СПОСОБ АКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ МЕМБРАНЫ НА ОСНОВЕ ПТФЭ НА НАНОГЛУБИНЕ Российский патент 2024 года по МПК C08F14/26 B29K27/18 B29C71/00 B29L7/00 B32B33/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к технической области полимерных композитов, в частности, к способу активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Ветрогенераторы, установленные в высокогорных и гористых районах, а также в низкотемпературных и морозных районах Китая, подвергаются воздействию со стороны климатических условий. Каждую зиму лопасти покрываются обледенением различной степени и, следовательно, не функционируют должным образом. Выходная мощность ветрогенератора не достигает гарантированного значения и генераторы останавливаются. Значительная часть электрического заряда теряется и возникают даже случаи разлома лопасти. Поверхности лопастей обледеневают, а технологический способ и эффективность предотвращения и удаления обледенения не достаточны, что прямо приводит к потере полезной энергии ветра. Возникает риск разделения работы генератора, делая проблему обледенения лопастей ветрогенератора важной темой в ветроэнергетической промышленности по всему миру. Местными и зарубежными научно-исследовательскими институтами и ветроэнергетическими промышленными предприятиями непрерывно проводятся соответствующие исследования технических материалов для предотвращения и удаления обледенения с лопастей ветрогенераторов.

[0003] В результате проведения поиска по зарубежным базам данных и общедоступным документам на релевантных веб-сайтах было обнаружено, что в патенте Японии JP2003113254 представлено покрытие лопасти ветрогенератора. Покрытие из пористой супергидрофобной мембраны из поливинилиденфторида получают из сырьевых материалов, таких как поливинилфторид, поливинилиденфторид, сухой лед, угольный порошок, тунговое масло, поливинилформаль, полиэфирамид, соломенный порошок, консервант, диспергатор, выравнивающее средство и т.п.для достижения хорошей противообледенительной эффективности. В международной заявке на выдачу патента WO2006058233 раскрыта самоочищающаяся антиотражающая мембрана, составленная из гомогенного двойного слоя SiO₂ и политетрафторэтилена, для предотвращения обледенения лопастей, а также способ получения антиотражающей мембраны. Эта антиотражающая мембрана получена путем объединения плотного слоя диоксида кремния, пористого слоя наностержней из диоксида кремния и политетрафторэтиленового наностержня. Способ получения антиотражающей мембраны включает следующие этапы: три слоя плотного диоксида кремния, пористого диоксида кремния и композитной политетрафторэтиленовой мембраны из наностержней с постепенно уменьшающимися показателями преломления последовательно наносят на прозрачную или полупрозрачную подложку путем применения способа электронно-лучевого испарения. В патенте США US20170028361 раскрыта композитная ПФСК/ПТФЭ-мембрана для предотвращения обледенения лопастей. Способ включает следующие этапы: разведение вещества перфторсульфоната в водном растворе органического спиртового растворителя с низкой точкой кипения; добавление органического растворителя с высокой точкой кипения и золя кремниевой кислоты в раствор с получением раствора смолы для получения мембраны; тяга основы мембраны-растянутой микропористой ПТФЭ-мембраны для прохождения на опорный валик установки для формирования мембраны, погружение основы мембраны в раствор смолы низкой концентрации, сушка при 40-100°, погружение высушенной основы мембраны в раствор высокой концентрации, сушка при 40-100°, повторяемое погружение основы мембраны в раствор высокой концентрации и сушка до достижения определенной толщины композитной мембраны, и помещение композитной мембраны в печь для сушки и придания ей формы при 120-200° с получением готовой композитной мембраны. В патенте EP2767330 раскрыт композит, содержащий пористую ПТФЭ-мембрану, для предотвращения обледенения лопастей. Пористая ПТФЭ-мембрана содержит промежуточную ПТФЭ-мембрану, имеет размер пор от приблизительно 2 нанометров до приблизительно 20 нанометров, и она вставлена и связана между пористыми фторполимерными мембранами с большим диаметром пор. В патенте CN101821500A раскрыт способ противообледенительной обработки лопасти ветрогенератора, ветрогенератор и способ его применения. Способ применяют для удаления льда с лопасти ветрогенератора после того, как ветрогенератор находился в состоянии простоя в течение некоторого периода времени. Лед сбрасывается с лопасти за счет приведения лопасти в состояние ускорения, а затем - в состояние замедления. Однако в случае крупногабаритных ветрогенераторов, лопасть имеет относительно малую амплитуду и, следовательно, это решение трудно поддается реализации.

