RU160561U1 - Бикомпонентная проволока - Google Patents

Abstract

1. Проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник из наномодифицированного термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, отличающаяся тем, что, термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %.2. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что термореактивное связующее армированно базальтовым волокном со степенью объемного наполнения 60-80%.3. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве углеродных нанотрубок использованы многослойные углеродные нанотрубки серии "Таунит".4. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола.5. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы.

Description

Техническое решение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов и тросов для воздушных линий электропередачи и линиях электрифицированного транспорта, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.

Известна бикомпонентная проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник, при этом сердечник выполнен из плотно упакованных высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных, а на поверхность стержня нанесено покрытие из эпоксидной смолы - 0,7-2,0 масс % (патент РФ №86345 «Проволока с упрочняющим сердечником» с приоритетом от 10.04.2009).

Волокна расположены вдоль сердечника, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации.

Недостатком данной проволоки является то, что, не смотря на использование в качестве сердечника высокопрочных волокон, эксплуатационная прочность проволоки невелика. Это связано с тем, что волокна связаны между собой только механически с помощью скрутки, а покрытие из эпоксидной смолы нанесено только на поверхность сердечника и играет роль защитного покрытия для исключения повреждения и разрушения при формировании сердечника. В такой конструкции сердечника при эксплуатации не обеспечено равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми волокнами, что приводит к разрыву отдельных волокон, снижению прочностных свойств сердечника и проволоки в целом, а также к преждевременной замене проводов, изготовленных с использованием данной проволоки.

Известна бикомпонентная проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник, при этом сердечник выполнен из композиционного материала с матрицей из синтетической смолы, модифицированной углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %, в качестве синтетической смолы использована эпоксидная смола (патент РФ №2387035 «Проволока с композиционным сердечником» с приоритетом от 10.04.2009).

Недостатком данной проволоки является невысокая эксплуатационная прочность. Это объясняется тем, что сердечник представляют собой полимерный нанокомпозит, в котором углеродные нанотрубки использованы только в качестве модифицирующей добавки к полимерной матрице для увеличения прочностных свойств матрицы, при этом армирующая роль нанотрубок ничтожна. Это приводит к тому, что все действующие статические и динамические нагрузки воспринимаются только матрицей, которая не может во время эксплуатации длительно и без разрушения выдерживать такие нагрузки, что приводит к преждевременной замене проводов, выполненных с использованием данной проволоки.

Также известна бикомпонентная проволока, описанная в заявке РФ №2011153876 «Провод для воздушных линий электропередачи и способ его изготовления» с приоритетом от 29.12.2011 и выбранная в качестве прототипа.

Данная проволока из металлического проводникового материала содержит упрочняющий сердечник из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью наполнения 30-95 масс % (46-97 объем %), при этом термореактивное связующее наномодифицированно, например, вискерами или графенами.

Недостатком данной проволоки является невысокая эксплуатационная прочность, связанная со свойствами связующего, изготовленного на основе соединений ароматических полиамидов или ненасыщенных ароматических углеводородов; кремнеорганических, полиимидных, полиэфирных, фенол-альдегидных смол или полициануратных, борорганических, полифениленоксидных, полисульфоновых композиций, их производных и сополимеров. Для создания термореактивной композиции с заданными в данном техническом решении свойствами требуется введение различных добавок, содержание которых может меняться в очень широких пределах. При этом улучшение одних свойств композиций приводит к ухудшению других свойств. Так улучшение физико-механические свойства композиционного сердечника (заявка РФ №2011153876) приводит к ухудшению адгезионных свойств связующего (матрицы) и при длительном действии статических и динамических нагрузок происходит ослабление связей между связующим и армирующими волокнами и матрица перестает выполнять свою основную функцию - равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, а это приводит к разрыву отдельных волокон, снижению прочностных свойств сердечника и проволоки в целом, а также к преждевременной замене проводов, изготовленных с использованием данной проволоки.

Кроме того, наномодифицирование связующего вискерами или графенами невозможно, так как не существует воспроизводимых и относительно дешевых промышленных способов получения вискеров и графена с заданными характеристиками и все работы по их использованию проводятся только в лабораторных условиях, а в научно-технической литературе отсутствуют сведения о возможных концентрациях графена и вискеров и о их влиянии на свойства термореактивных связующих,

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание бикомпонетной проволоки с повышенной эксплуатационной прочностью.

Решением данной задачи является проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник из наномодифицированного термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, новым в которой является то, что термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %.

Термореактивное связующее армированно базальтовым волокном со степенью объемного наполнения 60-80%.

В качестве углеродных нанотрубок могут быть использованы многослойные углеродные нанотрубки серии «Таунит».

В качестве термореактивного полимерного связующего может быть использована эпоксидная смола.

В качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы.

