RU2569839C1 - Multi-component complex reinforcing thread - Google Patents
Multi-component complex reinforcing thread Download PDFInfo
- Publication number
- RU2569839C1 RU2569839C1 RU2014129325/12A RU2014129325A RU2569839C1 RU 2569839 C1 RU2569839 C1 RU 2569839C1 RU 2014129325/12 A RU2014129325/12 A RU 2014129325/12A RU 2014129325 A RU2014129325 A RU 2014129325A RU 2569839 C1 RU2569839 C1 RU 2569839C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thread
- reinforcing
- filling
- fibers
- base reinforcing
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Назначение и область примененияPurpose and scope
Изобретение относится к армирующим системам на нитяной основе для полимерных изделий, в частности к комплексным нитям, которые могут использоваться в указанных армирующих системах.The invention relates to reinforcing systems on a filament basis for polymer products, in particular to complex threads that can be used in these reinforcing systems.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Армированные полимерные изделия широко применяются в авиационно-космической технике, различных отраслях машиностроения, строительстве, нефтегазодобывающей промышленности, транспортировки газообразных и жидких сред, а также при изготовлении аттракционов, водных горок, бассейнов, спортинвентаря и других товаров народного потребления или отраслей промышленности. Широкому использованию армированных пластиков в значительной степени способствуют их высокие прочностные свойства, устойчивость к воздействию агрессивных сред, низкая материалоемкость, что позволяет снизить вес изделия, высокая технологичность, позволяющая изготавливать изделия сложной формы и разнообразных габаритов, в том числе и крупногабаритных, без дорогостоящей технологической оснастки, возможность регулирования в широких пределах характеристики тепло- и электропроводности, а также работоспособность в широком диапазоне температур и напряжений.Reinforced polymer products are widely used in aerospace engineering, various engineering industries, construction, oil and gas industry, transportation of gaseous and liquid media, as well as in the manufacture of attractions, water slides, pools, sports equipment and other consumer goods or industries. The widespread use of reinforced plastics is greatly facilitated by their high strength properties, resistance to aggressive environments, low material consumption, which reduces the weight of the product, high manufacturability, allowing the manufacture of products of complex shape and various dimensions, including large ones, without expensive technological equipment , the ability to control over a wide range the characteristics of thermal and electrical conductivity, as well as performance over a wide range of topics peratures and stresses.
Традиционно армирование выполняется путем использования вспомогательных гетерогенных элементов, таких как волокна или нити, выполненные из стекла, углерода или арамида, либо при помощи металлических элементов, вроде металлических лент, которые могут быть наложены, например, на топливный бак после его изготовления путем, например, литья под давлением.Traditionally, reinforcing is performed by using auxiliary heterogeneous elements, such as fibers or threads made of glass, carbon or aramid, or using metal elements, such as metal tapes, which can be applied, for example, to the fuel tank after its manufacture by, for example, injection molding.
Так, например, из предшествующего уровня техники известно применение высокоэффективных термопластичных волокон, таких, например, как полиолефиновые волокна, для изготовления полимерных изделий, устойчивых к силовым нагрузкам. В частности, в патенте US 4608220 раскрыты композитные полимеры с армирующими волокнами, используемые для производства деталей самолетов, а в патенте US 6804942 раскрыты композитные трубные элементы, изготовленные из полимерных труб, обернутых полосками армированной ткани. Армированные подобным образом трубы высокого давления предназначены для работы в экстремальных условиях, где они должны противостоять химическому и механическому воздействию при транспортировке газов и жидкостей.So, for example, from the prior art it is known to use highly effective thermoplastic fibers, such as, for example, polyolefin fibers, for the manufacture of polymer products that are resistant to power loads. In particular, US Pat. No. 4,608,220 discloses composite polymers with reinforcing fibers used for the manufacture of aircraft parts, and US Pat. No. 6,804,942 discloses composite pipe elements made of polymer pipes wrapped in strips of reinforced fabric. High pressure pipes reinforced in this way are designed to operate in extreme conditions, where they must withstand chemical and mechanical stress during the transportation of gases and liquids.
В заявке WO 02/088589 описан способ изготовления армированной пластмассовой трубы, включающий шаг навивки особым образом, по крайней мере, двух слоев армирующих лент, состоящих из ориентированных полимеров, вокруг полой полимерной оправки. Ориентация молекул полимера внутри армирующих лент поддерживается благодаря навивке тонкой теплозащитной ленты вокруг армирующего слоя. Теплозащитная лента состоит из неориентированного полимера, совместимого с ориентированным полимером расположенного под ним слоя. После этого поверх слоя, образованного из тонкой теплозащитной ленты, наносится путем экструзии наружный отделочный слой. Однако при этом не образуется тесного контакта между армирующими лентами и отделочным слоем, поскольку между ними находится слой, образованный теплозащитной лентой, что само по себе снижает эффективность армирования. Кроме этого требуется дополнительный шаг наложения теплозащитной ленты, чтобы изготовить армированное полимерное изделие, что увеличивает стоимость. Таким образом, данная конструкция имеет ограниченную область применения, а за счет возможности деформации смежных слоев, обладающих разными физико-механическими свойствами и коэффициентами температурного расширения, в условиях отсутствия монолитности конструкции изделия может быть разрушена система армирования при повышенных нагрузках, что в свою очередь ведет к выходу из строя изделия в целом.WO 02/088589 describes a method for manufacturing a reinforced plastic pipe, comprising the step of winding in a special way at least two layers of reinforcing tapes consisting of oriented polymers around a hollow polymer mandrel. The orientation of the polymer molecules inside the reinforcing tapes is maintained by winding a thin heat-protective tape around the reinforcing layer. The heat-protective tape consists of a non-oriented polymer compatible with the oriented polymer located underneath the layer. After that, an outer finishing layer is applied by extrusion over a layer formed from a thin heat-protective tape. However, this does not form a close contact between the reinforcing tapes and the finishing layer, since there is a layer between them formed by a heat-protective tape, which in itself reduces the effectiveness of the reinforcement. In addition, an additional step of applying heat-protective tape is required in order to make a reinforced polymer product, which increases the cost. Thus, this design has a limited scope, and due to the possibility of deformation of adjacent layers having different physicomechanical properties and coefficients of thermal expansion, in the absence of monolithic structure of the product, the reinforcement system can be destroyed at high loads, which in turn leads to failure of the product as a whole.