[0004] Академические и научные исследовательские институты и ветроэнергетические промышленные предприятия в Китае никогда не прерывали проведение соответствующих исследований в области предотвращения и удаления обледенения с лопастей ветрогенераторов. Способ противообледенительной обработки, представленный в опубликованной литературе, включает в себя механическую противообледенительную обработку, противообледенительную обработку с помощью жидкости, противообледенительную обработку с помощью покрытия, противообледенительную обработку с помощью горячего газа, микроволновую противообледенительную обработку, вибрационную противообледенительную обработку, электрическую противообледенительную обработку, ультразвуковую противообледенительную обработку и т.д. Yaogang и соавт.из Института электротехники и автоматики в Уханськом университете готовят супергидрофобный нанокомпозитный материал и изучают влияние этого материала на обледенение. Используют способ, в котором сочетаются высокоскоростное перемешивание и ультразвуковая дисперсия, нано SiO_2-x, обработанный связывающим средством, равномерно диспергируют во фторированной органической силиконовой смоле, обладающей свойством гидрофобности, и полученное супергидрофобное нанокомпозитное покрытие используют для предотвращения обледенения лопастей. В патенте 201610675902.4 раскрыт способ получения и применения композитной мембраны на основе ПТФЭ и сложного полиэфира для предотвращения обледенения лопастей ветрогенераторов. Этот способ включает этапы, на которых выполняют комплексообразование с ламинацией, используя связывающее комплексообразующее средство, наносят промежуточный адгезив и наносят фотостимулированный адгезив, чувствительный к давлению, с использованием адгезива, чувствительного к давлению. Связывающее комплексообразующее средство готовят из 3-изоцианатметил-3,5,5-триметилциклогексил изоцианата, винилацетата, этилкарбамата, альфа-линоленовой кислоты, бензоилпероксида, (4) этоксилированного бисфенол A диметакрилата и т.д. Фотостимулированный адгезив, чувствительный к давлению, готовят из сополимера поли[бутилакрилат-глицидилметакрилат-н-бутоксиметакриламида], бутилакрилата, (4) этоксилированного бисфенол A диметакрилата, 4,4’-бис(диэтиламино)бензофенона, диметилформамида и т.д. Обеспечивается решение технической проблемы, заключающейся в том, что композитная мембрана из ПТФЭ и сложного полиэфира не может быть непосредственно наклеена на поверхности лопастей ветрогенератора с помощью адгезива. Повышается прочность на отслаивание и композитная мембрана может применяться для предотвращения обледенения различных типов лопастей ветрогенераторов. В патенте 201610670830.4 раскрыт способ получения и применения наномодифицированной композитной мембраны на основе ПТФЭ и сложного полиэфира для предотвращения обледенения лопастей ветрогенераторов. Этот способ включает этапы, на которых модифицируют ПТФЭ-мембрану, выполняют комплексообразование с ламинацией и наносят поперечно-сшитый фотоадгезив. Модификатор готовят из нанокристаллов из легированного сурьмой оксида олова, диоксида нанотитана, нанокарбида кремния, влагостойкого средства из органического фтора и пентаэритрит трис(3-азиридинил)-пропионата. При комплексообразовании с ламинацией, связывающее комплексообразующее средство готовят из 3-изоцианатметил-3,5,5-триметилциклогексилизоцианата, винилацетата, этилкарбамата, альфа-линоленовой кислоты, (2) этоксилированного бисфенол A диметакрилата, триметилолпропан триакрилата и бензоилпероксида. Поперечно-сшитый фотоадгезив готовят из сополимера поли[бутилакрилат-глицидилметакрилат-н-бутоксиметакриламида], винилацетата, бутилакрилата, производной акрилата, фотоинициатора и диметилформамида. Способ решает проблему, заключающуюся в том, что модифицированная композитная мембрана на основе ПТФЭ и сложного полиэфира не может быть наклеена непосредственно на поверхности лопастей ветрогенераторов с помощью адгезива. В статье «Исследование и анализ противообледенительной технологии для лопастей ветрогенератора», опубликованной в журнале «Ветроэнергетика» (2016 (09)), полученную наномодифицированную ПТФЭ-мембрану связывают и объединяют с тканью из сложного полиэфира при высокой температуре под действием процесса объединения тепловым прокатыванием с получением композитной мембраны из наномодифицированной ПТФЭ-мембраны и ткани из сложного полиэфира, при этом ожидается, что полученная композитная мембрана станет новым противообледенительным материалом и технологией нового поколения, способными решить проблему обледенения лопастей ветрогенератора во всем мире. В патенте 201610675902.4 раскрыт способ получения и применения композитной мембраны на основе ПТФЭ и сложного полиэфира для предотвращения обледенения лопастей ветрогенераторов. Этот способ включает этапы, на которых выполняют комплексообразование с ламинацией, используя связывающее комплексообразующее средство, наносят промежуточный адгезив и наносят фотостимулированный адгезив, чувствительный к давлению, с использованием адгезива, чувствительного к давлению. В патенте 201610452541.7 раскрыт самоклеящийся модифицированный политетрафторэтиленовый материал из углеродного волокна и стального волокна для предотвращения обледенения лопастей, а также способ его получения. Стальные волокна и углеродные волокна применяются для улучшения прочности на растяжение и фрикционной характеристики политетрафторэтилена. В то же время, для спекания тонких наполнителей, таких как порошок SiO₂, Al и т.п., при высокой температуре к поверхности политетрафторэтилена применяют усовершенствованный способ плавления, тем самым улучшая состояние спекания поверхности политетрафторэтилена, а также существенно увеличивая прочность связывания. В патенте 201310018649.1 раскрыт способ получения самоклеящейся гибкой мембранной ленты из политетрафторэтилена (ПТФЭ) для предотвращения обледенения лопастей. Этот способ получения включает следующие этапы, на которых: диспергируют смолу с ПТФЭ, добавляют некоторое количество силикона и масла-растворителя, равномерно перемешивают и выдерживают в сушилке при 50° в течение более 12 ч; выдержанный порошкообразный материал предварительно прессуют в цилиндрическую заготовку; и ее помещают в экструдер для экструдирования круглого лентообразного материала диаметром 20-25 мм, помещают его в теплую воду для теплоизоляции, прессуют его в мембрану с использованием устройства для каландрирования с барабаном большого размера, и проводят удаление масла, поперечное растяжение, продольное растяжение, придание размеров и продольная резка и т.п.В результате получают лентообразный продукт в виде ПТФЭ-мембраны, обладающий превосходными рабочими характеристиками для уплотнительной отрасли, а также плотностью в диапазоне 400-1100 г/м³ и прочностью на растяжение 15-25 МПа. В патенте 201720057571.8 раскрыта оптически контролируемая теплоизоляционная мембрана для предотвращения обледенения лопастей. Оптически контролируемая теплоизоляционная мембрана состоит из расположенных друг за другом в направлении изнутри наружу ПЭТ-мембраны, слоя диоксида титана, ПТФЭ-мембраны, слоя термопластичного адгезива, основы из ПЭТ-мембраны, стойкого к механическим повреждениям слоя и стойкого к инфракрасным лучам слоя. В патенте 201610990370.3 раскрыта двухслойная витая мембрана для предотвращения обледенения лопастей и способ ее получения. Верхний слой противообледенительной двухслойной витой мембраны представляет собой супергидрофобную витую мембрану, покрытую диоксидом кремния, а нижний слой противообледенительной двухслойной витой мембраны представляет собой гидрофильную витую мембрану, в которую введена противообледенительная жидкость. Liu Shengxian и соавт.из Научно-технологического Университета Чанша определяют параметры состояния обледенения лопастей ветрогенераторов путем анализа имитационного эксперимента динамических характеристик лопастей ветрогенератора в различных состояниях обледенения, получают индексы характеристических значений лопастей в состоянии обледенения посредством имитационного вычисления и, таким образом, исследуют технологию диагностики состояния обледенения лопасти ветрогенератора на основе обнаружения вибрации. Компания «Goldwind technology» разрабатывает технологическое решение электротепловой противообледенительной обработки. Нагревательные элементы, такие как электротепловая мембрана из углеродного волокна или проволока сопротивления, встраивают в покрытие лопасти. Нагревательные элементы включают в себя углеродное волокно, нагревательные резисторы, металлические нагревательные сети, проводящие нагревательные мембраны и т.д. Нагревательные элементы составляют электротепловую систему предотвращения и удаления обледенения вместе с преобразователем для защиты от перегрева, источником питания и т.д. Таким образом, электрообогрев обеспечивает оттаивание льда на поверхностях лопастей для достижения эффектов предотвращения и удаления обледенения. Компания «Windey» разрабатывает технологию противообледенительной обработки горячим газом, реализуемую путем ввода электрообогрева в полость лопасти. Благодаря размещению вентиляционных труб с горячим газом в полости лопасти и добавлению нагревательного устройства в ступицу ветрогенератора, горячий газ или горячий газ, нагреваемый другими источниками излучения, циркулирует по вентиляционной трубе. Тепло передается к внешней поверхности лопасти через обшивку лопасти, чтобы лопасть имела определенную температуру и непрямым образом нагревалась под действием горячего газа для предотвращения замерзания переохлажденных капель воды с достижением цели предотвращения и удаления обледенения.

