ПАТРУБОК ГИБКИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВУЛКАНИЗИРОВАННОЙ ПРОРЕЗИНЕННОЙ СТЕКЛОТКАНИ И ПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2023 года по МПК B64D13/06 F16L11/02 F16L11/10 F16L11/20 B32B5/28 B32B7/12 C08J5/00 

Область техники

Группа изобретений относится, в частности к однослойным армированным композитным трубам, изготовленных на основе вулканизированной прорезиненной стеклоткани, предназначенных для транспортировки газообразных веществ в системах распределения воздуха из состава системы кондиционирования воздуха аэрокосмической техники.

Уровень техники

Одними из наиважнейших задач в развитии аэрокосмической техники являются уменьшение массы и увеличение эксплуатационного ресурса летательных аппаратов (ЛА) - для обеспечения эффективности и надежности их использования. Значительного прогресса в этом направлении удалось добиться благодаря широкому применению полимерных композиционных материалов взамен металлов в конструкциях летательных аппаратов, что обусловлено их уникальными свойствами, такими как низкая объемная плотность, высокая удельная прочность, возможность создания крупногабаритных пространственно-сложных конструкций, способствующих снижению количества и массы соединительных элементов и др.

Известно изобретение «Препрег» (патент RU2687926, МПК В32В 27/12, C08J 5/00, Заявка: 2018114525, 19.04.2018, Опубликовано: 16.05.2019) содержащий волокнистый наполнитель, состоящий из высокопрочных нейтральных нитей с номинальной линейной плотностью 14,3; 29,4; 58,8 текс, клеевое полимерное расплавное связующее и полисульфон, отличающийся тем, что высокопрочные нейтральные нити получены на основе арамидных волокон Русар-НТ, синтезированных с использованием мономера - хлор-n-фенилендиамина, при следующем соотношении компонентов. В отличие от изобретения №2687926, в исследуемом объекте отсутствуют высокопрочные нейтральные нити полученные на основе арамидных волокон Русар-НТ и другая плотность наполнителя.

«Способ получения конструкционного композиционного материала» по патенту на изобретение (RU2405675, МПК В29С 51/10, В32В 27/12, C08J 5/00, Заявка: 2009126970/04, 15.07.2009, Опубликовано: 10.12.2010), включающий сборку пакета из слоев арамидной ткани и полимерного связующего и формование его при повышенной температуре и давлении, отличающийся тем, что сборку пакета осуществляют из слоев арамидной ткани и полимерного связующего в количестве 40-55 мас. %, а перед формованием собранный пакет помещают в гермочехол, подключают к вакуумной системе, вакуумируют до остаточного давления 0,07-0,09 МПа и выдерживают при температуре 70-120°С не менее 30 мин. В исследуемом объекте, в отличии от заявленного технического решения по патенту на изобретение №2405675 не используются вакуумная установка и нет формования.

В качестве прототипа выбрано изобретение «Гибкий трубопровод из полимерного композиционного материала» (патент RU2733797, МПК F16L 11/10, Заявка: 2019136153, 11.11.2019, Опубликовано: 06.10.2020, статус: действует), имеющий гибкий трубопровод из полимерного композиционного материала, включающий эластичную оболочку, выполненную из материала, армированного одним слоем стеклоткани, и усиленную спиралью жесткости, отличающийся тем, что эластичная оболочка выполнена из негорючего эластичного материала с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45°±10°, при этом поверх оболочки приклеена на эластичном клее спираль жесткости, состоящая из шнура с нитями, пропитанного низкоконцентрированным раствором термореактивного связующего, причем шнур просушен до приклейки к оболочке, а связующее после приклейки шнура отверждено при температуре от +50°С до +140°С, а по открытым сторонам концов трубопровода приклеены на эластичном клее манжеты из эластичного материала.

К недостаткам прототипа можно отнести расслоение композитного патрубка в условиях быстрого снижением давления газа или под воздействием значительных изгибающих усилий, вследствие того, что соединение между полимерной лентой армированная однонаправленными волокнами и контактной поверхностью внутренней полимерной трубы, в случае близкой к оптимальной комбинации материалов является недостаточным, чтобы выдерживать нагрузки при установке и эксплуатации в жестких условиях, которым подвергают трубы.

В отличие от прототипа в данном способе изготовления патрубков гибких последовательное склеивание манжет по месту изготовления, а не отливка в пресс-форме, а также другой режим термообработки изделия и угол расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода.

