RU2746096C1

RU2746096C1 - Installation for orientation of nanotubes

Info

Publication number: RU2746096C1
Application number: RU2020123008A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Красновский; Петр Сергеевич Кищук
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-07-10
Publication date: 2021-04-06

Abstract

FIELD: composite materials production.

SUBSTANCE: invention relates to the production of composite materials consisting of a reinforcing material, a polymer matrix and a filler, in the role of which are carbon nanotubes and can be used in the creation of composite materials with increased strength due to the use of a uniform electric field that destroys the agglomerates of carbon nanotubes and orients the nanotubes. An installation for the production of a polymer composite material based on oriented carbon nanotubes has been developed, consisting of a container with a binder, an impregnating bath connected to it, a spool containing a reinforcing material for passing through the impregnating bath, and a mandrel for winding the resulting composite material.

EFFECT: technical result is possibility of orientation of carbon nanotubes due to perpendicular plates location to the movement of the reinforcing material, which will increase the tensile strength.

1 cl, 1 tbl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области производства композиционных материалов, состоящих из армирующего материала, полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают углеродные нанотрубки и может быть использовано при создании композитных материалов с повышенной прочностью за счет использования однородного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок и ориентирующего нанотрубки.The invention relates to the production of composite materials consisting of a reinforcing material, a polymer matrix and a filler, which is played by carbon nanotubes and can be used to create composite materials with increased strength by using a uniform electric field that destroys agglomerates of carbon nanotubes and orienting nanotubes.

Известно изобретение для изготовления полимерного композита с ориентированными углеродными нанотрубками, позволяющий создать полимерный нанокомпозитный материал с ориентированными нанотрубками с помощью переменного или постоянного электрического поля. (Патент CN 1843905 А, опубликовано 11.10.2006 г.).Known invention for the manufacture of a polymer composite with oriented carbon nanotubes, allowing you to create a polymer nanocomposite material with oriented nanotubes using an alternating or constant electric field. (Patent CN 1843905 A, published on October 11, 2006).

Недостатком данного изобретения является то, что в качестве армирующего материала используются сами углеродные нанотрубки, что недостаточно увеличивает механические характеристики.The disadvantage of this invention is that carbon nanotubes themselves are used as the reinforcing material, which does not sufficiently increase the mechanical characteristics.

Известно изобретение для получения слоистого углеродного композиционного материала с высоким сопротивлением к расслаиванию, включающий пропитку слоистого углеродного материала полимерным связующим, содержащим углеродные нанотрубки, ориентированными в магнитном поле (Патент РФ 2380232, опубликовано 27.01.2010 г.).An invention is known for obtaining a layered carbon composite material with high resistance to delamination, including impregnation of a layered carbon material with a polymer binder containing carbon nanotubes oriented in a magnetic field (RF Patent 2380232, published on January 27, 2010).

Недостатками данного изобретения является то, что он требует модифицированных углеродных нанотрубок, а кроме того, ориентирует нанотрубки в направлении, перпендиклярном слоям, что может стать концентратором напряжений.The disadvantages of this invention are that it requires modified carbon nanotubes, and in addition, orients the nanotubes in a direction perpendicular to the layers, which can become a stress concentrator.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является выбранное в качестве прототипа изобретение для получения армированного композиционного материала с помощью установки для изготовления полимерного композиционного материала на основе ориентированных углеродных нанотрубок, состоящей из шпулярника, нити, ванны для пропитки нити связующим, модифицированным УНТ, трехслойной трубки, внутри которой создается электрическое поле с радиально направленными силовыми линиями, и оправки для намотки полученного композиционного материала (Патент РФ №2468918. опубликованный 10.12.2012 г.).The closest in technical essence to the claimed invention is the invention selected as a prototype for obtaining a reinforced composite material using an installation for manufacturing a polymer composite material based on oriented carbon nanotubes, consisting of a creel, a thread, a bath for impregnating the thread with a binder modified by CNT, a three-layer tube , inside which an electric field with radially directed lines of force is created, and mandrels for winding the obtained composite material (RF Patent No. 2468918. published on 10.12.2012).