[0005] Резюмируя, существует много местных и зарубежных технических способов предотвращения образования и удаления обледенения с лопастей ветрогенераторов. Однако среди всех технических способов некоторые из них находятся лишь на базовой стадии исследования и некоторые были применены в экспериментах, но при этом ни в одном из них не может быть достигнут идеальный эффект предотвращения образования и удаления обледенения. В частности, способ предотвращения и удаления обледенения с использованием проволок сопротивления и электротеплового воздуха имеет неочевидный эффект предотвращения и удаления обледенения, а также увеличивает вес каждой лопасти на 200 кг, при этом вес лопастей всей ветрогенераторной установки увеличивается на 600 кг, что существенно увеличивает весовую нагрузку на лопасть ветрогенератора и увеличивает норму потребления электричества предприятием более, чем на 8-10%. Если в одной лопасти произойдет сбой или отказ электрообогрева, то работу всей системы для удаления льда путем электрообогрева необходимо будет остановить, иначе разная масса обледенения на лопасти приведет к дисбалансу веса и серьезному смещению центра тяжести, что вызовет сбои или аварии. В то же время, существуют угрозы безопасности, которым лопасть с легкостью может быть подвергнута ввиду удара молнии.

[0006] Несмотря на то, что материал ПТФЭ имеет низкое поверхностное натяжение, после получения мембраны на основе ПТФЭ из этого материала, мембрана по-прежнему не может сопротивляться прилипанию ледяных кристаллов к поверхностям лопастей ветрогенератора лишь за счет характеристик отсутствия адгезии вследствие низкого поверхностного натяжения, а также в действительности не может обеспечивать эффект предотвращения и удаления обледенения с поверхности лопастей ветрогенераторов. Однако если не предпринять никаких мер для модификации ПТФЭ, то полученная мембрана на основе ПТФЭ не может быть непосредственно и плотно наклеена на поверхности лопастей ветрогенераторов. Модифицированная мембрана на основе ПТФЭ обладает преимуществом, заключающемся в значительном снижении низкого поверхностного натяжения.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Для решения технических проблем, в настоящем изобретении представлен способ активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине. Способ включает следующие этапы, на которых: покрывают функциональную поверхность мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией, выполняют обработку для активации поверхности в вакуумной среде и в атмосфере среды азотно-водородной смеси при температуре ниже 40° со скоростью 1,5-3 м/мин на одной поверхности мембраны, на которую нанесен связывающий адгезив, и позволяют поверхности мембраны с нанесенным адгезивом сформировать структурный слой, активированный на наноглубине; а также переносят и объединяют высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания на поверхности мембраны с активированным структурным слоем мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с помощью устройства для механического нанесения адгезива, и позволяют функциональной группе адгезива и активированному структурному слою мембраны установить химическую связь с образованием комплекса адгезив-мембрана.