Известен также композиционный (полимерный) материал (С. Bonnet. Les composites dans les propulseurs a propergol solide. "Materiaux et Techniques", 10-11, 1979, p. 398-400), армированный углеродными волокнами, взятыми в виде графитовых тканей - двухнаправленная структура (2D) или ориентированных стержней - трехнаправленная (3D), четырехнаправленная (4D) и др. структуры, и углеродной фазы, получаемой карбонизацией фенольной смолы или осаждением из газовой фазы углеводорода. Такой материал находит применение в изделиях, подверженных воздействию высоких температур. К недостаткам его, проявляющимся при изготовлении тонкостенных оболочек, следует отнести невысокую межслоевую прочность (в случае структуры 2D) или недостаточную технологичность производства и некоторые трудности в обеспечении прочностных характеристик (в случае структур 3D, 4D и др.).Composite (polymer) material is also known (C. Bonnet. Les composites dans les propulseurs a propergol solide. "Materiaux et Techniques", 10-11, 1979, p. 398-400), reinforced with carbon fibers taken in the form of graphite fabrics - bidirectional structure (2D) or oriented rods — three-directional (3D), four-directional (4D), and other structures, and the carbon phase obtained by carbonization of a phenolic resin or by deposition of a hydrocarbon from the gas phase. Such material is used in products subject to high temperatures. Its disadvantages, which are manifested in the manufacture of thin-walled shells, include low interlayer strength (in the case of a 2D structure) or insufficient manufacturability and some difficulties in ensuring strength characteristics (in the case of 3D, 4D structures, etc.).
Указанный недостаток материала структуры 2D частично устранен в изделии из композиционного полимерного материала (патент США 3991248, МКИ: C01B 31/02), армированного высокопрочным углеродным или графитовым волокном, связанным матричным материалом, в качестве которого используются углерод или другие материалы, осажденные пиролитическим методом из газовой фазы до достижения желаемой плотности готового изделия. Пластичные углеродные нити, взятые в форме определенным образом уложенных слоев тканого углеродного материала, связанные пиролитическим матричным материалом, образуют изделие, характеризующееся совокупностью хороших эксплуатационных свойств. К недостаткам известного композиционного материала следует отнести сравнительно невысокий уровень прочностных свойств, в частности, при испытании его на сдвиг.The indicated drawback of the material of the 2D structure is partially eliminated in the product of composite polymer material (US patent 3991248, MKI: C01B 31/02), reinforced with high-strength carbon or graphite fiber, bonded matrix material, which is carbon or other materials deposited by the pyrolytic method from gas phase to achieve the desired density of the finished product. Plastic carbon filaments, taken in the form of layers of woven carbon material laid in a certain way, connected by a pyrolytic matrix material, form a product characterized by a combination of good performance properties. The disadvantages of the known composite material include a relatively low level of strength properties, in particular, when testing it for shear.
Известно также, что термопластичные волокна используют для изготовления изделий с высокой устойчивостью к баллистическим нагрузкам или к надрезам. Например, в патенте США 6979660 раскрыты защитные ткани, изготовленные из нескрученной полиэтиленовой пряжи.It is also known that thermoplastic fibers are used for the manufacture of products with high resistance to ballistic loads or notches. For example, US Pat. No. 6,979,660 discloses protective fabrics made from untwisted polyethylene yarn.
Одним из возможных способов армирования полимерных изделий в данном случае является использование известной TFP-технологии. Эта технология включает в себя размещение волокнистых прядей («пучков») для механического армирования, в свою очередь, состоящих из множества отдельных армирующих волокон, проходящих параллельно друг другу по любой желаемой криволинейной траектории, и прикрепление их при помощи фиксирующих нитей к опорному слою для получения волокнистой заготовки («заготовка»). Прикрепление осуществляется при помощи верхней и нижней фиксирующих нитей, которые соединяются друг с другом под опорным слоем, образуя петли так же, как при обычных способах сшивания. В качестве армирующего волокна используется, например, стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно и т.п. Однако данная технология отличается сложностью ее реализации и использованием специализированного оборудования. При этом эффективность указанного способа армирования невысока вследствие образования сужений в распределении волокон при их прошивки, а также в результате образования пустот между волокнами, которые ослабляют эффект армирования и могут вызвать деструкцию армирующего слоя. Кроме того, данные технологии не обеспечивают достаточный уровень адгезии армирующего и полимерного слоев.One of the possible ways of reinforcing polymer products in this case is to use the well-known TFP technology. This technology includes the placement of fibrous strands ("bundles") for mechanical reinforcement, in turn, consisting of many separate reinforcing fibers running parallel to each other along any desired curved path, and attaching them with fixing threads to the support layer to obtain fiber preform (“preform”). The attachment is carried out using the upper and lower fixing threads, which are connected to each other under the support layer, forming loops in the same way as with conventional stitching methods. As the reinforcing fiber, for example, glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, and the like are used. However, this technology is notable for the complexity of its implementation and the use of specialized equipment. Moreover, the effectiveness of this method of reinforcing is low due to the formation of constrictions in the distribution of fibers during their flashing, as well as as a result of the formation of voids between the fibers, which weaken the effect of reinforcement and can cause destruction of the reinforcing layer. In addition, these technologies do not provide a sufficient level of adhesion of the reinforcing and polymer layers.
