в отличие от прототипа, подачу в камеру пропитки волокна, пряди которого не прижаты друг к другу, а напротив, отделены друг от друга. Как показали эксперименты, при указанных параметрах камеры пропитки подача связующего через два отверстия, расположенные на оси, перпендикулярной оси конуса, исключает появление застойных зон внутри камеры. Превышение значения конусности свыше допустимого согласно предлагаемому изобретению приводит к недостаточной пропитке прядей волокна в связи с отсутствием необходимого давления, что снижает однородность по составу продукта пропитки и, как следствие, прочность целевого продукта. Снижение конусности ниже 0,01 приводит к появлению застойных зон внутри камеры при размещении отверстий для подачи связующего согласно предлагаемому изобретению, что также снижает равномерность пропитки, однородность продукта пропитки по составу и, как следствие, прочность целевого продукта. Выполнение отверстий для выхода волокна из камеры пропитки, имеющими диаметры, рассчитанные по вышеприведенной формуле, позволяет повысить однородность продукта пропитки и, следовательно, прочность целевого продукта, а также избавиться от излишка связующего без включения в состав пултрузионной установки дополнительных приспособлений для отжима. При прохождении сквозь отверстие для выхода волокна из камеры пропитки на пучок пропитанного волокна оказывается давление, завершающее процесс пропитки волокна в массе, обеспечивающее однородность пропитки пучка по составу, в том числе за счет удаления связующего из середины пучка пропитанных волокон, и, как следствие, - повышение прочности целевого продукта. Выполнение отверстий для выхода волокна из камеры пропитки с диаметром, большим, чем рассчитанный по вышеприведенной формуле, не создает необходимого давления, что не позволяет не только полностью отжать излишек связующего, но и дополнительно обеспечить однородность продукта пропитки. Выполнение отверстий для выхода волокна из камеры пропитки с диаметром, меньшим, чем рассчитанный по вышеприведенной формуле, затрудняет выход пучков пропитанного волокна и нарушает его целостность. Разделение профилирующей фильеры на три зоны с заданной температурой (в первой зоне 120-150°С, во второй 160-190°С, в третьей 140-160°С) и поддержание в камере термообработки температуры в диапазоне 190-205°С обеспечивает постепенное отверждение связующего и снятие внутренних напряжений, не допуская деструкции полимерной матрицы профиля.

Изобретение относится к производству изделий из полимерных композиционных материалов, используемых в электротехнике, в том числе для изготовления сердечника электрического провода. Способ изготовления многожильного сердечника электрического провода включает скручивание длинномерных гибких стержней, каждый из которых предварительно получают методом пултрузии путем подачи на пропитку прядей непрерывного углеродного волокна через круглые отверстия, расположенные в центральной части, а прядей другого непрерывного волокна - через круглые отверстия, расположенные в периферийной части распределительной пластины, содержащей указанные отверстия в количестве, соответствующем количеству прядей, пропитки прядей эпоксидным связующим и термообработкой, при этом в качестве другого непрерывного волокна используют базальтовое волокно, причем применяют углеродное и базальтовое волокно. Сердечник содержит 60-80% армирующего волокна от массы композита. Технический результат - повышение прочности на разрыв. 2 н.п. ф-лы.

1. Способ изготовления многожильного сердечника электрического провода, включающий скручивание длинномерных гибких стержней, каждый из которых предварительно получают методом пултрузии путем подачи на пропитку прядей непрерывного углеродного волокна через круглые отверстия, расположенные в центральной части, а прядей другого непрерывного волокна - через круглые отверстия, расположенные в периферийной части распределительной пластины, содержащей указанные отверстия в количестве, соответствующем количеству прядей, пропитки прядей эпоксидным связующим и термообработкой, отличающийся тем, что в качестве другого непрерывного волокна используют базальтовое волокно, причем применяют углеродное и базальтовое волокно, имеющее относительное удлинение 1-3%, пропитку проводят в камере, выполненной с внешней цилиндрической поверхностью и внутренней поверхностью в виде прямого кругового усеченного конуса с конусностью 0,01-0,10, основание которого выполнено в виде указанной распределительной пластины и в сечении которого, параллельном основанию, расположена пластина с центральным круглым отверстием для выхода пропитанного углеродного волокна в виде одного пучка и по крайней мере пятью одинаковыми круглыми отверстиями, равномерно расположенными по периферии пластины, для выхода пропитанного базальтового волокна в виде соответствующего количества одинаковых пучков, каждый из которых включает не менее двух прядей, при этом диаметр каждого из отверстий для выхода пропитанного волокна рассчитывают по формуле D_вых=а⋅D_c⋅К_п/К, где а=1,0045-1,0050, D_с - заданный диаметр длинномерного гибкого стержня, К_п - количество прядей пропитанного волокна в пучке, К - общее количество прядей углеродного и базальтового волокна, используют камеру пропитки, снабженную двумя соосными отверстиями для подачи эпоксидного связующего, расположенными на оси, перпендикулярной оси конуса, а последующую термообработку осуществляют в профилирующей фильере, разделенной на три температурные зоны, поддерживая в первой зоне 120-150°C, во второй зоне 160-190°C, в третьей зоне 140-160°C, и далее - в камере термообработки при 190-205°C.

2. Многожильный сердечник электрического провода, представляющий собой скрученные длинномерные гибкие стержни, выполненные из композита на основе эпоксидного связующего и одноосно ориентированного непрерывного армирующего волокна, содержащий внутренний элемент, армированный углеродным волокном, и охватывающую его внешнюю оболочку, армированную другим волокном, отличающийся тем, что он изготовлен способом по п. 1 и включает 60-80% армирующего волокна от массы композита.