RU167116U1

RU167116U1 - PROFILED CONSTRUCTION ELEMENT

Info

Publication number: RU167116U1
Application number: RU2016125949/05U
Authority: RU
Inventors: Айрат Салихович Ахмадеев; Евгений Евгеньевич Дедюхин; Роман Александрович Копьев; Константин Алексеевич Тютько
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ПЛАСТГРАУНД"
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2016-06-28
Publication date: 2016-12-20

Abstract

1. Профилированный конструкционный элемент, содержащий полимерную основу и армирующие волокна, произвольно ориентированные в полимерной основе, отличающийся тем, что представляет собойСэндвич-систему из, по меньшей мере, одного,несущего слоя, содержащего длинные армирующие волокна с предпочтением более высокого значения длины волокон из диапазона, заданного для использования в материале профилированного конструкционного элемента, инаружных слоев, не содержащих армирующего волокна.2. Профилированный конструкционный элемент по п. 1, отличающийся тем, что полимерная основа выбрана из перечня, включающего, по меньшей мере, поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен; аармирующее волокно выбрано из перечня, включающего, по меньшей мере, арамидное волокно, базальтовое волокно, стекловолокно, углеволокно.3. Профилированный конструкционный элемент по п. 1, отличающийся тем, что содержит инертный минеральный наполнитель, выбранный из перечня, включающего, по меньшей мере, волластонит, мел, тальк.4. Профилированный конструкционный элемент по п. 1, отличающийся тем, что наружные слои включат технологические добавки и/или добавки, повышающие эксплуатационные свойства.5. Профилированный конструкционный элемент по п. 1, отличающийся тем, что выбран из перечня, включающего, по меньшей мере, полосу, швеллер, двутавр, угол, квадрат, V-, Z-, S-, П-, Ω-образные профили.6. Профилированный конструкционный элемент по п. 1, отличающийся тем, что изготовлен экструзией компаунда, содержащего полимерную основу и армирующее волокно.1. A profiled structural element containing a polymer base and reinforcing fibers randomly oriented in the polymer base, characterized in that it is a sandwich system of at least one supporting layer containing long reinforcing fibers with a preference for a higher fiber length of the range specified for use in the material of the profiled structural element, and detection layers that do not contain reinforcing fibers. 2. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that the polymer base is selected from the list including at least polyvinyl chloride, polypropylene, polyethylene; The reinforcing fiber is selected from the list including at least aramid fiber, basalt fiber, glass fiber, carbon fiber. 3. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that it contains an inert mineral filler selected from the list including at least wollastonite, chalk, talc. 4. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that the outer layers include technological additives and / or additives that enhance operational properties. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that it is selected from the list including at least a strip, channel, I-beam, angle, square, V-, Z-, S-, П-, Ω-shaped profiles. 6 . A profiled structural element according to claim 1, characterized in that it is made by extrusion of a compound containing a polymer base and a reinforcing fiber.

Description

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства, а именно к отраслям строительства, предусматривающим использование композиционных полимерных материалов.The proposed technical solution relates to the field of construction, namely to the construction industry, involving the use of composite polymer materials.

В качестве ближайшего аналога заявленного технического решения может быть выбран конструкционный элемент, известный из патента на изобретение RU 2432258, опубликованного 27.10.2011 (международная заявка WO 2008024107, опубликована 28.02.2008). Известный из RU 2432258 составной профилированный конструкционный элемент содержит полимерную основу и значительный процент коротких армирующих волокон, произвольно ориентированных в данной полимерной основе. Известный конструкционный элемент изготавливают экструзией компаунда, содержащего полимерную основу и армирующие волокна. Ожидается, что предложенный конструкционный элемент обладает повышенной прочностью и несущей способностью. В свою очередь, предлагаемое техническое решение позволит решить техническую проблему, заключающуюся в необходимости использования вспененного полимерного материала, в сочетании с большим количеством армирующего волокна, что излишне усложняет процесс изготовления конструкционных элементов, приводя в том числе к быстрому изнашиванию экструдеров, и позволит предложить прочный и долговечный конструкционный элемент, который сможет быть использован в различных отраслях строительства, например, в гидротехническом строительстве.As the closest analogue of the claimed technical solution, a structural element known from the patent for invention RU 2432258 published on 10.27.2011 (international application WO 2008024107, published on 02.28.2008) can be selected. Known from RU 2432258 composite shaped structural element contains a polymer base and a significant percentage of short reinforcing fibers, randomly oriented in this polymer base. Known structural element is made by extrusion of a compound containing a polymer base and reinforcing fibers. It is expected that the proposed structural element has increased strength and bearing capacity. In turn, the proposed technical solution will solve the technical problem of the need to use foamed polymeric material in combination with a large amount of reinforcing fiber, which unnecessarily complicates the manufacturing process of structural elements, including the rapid wear of extruders, and will allow us to offer durable and durable structural element that can be used in various sectors of construction, for example, in hydraulic engineering construction.