Известна также конструкция пластмассовой трубы по патенту РФ №2205318 от 19.02.2001, в соответствии с которым между внутренним и наружным слоями из термопластичного материала расположен армирующий наполнитель из намотанных по спирали в двух взаимно противоположных направлениях непрерывных полимерных или минеральных нитей, углубленных в наружную поверхность внутреннего слоя и внутреннюю поверхность наружного слоя. Намотку армирующих нитей осуществляют на трубу, пластифицированную путем разогрева, после чего с помощью дополнительного экструдера наносят наружный термопластичный слой. Недостатками данного решения являются неудовлетворительное качество адгезии армирующего материала к полиэтиленовым слоям, а также опасность локальных нарушений целостности стенок трубы (образования свищей) в результате развития пластической деформации (внутри ячеек, образованных армирующими нитями) при превышении возникающих напряжений модуля упругости материала трубы в результате существенного повышения давления рабочей среды.Also known is the construction of a plastic pipe according to the patent of the Russian Federation No. 2205318 dated 02.19.2001, according to which between the inner and outer layers of thermoplastic material there is a reinforcing filler made of spiral wound in two mutually opposite directions continuous polymer or mineral threads deepened into the outer surface of the inner layer and the inner surface of the outer layer. The winding of the reinforcing threads is carried out on a pipe, plasticized by heating, after which an external thermoplastic layer is applied using an additional extruder. The disadvantages of this solution are the unsatisfactory quality of adhesion of the reinforcing material to the polyethylene layers, as well as the risk of local disturbances in the integrity of the pipe walls (fistula formation) as a result of the development of plastic deformation (inside cells formed by reinforcing threads) when exceeding the resulting stresses of the elastic modulus of the pipe material as a result of a significant increase pressure of the working environment.
Известна комбинированная нить, используемая в составе армирующих систем, содержащая два компонента, один из которых выполнен в виде нити из волокон на основе алюмо-боро-силикатов или углеродных волокон, а второй - в виде нитей из полиамидных или полиэфирных волокон [2]. Соединение высокопрочных, теплостойких, но очень хрупких и дорогих нитей из углеродных и керамических волокон с нитями из полиамидных или полиэфирных волокон позволяет получить комбинированную гибкую нить для производства технических тканей, однако углеродные и алюмо-боро-силикатные волокна имеют очень большую стоимость, а полиэфирное волокно характеризуется низким сопротивлением к многократным изгибам и очень низкой устойчивостью к истиранию, что существенно снижает срок эксплуатации изделий из него.Known combination thread used in the composition of reinforcing systems containing two components, one of which is made in the form of a thread of fibers based on aluminum-boron silicates or carbon fibers, and the second in the form of threads of polyamide or polyester fibers [2]. The combination of high-strength, heat-resistant, but very fragile and expensive carbon and ceramic fiber yarns with polyamide or polyester fibers yields a combined flexible thread for the production of technical fabrics, however, carbon and aluminum-boron silicate fibers have a very high cost, and polyester fiber characterized by low resistance to repeated bending and very low resistance to abrasion, which significantly reduces the life of the products made of it.
Кроме того, для армирования различных полимерных изделий, например полимерных труб, профилей и т.п., такими способами армирования как плетение или оплетка, на плетельных или оплеточных машинах, достаточно широко используют высокопрочные высокомодульные комплексные нити, например из ароматических полиамидов (п-арамидов KEVLAR®, TWARON® и д.р.), полиэфиров, алифатических полиамидов, п-арилатов и т.п. Из анализа предшествующего уровня техники следует, что полимерным армирующим элементам свойственны как достоинства, так и некоторые недостатки. Например, несмотря на то, что полимерные волокна обладают исключительно высокой прочностью по отношению к силовым нагрузкам, установлено, что они в большей степени чувствительны к длительному растяжению, чем арамидные или углеродные волокна. Длительное растяжение со временем может привести к разрушению волокна и нарушению целостности волокнистых изделий. В некоторых случаях, например, в трубах высокого давления и в шлангах нарушение целостности композита может нанести значительный вред потребителям, окружающей инфраструктуре и экологической обстановке.In addition, for reinforcing various polymeric products, for example, polymer pipes, profiles, etc., by such reinforcing methods as weaving or braiding, on braiding or braiding machines, high-strength, high-modulus multifilament threads, for example, of aromatic polyamides (p-aramids), are widely used KEVLAR®, TWARON®, etc.), polyesters, aliphatic polyamides, p-arylates, etc. From the analysis of the prior art it follows that the polymer reinforcing elements are characterized by both advantages and some disadvantages. For example, despite the fact that polymer fibers have exceptionally high strength with respect to power loads, it has been found that they are more sensitive to long-term stretching than aramid or carbon fibers. Long stretching over time can lead to destruction of the fiber and the integrity of the fibrous products. In some cases, for example, in high-pressure pipes and in hoses, a violation of the integrity of the composite can cause significant harm to consumers, the surrounding infrastructure and the environment.
Во всех вышеуказанных примерах армирования полимерных изделий к существенным недостаткам армирования следует отнести недостаточную или полностью отсутствующую адгезию между армирующими элементами (волокнами, нитями, лентами и т.д.) и материалом армируемого изделия. Это не позволяет сделать армирующие элементы связанным элементом конструкции изделия и снижает качество, эффективность, прочность, а также технические характеристики изделия в целом.In all the above examples of reinforcing polymer products, the lack of adhesion between reinforcing elements (fibers, threads, tapes, etc.) and the material of the reinforced product should be attributed to significant disadvantages of reinforcing. This does not allow reinforcing elements to be made a related structural element of the product and reduces the quality, efficiency, strength, and technical characteristics of the product as a whole.
Это происходит по нескольким причинам. Во-первых, при выборе материалов армирующей нити и армируемого изделия, имеющих различное химическое строение и не имеющих химической или диффузионной адгезии между собой. Например, армирующая нить, выполненная из п-арамида, являющегося полярным полипарафенилентерефталамидом, не имеет химической или диффузионной адгезии к термопластичному неполярному полиэтилену, из которого изготавливается труба. В этом случае можно говорить только о механической адгезии, которая, согласно теории адгезии, осуществляется за счет затекания адгезива (в нашем случае полиэтилена) в поры, неровности или трещины на поверхности субстрата (в нашем случае армирующей п-арамидной нити) с последующим затвердеванием. При этом считается, что между адгезивом и субстратом образуются «заклепки», связывающие компоненты адгезионного соединения путем механического заклинивания. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью субстрата и прочностью пленки адгезива.This happens for several reasons. Firstly, when choosing materials for reinforcing yarns and reinforcing products having different chemical structures and not having chemical or diffusion adhesion between themselves. For example, a reinforcing thread made of p-aramid, which is a polar polyparaphenylene terephthalamide, does not have chemical or diffusion adhesion to the thermoplastic non-polar polyethylene from which the pipe is made. In this case, we can only talk about mechanical adhesion, which, according to the theory of adhesion, is carried out by flowing the adhesive (in our case, polyethylene) into the pores, roughnesses or cracks on the surface of the substrate (in our case, reinforcing p-aramid filament) with subsequent hardening. Moreover, it is believed that between the adhesive and the substrate, “rivets” are formed that bind the components of the adhesive joint by mechanical jamming. Thus, the strength of the adhesive bond is determined by the porosity of the substrate and the strength of the adhesive film.