Важной особенностью полимерных композиционных материалов (ПКМ) с кремнийорганическим полимерным материалом является высокая стабильность (наблюдаются минимальные потери) их механических свойств при переходе в область низких температур (при от -30°С до -50°С). У кремнийорганических полимеров основная цепь построена из атомов кремния и кислорода, а боковые группы содержат атомы углерода, водорода или других химических элементов, благодаря чему кремнийорганические соединения обладают повышенной термической и химической стойкостью.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является получение патрубка гибкого из полимерных композиционных материалов, в котором применены современные технологии при изготовлении, обеспечение компенсации температурного расширения и деформации мест крепления на летательном аппарате, герметичности воздухопровода, негорючесть, минимальная масса и высокая надежность, что выполняется техническими решениями соответствующим аналогичным решениям, известным из современной научно-технической информации и применяемым при решении аналогичных задач в современном авиастроении, позволяя обеспечить современным отечественным пассажирским самолетам конкурентоспособность в сравнении с зарубежными аналогами при высокой эксплуатационной надежности и комфорте пассажиров.

Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик в целом, особенно при эксплуатации патрубка при низких температурах и достижения нового технического результата.

К преимуществам изобретения по сравнению с аналогами, можно отнести весовую эффективность, а также ее высокие показатели прочности и жесткости при минимальной массе. Чем меньше масса вспомогательных систем, тем больше полезная нагрузка ЛА и более рационален расход топлива, как следствие экономия топлива и снижение стоимости перевозок. Надежность и простота в эксплуатации в течение длительного времени работы увеличивает продолжительность срока службы ЛА, обеспечивает эффективность их использования в коммерческих целях. Установка не содержит элементов автоматики. Рекомендуется только периодический внешний осмотр.

В результате решения технической задачи предложен патрубкок гибкий из полимерного композиционного материала, включающий эластичную оболочку, выполненную из стеклотканного материала, армированного прорезиненной вулканизованной стеклотканью и усиленную спиралью жесткости, отличающийся тем, что эластичная оболочка выполнена из негорючего эластичного материала с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45°±5°, при этом поверх оболочки приклеена на эластичный полимерный материал спираль жесткости, состоящая из просушенного до приклейки к оболочке шнура с нитями, пропитанного раствором термореактивного связующего, отвержденного при температуре от +75°С до +135°С, при этом, патрубок состоит из основной части и двух манжет, изготовленных контактным формованием по месту, выполненных из стеклоткани конструкционной, пропитанной эластичным полимером, или из смеси резиновой, и предназначенных для соединения патрубка в рабочем положении на объекте.

Технической задачей предлагаемой технологии является разработка способа изготовления патрубка гибкого из ПКМ, не требующий специального дорогостоящего оборудования для его осуществления, позволяющего изготавливать изделия в диапазоне от 200 до 3000 мм с постоянным диаметром сечения и с шагом 5-25 мм по всей длине трубы.

Технический результат от использования способа изготовления патрубка гибкого из ПКМ заключается в повышении качества изготовления изделия, его прочности, гибкости, герметичности, стойкости к длительному воздействию агрессивных сред (аммиака, двуокиси азота, сернистого газа, сероводорода и озона) и соляного тумана, а также технологичности изготовления, простоты монтажа и эксплуатации в составе системы кондиционирования и вентиляции воздуха, взаимозаменяемости его узлов и деталей, ремонтопригодности и низкой себестоимости, как при изготовлении и монтаже в составе системы кондиционирования и вентиляции воздуха, так и в процессе его эксплуатации и проведения ремонтно-восстановительных работ.

Основные задачи способа решены и технический результат достигнут:

• за счет применения новых операций в технологических процессах изготовления патрубка гибкого;

• за счет наиболее эффективного с точки зрения обеспечения эксплуатационной надежности оболочки патрубка гибкого, образованной из стеклотканного наполнителя и полимерного связующего, его структуры и состава, объемного соотношения армирующего наполнителя и полимерного связующего на разных стадиях преобразования в готовое изделие.

Описание чертежей

Преимущества и особенности изобретения поясняются конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фигуре показана конструкция патрубка гибкого, состоят из спиральной (гибкой) основной части I и двух манжет II, с разным соединением с основной частью и разным составом материалов в вариантах изготовления по месту и предназначенных для соединения патрубков в рабочем положении на объекте.

По 1 варианту патрубок гибкий из спиральной (гибкой) части включающей внутреннюю оболочку (1) из ткани прорезиненной вулканизированной двусторонней с направлением основы под углом 45°±5°, армированной спиралью из шнура кремнеземного наполненного 2 для обеспечения «сгибаемости» трубопровода без схлопывания, окружающего ее базового композитного материала 3, манжеты из стеклоткани конструкционной пропитанной эластичным полимером 4.