[0008] Высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания получают с помощью следующих этапов, на которых: добавляют 0,2 кг ПВА-1788, 18 кг бутилакрилата, 0,5 кг акриловой кислоты, 1,0 кг винилацетата, 1,0 кг метилметакрилата, 1,5 кг кремнийорганического мономера, 0,01 кг TO-7, 0,01 кг натрия додецилбензолсульфоната, 0,05 кг бензоилпероксида и 80 кг воды в приготовительную емкость для приготовления при температуре 85°C в течение 5 ч, выполняют вакуумирование и удаляют воду, получая чувствительную к давлению ленту с содержанием твердых веществ 18,7%, объединяют чувствительную к давлению ленту с прокладочной бумагой и наматывают прокладочную бумагу на сердечник ПВХ-трубы.

[0009] Технические результаты: в настоящем изобретении осуществляется активация поверхности мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ на наноглубине, так что поверхность мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ может формировать структурный слой, активированный на наноглубине. Структурный слой, активированный на наноглубине, и функциональная группа адгезива подвергаются химическому связыванию, следовательно, между мембраной и адгезивом вырабатывается чрезвычайно сильная аффинность и характеристики высокопрочного связывания, а также формируется комплекс мембрана-адгезив. Достигается интеграция объединения мембраны/адгезива связыванием, объединения мембраны/мембраны связыванием и связывания мембраны и адгезивного слоя. Между тем, повышается прочность связывания, усилие отслаивания и длительность связывающего усилия адгезива. Решается техническая проблема, заключающаяся в том, что материал ПТФЭ не может связываться с любыми другими материалами.

[0010] Техническое решение настоящего изобретения дополнительно ограничивается следующим.

[0011] Кроме того, функциональная поверхность мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ покрыта ПЭ-мембраной.

[0012] В способе активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине, мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией получают путем выполнения следующих этапов, на которых:

[0013] (1) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством полимеризации слиянием и микрополимеризации мономеров

[0014] 1) получают стержневой материал путем перемешивания, предварительного прессования и проталкивания

[0015] ПТФЭ-смолу пропитывают силиконовым маслом, обладающим функцией смягчения ПТФЭ, пропитанную ПТФЭ-смолу перемешивают и выполняют горячее предварительное прессование и горячее проталкивание при температуре 60-90°, со скоростью 20-30 м/мин и под давлением 5-8 МПа с получением материала стержня из ПТФЭ с полимеризованным мономером со смазанной поверхностью;

[0016] 2) получают мембрану путем полимеризации слиянием под действием горячего каландирования

[0017] полученный материал стержня из ПТФЭ подвергают полимеризации слиянием под действием горячего каландрирования при температуре 60-90° и со скоростью 20-30 м/мин, экструдируют силиконовое масло с эффектом полимеризации мономеров, замешанное в ПТФЭ-смоле, из установки для горячего каландрирования под действием температуры с получением мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронными порами, и скатывают мембрану в рулон;

[0018] причем под действием температуры и растягивания при горячем каландировании растрескивание мембраны дает волокнистую структуру после ламинарного отслаивания; при этом образуется мембрана на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией с микронными порами, а также с толщиной 100-120 мкм и молочно-белым цветом; и

[0019] 3) получают гомогенную мембрану посредством микрополимеризации

[0020] мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронной вогнуто-выпуклой микроструктурой поверхности подвергают микрополимеризации в обезжиривающей печи под действием температуры 180-200°, полимеризуют и объединяют силиконовое масло, которым пропитана ПТФЭ-смола для полимеризации мономеров и которое не полностью сжалось посредством устройства для каландирования под действием температуры, с получением гомогенной мембраны на основе ПТФЭ, и сматывают рулонообразную мембрану на основе ПТФЭ в обезжиривающей печи со скоростью 6-8 м/мин; и

[0021] (2) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством способа высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением

[0022] температуру в полости для высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением устанавливают на 70-420°, мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ проталкивают вперед со скоростью 6-8 м/мин, позволяют молекулярным цепям мембраны усадиться и создают фазы микроэвтектики за счет высокой температуры в полости, а микропоры становятся нанопорами и супермикронными порами, линейное давление поверхности ПТФЭ-мембраны контролируют на 50-80 Н/м, позволяют цвету мембраны измениться с молочно-белого на полностью прозрачный и поддерживают исходную нано- и микронную вогнуто-выпуклую геометрическую ультрамикронную структурную морфологию мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ.

[0023] Настоящее изобретение имеет следующие полезные эффекты:

[0024] (1) Основываясь на полном использовании характеристик низкого поверхностного натяжения материала на основе ПТФЭ, в настоящем изобретении используется технология полимеризации мономеров слиянием и микрополимеризации для получения мембраны с множественной нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией, так что мембрана на основе ПТФЭ обладает функциональными характеристиками, заключающимися в сверхнизком поверхностном натяжении, гидрофобности, отсутствию адгезивности, высоком сопротивлении загрязнению, сопротивлении поглощению влаги, свойстве самоочистки и т.п. Технология микроэвтектики со сверхвысокой температурой и сверхвысокой интенсивностью давления повышает структурную прочность мембраны, решает техническую проблему, заключающуюся в сниженном сопротивлении истиранию, поскольку мембрана на основе ПТФЭ имеет волокнистую структуру в ходе растрескивания при высокой температуре после ламинарного отслаивания, уменьшает поры под действием температуры, тем самым улучшая прозрачность и совместимость прозрачности мембраны, сохраняет ультрамикронную структурную морфологию поверхности мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ, а также обеспечивает мембране повышенное сопротивление истиранию, стойкость к излому и ударопрочность. Технология активации поверхности на наноглубине обеспечивает химическое связывание мембраны и адгезива, а следовательно, повышает прочность связывания, усилие отслаивания и длительность связывающего усилия.

