Фасонный полимерный несущий элемент Российский патент 2018 года по МПК H01B7/17 

Изобретение относится к областям строительства и электротехники и может быть использовано в качестве несущих элементов для подвески, например, тросов, кабелей и проводов, в качестве армирующих элементов в строительных конструкциях и в качестве несущих сердечников в конструкциях кабелей и проводов.

Известен полимерный несущий элемент, выполненный из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью наполнения 30-85 мас. %, при этом термореактивное связующее (матрица) представляет собой эпоксидную композицию с температурой стеклования не менее 150-300°C, а несущий элемент может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции (патент РФ №2386183 «Композиционный несущий сердечник для внешних токоведущих жил проводов воздушных высоковольтных линий электропередачи и способ его производства» с приоритетом от 04.12.2008).

Использование эпоксидной композиции с температурой стеклования не менее 150-300°C говорит о том, что улучшение термостойкости матрицы проведено за счет ее модификации с помощью различных добавок, что одновременно ухудшает ее адгезионные и прочностные свойства.

Известен полимерный несущий элемент, описанный в патенте РФ №2599614 «Композиционный несущий элемент» с приоритетом от 30.07.2015 и выбранный в качестве прототипа.

Данный полимерный несущий элемент выполнен из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, при этом термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 4,0-10,0 мас. %, в качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола, объемная доля базальтового волокна в связующем составляет 60-80%. Несущий элемент выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.

Данный несущий элемент, относительно описанного выше аналога, может эксплуатироваться при повышенных изгибающих нагрузках.

Физико-механические свойства несущего элемента оцениваются как свойства целостной системы, а не каждого элемента (матрицы, армирующих волокон) в отдельности.

Гибкость несущих элементов, описанных выше, обеспечивается только армирующими волокнами, в то время как сама эпоксидная матрица достаточно хрупкая и при непосредственном воздействии динамических нагрузок на эпоксидную матрицу приводит к ее растрескиванию, происходит ослабление связей между матрицей и армирующими волокнами, матрица перестает выполнять свою основную функцию - равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, а следствием является разрыв отдельных волокон, снижение прочностных свойств несущего элемента. Поэтому данные полимерные элементы имеют ограниченное применение и могут быть использованы только в качестве внутренних несущих элементов (например, в качестве арматуры в шпале, в качестве сердечника в кабельных конструкциях), всесторонне защищенных от непосредственного воздействия внешних, в том числе и ударных нагрузок. Защитные слои позволяют несущим элементам воспринимать распределенную нагрузку, что создает благоприятные условия для их эксплуатации.

Невозможность использования описанных выше несущих элементов в условиях прямого воздействия ультрафиолетового излучения (на открытом воздухе) объясняется разрушающим воздействием ультрафиолетового излучения на эпоксидную матрицу, она начинает крошиться и растрескиваться, что приводит к ослаблению связей между матрицей и армирующими волокнами и, как следствие, к разрыву отдельных волокон и снижению прочностных свойств несущего элемента. Даже использование различных наполнителей и модификаторов, в том числе сажи и нанотрубок, только замедляют деструкцию эпоксидной матрицы, но радикально ситуацию не меняют.

Невозможность использования известных несущих элементов на открытом воздухе связано также с тем, что эпоксидная смола не является взрывоопасной, но горит в источнике огня.

Прочность многожильных конструкций известных несущих элементов зависит только от количества используемых круглых элементов (жил) и их диаметров. Использование элементов (жил) круглого сечения обеспечивает между ними только точечный контакт, при котором все элементы (жилы) практически работают как отдельные элементы, то есть в этом случае невозможно получение полноценной многожильной взаимосвязанной системы, а использование элементов (жил) с фасонным сечением (профилем) является нецелесообразным, так как профильные выступы элементов (жил) из-за хрупкости эпоксидной матрицы могут не выдержать действующих нагрузок, особенно динамических, и разрушиться, что приведет к ослаблению связей между матрицей и армирующими волокнами и снижению рабочего ресурса несущего элемента в целом.

Из уровня техники известны только несущие элементы, традиционно выполненные на основе термореактивной матрицы.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание полимерного несущего элемента с расширенным возможностями применения, в том числе в условиях непосредственного воздействия внешних и ударных нагрузок, в условиях прямого воздействия ультрафиолетового излучения (на открытом воздухе), а также для получения прочных многожильных несущих конструкций.

Решением данной задачи является полимерный несущий элемент, в котором полимерная матрица непрерывно армирована высокопрочными волокнами с низкой плотностью, новым в котором является то, что несущий элемент имеет фасонный профиль, а матрица выполнена из термопластичного материала из класса полиолефинов или термопластического эластомера.

В качестве термопластичного материала могут быть использованы полиэтилен, сшитый полиэтилен, полипропилен.

В качестве термопластического эластомера могут быть использованы термопластический вулканизат, термопластический полиолефин, термопластический полиуретан.

Несущий элемент может иметь круглый, трапецеидальный или Z-образный профиль.