Указанный выше технический результат достигается при использовании профилированного конструкционного элемента, содержащего полимерную основу и армирующие волокна, произвольно ориентированные в полимерной основе. В отличие от аналога, используют сэндвич систему из, по меньшей одного, несущего слоя, содержащего длинные армирующие волокна с предпочтением более высокого значения длины волокон из диапазона, заданного для использования в материале профилированного конструкционного элемента, и наружных слоев, не содержащих армирующего волокна. Например, могут быть использованы армирующие волокна длиной <20 мм с предпочтением более высокого значения длины волокон из указанного диапазона. Армирующие волокна могут составлять <30% масс, материала профилированного конструкционного элемента, с предпочтением более высокого значения содержания армирующего волокна из указанного диапазона. Полимерная основа выбрана из перечня, включающего, по меньшей мере, поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен; а армирующее волокно выбрано из перечня, включающего, по меньшей мере, арамидное волокно, базальтовое волокно, стекловолокно, углеволокно. Также, предложенный профилированный конструкционный элемент может содержать инертный минеральный наполнитель, выбранный из перечня, включающего, по меньшей мере, волластонит, мел, тальк. Наружные слои конструкции включат технологические добавки и/или добавки, повышающие эксплуатационные свойства. Профилированный конструкционный элемент представляет собой полосу, швеллер, двутавр, угол, квадрат, V-, Z-, S-, П-, Ω-образные профили и т.п.и производится экструзией компаунда, содержащего полимерную основу и армирующее волокно.The above technical result is achieved by using a profiled structural element containing a polymer base and reinforcing fibers randomly oriented in the polymer base. In contrast to the analogue, a sandwich system is used from at least one supporting layer containing long reinforcing fibers with a preference for a higher fiber length from the range specified for use in the material of the profiled structural element and the outer layers not containing reinforcing fibers. For example, reinforcing fibers <20 mm long can be used with a preference for a higher fiber length from a specified range. Reinforcing fibers may comprise <30% by weight of the material of the shaped structural element, with a preference for a higher content of reinforcing fiber from the specified range. The polymer base is selected from the list including at least polyvinyl chloride, polypropylene, polyethylene; and the reinforcing fiber is selected from the list including at least aramid fiber, basalt fiber, fiberglass, carbon fiber. Also, the proposed profiled structural element may contain an inert mineral filler selected from the list including at least wollastonite, chalk, talc. The outer layers of the structure will include technological additives and / or additives that enhance operational properties. The profiled structural element is a strip, channel, I-beam, angle, square, V-, Z-, S-, П-, Ω-shaped profiles, etc., and is produced by extrusion of a compound containing a polymer base and reinforcing fiber.