[0025] (2) Нацеливаясь на характеристики, эксплуатационные требования и среду применения ПТФЭ-мембраны, в частности, получают высокопрочный связывающий адгезив, обладающий функцией холодного наклеивания. Высокопрочный связывающий адгезив для холодного наклеивания может быть непосредственно подвергнут холодному наклеиванию, обладает высокой прочностью на отслаивание, высоким удлинением на разрыв и ударопрочностью, относительно низкой твердостью и модулем упругости на растяжение, а также длительной стойкостью к старению при УФ и временем стойкости к старению, характеризуется отсутствием явных свойств пластической деформации, меньшим термическим расширением и напряжением от холодной усадки, чем предел упругости, он всегда находится в вязком состоянии, а также обладает относительно высокой прочностью связывания и длительным усилием отслаивания.

[0026] (3) Мембрана из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ, полученная с помощью настоящего изобретения, имеет повышенную прозрачность, не меняет исходный цвет своей поверхности на лопасти, к которой она приклеена, имеет толщину 100-200 мкм, вес 200-300 г/м² и шероховатость поверхности 0,18 мкм, не увеличивает нагрузку на лопасть ветрогенератора, а также может улучшить аэродинамические характеристики аэродинамического профиля лопасти и рабочую эффективность лопасти.

[0027] (4) Мембрана из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ, полученная с помощью настоящего изобретения, может вырабатывать эффект химического связывания с функциональной группой адгезива, не изменяя материал ПТФЭ, так что адгезив и мембрана имеют чрезвычайно высокую аффинность и прочность прилипания, а также расширяется диапазон выбора адгезива.

[0028] (5) Материал ПТФЭ мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ, полученной с помощью настоящего изобретения, обладает превосходной стойкостью к ультрафиолету и стойкостью к погодным условиям, она эквивалентна защитному покрытию лопасти, может повысить прочность поверхности лопасти, играет свою роль в общей фиксации, повышает общую грузоподъемность и стойкость лопасти к эрозии, исключает потенциальные угрозы безопасности, вызываемые старением лопасти, растрескиванием и т.п., а также продлевает срок службы лопасти ветрогенератора.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0029] На ФИГ. 1 показано изображение активного структурного слоя поверхности мембраны на наноглубине под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) перед обработкой поверхности мембраны; и

[0030] На ФИГ. 2 показано изображение активного структурного слоя поверхности мембраны на наноглубине под сканирующим электронным микроскопом (СЭМ) после обработки поверхности мембраны.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ

[0031] В примере представлен способ активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине. Способ включает следующие этапы, на которых: покрывают функциональную поверхность мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией ПЭ-мембраной, выполняют обработку для активации поверхности в вакуумной среде и в атмосфере среды азотно-водородной смеси при температуре ниже 40° со скоростью 3 м/мин на одной поверхности мембраны, на которую нанесен связывающий адгезив, и позволяют поверхности мембраны с нанесенным адгезивом сформировать структурный слой, активированный на наноглубине; а также переносят и объединяют высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания на поверхности мембраны с активированным структурным слоем мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с помощью устройства для механического нанесения адгезива, и позволяют функциональной группе адгезива и активированному структурному слою мембраны установить химическую связь с образованием комплекса адгезив-мембрана.

[0032] Высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания получают с помощью следующих этапов, на которых: добавляют 0,2 кг ПВА-1788, 18 кг бутилакрилата, 0,5 кг акриловой кислоты, 1,0 кг винилацетата, 1,0 кг метилметакрилата, 1,5 кг кремнийорганического мономера, 0,01 кг TO-7, 0,01 кг натрия додецилбензолсульфоната, 0,05 кг бензоилпероксида и 80 кг воды в приготовительную емкость для приготовления при температуре 85°C в течение 5 ч, выполняют вакуумирование и удаляют воду, получая чувствительную к давлению ленту с содержанием твердых веществ 18,7%, объединяют чувствительную к давлению ленту с прокладочной бумагой и наматывают прокладочную бумагу на сердечник ПВХ-трубы.

[0033] Мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией получают путем выполнения следующих этапов, на которых:

[0034] (1) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством полимеризации слиянием и микрополимеризации мономеров

[0035] 1) получают стержневой материал путем перемешивания, предварительного прессования и проталкивания

[0036] ПТФЭ-смолу пропитывают силиконовым маслом, обладающим функцией смягчения ПТФЭ, при массовом соотношении винил силиконового масла и ПТФЭ-смолы 2,5:100, пропитанную ПТФЭ-смолу перемешивают и выполняют горячее предварительное прессование и горячее проталкивание при температуре 60°C, со скоростью 25 м/мин и под давлением 8 МПа с получением материала стержня из ПТФЭ с полимеризованным мономером с диаметром 17 мм и со смазанной поверхностью;

[0037] 2) получают мембрану путем полимеризации слиянием под действием горячего каландирования

[0038] полученный материал стержня из ПТФЭ подвергают полимеризации слиянием под действием горячего каландрирования при температуре 60°C и со скоростью 25 м/мин, экструдируют силиконовое масло с эффектом полимеризации мономеров, замешанное в ПТФЭ-смоле, из установки для горячего каландрирования под действием температуры с получением мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронными порами, и скатывают мембрану в рулон;

причем под действием температуры и растягивания при горячем каландировании растрескивание мембраны дает волокнистую структуру после ламинарного отслаивания; при этом образуется мембрана на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией с микронными порами, а также с толщиной 100 мкм и молочно-белым цветом; и