Во-вторых, из-за особенности технологии армирования, когда при армировании, например, комплексной нитью изделия из полиэтилена, который, как известно из уровня техники, является не смачиваемым материалом и имеет низкое значение поверхностного натяжения, между армирующими элементарными нитями образуется воздушное, не заполненное полиэтиленом пространство (см. фиг. 1).Secondly, due to the particularity of the reinforcing technology, when reinforcing, for example, with a complex thread of a product made of polyethylene, which, as is known from the prior art, is a non-wettable material and has a low surface tension, airy, not space filled with polyethylene (see Fig. 1).
По этой причине механическая адгезия может быть достигнута только между периферийными элементарными нитями комплексной нити и полиэтиленом, непосредственно примыкающим к периферийным элементарным нитям. Поскольку элементарные нити комплексной нити не имеют связи между собой, то все нити, непосредственно не примыкающие к полиэтилену, не имеют адгезии, не являются связанным элементом конструкции армируемого изделия и могут свободно перемещаться в осевом направлении. В этом случае при наложении нагрузки на изделие армирующие нити и армируемое изделие работают как раздельные самостоятельные элементы конструкции, воспринимая нагрузку и разрушаясь последовательно от менее прочного элемента к более прочному, в то время как связанные элементы конструкции работают как одно целое, воспринимая распределенную нагрузку одновременно всеми элементами конструкции. Таким образом, прочностные характеристики изделия, армируемого комплексной нитью, не имеющей адгезии к материалу армируемого изделия, существенно снижаются.For this reason, mechanical adhesion can only be achieved between the peripheral filaments of the multifilament yarn and polyethylene directly adjacent to the peripheral filaments. Since the filament yarns of the multifilament yarn have no connection with each other, all yarns that are not directly adjacent to the polyethylene do not have adhesion, are not a connected structural element of the reinforced product, and can freely move in the axial direction. In this case, when the load is applied to the product, the reinforcing threads and the reinforced product work as separate independent structural elements, perceiving the load and breaking in series from a less strong element to a more durable one, while the connected structural elements work as a single unit, perceiving the distributed load at the same time by all structural elements. Thus, the strength characteristics of the product reinforced with a multifilament yarn that does not adhere to the material of the reinforced product are significantly reduced.
В полимерных композитах армируемых волокнистыми материалами уже в процессе их получения образуются различные виды неоднородностей структуры и дефектов, влияющих на их свойства и являющихся местами локализации процесса разрушения. Во время эксплуатации композиционных материалов и изделий в них накапливаются дополнительно различные виды дефектов под влиянием внешних воздействий - температуры, физических полей, действия влаги и других сред. Все эти воздействия усиливаются одновременным действием механических напряжений и температуры. Накопление повреждений в полимерных композитах, армируемых волокнистыми армирующими элементами, происходит на всех структурных уровнях. Кинетика накопления повреждений под влиянием каждого вида воздействия (рост дефектности) обычно происходит по экспоненциальной зависимости, определяемой тем, что элементарные акты возникновения дефектов (разрушения) являются необратимыми и, соответственно, они складываются, что, в конце концов, приводит к нарушению сплошности (монолитности) и разрушению материала/изделия. Процесс разрушения определяется с возникновения трещин, начинающихся в наиболее дефектных местах и развивающихся по механодеструктивным реакциям, протекающим по радикальному механизму. Одна из трещин перерастает в магистральную трещину, растущую также по свободно-радикальному механизму с полным нарушением монолитности - разрушением материала/изделия.In polymer composites reinforced with fibrous materials, in the process of their production, various types of structural heterogeneities and defects are formed that affect their properties and are places of localization of the fracture process. During the operation of composite materials and products, they additionally accumulate various types of defects under the influence of external influences - temperature, physical fields, moisture and other environments. All these effects are amplified by the simultaneous action of mechanical stress and temperature. Damage accumulation in polymer composites reinforced with fiber reinforcing elements occurs at all structural levels. The kinetics of damage accumulation under the influence of each type of impact (growth of defectiveness) usually occurs exponentially, determined by the fact that elementary acts of defects (destruction) are irreversible and, accordingly, they add up, which, in the end, leads to a violation of continuity (monolithicity) ) and the destruction of the material / product. The fracture process is determined by the occurrence of cracks that begin in the most defective places and develop according to mechano-destructive reactions proceeding by a radical mechanism. One of the cracks grows into a main crack, which also grows by the free-radical mechanism with a complete violation of monolithicity - the destruction of the material / product.
При рассмотрении структуры и свойств волокон из линейных полимеров наблюдается высокая анизотропия их структуры и свойств, приводящая к относительно легкой их фибриллизации при разрушении. Это особенно характерно для пара-арамидных волокон (терлон, тварон, кевлар, русар, армос). Такая особенность разрушения сказывается и на адгезионном взаимодействии с термореактивными материалами изделия. Отмечено расслоение волокон при определении адгезии по методу «выдергивания» одиночного волокна из склейки со связующим и разрушение не по адгезионному слою, а путем выдергивания волокна таким образом, что прилегающий к матрице слой волокна остается связанным с ней.When considering the structure and properties of fibers from linear polymers, a high anisotropy of their structure and properties is observed, leading to their relatively easy fibrillation upon destruction. This is especially true for para-aramid fibers (theron, tvaron, Kevlar, Rusar, Armos). This fracture feature also affects the adhesive interaction with the thermosetting materials of the product. Separation of the fibers was noted when determining adhesion by the method of “pulling out” a single fiber from gluing with a binder and breaking not by the adhesive layer, but by pulling the fiber so that the fiber layer adjacent to the matrix remains bound to it.