Наибольшая прочность и долговечность профилированного конструкционного элемента будет обеспечена при использовании сэндвич системы, аналогичной по конструкции сэндвич панели, состоящей из несущего слоя либо нескольких несущих слоев и наружных слоев. Несущий слой (слои) выполнен из полимерной основы и армирующих волокон, например, длиной <20 мм, произвольно ориентированных в полимерной основе и составляющих, например, <30% масс. от материала профилированного конструкционного элемента, при предпочтении численных значений параметров максимально приближенные к заданным верхним граничным значениям, например, 20 мм, для длины волокон, и 30% масс. для доли волокон. Наружные слои сэндвич системы, обеспечивающие защиту от механических и химических повреждений при производстве и эксплуатации конструкционного элемента не содержат армирующего волокна, которое может являться абразивным материалом, усиливающим износ оборудования. Наружные слои конструкционного элемента могут включать технологические добавки улучшающие процесс экструзии (воски, полигалогенуглеводороды и др.), красители, добавки снижающие горючесть, повышающие стойкость к атмосферным воздействиям, озоностойкость, биоцидные добавки и др.The greatest strength and durability of the profiled structural element will be ensured by using a sandwich system similar in construction to a sandwich panel consisting of a supporting layer or several supporting layers and outer layers. The carrier layer (s) are made of a polymer base and reinforcing fibers, for example, a length of <20 mm, randomly oriented in the polymer base and constituting, for example, <30% of the mass. from the material of the profiled structural element, with the preference of the numerical values of the parameters as close as possible to the specified upper boundary values, for example, 20 mm, for the length of the fibers, and 30% of the mass. for the proportion of fibers. The outer layers of the sandwich system that provide protection against mechanical and chemical damage during the production and operation of the structural element do not contain reinforcing fibers, which can be an abrasive material that enhances equipment wear. The outer layers of the structural element may include technological additives that improve the extrusion process (waxes, polyhalogenated hydrocarbons, etc.), dyes, additives that reduce flammability, increase weather resistance, ozone resistance, biocidal additives, etc.

Профилированный конструкционный элемент изготавливают экструзией компаунда, содержащего полимерную основу и армирующее волокно, в описанных выше процентных соотношениях, с использованием описанных выше материалов и добавок. Сэндвич система формируется при соэкструзионном совмещения нескольких композиционных полимерных слоев в единую «монолитную» полимерную многослойную структуру заданной формы. То есть, используя фильеры различной формы и различные компаунды можно изготовить конструкционные элементы различного профиля (V-, Z-, S-, П-, Ω-образные и т.п.) и заданных прочностных характеристик. Процесс экструзии является одним из наиболее стабильных, экономичных и гибких процессов в переработке полимеров и получению профилей различной формы.A profiled structural element is made by extrusion of a compound containing a polymer base and a reinforcing fiber in the percentages described above using the materials and additives described above. A sandwich system is formed by coextruding combining several composite polymer layers into a single “monolithic” polymer multilayer structure of a given shape. That is, using dies of various shapes and various compounds, it is possible to produce structural elements of various profiles (V-, Z-, S-, P-, Ω-shaped, etc.) and specified strength characteristics. The extrusion process is one of the most stable, economical and flexible processes in the processing of polymers and obtaining profiles of various shapes.

Экструзия включает дозирование компонентов в заданных пропорциях и плавление полимера в экструзионной камере, после перевода полимера в вязко-текучее состояние вводятся функциональные добавки, готовый расплав компаунда поступает в узел формования профиля. В итоге, конструкционный элемент заданного профиля получают экструзией через фильеру с дальнейшим охлаждением и нарезкой изделий необходимой длины, отходы дробятся и возвращаются в процесс. Использование прямого компаундирования позволяет использовать при изготовлении профиля «длинные» армирующие волокна заданного размера - <20 мм и т.п. Кроме того, полученные таким образом конструкционные элементы смогут быть переработаны вторично. Для сравнения при использовании грануляции, ножи гранулирующей головки срезают волокно до габаритов получаемых гранул - <5 мм, при возможной деградации полимера при повторном плавлении. Линия экструзии включает двушнековый экструдер, внедряющий армирующее волокно в полимерную матрицу, что позволяет произвести в одну стадию готовый конструкционный элемент с несущим каркасом, образованным армирующим волокном, которое не ориентировано в полимерной матрице, что стойкость конструкций различным типам нагрузок: кручение, изгиб, растяжение, сжатие и т.д.Extrusion involves dosing the components in predetermined proportions and melting the polymer in the extrusion chamber, after the polymer is brought into a viscous-fluid state, functional additives are introduced, the finished melt of the compound enters the profile forming unit. As a result, a structural element of a given profile is obtained by extrusion through a die with further cooling and cutting of products of the required length, the waste is crushed and returned to the process. Using direct compounding, it is possible to use “long” reinforcing fibers of a given size - <20 mm, etc. in the manufacture of the profile. In addition, the structural elements thus obtained can be recycled. For comparison, when using granulation, the knives of the granulating head cut the fiber to the size of the obtained granules - <5 mm, with possible polymer degradation during re-melting. The extrusion line includes a twin-screw extruder introducing the reinforcing fiber into the polymer matrix, which makes it possible to produce a finished structural element in one step with a supporting frame formed by a reinforcing fiber that is not oriented in the polymer matrix, so that the structures are resistant to various types of loads: torsion, bending, tension, compression, etc.