[0039] 3) получают гомогенную мембрану посредством микрополимеризации

[0040] мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронной вогнуто-выпуклой микроструктурой поверхности подвергают микрополимеризации в обезжиривающей печи под действием температуры 200°C, полимеризуют и объединяют силиконовое масло, которым пропитана ПТФЭ-смола для полимеризации мономеров и которое не полностью сжалось посредством устройства для каландирования под действием температуры, с получением гомогенной мембраны на основе ПТФЭ, и сматывают рулонообразную мембрану на основе ПТФЭ в обезжиривающей печи со скоростью 6 м/мин; и

[0041] (2) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством способа высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением

[0042] температуру в полости для высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением устанавливают на 380°C, мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ проталкивают вперед со скоростью 6 м/мин, позволяют молекулярным цепям мембраны усадиться и создают фазы микроэвтектики за счет высокой температуры в полости, а микропоры становятся нанопорами и супермикронными порами, линейное давление поверхности ПТФЭ-мембраны контролируют на 60 Н/м, позволяют цвету мембраны измениться с молочно-белого на полностью прозрачный, при этом мебрана имеет плотность 2,1 кг/м³, и поддерживают исходную нано- и микронную вогнуто-выпуклую геометрическую ультрамикронную структурную морфологию мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ.

[0043] Материал ПТФЭ обладает характеристикой непосредственного наклеивания без каких-либо клеящих материалов. Для решения проблем сверхнизкого поверхностного натяжения и отсутствия характеристик адгезии мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ, которая применяется с лопастью ветрогенератора, применяют способ полимеризации мономеров слиянием и микрополимеризации для получения композитной мембраны с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией. Кроме того, композитная мембрана обладает повышенным сопротивлением истиранию, стойкостью к излому, структурной прочностью и высокой прозрачностью благодаря способу микроэвтектики со сверхвысокой температурой и сверхвысокой интенсивностью давления, так что представляется более трудным получить подходящий связывающий адгезив для связывания и хорошие характеристики связывания. Таким образом, поверхность мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нанесенным на нее адгезивом должна быть подвергнута активации на наноглубине.

[0044] Как показано на ФИГ. 1-2, мембрана из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ, полученная согласно изобретению, обладает неадгезивными свойствами за счет использования смазанной ПТФЭ с низким поверхностным натяжением. Между тем, ПТФЭ не модифицируется, а мембрану получают так, чтобы она имела нано- и микронную вогнуто-выпуклую геометрическую ультрамикронную структурную морфологию, так что мембрана обладает сверхнизким поверхностным натяжением для твердых веществ, улучшенным свойством смазываемости, неадгезивным свойством, высоким свойством против загрязнения и функцией самоочистки поверхности. Данный способ лучше, чем другие средства и способы. Мембрана из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ, полученная при сверхвысокой температуре и под давлением высокой интенсивности, обладает более высоким сопротивлением истиранию, стойкостью к излому и ударопрочностью, обладает функциональными характеристиками сопротивления истиранию и воздействию пыли, града и дождя, вызывающего гололед, дождевой эрозии и воздействию электрических дуг молнии, так что мембрана из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ может применяться в течение длительного времени при линейной скорости конца лопасти ветрогенератора 300 км/ч без истирания, в то же время характеризуется невоспламеняемостью и не может воспламениться вследствие воздействия электрических дуг молнии.

[0045] Проводили испытания эксплуатационных характеристик 5 образцов мембраны из ПТФЭ, которые были получены в результате осуществления способа, и были получены следующие результаты: (1) средняя толщина мембраны составляет 100 мкм; (2) средний вес мембраны составляет 210 г/м²; (3) усилие отслаивания составляет 50 Н, а прочность на отслаивание под углом 180° составляет 1000 Н/м; (4) мембрана имеет среднюю прочность на растяжение 25 МПа перед и после испытания на старение, а также средний коэффициент удлинения более 90%, кроме того, у нее отсутствуют признаки старения в результате испытания на старение с помощью ксеноновой лампы, испытания эксплуатационных характеристик с циклом замораживания и оттаивания (при температуре от -60° до 150°C и влажности 5-98%), испытания на старение под действием озона, испытания на старение под действием ультрафиолета, а также испытания искусственной атмосферой коррозии и погружения в раствор морской соли в течение 14400 ч; (5) путем применения метода под названием «Определение стойкости архитектурных красок и покрытий к истиранию», согласно GB/T 9266-2009, и после циклического трения с частотой 37 раз/мин при количестве 40000 раз, шероховатость на поверхности мембраны отсутствует и явление оголенности подложки вследствие повреждения не наблюдается, следовательно, мембрана обладает высоким сопротивлением истиранию; (6) платформу для испытания на динамическое давление ветра используют для имитации скорости ветра, составляющей 36,9 м/с (ураган 12 баллов), для проведения испытания на стойкость к дождевой эрозии под динамическим давлением ветра, и по прошествии 1000-часового испытания с продуванием сильным ветром и водой, шероховатость на поверхности мембраны отсутствует и мембрана обладает превосходной стойкостью к дождевой эрозии; (7) после испытания с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) морфология поверхности мембраны демонстрирует вогнуто-выпуклые структуры поверхности микронного размера со средним размером 20-40 мкм, высотой 10-20 мкм и шагом 30-50 мкм, равномерно распределенные в продольном и поперечном направлении; (8) угол контакта капель воды на поверхности мембраны, измеренный с помощью измерителя угла контакта воды, составляет от 115,89° до 125,46°; и (9) среднее значение шероховатости поверхности мембраны, измеренное с помощью инструмента для измерения шероховатости поверхности, составляет 0,18 мкм.