Вследствие высокой анизотропии и фибриллизации при разрушении композиционные материалы на основе пара-арамидных нитей прекрасно работают на растяжение, но имеют невысокие показатели механических свойств на сжатие и сдвиг. Изучению повышения поперечной прочности пара-арамидных филаментов посвящено немало работ. Однако оказалось, что внедрение в надмолекулярную структуру сшивающих реагентов приводит к снижению механических свойств в осевом направлении. Таким образом, эта проблема пока не решена.Due to the high anisotropy and fibrillation during destruction, composite materials based on para-aramid filaments work fine in tension, but have low rates of mechanical properties for compression and shear. A lot of work has been devoted to studying the increase in the transverse strength of para-aramid filaments. However, it turned out that the introduction of crosslinking reagents into the supramolecular structure leads to a decrease in the axial mechanical properties. Therefore, this problem has not yet been resolved.
Указанные недостатки известных решений ограничивают сферу применения армированных термопластичных (полимерных) изделий и срок их службы.These disadvantages of the known solutions limit the scope of application of reinforced thermoplastic (polymer) products and their service life.
Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION
Техническая задача, решаемая заявленным изобретением, заключается в предложении многокомпонентной армирующей нити простой в производстве и способной обеспечить механическую адгезию между армирующей нитью и армируемым изделием.The technical problem solved by the claimed invention is to offer a multicomponent reinforcing thread easy to manufacture and capable of providing mechanical adhesion between the reinforcing thread and the reinforced product.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в повышении прочности и упругости изделия, возможности его закрепления в материале основного полимерного слоя с обеспечением монолитности армированного комплексной нитью изделия без возможности перемещения армирующих нитей в полимерном слое и, как следствие, снижении материалоемкости и уменьшении стоимости производства,The technical result achieved by the invention is to increase the strength and elasticity of the product, the possibility of fixing it in the material of the main polymer layer with monolithic reinforcement of the integrated thread of the product without the possibility of moving reinforcing threads in the polymer layer and, as a result, lower material consumption and lower production costs,
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что используют многокомпонентную комплексную нить, состоящую из пучка соединенных между собой элементарных нитей или волокон, по меньшей мере, двух типов, образующих, по меньшей мере, одну базовую армирующую нить из высокопрочного, высокомодульного материала и одну заполняющую нить из термопласта с температурой плавления более низкой по сравнению с базовой армирующей нитью, и скрученной на заданное число круток, таким образом, что низкоплавкая нить равномерно распределена по объему в базовой армирующей нити в предустановленной пропорции.The above technical result is achieved by using a multicomponent multifilament yarn consisting of a bundle of interconnected filaments or fibers of at least two types, forming at least one basic reinforcing thread of a high-strength, high-modulus material and one filling thread of thermoplastics with a melting point lower than the base reinforcing thread, and twisted by a predetermined number of twists, so that the low-melting thread is evenly distributed throughout the volume in the base reinforcing thread in a predetermined proportion.
При этом базовая армирующая нить и/или заполняющая нить могут быть выполнены в виде комплексной нити, состоящей из пучка элементарных нитей и/или волокон, и при этом могут быть выполнены многокомпонентными, включающими элементарные нити и/или волокна, выполненные из разных материалов, соответствующих типу нити.In this case, the base reinforcing thread and / or filling thread can be made in the form of a multifilament yarn consisting of a bundle of filaments and / or fibers, and in this case they can be multicomponent, including filaments and / or fibers made of different materials corresponding to type of thread.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения базовые армирующие нити выполнены из неплавкого, и/или тугоплавкого материала, и/или полимера с высокой температурой плавления, например из пара-арамидных, или полиоксадиазольных (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола), или полиэфирных материалов или иного высокомодульного материала, а низкоплавкая нить, предпочтительно, выполнена из полиэтилена или полипропилена.In a preferred embodiment of the invention, the base reinforcing threads are made of a non-meltable and / or refractory material and / or a polymer with a high melting point, for example, para-aramid or polyoxadiazole (poly-para-phenylene-1,3,4-oxadiazole) or polyester materials or other high modulus material, and the low melting yarn is preferably made of polyethylene or polypropylene.
Заполняющая, более низкоплавкая по отношению к базовой нить предпочтительно выполнена из полимерного материала с температурой плавления, близкой к температуре плавления армируемого материала, для которых предназначена комплексная армирующая нить. При этом заполняющая нить выполнена с обеспечением возможности заполнения воздушного пространство между элементарными нитями базовой армирующей нити. Кроме того, заполняющая нить выполнена с обеспечением возможности при нагреве до температуры плавления заполнения расплавом всего воздушного пространства между элементарными нитями базовой армирующей нити, с обеспечением механической адгезии между элементарными нитями комплексной армирующей нити и обеспечением возможности сцепления комплексной армирующей нити с армируемым материалом.The filling, lower melting in relation to the base thread is preferably made of a polymeric material with a melting point close to the melting temperature of the reinforced material, for which the complex reinforcing thread is intended. In this case, the filling thread is made with the possibility of filling the air space between the elementary threads of the base reinforcing thread. In addition, the filling thread is made possible to melt the entire air space between the filaments of the base reinforcing filament when heated to the melting temperature, providing mechanical adhesion between the filaments of the complex reinforcing filament and allowing the complex reinforcing filament to adhere to the reinforced material.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Изобретение поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:
фиг. 1 - схемное представление расположения армирующих элементарных нитей или волокон в конструкции армированного полимерного изделия, известной из предшествующего уровня техники, где 1 - сечение нитей или волокон армирующей системы, 2 - пустоты между нитями или волокнами армирующей системы, 3 - основной полимерный слой, 4 - верхний (покрывающий) дополнительный полимерный слой;FIG. 1 is a schematic representation of the location of reinforcing elementary threads or fibers in the structure of a reinforced polymer product known from the prior art, where 1 is a cross-section of threads or fibers of a reinforcing system, 2 is a void between threads or fibers of a reinforcing system, 3 is a main polymer layer, 4 is top (covering) additional polymer layer;
фиг. 2 - схемное представление комплексной нити согласно изобретению, в разрезе, где 5 - сечение базовой армирующей нити, 6 - сечение заполняющей нити.FIG. 2 is a sectional view of a complex yarn according to the invention, in section, where 5 is a cross section of a base reinforcing thread, 6 is a cross section of a filling thread.
