RU2599614C1

RU2599614C1 - Composite bearing element

Info

Publication number: RU2599614C1
Application number: RU2015131874/07A
Authority: RU
Inventors: Андрей Витальевич Андреев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Технология 21 века" (ООО "Т21")
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2016-10-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used as load-bearing cables and bearing elements in structures of wires and cables intended to be suspended on supports of overhead transmission and communication lines and for fixed installation. Composite bearing element is made from a thermosetting polymer binder continuously reinforced with basalt fibers, the volume fraction of which in the binder makes 60-80 %. Binder is modified with carbon nanotubes, the concentration of which is 4.0-10.0 wt%.

EFFECT: invention provides creation of a composite bearing element with prolonged life at higher temperatures and the effect of bending loads.

6 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве несущих тросов и силовых элементов в конструкциях проводов и кабелей, предназначенных для подвески на опорах воздушных линий электропередачи и связи и для стационарной прокладки.The invention relates to electrical engineering and can be used as load-bearing cables and power elements in the construction of wires and cables intended for suspension on the supports of overhead power lines and communications and for stationary laying.

Известен композиционный несущий элемент, содержащий внутренний несущий элемент, выполненный из полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, при этом внутренний несущий элемент охвачен промежуточным слоем, выполненным из волокон углеродного материала и полимерного связующего, поверх промежуточного слоя расположена внешняя оболочка из волокон на основе стекла и полимерного связующего (патент РФ №131230 «Поликомпозиционный несущий сердечник для электрического провода и способ его производства, а также электрический провод, содержащий такой сердечник» с приоритетом от 20.10.2011).A composite support element is known comprising an internal support element made of a polymer binder continuously reinforced with basalt fiber, while the internal support element is surrounded by an intermediate layer made of fibers of a carbon material and a polymer binder, an outer shell of glass-based fibers is located on top of the intermediate layer and polymer binder (RF patent No. 131230 "Multicomposite bearing core for an electric wire and method for its production, as well as electric a wire containing such a core ”with priority of 10/20/2011).

Недостатками данного элемента являются: - невозможность длительного использования при высоких температурах. Это связано с использованием в конструкции трех разнородных волокон, имеющих различные значения коэффициентов термического расширения, что приводит к появлению при температурах 180-200°С дополнительных внутренних термических напряжений, отрицательно влияющих на работоспособность несущего элемента и, не смотря на использование высокопрочных волокон, эксплуатационная прочность элемента невелика. Кроме того, максимальная рабочая температура стандартных эпоксидных смол не превышает 130°С, предельная (пиковая) кратковременная температура не превышает 150°С, в то время как современные требования регламентируют рабочую температуру проводов не ниже 180°С, а пиковую температуру - 210°С, а при таких температурах несущая способность композитного несущего элемента снижается - вплоть до его разрушения. Существуют термостойкие эпоксидные смолы, рабочая температура которых достигает 250°С за счет их модификации, например, фенолоформальдегидными резольными и кремнийорганическими смолами, но при этом одновременно прочность эпоксидной матрицы при повышенных температурах уменьшается на 30-50%; - невысокий рабочий ресурс в условиях действия изгибающих статических (налипание снега и гололеда на провода) и динамических (вибрация и пляска проводов) нагрузок, так как при достаточных прочностных свойствах на растяжение композиционного элемента, эпоксидное связующее остается хрупким и прочность эпоксидного связующего на изгиб мала.The disadvantages of this element are: - the impossibility of prolonged use at high temperatures. This is due to the use in the design of three dissimilar fibers having different values of the coefficients of thermal expansion, which leads to the appearance at temperatures of 180-200 ° C of additional internal thermal stresses that adversely affect the performance of the bearing element and, despite the use of high-strength fibers, operational strength element is small. In addition, the maximum operating temperature of standard epoxy resins does not exceed 130 ° C, the limiting (peak) short-term temperature does not exceed 150 ° C, while modern requirements regulate the operating temperature of wires not lower than 180 ° C, and the peak temperature - 210 ° C , and at such temperatures, the bearing capacity of the composite bearing element decreases - up to its destruction. There are heat-resistant epoxy resins, the working temperature of which reaches 250 ° C due to their modification, for example, phenol-formaldehyde resole and organosilicon resins, but at the same time, the strength of the epoxy matrix at elevated temperatures decreases by 30-50%; - a low working resource under the action of bending static (snow and ice sticking to wires) and dynamic (vibration and wire dancing) loads, since with sufficient tensile strengths of the composite element, the epoxy binder remains brittle and the bending strength of the epoxy binder is small.