По 1 варианту патрубок гибкий из спиральной (гибкой) части включающей внутреннюю оболочку (1) из ткани прорезиненной вулканизированной двусторонней с направлением основы под углом 45°±5°, армированной спиралью из шнура кремнеземного наполненного 2 для обеспечения «сгибаемости» трубопровода без схлопывания, окружающего ее базового композитного материала 3, манжеты из смеси резиновой 4.

Осуществление изобретения.

Пример 1.

При изготовлении патрубка гибкого на основе вулканизированной прорезиненной ткани и полимерного покрытия, ножницами отрезают от рулона стеклоткани конструкционной заготовку не менее 1 метра и производят сушку заготовки при температуре 110±100°С в течение 3-3,5 часов в электрошкафу. Нарезают материалы на заготовки по размерам и пропитывают на кленке края разметки стеклоткани герметиком с помощью кисти, при этом герметик необходимо приготовить в соотношении 100:80. Заготовки отрезают по разметке и нарезают шнур кремнеземный наполненный. Далее наматывают шнур в один слой на приспособление для пропитки. Пропитывают шнур кремнеземный наполненный связующим типа РС-Н, с концентрацией 30% и при этом допускается приготовить раствор, смешением 30 м.ч. связующего и 70 м.ч ацетона. После этого производят сушку шнура при температура 105±50°С в течение 1,5±0,5 часа в электрошкафу. После чего охлаждают до температуры окружающей среды. Затем снова пропитывают шнур кремнеземный наполненный связующим типа РС-Н, с концентрацией 30%. После чего производят сушку в электрошкафу шнура при температуре 75±50°С в течение 1,5±0,5 часа.

Закрепляют приспособление на поверхности стола при помощи ленты с липким слоем, протирают внутреннюю поверхность приспособления и стола тканью с мыльным раствором и просушивают оснастку при температуре окружающей среды до удаления влаги. После чего распределяют герметик по внутренней поверхности приспособления с помощью шпателя, при этом: герметик должен быть приготовлен в соотношении 100:50. Далее просушивают оснастку при температуре окружающей среды до удаления влаги и распределяют герметик по внутренней поверхности приспособления с помощью шпателя, при этом герметик должен быть приготовлен в соотношении 100:50. Выдерживают при температуре окружающей среды до полной полимеризации герметика, не менее 8 ч. Вынимают заготовку манжеты из приспособления и размечают заготовку манжеты по необходимым размерам. После чего заворачивают оправку фторопластовой пленкой, по спирали с нахлестом от 5 до 10 мм и закрепляют лентой с липким слоем и наносят подслой типа П-9 на расстоянии 10±2 мм от края заготовки из ткани термостойкой облицовочной с помощью кисти, по длине с обеих сторон заготовки. Просушивают при температуре окружающей среды 1-2 ч и наносят подслой типа П-11 на расстоянии 10±2 мм от края заготовки из ткани термостойкой облицовочной с помощью кисти, по длине с обеих сторон заготовки, учитывая в случаи применения двух заготовок из ткани термостойкой облицовочной, пропитку производить и по краю ширины заготовки. Просушивают при температуре окружающей среды 1-2 ч и пропитывают на пленке с любой 1 стороны заготовку из стеклоткани герметиком с помощью кисти, учитывая, что герметик необходимо приготовить в соотношении 100:30. После чего пропитывают на пленке заготовку из ткани термостойкой облицовочной со стороны стеклоткани по краю длины (2±1) герметиком с помощью кисти. Герметик приготовить в соотношении 100:30. Состыковывают заготовку пропитанными краями по диаметру оправки. Заготовку из стеклоткани наносят на стык ткани термостойкой облицовочной и заворачивают оправку с оболочкой фторопластовой пленкой и зафиксировать резиновым бинтом. Выдерживают при температуре окружающей среды до полной полимеризации герметика, не менее 8 ч. Снимают бинт и пленку с оправки и наносят подслой типа П-9 (П-9Б) на оболочку из ткани термостойкой облицовочной, расположенную на оправке с помощью кисти. После чего просушивают при температуре окружающей среды 1-2 ч и наносят подслой типа П-11 на оболочку из ткани термостойкой облицовочной, расположенную на оправке с помощью кисти. Далее просушивают при температуре окружающей среды 1-2 ч. Затем наматывают шнур кремнеземный наполненный вокруг оболочки, при помощи приспособления, соблюдая шаг и угол намотки, соблюдая, что первый и последний виток спирали выполнить в виде замкнутого контура и учитывая, что первый и последний витки выполнять на расстоянии 2-3 мм от края оболочки. Наносят герметик на спиральную часть трубопровода с помощью краскораспылителя, учитывая, что герметик приготовить в соотношении 100:80. Выдерживают при температуре окружающей среды до полной полимеризации герметика, не менее 8 ч. И наносят герметик повторно на спиральную часть трубопровода с помощью краскораспылителя, учитывая, что герметик приготовить в соотношении 100:80. Выдерживают при температуре окружающей среды до полной полимеризации герметика, не менее 8 ч. Наносят герметик по краю оболочки и по первому витку спирали с помощью кисти, соблюдая, что герметик приготовить в соотношении 100:30. Состыковывают манжету из полимеризованного герметика по диаметру оправки на оболочку, закрывая 1 виток спиральной части и наносят на стык манжеты герметик, зафиксировав места склейки фторопластовой лентой. После чего, выдерживают при температуре окружающей среды до полной полимеризации герметика, не менее 8 ч. и наносят герметик на 1 сторону заготовки из стеклоткани с помощью кисти, учитывая, что герметик приготовить в соотношении 100:30. Состыковывают пропитанную герметиком заготовку по диаметру оправки, закрывая 1 виток спиральной части. Фиксируют места стыка оболочки с наконечником пленкой и закрепить лентой с липким слоем и выдержать при температуре окружающей среды до полной полимеризации герметика, не менее 8 ч. Наносят герметик на стеклоткань наконечника с помощью кисти, при этом герметик приготовить в соотношении 100:30. Состыковывают манжету из полимеризованного герметика по диаметру оправки на оболочку, закрывая 1 виток спиральной части. Наносят на стык манжеты герметик, зафиксировав места склейки фторопластовой лентой и выдержать при температуре окружающей среды до полной полимеризации герметика, не менее 8 ч. Закрепляют на приспособлении оправку с патрубком и извлекают части оправки из патрубка при помощи киянки, удаляют пленку из патрубка, размечают патрубок в приспособлении для фиксации и производят его термообработку при t=135±5°C, в течении 2,0±0,5 ч.