Недостатком известного изобретения, в том числе технической проблемой является то, что углеродные нанотрубки будут орентированы перпендикулярно направлению укладки, что сделает их концентраторами напряжений в случае приложения силы вдоль армирующего материала, а кроме того, углеродные нанотрубки в данном случае требуют предварительной обработки ультразвуком в растворителе с последующим удалением растворителя.A disadvantage of the known invention, including a technical problem, is that carbon nanotubes will be oriented perpendicular to the laying direction, which will make them stress concentrators in the case of a force applied along the reinforcing material, and in addition, carbon nanotubes in this case require pretreatment with ultrasound in a solvent with subsequent removal of the solvent.

В основу заявленного изобретения был положен технический результат - возможность ориентирования углеродных нанотрубок за счет расположения обкладок перпендикулярно движению армирующего материала, что повысит предел прочности на разрыв.The claimed invention was based on the technical result - the possibility of orienting carbon nanotubes due to the arrangement of the plates perpendicular to the movement of the reinforcing material, which will increase the tensile strength.

Технический результат достигается тем, установка для ориентирования нанотрубок, состоящая из емкости со связующим, сообщенную с ней пропиточную ванну, шпулярник, содержащий армирующий материал для пропускания через пропиточную ванну и оправки для намотки полученного композиционного материала обкладки, подключенные к выпрямляющему блоку, выполнены в виде металлических пластин, расположенных на противоположных стенках пропиточной ванны перпендикулярно расположению армирующего материала.The technical result is achieved by the installation for orienting nanotubes, consisting of a container with a binder, an impregnating bath connected with it, a creel containing a reinforcing material for passing through an impregnating bath and mandrels for winding the obtained composite material, the plates connected to the straightening block are made in the form of metal plates located on opposite walls of the impregnation bath perpendicular to the location of the reinforcing material.

Происходит расширение эксплуатационных и повышение технологических возможностей за счет компактности установки путем совмещения пропитки и ориентирования нанотрубок, что одновременно повышает предел прочности получаемого композиционного материала.There is an expansion of operational and increase of technological capabilities due to the compactness of the installation by combining impregnation and orientation of nanotubes, which simultaneously increases the ultimate strength of the resulting composite material.

Изобретение поясняется графическими изображениями.The invention is illustrated by graphic images.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема установки, где 1 - емкость со связующим, 2 - пропиточная ванна, 3 - шпулярник, 4 - армирующий материал, 5 -оправка, 6 - ролики, 7 - оси, 8 - обкладки, 9 - ориентирующий блокFIG. 1 shows a schematic diagram of the installation, where 1 is a container with a binder, 2 is an impregnating bath, 3 is a creel, 4 is a reinforcing material, 5 is an adjustment, 6 are rollers, 7 are axles, 8 are covers, 9 is an orienting block

На фиг. 2 приведена принципиальная схема ориентирующего блока, где 1 - трансформатор, 2 - диодный мост.FIG. 2 shows a schematic diagram of the orienting unit, where 1 is a transformer, 2 is a diode bridge.

На фиг. 3 приведено сравнение свойств композиционного материала, наполненного углеродными нанотрубками и композиционного материала, созданного с использованием установки.FIG. 3 shows a comparison of the properties of a composite material filled with carbon nanotubes and a composite material created using the setup.

Установка для изготовления полимерного композиционного материала на основе ориентированных углеродных нанотрубок, состоящая из емкости со связующим 1, сообщенную с ней пропиточную ванну 2, шпулярник 3, содержащий армирующий материал 4 для пропускания через пропиточную ванну и оправки 5 для намотки полученного композиционного материала, снабжена обкладками 8 для создания электрического поля, выполненными в виде металлических пластин расположенных на противоположных стенках пропиточной ванны перпендикулярно расположению армирующего материала.An installation for the manufacture of a polymer composite material based on oriented carbon nanotubes, consisting of a container with a binder 1, an impregnating bath 2 connected with it, a creel 3 containing a reinforcing material 4 for passing through an impregnating bath and mandrels 5 for winding the obtained composite material, is equipped with plates 8 to create an electric field, made in the form of metal plates located on opposite walls of the impregnating bath, perpendicular to the location of the reinforcing material.