фиг. 3 - схемное представление расположения комплексной нити армирующей системы в конструкции армированного полимерного изделия согласно изобретению, где 7 - сечение комплексной нити армирующей системы, 8 - армированное полимерное изделие.FIG. 3 is a schematic representation of the location of the complex yarn of the reinforcing system in the structure of the reinforced polymer product according to the invention, where 7 is a cross-section of the complex yarn of the reinforcing system, 8 is a reinforced polymer product.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения изобретения и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания изобретения, которое очевидно для специалиста в данной области техники, может включать другие варианты осуществления.It should be noted that the accompanying drawings illustrate only one of the most preferred embodiments of the invention and cannot be construed as limiting the content of the invention, which is obvious to a person skilled in the art, may include other embodiments.
Пример осуществимости изобретения.An example of the feasibility of the invention.
В рамках описания изобретения используется следующая терминология:In the framework of the description of the invention, the following terminology is used:
Комплексные нити (мультифиламент) - нить, состоящая из двух и более элементарных нитей, длина которых равна или несколько больше длины комплексной нити.Complex threads (multifilament) - a thread consisting of two or more elementary threads, the length of which is equal to or slightly greater than the length of the complex thread.
Элементарная нить (филамент) - единичная нить практически неограниченной длины, рассматриваемая как бесконечная.An elementary thread (filament) is a single thread of almost unlimited length, considered as infinite.
Пример осуществимости рассматривается с учетом предназначения использования комплексной армирующей нити в армирующих системах, в частности применительно к армируемым полимерным изделиям, материалам.An example of feasibility is considered taking into account the intended use of a complex reinforcing thread in reinforcing systems, in particular with respect to reinforced polymer products, materials.
Согласно изобретению (фиг. 2) комплексная армирующая нить, выполненная, например, крученной, состоит, по меньшей мере, из элементарных нитей двух типов: базовой армирующей нити 5 из высокопрочного высокомодульного материала из неплавкого, и/или тугоплавкого материала, и/или полимера с высокой температурой плавления, и заполняющей нити 6, более низкоплавкой по отношению к базовой армирующей нити, выполненной, преимущественно, из термопластичного материала, с температурой плавления, близкой к температуре плавления материала армируемого слоя изделия. В частности, в случае выполнения основного слоя из сшитого полиэтилена (PEX) любой модификации заполняющие нити могут быть выполнены из полиэтилена.According to the invention (Fig. 2), a complex reinforcing thread made, for example, twisted, consists of at least two types of filaments: a base reinforcing thread 5 of high-strength high-modulus material from a non-meltable, and / or refractory material, and / or polymer with a high melting point, and filling filament 6, lower melting with respect to the base reinforcing thread, made mainly of thermoplastic material, with a melting point close to the melting temperature of the material of the reinforced layer products. In particular, in the case of the implementation of the main layer of cross-linked polyethylene (PEX) of any modification, the filler threads can be made of polyethylene.
В свою очередь, так как базовая армирующая нить 5 несет всю основную нагрузку на армирующую систему, она может быть выполнена из таких высокопрочных полимерных материалов как одно- или многокомпонентные, комплексные мультифиламентные высокомодульные полимерные нити, например ароматические полиамидные, полиэфирные, алифатические полиамидные, полиоксадиазольные, поливинилспиртовые, гидратцеллюлозные, п-арамидные, п-арилатные, ароматические полиэфирные, поли-п-фениленбензо-бис-оксазольные и -тиазольные, полиакрилонитрильные, поликапроамидные, полиэтилентерефталатные, полипропиленовые, полиэтиленовые, из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полиамидные, арамидные, полиимидные, полибензимидазольные и др. их сополимеры и модификации. Под арамидным материалом подразумевается длинная цепочка синтетического ароматического полиамида, имеющего амидные связи, прикрепленные непосредственно к двум ароматическим кольцам или в пара- или мета-положении. При этом пара-арамиды, например, включают поли(пара-фенилентерефталамид)(PPD-T), поли(п-бензамид) или им подобные и волокна, которые продаются, например, под торговой маркой KEVLAR от фирмы E.I. DuPont de Nemours and Company и под торговой маркой TWARON от фирмы Teijin Ltd. Однако, очевидно, что перечень материалов, которые могут быть применены в качестве базовой армирующей нити, согласно изобретению, не ограничивается пара-арамидными волокнами, могут быть также использованы, например, углеродные, капроновые, полиамидные, лавсановые и т.п. нити.In turn, since the base reinforcing thread 5 carries the entire main load on the reinforcing system, it can be made of such high-strength polymeric materials as single or multicomponent, complex multifilament high-modulus polymeric threads, for example aromatic polyamide, polyester, aliphatic polyamide, polyoxadiazole, polyvinyl alcohol, hydrate cellulose, p-aramid, p-arylate, aromatic polyester, poly-p-phenylenebenzo-bis-oxazole and thiazole, polyacrylonitrile, polycapro Midna, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyethylene of ultrahigh molecular weight polyethylene, polyamide, aramid, polyimide, polybenzimidazole and others. their copolymers and modification. By aramid material is meant a long chain of synthetic aromatic polyamide having amide bonds attached directly to two aromatic rings or in para or meta position. However, para-aramids, for example, include poly (para-phenylene terephthalamide) (PPD-T), poly (p-benzamide) or the like, and fibers that are sold, for example, under the trademark KEVLAR from E.I. DuPont de Nemours and Company and under the trademark TWARON from Teijin Ltd. However, it is obvious that the list of materials that can be used as the base reinforcing yarn according to the invention is not limited to para-aramid fibers, for example, carbon, nylon, polyamide, dacron, etc. can also be used. threads.