После чего охлаждают патрубок до температуры окружающей среды. Размечают габариты патрубка и обрезают припуск наконечников.

Пример 2.

Весь процесс изготовления патрубка гибкого происходит также как и в примере 1, с разницей в том, что учитывая в случае применения двух заготовок из ткани термостойкой облицовочной, заворачивают оправку фторопластовой пленкой, по спирали с нахлестом от 5 до 10 мм и закрепляют лентой с липким слоем и наносят подслой типа П-9 на расстоянии 10±2 мм от края заготовки из ткани термостойкой облицовочной с помощью кисти, по длине с обеих сторон заготовки и по краю ширины заготовки.

Применимость

В соответствии с настоящим изобретением были изготовлены опытные образцы патрубка гибкого из полимерных композиционных материалов, которые затем прошли испытания на герметичность и на устойчивость воздействию агрессивных сред (аммиака, двуокиси азота, сернистого газа, сероводорода и озона) и соляного (морского) тумана по методу ускоренных испытаний.

Результаты испытаний и исследований положительны: Экспериментальные образцы патрубка гибкого герметичны, способны противостоять воздействию агрессивных сред (аммиака, двуокиси азота, сернистого газа, сероводорода и озона), соляного (морского) тумана.

Патрубок гибкий из ПКМ соответствуют по требованиям отсутствия выпадения конденсата, накопления влаги и ее замерзания. Патрубок гибкий из ПКМ соответствуют требованиям негорючести. Материалы изобретения устойчивы к биологическому повреждению плесневелыми грибами.

В термобарокамере провели испытания патрубков, находящихся в взвешенном, нерабочем состоянии на воздействие динамической пыли (песка) состава: кварцевый песок - 70%, мел - 15%, каолин - 15%, при концентрации в воздухе камеры 5±2 г/м³ и скорости циркуляции воздуха до начала оседания пыли от 10 до 15 м/с, в течении 2 часов испытания 12 м/с и на воздействие статической пыли (песка) состава: кварцевый песок - 60%, мел - 20%, каолин - 20% при температуре 55±2°С, влажности не более 50%, концентрации в воздухе камеры 2±1 г/м³, при циркуляции воздуха 0,98 м/с в течении 2 часов. Замечаний по внешнему виду нет.

Анализ проб воздуха, по результатам испытаний патрубка гибкого на выделение токсических, аллергенных и канцерогенных веществ из материалов изобретения не превышают уровни ПДК, установленные п. 25.831 (d*) АП-25, ГОСТ 12.1.005, СанПиН 1.2.3685.