В качестве высокопрочных волокон с низкой плотностью могут быть использованы базальтовые, углеродные, стеклянные или пара-арамидные волокна.

Суммарное сечение армирующих волокон может составлять 8-80% от сечения несущего элемента.

Армирующие волокна могут быть выполнены из скрученных или без крутки элементарных волокон.

Несущий элемент может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.

Несущий элемент может быть покрыт внешней оболочкой из полимерного материала.

Заявляемое техническое решение преодолевает предубеждение специалистов о том, что несущие элементы для использования в строительстве и электротехнике должны быть жесткими и, поэтому, могут выполняться только с использованием термореактивной матрицы. Однако такой устоявшийся подход к созданию полимерных несущих элементов не позволяет получить тот технический результат, который бы удовлетворял давно существующие потребности в областях строительства и электротехники, а проблемы использования несущих элементов в условиях непосредственного воздействия нагрузок без дополнительной защиты, на открытом воздухе без разрушения и сохранения рабочих свойств, и при этом быть негорючим, остаются нерешенными.

Именно использование термопластичной матрицы или матрицы из термопластического эластомера, применение которых для создания несущего элемента до настоящего времени даже не рассматривалось специалистами, позволяет выйти на новый уровень и сформировать новый подход в создании несущих элементов и новых строительных и кабельных конструкций, в которых заявляемый элемент используется.

Заявляемый несущий элемент в целом имеет повышенную упругость, благодаря чему по окончании деформационного воздействия несущий элемент принимает исходную форму, при этом растрескивания матрицы и последующего отслоения армирующих волокон от матрицы не происходит, то есть сохраняется целостность элемента.

Выбор в качестве матрицы термопластичных материалов из класса полиолефинов (полиэтилен, сшитый полиэтилен, полипропилен) или термопластических эластомеров (термопластический вулканизат, термопластический полиолефин, термопластический полиуретан) производился исходя из высоких адгезионных свойств данных материалов к армирующим волокнам и возможности создания целой линейки несущих элементов, в которых полностью реализованы все положительные свойства (прочность, гибкость, упругость, устойчивостью к ультрафиолетовому излучению и воздействию озона, устойчивость к перепадам высоких и низких температур) и армирующих волокон и матрицы, то есть, создана конструкция несущего элемента, в которой используемые компоненты работают как единая гармоничная система.

Термопластические эластомеры соединяют в себе в определенной мере характерные свойства термопластов и эластомеров и можно сказать, что это материал, который по своим свойствам находится между пластмассой и резиной, взяв все самые полезные качества у каждой группы материалов (http://www.altinelpvc.com/altinelpvc/media/pdf/conta teknik bilgiler ru.pdf).

Устойчивость к ультрафиолетовому излучению матричных материалов позволяет использовать несущие элементы в условиях прямого воздействия ультрафиолетового излучения (на открытом воздухе).

Кроме того, используемые матричные материалы являются негорючими, что говорит о пожарной безопасности заявляемого несущего элемента.

Упругость матрицы позволяет изготавливать несущий элемент фасонного профиля, что является необходимым для изготовления методом скрутки многожильной конструкции с высокими прочностными свойствами.

Заявляемый несущий элемент имеет фасонный профиль, относящийся к профилям специального назначения, форма и размер которых формируется потребностями и свойствами конструкций, где они используются. Такие профили могут иметь как сложный (например, трапецеидальный или Z-образный), так и простой (круглый) контур.

В зависимости от условий эксплуатации и испытываемых напряжений несущий элемент может быть выполнен в виде одножильной конструкции с круглым профилем или многожильной конструкции. Многожильная конструкция может состоять из круглого несущего элемента (сердечника) и нескольких несущих элементов трапецеидального или Z-образного профилей, скрученных поверх сердечника.

В этом случае прочность многожильных конструкций несущих элементов напрямую связана со значительным плоскостным контактом всех профильных элементов между собой, что, в том числе и за счет упругих свойств матрицы, обеспечивает многожильной конструкции работу как целостной системы взаимосвязанных элементов, выдерживающей без разрушения и деформации значительные эксплуатационные нагрузки.

В качестве высокопрочных волокон с низкой плотностью наиболее перспективным является использование базальтовых волокон, которые имеют низкую стоимость и характеристики которых удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к армирующим элементам. Углеродные волокна весьма хрупки и для исключения повреждения и разрушения при формирования несущего элемента требуют соответствующей подготовки, что усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость несущего элемента. Высокая стоимость пара-арамидных волокон ограничивает их применение в особо ответственных конструкциях.

Суммарное сечение армирующих волокон составляет 8-80% от сечения несущего элемента, то есть сечение каждого из армирующих волокон невелико, что позволяет обеспечить равное напряжение всех волокон, исключая перенапряжение одних волокон и недогруженность других волокон, что позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокон и увеличить их ресурс работы.