В настоящем изобретении размер нитей, формирующих комплексную нить, не имеет ограничений, и может быть ограничен только их ассортиментом. При этом окончательный размер комплексной нити также не имеет специальных ограничений и может устанавливаться по желанию для конкретного применения подходящим выбором базовой армирующей и низкоплавкой нитей.In the present invention, the size of the threads forming the multifilament yarn is not limited, and can be limited only by their range. In this case, the final size of the multifilament yarn also has no special restrictions and can be set as desired for a specific application by a suitable choice of base reinforcing and low melting yarns.
Для достижения заявленного технического результата предпочтительно формирование крученной комплексной армирующей нити с равномерным распределением заполняющей нити по объему в комплексной армирующей нити, таким образом, что обеспечивается охват одной или каждой из пучка базовых армирующих нитей, входящих в состав комплексной армирующей нити, по всей длине. При этом, возможно управление свойствами армирующей системы установкой пропорционального соотношения нитей двух видов в составе комплексной армирующей нити, а также выбором числа круток.To achieve the claimed technical result, it is preferable to form a twisted complex reinforcing thread with a uniform distribution of the filling thread throughout the volume in the complex reinforcing thread, so that one or each of the bundle of the base reinforcing threads included in the complex reinforcing thread is covered over the entire length. At the same time, it is possible to control the properties of the reinforcing system by setting the proportional ratio of the two types of threads in the complex reinforcing threads, as well as by choosing the number of twists.
Данная конструкция комплексной нити обеспечивает максимально надежное сцепление армирующей системы с основным полимерным слоем и/или дополнительным внешним, покрывающим слоем и обеспечивает монолитность конечной конструкции изделия.This design of the multifilament yarn provides the most reliable adhesion of the reinforcing system with the main polymer layer and / or an additional outer covering layer and ensures the solidity of the final product design.
При равномерном распределении нитей первого и второго типов в пучке комплексной армирующей нити с одновременным равномерным распределением заполняющих нитей по объему базовых нитей позволяет достичь высокой степени адгезии между ними при расплаве заполняющих нитей нагревом до температуры плавления. Расплав заполняющей нити заполняет все воздушное пространство между элементарными нитями комплексной базовой нити, охватывая их полностью по всей длине. При этом при заполнении расплавом всего воздушного пространства между элементарными нитями базовой комплексной нити создается механическая адгезия между каждой элементарной нитью высокопрочной высокомодульной комплексной базовой нити друг с другом.With a uniform distribution of the filaments of the first and second types in the bundle of a complex reinforcing filament with a uniform distribution of the filament filaments throughout the volume of the base filaments, a high degree of adhesion between them can be achieved when the filler filament is melted by heating to the melting temperature. The melt filling filler fills the entire air space between the filaments of the complex base yarn, covering them completely along the entire length. In this case, when the melt is filling the entire air space between the filaments of the base multifilament yarn, mechanical adhesion is created between each elementary thread of the high-strength high-modulus complex multifilament yarn with each other.
В процессе нанесения многокомпонентной комплексной армирующей нити на полимерное изделие один или несколько компонентов нити, являющейся заполняющей нитью, выполненной из низкоплавкого материала по отношению к базовой комплексной нити и приближенного по температуре плавления к температуре плавления материалов армируемого изделия, и равномерно распределенный между элементарными нитями одно- или многокомпонентной базовой армирующей нити, плавится и заполняет все воздушное пространство между базовыми элементарными нитями. При заполнении расплавом всего воздушного пространства между элементарными нитями базовой комплексной нити создается механическая адгезия между каждой элементарной нитью высокопрочной высокомодульной комплексной базовой нити друг с другом и с материалом, из которого изготовлено изделие. В этом случае происходит так называемое механическое заклинивание материала армируемого изделия между элементарными нитями комплексной армирующей нити. А поскольку комплексная армирующая нить выполнена, предпочтительно, крученой, это полностью исключает осевое перемещение элементарных нитей комплексной армирующей нити между собой и относительно армируемого изделия. Таким образом, формируется монолитная структура армируемой конструкции, в которой все элементы связаны между собой и работают как единое целое, что существенным образом отражается на увеличении прочностных характеристик армированного изделия.In the process of applying a multicomponent complex reinforcing yarn to a polymeric product, one or more components of the yarn, which is a filament, made of a low-melting material in relation to the basic complex yarn and close in melting temperature to the melting temperature of the materials of the reinforced product, and uniformly distributed between the filaments or a multicomponent base reinforcing thread, melts and fills the entire air space between the basic elementary threads. When the melt fills the entire air space between the filaments of the base multifilament yarn, mechanical adhesion is created between each elementary thread of the high-strength high-modulus complex warp yarn with each other and with the material from which the product is made. In this case, the so-called mechanical jamming of the material of the reinforced product between the filaments of the complex reinforcing thread occurs. And since the complex reinforcing thread is made, preferably, twisted, this completely eliminates the axial movement of elementary threads of the complex reinforcing thread between each other and relative to the reinforced product. Thus, a monolithic structure of the reinforced structure is formed, in which all the elements are interconnected and work as a whole, which significantly affects the increase in the strength characteristics of the reinforced product.