Из-за хрупкости связующего и особенностей громоздкой конструкции многослойный несущий элемент выполняется одножильным с относительно большим минимальным диаметром, что не позволяет повысить гибкость несущего элемента.Due to the fragility of the binder and the features of the bulky design, the multilayer bearing element is single-core with a relatively large minimum diameter, which does not allow to increase the flexibility of the bearing element.

Известно, что эпоксидная смола не является взрывоопасной, но горит в источнике огня.Epoxy is not known to be explosive, but burns in a fire source.

Известен композиционный несущий элемент, описанный в патенте РФ №2386183 «Композиционный несущий сердечник для внешних токоведущих жил проводов воздушных высоковольтных линий электропередачи и способ его производства» с приоритетом от 04.12.2008 и выбранный в качестве прототипа.Known composite load-bearing element described in RF patent No. 2386183 "Composite load-bearing core for external current-carrying conductors of wires of air high-voltage power lines and the method of its production" with priority from 12/04/2008 and selected as a prototype.

Данный композиционный несущий элемент выполнен из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью наполнения 30-85 мас %, при этом термореактивное связующее (матрица) представляет собой эпоксидную композицию с температурой стеклования не менее 150-300°С, а несущий элемент может быть в виде одно- или многожильной конструкции.This composite supporting element is made of a thermosetting polymer binder, continuously reinforced with basalt fiber with a degree of filling of 30-85 wt%, while the thermosetting binder (matrix) is an epoxy composition with a glass transition temperature of at least 150-300 ° C, and the supporting element can be in the form of a single or multi-core design.

Физико-механические свойства композиционного элемента определяются не только свойствами армирующего волокна, но и свойствами связующего.The physical and mechanical properties of the composite element are determined not only by the properties of the reinforcing fiber, but also by the properties of the binder.

Недостатками данного несущего элемента являются:The disadvantages of this bearing element are:

- невозможность длительного использования при высоких температурах. Использование эпоксидной композиции с температурой стеклования не менее 150-300°С говорит о том, что улучшение термостойкости матрицы проведено за счет ее модификации с помощью различных добавок, но при этом одновременно при повышенных температурах уменьшается прочность на растяжение эпоксидного связующего на 30-50%, ухудшаются адгезионные свойства и несущая способность композитного элемента снижается - вплоть до его разрушения;- the impossibility of prolonged use at high temperatures. The use of an epoxy composition with a glass transition temperature of at least 150-300 ° C suggests that the heat resistance of the matrix was improved by modifying it with various additives, but at the same time, at elevated temperatures, the tensile strength of the epoxy binder decreases by 30-50%, adhesive properties deteriorate and the bearing capacity of the composite element decreases - up to its destruction;