В России в настоящее время элементы СКВ летательных аппаратов изготавливают из алюминиевых сплавов или с применением импортных или ранее разработанных отечественных полимерных материалов. Однако из-за большой трудоемкости изготовления, энергозатратного процесса, потребности снижения веса и коррозионной активности металлических элементов, ведется поиск материалов с низкой плотностью, обеспечивающих необходимые прочностные и эксплуатационные характеристики, предъявляемые к конструкции СКВ. В этой связи разработка современных полимерные композитные материалы для системы кондиционирования воздуха летательных аппаратов, ввиду специфики их изготовления, является актуальной задачей, которая позволит уменьшить время и энергозатраты при изготовлении воздуховодов и решить задачу импортозамещения. Предложенная конструкция патрубка гибкого из полимерных композиционных материалов промышленно применима с помощью существующих технических средств.

По совокупности проведенной работы получены конкурентоспособные отечественные изделия, не уступающие по своим характеристикам зарубежным и технология их изготовления, готовые к внедрению их в серийное производство.

Группа изобретений относится, в частности, к однослойным армированным композитным трубам, изготовленным на основе вулканизированной прорезиненной стеклоткани, предназначенным для транспортировки газообразных веществ в системах распределения воздуха аэрокосмической техники. Патрубок гибкий состоит из спиральной (гибкой) основной части, включающей внутреннюю оболочку из разных вариантов вулканизированной прорезиненной стеклоткани, спирали из кремнеземного наполненного шнура, окружающего ее базового композитного материала, защитной полимерной оболочкой двух манжет, изготовленных контактным формованием по месту, выполненных из стеклоткани конструкционной, пропитанной эластичным полимером, или из смеси резиновой, и предназначенных для соединения патрубка в рабочем положении на объекте. Техническим результатом изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик особенно при эксплуатации патрубка при низких температурах, ремонтопригодность, простота монтажа и эксплуатации. Технический результат по способу изготовления патрубка гибкого из полимерных композиционных материалов достигается повышением качества изготовления изделия, его прочности, гибкости, герметичности, стойкости к длительному воздействию агрессивных сред (аммиака, двуокиси азота, сернистого газа, сероводорода и озона) и соляного (морского) тумана, а также технологичности изготовления и низкой себестоимостью. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Патрубок гибкий из полимерного композиционного материала, включающий эластичную оболочку, выполненную из стеклотканного материала, армированного прорезиненной вулканизованной стеклотканью, и усиленную спиралью жесткости, отличающийся тем, что эластичная оболочка выполнена из негорючего эластичного материала с углом расположения нитей основы и утка к продольной оси трубопровода 45±5°, при этом поверх оболочки приклеена на эластичный полимерный материал спираль жесткости, состоящая из просушенного до приклейки к оболочке шнура с нитями, пропитанного раствором термореактивного связующего, отвержденного при температуре от +75°С до +135°С, при этом патрубок состоит из основной части и двух манжет, изготовленных контактным формованием по месту, выполненных из стеклоткани конструкционной, пропитанной эластичным полимером, или из смеси резиновой, и предназначенных для соединения патрубка в рабочем положении на объекте.

2. Способ изготовления методом контактного формования патрубка гибкого из полимерного композиционного материала по п. 1, включающий следующие стадии:

a) послойное нанесение раствора полимерной композиции на текстильную основу при помощи кисти и последовательное выдерживание заготовки до полной полимеризации;

b) нанесение подслоя П-9 в сочетании с подслоем П-11 для обеспечения адгезии;

c) намотка стеклянного шнура вокруг оболочки при помощи приспособления, соблюдая шаг и угол намотки;

d) послойное нанесение раствора герметика краскораспылителем на стеклоткань с последующей выдержкой каждого слоя при температуре окружающей среды;

e) нанесение герметика по краю оболочки и по первому витку спирали с помощью кисти и состыковка пропитанной герметиком заготовки из стеклоткани по диаметру оправки, закрывая 1 виток спиральной части;

f) нанесение раствора герметика на заготовку манжеты при помощи кисти и выдерживание ее до полной полимеризации, затем формируется последующий слой, и процесс повторяется до полного завершения изготовления изделия;

g) термообработка патрубка при температуре 135±5°C, в течение 2,0±0,5 часов с последующим охлаждением его до температуры окружающей среды.

3. Способ изготовления патрубка гибкого по п. 2, отличающийся тем, что слои лент из армированного непрерывными однонаправленными волокнами термопластичного полимера базового композитного материала и слои материала эластичной прослойки, армированные непрерывными однонаправленными волокнами дополнительного термопластичного полимера, намотаны под разными углами к оси внутренней оболочки.