[0046] В заключение, поверхность мембраны на основе ПТФЭ подвергают активации на наноглубине. Полученная мембрана из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ обладает сверхнизким поверхностным натяжением, сопротивлением адгезии, сопротивлением загрязнению, гидрофобностью, сопротивлением поглощению влаги и свойством самоочистки благодаря ультрамикронному внешнему виду структуры поверхности. Композитная мембрана обладает сверхвысоким сопротивлением истиранию, стойкостью к излому, ударопрочностью, сопротивлением дождевой эрозии и превосходным сопротивлением химической коррозии, может быть стойкой к коррозии, высоким и низким температурам, старению, химическим вещества, ультрафиолету и износу, улучшает прочность поверхности лопасти ветрогенератора, играет свою роль в общей фиксации, улучшает общую грузоподъемность лопасти и ее сопротивление эрозии, исключает потенциальные угрозы безопасности, такие как старение и растрескивание лопасти и т.п., повышает длительное сопротивление лопасти эрозии, вызываемой посторонними объектами, обеспечивает двойную защиту лопасти и продлевает срок службы лопасти. Композитная мембрана характеризуется электроизоляцией и невоспламеняемостью, способна выдерживать высокое напряжение 15000 вольт, обладает сопротивление высоким температурам, а также на поверхности мембраны не образуются следы и не воспламеняется при воздействии электрическими дугами молнии. Композитная мембрана может улучшить аэродинамические характеристики аэродинамического профиля и повысить эксплуатационную эффективность энергии ветра за счет сверхмалой толщины, сверхмалого веса и сверхнизкой шероховатости поверхности. Функция самостоятельного холодного наклеивания, которой обладает мембрана, упрощает ее применение на лопастях ветрогенератора.

[0047] Могут быть предусмотрены другие варианты реализации изобретения помимо описанных выше. Все технические решения, образованные путем эквивалентных замен или эквивалентных преобразований, входят в объем защиты настоящего изобретения.

Настоящее изобретение относится к способу активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине, включающему: покрытие функциональной поверхности мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией, обработку для активации поверхности в вакуумной среде и в атмосфере среды азотно-водородной смеси при температуре ниже 40°С со скоростью 1,5-3 м/мин на одной поверхности мембраны, на которую нанесен связывающий адгезив, и позволяют поверхности мембраны с нанесенным адгезивом сформировать структурный слой, активированный на наноглубине; а также переносят и объединяют высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания на поверхности мембраны с активированным структурным слоем мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с помощью устройства для механического нанесения адгезива, и позволяют функциональной группе адгезива и активированному структурному слою мембраны установить химическую связь с образованием комплекса адгезив-мембрана; причем высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания получают с помощью следующих этапов, на которых: добавляют 0,2 кг ПВА-1788, 18 кг бутилакрилата, 0,5 кг акриловой кислоты, 1,0 кг винилацетата, 1,0 кг метилметакрилата, 1,5 кг кремнийорганического мономера, 0,01 кг TO-7, 0,01 кг натрия додецилбензолсульфоната, 0,05 кг бензоилпероксида и 80 кг воды в приготовительную емкость для приготовления при температуре 85°C в течение 5 ч, выполняют вакуумирование и удаляют воду, получая чувствительную к давлению ленту с содержанием твердых веществ 18,7% мас., объединяют чувствительную к давлению ленту с прокладочной бумагой и наматывают прокладочную бумагу на сердечник ПВХ-трубы. Технический результат - активация поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине с повышением прочности связывания, усилия отслаивания и длительности связывающего усилия адгезива. 4 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

1. Способ активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине, включающий следующие этапы, на которых: покрывают функциональную поверхность мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией, выполняют обработку для активации поверхности в вакуумной среде и в атмосфере среды азотно-водородной смеси при температуре ниже 40°С со скоростью 1,5-3 м/мин на одной поверхности мембраны, на которую нанесен связывающий адгезив, и позволяют поверхности мембраны с нанесенным адгезивом сформировать структурный слой, активированный на наноглубине; а также переносят и объединяют высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания на поверхности мембраны с активированным структурным слоем мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с помощью устройства для механического нанесения адгезива, и позволяют функциональной группе адгезива и активированному структурному слою мембраны установить химическую связь с образованием комплекса адгезив-мембрана; и

высокопрочную адгезивную ленту с функцией холодного наклеивания получают с помощью следующих этапов, на которых: добавляют 0,2 кг ПВА-1788, 18 кг бутилакрилата, 0,5 кг акриловой кислоты, 1,0 кг винилацетата, 1,0 кг метилметакрилата, 1,5 кг кремнийорганического мономера, 0,01 кг TO-7, 0,01 кг натрия додецилбензолсульфоната, 0,05 кг бензоилпероксида и 80 кг воды в приготовительную емкость для приготовления при температуре 85°C в течение 5 ч, выполняют вакуумирование и удаляют воду, получая чувствительную к давлению ленту с содержанием твердых веществ 18,7% мас., объединяют чувствительную к давлению ленту с прокладочной бумагой и наматывают прокладочную бумагу на сердечник ПВХ-трубы.

2. Способ активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине по п. 1, отличающийся тем, что мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ покрывают ПЭ-мембраной.