- невысокий рабочий ресурс в условиях действия изгибающих статических (налипание снега и гололеда на провода) и динамических (вибрация и пляска проводов) нагрузок. Это связано с тем, что, не смотря на армирование композиционного материала базальтовыми волокнами, которые обеспечивают несущему элементу достаточную прочность на растяжение, эпоксидная матрица имеет низкие прочностные свойства на изгиб, которые особенно проявляются при ухудшенных адгезионных свойствах матрицы. В этой ситуации при длительном действии статических и динамических нагрузок происходит ослабление связей между матрицей и армирующими волокнами, матрица перестает выполнять свою основную функцию - равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, а следствием является разрыв отдельных волокон, снижение прочностных свойств несущего элемента.- low working resource under the action of bending static (snow and ice sticking to wires) and dynamic (vibration and wire dancing) loads. This is due to the fact that, despite the reinforcement of the composite material with basalt fibers, which provide the tensile element with sufficient tensile strength, the epoxy matrix has low flexural strengths, which are especially evident when the adhesive properties of the matrix are impaired. In this situation, with prolonged action of static and dynamic loads, the bonds between the matrix and reinforcing fibers weaken, the matrix ceases to fulfill its main function - the uniform distribution of static and dynamic loads between all reinforcing fibers, and as a result, individual fibers break, reducing the strength properties of the bearing element.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание композиционного несущего элемента с повышенным рабочим ресурсом в условиях повышенных температур и действия изгибающих нагрузок.The technical problem, the solution of which the claimed solution is directed, is the creation of a composite supporting element with an increased working resource in conditions of elevated temperatures and the action of bending loads.

Решением данной задачи является композиционный несущий элемент, выполненный из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, новым в котором является то, что термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 4,0-10,0 масс %.The solution to this problem is a composite supporting element made of a thermosetting polymer binder, continuously reinforced with basalt fiber, which is new in that the thermosetting polymer binder is modified with carbon nanotubes, the concentration of which is 4.0-10.0 mass%.

Объемная доля базальтового волокна в связующем составляет 60-80%.The volume fraction of basalt fiber in the binder is 60-80%.

В качестве углеродных нанотрубок могут быть использованы многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) серии «Таунит».As carbon nanotubes, multilayer carbon nanotubes (MWCNTs) of the Taunit series can be used.

В качестве термореактивного полимерного связующего может быть использована эпоксидная смола.An epoxy resin may be used as the thermosetting polymer binder.

Несущий элемент может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.The supporting element may be made in the form of a single or multi-core structure.

Несущий элемент может быть покрыт защитной оболочкой из полимерного материала.The support element may be coated with a protective sheath of a polymeric material.

Прогнозирование свойств композитов при определенных концентрациях наполнителей нанометрового диапазона является очень сложной задачей, которая может быть решена только путем проведения соответствующих исследований.Prediction of the properties of composites at certain concentrations of nanoscale fillers is a very difficult task, which can only be solved by conducting appropriate studies.

Опытным путем установлено, что внесение в эпоксидную матрицу 4,0-10,0 масс % многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) серии «Таунит» при их равномерном распределении позволило за счет объемного модифицирования изменить структуру матрицы и улучшить ее физико-механические характеристики, а, значит, и композиционного элемента в целом.It has been experimentally established that the introduction of 4.0-10.0 mass% multilayer carbon nanotubes (MWCNTs) of the Taunit series into the epoxy matrix with their uniform distribution made it possible to change the matrix structure and improve its physical and mechanical characteristics due to volumetric modification, hence, the compositional element as a whole.