Профилированный конструкционный элемент, который может представлять собой профиль любой заданной формы: полосу, швеллер, двутавр, угол, квадрат, различные V-, Z-, S-, П-, Ω-образные профили, форма которых определяется решаемой технической задачей, изготовлен из материала, состоящего из полимерной основы и длинных армирующих волокон, произвольно ориентированных в полимерной основе. Под длинными армирующими волокнами понимаются волокна длиной, превосходящей 1÷5 мм, например, длиной <20 мм (1÷20 мм). Доля волокон может составлять <30% масс. (1÷30% масс.) от материала профилированного конструкционного элемента. Армирующее волокно, равномерно распределенное в массе полимера несущего слоя, создает пространственную каркасную структуру, повышающую физико-механические характеристики конструкции. Выбор верхних граничных значений, например, 20 мм, для длины волокон, и 30% масс. для доли армирующих волокон в материале конструкционного элемента позволит повысить прочность и долговечность конструкционного элемента при снижении расходов армирующего материала и, соответственно, снижении массы профиля.Profiled structural element, which can be a profile of any given shape: strip, channel, I-beam, corner, square, various V-, Z-, S-, П-, Ω-shaped profiles, the shape of which is determined by the technical task being solved, made of a material consisting of a polymer base and long reinforcing fibers randomly oriented in the polymer base. Long reinforcing fibers are understood to mean fibers with a length exceeding 1 ÷ 5 mm, for example, with a length of <20 mm (1 ÷ 20 mm). The proportion of fibers may be <30% of the mass. (1 ÷ 30% wt.) From the material of the profiled structural element. Reinforcing fiber, evenly distributed in the polymer mass of the carrier layer, creates a spatial frame structure that increases the physicomechanical characteristics of the structure. The choice of upper boundary values, for example, 20 mm, for the length of the fibers, and 30% of the mass. for the proportion of reinforcing fibers in the material of the structural element will increase the strength and durability of the structural element while reducing the cost of the reinforcing material and, accordingly, reducing the mass of the profile.

Конкретный размер армирующих волокон и доля их содержания в материале определяются существом решаемой технической задачи, требуемыми прочностными характеристиками и заданной долговечностью конструкции с предпочтением более высокого значения содержания армирующего волокна из заданного диапазона, а также с предпочтением более высокого значения длины волокон из заданного диапазона. Превышение заданных, например, указанных выше граничных значений, усложнят процесс компаундирования при изготовлении профиля и увеличивает трудоемкость экструзии компаунда (в первую очередь при увеличении длины армирующих волокон), при приближении же указанных параметров к нулевым, с очевидностью, будут снижаться прочностные свойства конструкционного элемента (см., например, таблицу экспериментальных данных, где проиллюстрирована зависимость механических свойств конструкционного элемента от содержания армирующего стекловолокна в материале).The specific size of the reinforcing fibers and the proportion of their content in the material is determined by the nature of the technical problem being solved, the required strength characteristics and the specified durability of the structure, with a preference for a higher content of reinforcing fibers from a given range, and also with a preference for a higher value of fiber lengths from a given range. Exceeding the specified, for example, the above boundary values, will complicate the compounding process in the manufacture of the profile and increase the complexity of the extrusion of the compound (primarily when increasing the length of the reinforcing fibers), when these parameters approach zero, the strength properties of the structural element will obviously decrease ( see, for example, the table of experimental data, which illustrates the dependence of the mechanical properties of a structural element on the content of reinforcing fiberglass in ateriale).

То есть, для обеспечения лучших прочностных свойств необходимо использовать численные значения параметров максимально приближенные к заданным граничным значениям, например, 20 мм, для длины волокон, и 30% масс., для доли армирующих волокон в материале конструкционного элемента.That is, to ensure the best strength properties, it is necessary to use the numerical values of the parameters as close as possible to the specified boundary values, for example, 20 mm, for the length of the fibers, and 30% by weight, for the proportion of reinforcing fibers in the material of the structural element.