3. Способ активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине по п. 1, отличающийся тем, что мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией получают путем выполнения следующих этапов, на которых:

(1) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством полимеризации слиянием и микрополимеризации мономеров

1) получают стержневой материал путем перемешивания, предварительного прессования и проталкивания

ПТФЭ-смолу пропитывают винил силиконовым маслом, обладающим функцией смягчения ПТФЭ, пропитанную ПТФЭ-смолу перемешивают и выполняют горячее предварительное прессование и горячее проталкивание при температуре 60-90°С, со скоростью 20-30 м/мин и под давлением 5-8 МПа с получением материала стержня из ПТФЭ с полимеризованным мономером со смазанной поверхностью;

2) получают мембрану путем полимеризации слиянием под действием горячего каландирования

полученный материал стержня из ПТФЭ подвергают полимеризации слиянием под действием горячего каландрирования при температуре 60-90°С и со скоростью 20-30 м/мин, экструдируют силиконовое масло с эффектом полимеризации мономеров, замешанное в ПТФЭ-смоле, из установки для горячего каландрирования под действием температуры с получением мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронными порами, и скатывают ее в рулон;

причем под действием температуры и растягивания при горячем каландировании растрескивание мембраны дает волокнистую структуру после ламинарного отслаивания; при этом образуется мембрана на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией с микронными порами, а также с толщиной 100-120 мкм и молочно-белым цветом; и

3) получают гомогенную мембрану посредством микрополимеризации

мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронной вогнуто-выпуклой микроструктурой поверхности подвергают микрополимеризации в обезжиривающей печи под действием температуры 180-200°С, полимеризуют и объединяют силиконовое масло, которым пропитана ПТФЭ-смола для полимеризации мономеров и которое не полностью сжалось посредством устройства для каландирования под действием температуры, с получением гомогенной мембраны на основе ПТФЭ, и сматывают рулонообразную мембрану на основе ПТФЭ в обезжиривающей печи со скоростью 6-8 м/мин; и

(2) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством способа высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением

температуру в полости для высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением устанавливают на 70-420°С, мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ проталкивают вперед со скоростью 6-8 м/мин, позволяют молекулярным цепям мембраны усадиться и создают фазы микроэвтектики за счет высокой температуры в полости, а микропоры становятся нанопорами и супермикронными порами, линейное давление поверхности ПТФЭ-мембраны контролируют на 50-80 Н/м, позволяют цвету мембраны измениться с молочно-белого на полностью прозрачный и поддерживают исходную нано- и микронную вогнуто-выпуклую геометрическую ультрамикронную структурную морфологию мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ.

4. Способ активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине по п. 3, отличающийся тем, что винил силиконовое масло и ПТФЭ-смолу смешивают при массовом соотношении 2,5:100.

5. Способ активации поверхности мембраны на основе ПТФЭ на наноглубине по п. 4, отличающийся тем, что мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией получают путем выполнения следующих этапов, на которых:

(1) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством полимеризации слиянием и микрополимеризации мономеров

1) получают стержневой материал путем перемешивания, предварительного прессования и проталкивания

ПТФЭ-смолу пропитывают силиконовым маслом, обладающим функцией смягчения ПТФЭ, при массовом соотношении винил силиконового масла и ПТФЭ-смолы 2,5:100, пропитанную ПТФЭ-смолу перемешивают и выполняют горячее предварительное прессование и горячее проталкивание при температуре 60°C, со скоростью 25 м/мин и под давлением 8 МПа с получением материала стержня из ПТФЭ с полимеризованным мономером с диаметром 17 мм и со смазанной поверхностью;

2) получают мембрану путем полимеризации слиянием под действием горячего каландирования

полученный материал стержня из ПТФЭ подвергают полимеризации слиянием под действием горячего каландрирования при температуре 60°C и со скоростью 25 м/мин, экструдируют силиконовое масло с эффектом полимеризации мономеров, замешанное в ПТФЭ-смоле, из установки для горячего каландрирования под действием температуры с получением мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронными порами, и скатывают ее в рулон;

причем под действием температуры и растягивания при горячем каландировании растрескивание мембраны дает волокнистую структуру после ламинарного отслаивания; при этом образуется мембрана на основе ПТФЭ с нано- и микронной вогнуто-выпуклой геометрической ультрамикронной структурной морфологией с микронными порами, а также с толщиной 100 мкм и молочно-белым цветом; и

3) получают гомогенную мембрану посредством микрополимеризации

мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ с микронной вогнуто-выпуклой микроструктурой поверхности подвергают микрополимеризации в обезжиривающей печи под действием температуры 200°C, полимеризуют и объединяют силиконовое масло, которым пропитана ПТФЭ-смола для полимеризации мономеров и которое не полностью сжалось посредством устройства для каландирования под действием температуры, с получением гомогенной мембраны на основе ПТФЭ, и сматывают рулонообразную мембрану на основе ПТФЭ в обезжиривающей печи со скоростью 6 м/мин; и

(2) получают мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ посредством способа высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением

температуру в полости для высокотемпературной микроэвтектики под высоким линейным давлением устанавливают на 380°C, мембрану из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ проталкивают вперед со скоростью 6 м/мин, позволяют молекулярным цепям мембраны усадиться и создают фазы микроэвтектики за счет высокой температуры в полости, а микропоры становятся нанопорами и супермикронными порами, линейное давление поверхности ПТФЭ-мембраны контролируют на 50-80 Н/м, позволяют цвету мембраны измениться с молочно-белого на полностью прозрачный, при этом мебрана имеет плотность 2,1 кг/м3, и поддерживают исходную нано- и микронную вогнуто-выпуклую геометрическую ультрамикронную структурную морфологию мембраны из функционального нанокомпозита на основе ПТФЭ.