Установлено, что на свойства матрицы влияет ориентирование наполнителя МУНТ в матрице. При формировании композиционного элемента в процессе полимеризации происходят в матрице микроусадочные явления, которые приводят к объемному ориентированию МУНТ. Кроме того, в приграничном слое между матрицей и МУНТ происходит увеличение степени кристалличности матрицы, плотность матрицы в этом слое повышается в сравнении с объемной фазой, и структура матрицы в приграничном слое становится упорядоченной (эффект ориентации). Таким образом происходит изменение структуры матрицы: в объеме матрицы образован непрерывный усиливающий пространственный каркас, сформированный из МУНТ, связанных структурированными прослойками матрицы. Структура такого каркаса с усиленной матрицей оказывает существенное влияние на физико-механические характеристики матрицы, а так как базальтовые волокна находятся внутри этого каркаса и являются составной частью этой системы, обеспечена монолитность композиционного элемента, что влияет на эксплуатационную прочность композиционного элемента за счет равномерного распределения матрицей всех действующих статических и динамических нагрузок между армирующими волокнами.It has been established that the properties of the matrix are affected by the orientation of the MWCNT filler in the matrix. When a composite element is formed during polymerization, microshrink phenomena occur in the matrix, which lead to the volume orientation of MWCNTs. In addition, in the boundary layer between the matrix and MWCNTs, the degree of crystallinity of the matrix increases, the density of the matrix in this layer increases in comparison with the bulk phase, and the matrix structure in the boundary layer becomes ordered (orientation effect). Thus, a change in the structure of the matrix occurs: in the matrix volume, a continuous reinforcing spatial framework is formed, formed from MWCNTs connected by structured matrix layers. The structure of such a framework with a reinforced matrix has a significant impact on the physicomechanical characteristics of the matrix, and since basalt fibers are inside this framework and are an integral part of this system, the solidity of the composite element is ensured, which affects the operational strength of the composite element due to the uniform distribution of all acting static and dynamic loads between reinforcing fibers.

При такой структуре матрица с МУНТ представляют собой связанную систему, в которой при образовании микротрещин фронт трещин не взаимодействует с отдельными армирующими частицами МУНТ, которые в данной структуре не являются концентраторами напряжений, и энергия разрушения затухает, что говорит о повышении трещиностойкости матрицы и повышении рабочего ресурса композиционного элемента в целом, в том числе и при изгибающих нагрузках.With such a structure, a matrix with MWCNTs is a connected system in which, upon the formation of microcracks, the crack front does not interact with individual reinforcing particles of MWCNTs, which are not stress concentrators in this structure, and the fracture energy decays, which indicates an increase in the crack resistance of the matrix and an increase in the working life composite element as a whole, including bending loads.

Проведенные исследования показали, что при концентрации 4,0-10,0 масс % МУНТ серии «Таунит»:Studies have shown that at a concentration of 4.0-10.0 mass% MWCNTs of the Taunit series:

- предел прочности матрицы на изгиб возрос на 20-30%, при этом стойкость к изгибающей нагрузке композиционного элемента в целом увеличилась в 3-8 раз, а прочность на растяжение увеличилась в 2-3 раза (без ухудшения адгезионных свойствах матрицы к армирующим волокнам);- the tensile strength of the matrix in bending increased by 20-30%, while the resistance to bending load of the composite element as a whole increased by 3-8 times, and the tensile strength increased by 2-3 times (without deterioration of the adhesive properties of the matrix to reinforcing fibers) ;

- термостойкость матрицы увеличилась на 70%, что позволяет без разрушения эксплуатировать несущий элемент при температуре 220°С;- the heat resistance of the matrix increased by 70%, which allows the supporting element to be operated without destruction at a temperature of 220 ° C;

- при максимальной концентрации 10,0 масс % МУНТ теплопроводность матрицы увеличилась в 2 раза, что исключает перегрев несущего элемента при работе при высоких температурах;- at a maximum concentration of 10.0 mass% MWCNTs, the thermal conductivity of the matrix increased by a factor of 2, which eliminates the overheating of the supporting element during operation at high temperatures;

- МУНТ в матрице играют роль антипиренов и при наличии открытого огня МУНТ способствуют упрочнению и увеличению барьерных характеристик коксового слоя, образующегося на поверхности, в результате чего снижается горючесть композиционного материала.- MWCNTs in the matrix play the role of flame retardants and, in the presence of an open flame, MWCNTs strengthen and increase the barrier characteristics of the coke layer formed on the surface, as a result of which the combustibility of the composite material is reduced.