Выбор суммарного сечения армирующих волокон осуществляется исходя из условий эксплуатации несущего элемента и требований, предъявляемых к его характеристикам. Так для использования несущего элемента в конструкциях, в которых предъявляются высокие требования к прочностным характеристикам несущего элемента, выбирают армирующие волокна с суммарным сечением 50-80% от сечения несущего элемента. При использовании несущего элемента в конструкциях с невысокими силовыми нагрузками, суммарное сечение армирующих волокон равно 8-20% от сечения несущего элемента. Для всех остальных случаев используют армирующие волокна с суммарным сечением 21-49% от сечения несущего элемента.

Армирующие волокна, сформированные из элементарных нитей, сложенных без крутки (пучок), используют в малонагруженных конструкциях, а в конструкциях с повышенными нагрузками используют армирующие волокна, сформированные из элементарных нитей, соединенных скручиванием в виде шнура, троса, каната, что позволяет увеличить упругие свойства армирующих волокон и исключает их разрыв при повышенных нагрузках.

Наличие внешней оболочки из полимерного материала, например, из поливинилхлорида или полиэтилена с соответствующими добавками, позволяет защитить поверхность несущего элемента, в частности, от грызунов при прокладке в земле, в каналах кабельной канализации, трубах и коллекторах.

При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлены одножильные несущие элементы с различными вариантами армирования, на фиг. 3 - трапецеидальный профиль несущего элемента, на фиг. 4 - многожильный заявляемый несущий элемент из Z-образных профильных элементов с круглым сердечником.

Несущий элемент 1 содержит матрицу 2 из термопластичного материала из класса полиолефинов или термопластического эластомера. Матрица 2 непрерывно армирована волокнами 3 со степенью объемного наполнения 8-80%. Несущий элемент 1 покрыт защитной оболочкой 4 из полимерного материала. Несущий элемент 1 имеет фасонный профиль 5 с круглым, трапецеидальным или Z-образным контуром.

Несущий элемент 1 может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции. Многожильная конструкция содержит сердечник 6.

В качестве матрицы 2 преимущественно использован сшитый полиэтилен.

В качестве полимерного материала для защитной оболочки 4 использован полиэтилен.

Изготавливают элемент 1 на стандартном экструзионном оборудовании, снабженном соответствующими насадками для получения соответствующего профиля. При необходимости методом скрутки из элементов 1 изготавливают многожильную конструкцию. Для использования несущего элемента 1 в земле, в каналах кабельной канализации, трубах и коллекторах оболочку 4 накладывают и на одножильную и на многожильную конструкции несущего элемента 1.

В процессе эксплуатации в качестве силовых несущих элементов в строительных и конструкциях проводов и кабелей, каждый несущий элемент 1 уверенно, без разрушения и деформации воспринимает все действующие статические и динамические, в том числе и ударные, нагрузки, направленные на растяжения и изгиб, надежно работает в земле, в каналах кабельной канализации, трубах и коллекторах, на открытом воздухе и при перепадах температур.

Повышенные физико-механические свойства несущего элемента 1 позволяют уменьшить сечение круглого профиля и выполнять из других фасонных профилей компактные многожильные конструкции.

Техническое решение относится к областям строительства и электротехники и может быть использовано в качестве несущих элементов для подвески, например, тросов, кабелей и проводов, в качестве армирующих элементов в строительных конструкциях и в качестве несущих сердечников в конструкциях кабелей и проводов. Полимерный несущий элемент (1) имеет круглый, трапецеидальный или Z-образный профиль и выполнен из термопластичного материала из класса полиолефинов или термопластического эластомера, непрерывно армированных высокопрочными волокнами с низкой плотностью - базальтовыми, углеродными, стеклянными или пара-арамидными. Изобретение обеспечивает создание полимерного несущего элемента с расширенными возможностями применения, в том числе в условиях непосредственного воздействия внешних и ударных нагрузок, в условиях прямого воздействия ультрафиолетового излучения, а также для получения прочных многожильных несущих конструкций. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полимерный несущий элемент, в котором полимерная матрица непрерывно армирована высокопрочными волокнами с низкой плотностью, отличающийся тем, что несущий элемент имеет фасонный профиль, а матрица выполнена из термопластичного материала из класса полиолефинов или термопластического эластомера.

2. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термопластичного материала использованы полиэтилен, сшитый полиэтилен, полипропилен.

3. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термопластического эластомера использованы термопластический вулканизат, термопластический полиолефин, термопластический полиуретан.

4. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что несущий элемент имеет круглый, трапецеидальный или Z-образный профиль.

5. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокопрочных волокон с низкой плотностью использованы базальтовые, углеродные, стеклянные или пара-арамидные волокна.

6. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что суммарное сечение армирующих волокон может составлять 8-80% от сечения несущего элемента.

7. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что армирующие волокна выполнены из скрученных или без крутки элементарных волокон.

8. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что несущий элемент выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.

9. Элемент по п. 1, отличающийся тем, что несущий элемент покрыт внешней оболочкой из полимерного материала.