Устройство состоит из емкости со связующим 1, пропиточной ванны 2, шпулярника 3, армирующего материала 4, оправки 5, роликов 6, осей 7, обкладок 8, ориентирующего блока 9. Ориентирующий блок состоит из трансформатора 1, диодного моста 2.The device consists of a container with a binder 1, an impregnating bath 2, a creel 3, a reinforcing material 4, a mandrel 5, rollers 6, axes 7, plates 8, an orienting unit 9. An orienting unit consists of a transformer 1, a diode bridge 2.

Пропиточная ванна, ролики изготовлены из фторопласта-4, оси изготовлены из пластмассы, обкладки изготовлены из меди.Impregnating bath, rollers are made of fluoroplastic-4, axles are made of plastic, covers are made of copper.

Армирующим материалом может быть волокно, например угольное или стекловолокно, нити, например, стеклонити, различные ленты. Связующим могут быть различные смолы, как то: эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, полиамидные смолы, лаки, например, бакелитовые.The reinforcing material can be fiber, for example, carbon or glass fiber, threads, for example, glass threads, various tapes. The binder can be a variety of resins, such as epoxy resins, polyester resins, polyamide resins, varnishes such as bakelite.

Изобретение работает следующим образом. Армирующий материал проходит в ванну под ролики и пропитывается связующим, содержащим углеродные нанотрубки. Во время пропитки трансформатор отдает электрический ток с заданным напряжением, проходящий через выпрямитель - диодный мост - и ток идет на обкладки, создавая однородное электрическое поле заданной напряженности.The invention works as follows. The reinforcing material passes into the bath under the rollers and is impregnated with a binder containing carbon nanotubes. During impregnation, the transformer gives off an electric current with a given voltage passing through a rectifier - a diode bridge - and the current goes to the plates, creating a uniform electric field of a given strength.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения обеспечивает заявленный технический результат, то есть создание установки для получения композитных материалов с повышенной прочностью за счет использования однородного электрического поля, разрушающего агломераты углеродных нанотрубок и ориентирующего нанотрубки.Thus, the claimed set of essential features reflected in the claims provides the claimed technical result, that is, the creation of an installation for producing composite materials with increased strength through the use of a uniform electric field that destroys agglomerates of carbon nanotubes and orienting nanotubes.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.The analysis of the claimed technical solution for compliance with the conditions of patentability showed that the features indicated in the formula are essential and interconnected with the formation of a stable set of necessary features, unknown at the priority date from the prior art and sufficient to obtain the required synergistic (over-sum) technical result.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed technical solution:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для осуществления процесса производства композиционных материалов, состоящих из армирующего материала, полимерной матрицы и наполнителя, в роли которого выступают углеродные нанотрубки- an object embodying the claimed technical solution, in its implementation, is intended for the implementation of the production process of composite materials consisting of a reinforcing material, a polymer matrix and a filler, which is played by carbon nanotubes

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;- for the declared object in the form as it is described in the formula, the possibility of its implementation is confirmed using the means and methods described above in the application or known from the prior art as of the priority date;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- an object that embodies the claimed technical solution, in its implementation, is able to ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.Consequently, the claimed subject matter meets the criteria of patentability "novelty", "inventive step" and "industrial applicability" under the current legislation.

Claims

Installation for orientation of nanotubes, consisting of a container with a binder, an impregnating bath connected with it, a creel containing a reinforcing material for passing through an impregnating bath, and a mandrel for winding the obtained composite material, characterized in that the installation is equipped with plates for creating an electric field, made in in the form of metal plates located on opposite walls of the impregnating bath perpendicular to the location of the reinforcing material.