При концентрации МУНТ менее 4,0 масс % расстояния между частицами МУНТ в матрице недостаточно для образования непрерывного усиливающего пространственного каркаса, то есть прочностные и температурные свойства матрицы не улучшаются. При концентрации МУНТ более 10,0 масс % дальнейшее улучшение свойств матрицы не происходит.When the concentration of MWCNTs is less than 4.0 mass%, the distance between the particles of MWCNTs in the matrix is insufficient for the formation of a continuous reinforcing spatial framework, i.e., the strength and temperature properties of the matrix do not improve. When the concentration of MWCNTs is more than 10.0 mass%, further improvement of the matrix properties does not occur.

Использование многослойных углеродных нанотрубок серии «Таунит» обусловлено их высокой степенью чистоты, стабильностью свойств, высокой совместимостью с эпоксидной матрицей и налаженным промышленным производством на территории РФ.The use of Taunit series multilayer carbon nanotubes is due to their high degree of purity, stability of properties, high compatibility with an epoxy matrix and established industrial production in the territory of the Russian Federation.

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.In the composite, the volume fraction of basalt fiber of 60-80% is optimal and allows to fully realize the mechanical characteristics of the fiber in the resulting composite. With a degree of reinforcement of more than 80%, the lack of a binder for filling the interfiber space leads to a violation of the monolithicity of the composite and, accordingly, to the appearance of uneven stresses in it, leading to failure at lower mechanical stresses than for monolithic samples. When the degree of reinforcement is less than 60%, the matrix is deformed under the action of loads, including in the interfiber space, and carries the fibers along, which leads to their destruction.

В зависимости от условий эксплуатации и испытываемых напряжений композиционный несущий элемент может быть выполнен в виде одножильной конструкции или, благодаря повышенной прочности матрицы на изгиб, многожильной конструкции, состоящей, например, из семи элементов, каждый из которых имеет конструкцию по заявляемому техническому решению, что повышает гибкость несущего элемента и увеличивает эксплуатационную надежность.Depending on the operating conditions and the tested stresses, the composite bearing element can be made in the form of a single-core structure or, due to the increased strength of the bending matrix, a multi-core structure, consisting, for example, of seven elements, each of which has a design according to the claimed technical solution, which increases flexibility of the bearing element and increases operational reliability.

Наличие оболочкой из полимерного материала, например, из поливинилхлорида или полиэтилена, позволяет защитить поверхность композиционного несущего элемента в условиях действия при эксплуатации сил трения.The presence of a shell of a polymeric material, for example, of polyvinyl chloride or polyethylene, allows you to protect the surface of the composite supporting element under the conditions of operation during operation of friction forces.

Заявляемый композиционный несущий элемент изготавливают на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы автора, и в данной заявке не рассматривается.The inventive composite bearing element is made on standard equipment, according to the author’s technology, based on personal knowledge and experience of the author, and is not considered in this application.

Технология внесения МУНТ в матрицу, выбор оптимального состава композиционного элемента и конечное содержание компонентов для каждого отдельного случая исходя из технических и эксплуатационных требований, являются авторскими разработками и в данной заявке не рассматриваются.The technology of introducing MWCNTs into the matrix, the choice of the optimal composition of the composite element and the final content of the components for each individual case based on technical and operational requirements are the copyright developments and are not considered in this application.

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» и «изобретательский уровень».When conducting a search in the sources of patent and scientific and technical literature, no solutions were found containing the totality of the proposed features for solving the task, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the patentability criteria of “novelty” and “inventive step”.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлен одножильный заявляемый несущий элемент, на фиг. 2 - многожильный заявляемый несущий элемент с защитным покрытием.The claimed technical solution is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a single core inventive supporting element, in FIG. 2 - stranded claimed load-bearing element with a protective coating.