В качестве полимерной основы материала конструкционного элемента может быть использован: поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен, иные термопластичные полимерные материалы, обладающие подобными свойствами. В качестве армирующих волокон - может быть использовано: арамидное волокно, базальтовое волокно, стекловолокно, углеволокно, иные органические и неорганические волокна, позволяющие создать армирующий каркас в конструкционном элементе. Предложенный профилированный конструкционный элемент может содержать инертный минеральный наполнитель: волластонит, мел, тальк и т.п., добавка которого в компаунд позволит снизить стоимость конструкции и/или ускорить технологический процесс изготовления конструкционных элементов. Конкретный выбор материала, необходимость использования наполнителя также определяется существом решаемой технической задачи, требуемыми прочностными характеристиками и заданной долговечностью конструкции.As the polymer base of the material of the structural element can be used: polyvinyl chloride, polypropylene, polyethylene, other thermoplastic polymeric materials with similar properties. As reinforcing fibers - aramid fiber, basalt fiber, fiberglass, carbon fiber, other organic and inorganic fibers can be used to create a reinforcing frame in a structural element. The proposed profiled structural element may contain an inert mineral filler: wollastonite, chalk, talc, etc., the addition of which to the compound will reduce the cost of construction and / or accelerate the manufacturing process of manufacturing structural elements. The specific choice of material, the need to use a filler is also determined by the essence of the technical problem being solved, the required strength characteristics and the specified durability of the structure.

При практическом использовании, предложенный композитный профилированный конструкционный элемент сможет быть использован при производстве конструкционных профилей и элементов повышенной прочности, стойких к внешним природным условиям, различного назначения и будет эффективной и экономичной альтернативой традиционно используемым профилям из металла или древесины. Как и было указано выше, профилированный конструкционный элемент, который может представлять собой профиль любой заданной формы: полосу, швеллер, двутавр, угол, квадрат, различные V-, Z-, S-, П-, Ω-образные профили, которые смогут быть использованы в качестве балок, шпунтов Ларсена при гидротехническом строительстве. Например, использование предложенных конструктивных элементов в качестве шпунтов Ларсена, использующихся для укрепления берегов водоемов, выемок и насыпей и т.п.(V-, Z-, S-, П-, Ω-, К-, X-образных профилей) позволит отказаться от использования дополнительного анкерования либо от использования дорогостоящих и мало пригодных к вторичной переработке шпунтов армированных стекловолокном, получаемых пултрузией (ср. изделия Creative Pultrusions Inc. - US 6672026, US 6893191, US 7311470, US 7604438; Пултрузионные технологии - RU 115372 U1).In practical use, the proposed composite shaped structural element can be used in the production of structural profiles and elements of increased strength, resistant to environmental conditions, for various purposes and will be an effective and economical alternative to traditionally used metal or wood profiles. As mentioned above, a profiled structural element, which can be a profile of any given shape: strip, channel, I-beam, angle, square, various V-, Z-, S-, П-, Ω-shaped profiles, which can be used as beams, dowels Larsen in hydraulic construction. For example, the use of the proposed structural elements as Larsen sheet piles, used to strengthen the banks of reservoirs, excavations and embankments, etc. (V-, Z-, S-, П-, Ω-, К-, X-shaped profiles) will allow refuse to use additional anchoring or to use expensive and not very recyclable fiberglass sheet piles obtained by pultrusion (cf. Creative Pultrusions Inc. products - US 6672026, US 6893191, US 7311470, US 7604438; Pultrusion technologies - RU 115372 U1).

Claims

1. A profiled structural element containing a polymer base and reinforcing fibers, randomly oriented in a polymer base, characterized in that it is

A sandwich system of at least one

a carrier layer containing long reinforcing fibers with a preference for a higher fiber length from the range specified for use in the material of the profiled structural element, and

outer layers not containing reinforcing fiber.

2. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that the polymer base is selected from the list including at least polyvinyl chloride, polypropylene, polyethylene; but

the reinforcing fiber is selected from the list including at least aramid fiber, basalt fiber, fiberglass, carbon fiber.

3. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that it contains an inert mineral filler selected from the list including at least wollastonite, chalk, talc.

4. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that the outer layers include technological additives and / or additives that enhance operational properties.

5. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that it is selected from the list including at least a strip, channel, I-beam, angle, square, V-, Z-, S-, П-, Ω-shaped profiles .

6. A profiled structural element according to claim 1, characterized in that it is made by extrusion of a compound containing a polymer base and a reinforcing fiber.