Комплексная нить, согласно изобретению, формируется из заполняющей и базовой армирующей нитей, состоящих из элементарной нити или пучка элементарных нитей или волокон, и соединенных вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой, или иным известным из уровня техники способом соединения нитей различных типов. Способы и оборудование, используемые для скручивания и сложения нитей с целью получения комплексной армирующей нити, не имеют особых ограничений. Подходящие для этого текстильные крутильные машины могут включать, например, типовые модернизированные тростильно-крутильные машины, а для нанесения волокна на изделие типовые плетельные или оплеточные машины. При этом нити, формирующие комплексную нить, могут быть смешаны друг с другом, сложены друг с другом или скручены друг с другом на любом подходящем этапе процесса изготовления данной нити или конечного изделия.The multifilament yarn according to the invention is formed from a filler and a base reinforcing yarn consisting of a filament or a bundle of filaments or fibers, and connected together by trimming, or conjugation, or splicing, or weaving, or twisting, or another method of joining known from the prior art threads of various types. The methods and equipment used for twisting and folding yarns in order to obtain a complex reinforcing yarns do not have special restrictions. Suitable textile twisting machines for this can include, for example, typical modernized twisting and twisting machines, and typical braiding or braiding machines for applying fiber to the product. In this case, the threads forming the complex thread can be mixed with each other, folded with each other or twisted with each other at any suitable stage in the manufacturing process of a given thread or end product.
Заявляемая в качестве изобретения комплексная нить, имея высокие эксплуатационные качества, обладает низкой себестоимостью, высокой прочностью и упругостью с возможностью ее закрепления в материале основного полимерного слоя и обеспечением монолитности армированного комплексной нитью изделия. Конструкция комплексной нити способствует снижению материалоемкости за счет высокой эффективности и применения элементарных одно- или многокомпонентных нитей, а также уменьшению стоимости производства за счет возможности производства армирующих нитей и систем повышенной эффективности на стандартном оборудованием, без оснащения его дополнительным специализированным оборудованием или оснасткой. Заявляемая комплексная нить может быть получена промышленным способом в условиях фабричного производства и с использованием имеющегося оборудования, материалов и технологии. The inventive multifilament yarn, having high performance, has a low cost, high strength and elasticity with the possibility of fixing it in the material of the main polymer layer and ensuring the monolithicity of the product reinforced with a complex thread. The design of a multifilament yarn helps to reduce material consumption due to high efficiency and the use of elementary single or multicomponent yarns, as well as reducing the cost of production due to the possibility of producing reinforcing yarns and systems of increased efficiency on standard equipment, without equipping it with additional specialized equipment or accessories. The inventive multifilament yarn can be obtained industrially in the conditions of factory production and using existing equipment, materials and technology.
Claims (12)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014129325/12A RU2569839C1 (en) | 2014-07-17 | 2014-07-17 | Multi-component complex reinforcing thread |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014129325/12A RU2569839C1 (en) | 2014-07-17 | 2014-07-17 | Multi-component complex reinforcing thread |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2569839C1 true RU2569839C1 (en) | 2015-11-27 |
Family
ID=54753648
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014129325/12A RU2569839C1 (en) | 2014-07-17 | 2014-07-17 | Multi-component complex reinforcing thread |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2569839C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5147721A (en) * | 1989-07-07 | 1992-09-15 | Hexcel Corporation | Ceramic reinforced glass matrix |
| US5910361A (en) * | 1990-07-13 | 1999-06-08 | Sa Schappe | Hybrid yarn for composite materials with thermoplastic matrix and method for obtaining same |
| RU2495166C1 (en) * | 2009-07-16 | 2013-10-10 | СЭН-ГОБЕН ЭДФОРС КЭНЭДА, ЭлТиДи. | Zero-twist reinforcement thread with coating and method of its manufacture |
-
2014
- 2014-07-17 RU RU2014129325/12A patent/RU2569839C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5147721A (en) * | 1989-07-07 | 1992-09-15 | Hexcel Corporation | Ceramic reinforced glass matrix |
| US5910361A (en) * | 1990-07-13 | 1999-06-08 | Sa Schappe | Hybrid yarn for composite materials with thermoplastic matrix and method for obtaining same |
| RU2495166C1 (en) * | 2009-07-16 | 2013-10-10 | СЭН-ГОБЕН ЭДФОРС КЭНЭДА, ЭлТиДи. | Zero-twist reinforcement thread with coating and method of its manufacture |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jauhari et al. | Natural fibre reinforced composite laminates–a review | |
| CA2695680C (en) | Hybrid fiber constructions to mitigate creep in composites | |
| CA2025281C (en) | Filament-reinforced resinous structural rod | |
| JP5345694B2 (en) | Method for producing thermoplastic-continuous fiber hybrid composite | |
| US11141949B2 (en) | Methods of producing thermoplastic composites using fabric-based thermoplastic prepregs | |
| EP2919977B1 (en) | Method of forming a hose assembly | |
| JP2012511670A (en) | Fiber reinforced thermoplastic pipe | |
| CN108527807A (en) | A kind of nonmetal flexible pipe and its manufacturing method | |
| US20090022920A1 (en) | Composite Article For Conveying And/Or Storage Of Liquid and Gaseous Media And A Process For Producing The Same | |
| US20160009051A1 (en) | Veil-stabilized Composite with Improved Tensile Strength | |
| JP6022186B2 (en) | Muscle | |
| US10266292B2 (en) | Carriers for composite reinforcement systems and methods of use | |
| RU152300U1 (en) | INTEGRATED REINFORCING THREAD FOR REINFORCING SYSTEM AND REINFORCING SYSTEM FOR REINFORCING POLYMERIC PRODUCTS | |
| JP6022188B2 (en) | Tensile material | |
| RU2569839C1 (en) | Multi-component complex reinforcing thread | |
| Gowayed | Types of fiber and fiber arrangement in fiber-reinforced polymer (FRP) composites | |
| RU151868U1 (en) | REINFORCED POLYMER PIPE, REINFORCING SYSTEM AND INTEGRATED REINFORCING THREAD FOR IT | |
| US9834649B1 (en) | Shaped fiber composites | |
| FI97114C (en) | Planar porous composite structure and method for its manufacture | |
| WO2013179442A1 (en) | Lining material, method for manufacturing lining material, and lining method | |
| US20190153636A1 (en) | Textile reinforcement suitable for being used in a method for impregnation by a thermoplastic resin | |
| JP6022187B2 (en) | Tensile material | |
| RU2364509C2 (en) | Composite material tube and its manufacture method | |
| AU2012247031A1 (en) | Hybrid fiber construction to mitigate creep in composites | |
| RU2097197C1 (en) | Bearing tube-shell in the form of body of revolution made of composite materials (versions) |