Несущий элемент 1 содержит термореактивную матрицу 2 модифицированную углеродными нанотрубками (на чертеже не показаны), концентрация которых равна 4,0-10,0 масс %. Матрица 2 непрерывно армирована базальтовым волокном 3 со степенью объемного наполнения 60-80%. Несущий элемент 1 покрыт защитной оболочкой 4 из полимерного материала.The bearing element 1 contains a thermosetting matrix 2 modified by carbon nanotubes (not shown in the drawing), the concentration of which is 4.0-10.0 mass%. Matrix 2 is continuously reinforced with basalt fiber 3 with a degree of volumetric filling of 60-80%. The supporting element 1 is covered with a protective shell 4 of a polymeric material.

В качестве углеродных нанотрубок использованы многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) серии «Таунит».As carbon nanotubes, multilayer carbon nanotubes (MWNTs) of the Taunit series were used.

Несущий элемент 1 может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.The supporting element 1 can be made in the form of a single or multi-core structure.

В качестве матрицы 2 использована термореактивная смола, например, эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА, и т.д.).As a matrix 2, a thermosetting resin, for example, epoxy-diane resin ED-20 with a hardener for epoxy resins (PEPA, THETA, etc.) was used.

В качестве полимерного материала для защитной оболочки 4 использованы поливинилхлорид или полиэтилен.As the polymeric material for the protective sheath 4, polyvinyl chloride or polyethylene is used.

Для изготовления элемента 1 подготавливают нанотрубки в виде суспензии и активизируют их с помощью, например, ультразвука. После этого суспензию вводят в эпоксидную смолу (матрицу) 2 и тщательно перемешивают для равномерного распределения нанотрубок в матрице 2. После этого вводят отвердитель, пропитывают базальтовые волокна 3 и формуют элемент 1, который после полимеризации матрицы 2 готов к использованию. При необходимости методом скрутки из элементов 1 изготавливают многожильную конструкцию (фиг. 2). Оболочку 4 накладывают и на одножильную, и на многожильную конструкции несущего элемента 1.For the manufacture of element 1, nanotubes are prepared in the form of a suspension and activated using, for example, ultrasound. After this, the suspension is introduced into the epoxy resin (matrix) 2 and mixed thoroughly to evenly distribute the nanotubes in the matrix 2. After this, a hardener is introduced, the basalt fibers 3 are impregnated, and element 1 is formed, which is ready for use after the polymerization of matrix 2. If necessary, the method of twisting of the elements 1 make a multicore structure (Fig. 2). The shell 4 is applied to both single-core and multi-core structures of the supporting element 1.

В процессе эксплуатации в качестве, например, несущих тросов и силовых элементов в конструкциях проводов и кабелей, каждый несущий элемент 1 воспринимает нагрузки, направленные на растяжения и изгиб, надежно работает в условиях повышенных температур.During operation, as, for example, load-bearing cables and power elements in the structures of wires and cables, each load-bearing element 1 perceives loads directed to tension and bending, reliably operates at elevated temperatures.

Повышенные физико-механические свойства несущего элемента 1 позволяют уменьшить его сечение, что дает возможность увеличить количество электропроводящих жил в конструкциях проводов и кабелей.The increased physical and mechanical properties of the bearing element 1 can reduce its cross section, which makes it possible to increase the number of conductive conductors in the construction of wires and cables.

Claims

1. A composite supporting element made of a thermosetting polymer binder, continuously reinforced with basalt fiber, characterized in that the thermosetting polymer binder is modified with carbon nanotubes, the concentration of which is 4.0-10.0 wt.%.

2. The element according to claim 1, characterized in that the volume fraction of basalt fiber in the binder is 60-80%.

3. The element according to claim 1, characterized in that the carbon nanotubes used are multilayer carbon nanotubes of the Taunit series.

4. The element according to claim 1, characterized in that an epoxy resin is used as the thermosetting polymer binder.

5. The element according to claim 1, characterized in that it is made in the form of a single or multi-core structure.

6. The element according to claim 1, characterized in that it is covered with a protective shell of a polymeric material.