Опытным путем установлено, что внесение в эпоксидную матрицу 0,001-2,0 масс % многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) серии «Таунит» при их равномерном распределении обеспечивает монолитность композиционного сердечника за счет повышенной адгезии матрицы к армирующим базальтовым волокнам, что является одним из важных факторов, влияющих на эксплуатационную прочность композиционного сердечника за счет сохранения целостности композитного сердечника и равномерного распределения действующих статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, что позволяет полноценно использовать данную проволоку и провода, изготовленные с использованием данной проволоки, весь эксплуатационный срок - 10 лет. Концентрация МУНТ менее 0,001 масс %, не приводит к улучшению адгезинных свойств матрицы, а, значит, и к увеличению прочностных свойств композиционного материала в целом. Установлено, что увеличение концентрации модификатора выше 2 масс %, не приводит к улучшению свойств матрицы.

Использование многослойных углеродных нанотрубок серии «Таунит» обусловлено их высокой степенью чистоты, высокой совместимостью с эпоксидной матрицей и налаженным промышленным производством на территории РФ.

В композите объемная доля базальтового волокна 60-80% является оптимальной и позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокна в получаемом композите. При степени армирования более 80% недостаток связующего для заполнения межволоконного пространства приводит к нарушению монолитности композита и, соответственно, к появлению в нем неравномерности напряжений, приводящих к разрушению при меньших значениях механических напряжений, чем для монолитных образцов. При степени армирования менее 60% матрица под действием нагрузок деформируется, в том числе и в межволоконном пространстве, и увлекает волокна за собой, что приводит к их разрушению.

В качестве металлического проводникового материала (далее - покрытие) в заявляемой проволоке могут использоваться медь и/или алюминий, или их сплавы. При этом для проводов воздушных линий электропередач в качестве покрытия используют алюминий или сплав марки ABE (ГОСТ 839-80), как легкие и дешевые материалы с хорошей электропроводимостью; в линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий используют медь или бронзу, как материалы с повышенной электропроводимостью. Для дополнительного увеличения на 5-15% допустимой пропускной способности алюминиевой проволоки с сердечником, на ее поверхность накладывают слой медного покрытия, площадь сечения которого соответственно равна 10-30% от общей площади сечения покрытия, при этом площадь сечения проволоки не увеличивается.

Заявляемая проволока и сердечник для нее изготавливаются на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы автора, и в данной заявке не рассматривается.

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».

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена заявляемая проволока с покрытием из одного слоя металлического проводникового материала, на фиг. 2 - проволока с покрытием из двух слоев металлического проводникового материала, а на фиг.3 - пример выполнения электрического провода из заявляемых проволок.

Проволока 1 из металлического проводникового материала 2 содержит композиционный упрочняющий сердечник 3, в котором термореактивная матрица 4 модифицирована углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %, и непрерывно армирована базальтовым волокном 5 со степенью объемного наполнения 60-80%.

В качестве металлического проводникового материала могут быть использованы медь, алюминий, их сплавы или покрытие может быть выполнено из слоя 6 алюминия и слоя 7 меди. В качестве синтетической смолы использована термореактивная смола, например, эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА, и т.д.).

Для изготовления сердечника 3 подготавливают нанотрубки в виде суспензии и активизируют их с помощью, например, ультразвука. После этого суспензию вводят в эпоксидную смолу (матрицу) и тщательно перемешивают для равномерного распределения матрицы между нанотрубками. После этого вводят отвердитель, пропитывают базальтовые волокна 5 и формуют сердечник 3, прочностные свойства которого в 2 раза выше, чем у стали Ст. 50. Проволоку 1 получают путем совместной деформации оболочки из проводникового материала 2 и сердечника 3.

Затем из полученных проволок 1 методом скрутки изготавливают провода, которые используют по назначению. Приведенный на фиг.3 пример является не единственной конструкцией таких проводов.

В электрическом проводе, выполненном из заявляемых проволок 1, в процессе эксплуатации каждый их упрочняющих сердечников 3, воспринимает нагрузки, направленные на растяжения провода, а слой 2 из металлического проводникового материала (меди, алюминия) обеспечивает повышенную электрическую проводимость каждой проволоки 1 провода.

Кроме того, при двухслойном покрытии с внешним слоем 7 из меди обеспечиваются хорошие контактные свойства проволоки 1 (проводов), необходимые для соединения с выводами электротехнических устройств и соединения проволок (проводов) между собой.

Claims (5)

1. Проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник из наномодифицированного термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, отличающаяся тем, что, термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %.

2. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что термореактивное связующее армированно базальтовым волокном со степенью объемного наполнения 60-80%.

3. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве углеродных нанотрубок использованы многослойные углеродные нанотрубки серии "Таунит".

4. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола.

5. Проволока по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы.

Images