АРМИРОВАННАЯ ОБОЛОЧКА
REINFORCED CASE

Изобретение относится к области производства армированных оболочек высокого давления и может быть использовано для создания изделий сложной геометрической формы и с высоким коэффициентом весового совершенства, т.е. материал силовой оболочки должен иметь высокие прочностные и жесткостные характеристики при малом удельном весе.
Известна армированная оболочка, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп спиральных и кольцевых лент из высокомодульных нитей и эпоксидного связующего, при этом в завершающем слое силового каркаса между прядями лент из высокомодульных нитей размещены комплексные электропроводящие нити (см. патент RU №2240458, F16J 12/00 С 1/16, 2003 г.).
Также известна армированная оболочка высокого давления из слоистого композиционного материала, содержащая силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленных полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием (см. патент ЕПВ №191655 В1, В29С 53/66, F17С 1/16, 1989 г.).
Аналогично задача решается и в армированной оболочке высокого давления из слоистого композиционного материала, силовой каркас которой по центральным зонам днища образован в сочетании по меньшей мере 2-х групп слоев спиральных лент, суженных в направлении к полюсным отверстиям, и выполнен из высокомодульных нитей с плотностью 20-100 текс на основе арамидных волокон и эпоксидного связующего (см. патент RU 2190150, С 1/16, 2001 г.).
Основным недостатком известных армированных оболочек высокого давления является недостаточная жесткость и прочность композиционного материала силовой оболочки, что обусловлено характеристиками армирующего материала силовой оболочки и, как следствие, ухудшает коэффициент весового совершенства изделия.
Ближайшим аналогом, выбранным в качестве прототипа, является изобретение по патенту ЕПВ №191655 В1, В29С 53/66, F17С 1/16, 1989 г.
Основной задачей разработки является создание такой конструкции армированной оболочки из слоистого композиционного материала на основе высокомодульных нитей и полимерного связующего, которая обеспечивала бы высокие прочностные и жесткостные характеристики слоистого композиционного материала при малом удельном весе.
Техническим результатам, который может быть получен от использования изобретения, является повышение эксплуатационной надежности и ресурса работы армированной оболочки для высокого давления из слоистого композиционного материала на основе высокомодульных нитей и полимерного связующего.
Основная задача решена и технический результат достигнут за счет того, что в известной армированной оболочке, содержащей силовой каркас с цилиндрическим участком, торцевыми днищами и фланцами в их полюсных отверстиях, образованный комбинацией групп спиральных и кольцевых лент, ориентированных в спиральных и окружных направлениях с соответственно расположенными в них однонаправленными высокомодульными нитями, скрепленных полимерным связующим, облицованный внутренним защитным покрытием, согласно изобретению высокомодульные нити выполнены из сополимера 5(6)-амино-2-бензимидазолтерефталамида с парааминотерефталамидом при их мольном соотношении от 80:20 до 70:30, при этом номинальная линейная плотность нити равна 58,8 текс, а в качестве связующего используется связующее на основе эпоксидиановых или эпоксидных смол повышенной функциональности и жидких низковязких отвердителей, например, типа триэтаноламинтианата или изометилтерафталевого ангидрида.
Отличительными признаками заявляемой армированной оболочки являются следующие признаки:
- высокомодульные нити спиральных и кольцевых лент силового каркаса выполнены из высокомодульных нитей линейной плотности 58,8 текс на основе полимера 5(6)-амино-2-бензимидазолтерефталамида с параамитерефталамидом;
- в качестве связующего используются связующее на основе эпоксидиановых или эпоксидных смол повышенной функциональности и жидких низковязких отвердителей, например, типа триэтаноламинтианата или изометилтерефталталиевого ангидрида.
В процессе производства указанной нити было установлено, что наиболее оптимальной структурой нити, обеспечивающей в композиционном материале одновременно высокие прочности и жесткостные характеристики, является соотношение сополимеров 5(6)-амино-2-бензимидазолтерефталамида с парааминтерефталамидом, при соотношении молей в массе исходного материала от 80:20 до 70:30, и при этом номинальная линейная плотность равна 58,8 текс, а качестве связующего используется связующее на основе эпоксидных или эпоксидиановых смол повышенной функциональности и жидких низковязких отвердителей, например, типа триэтаноламинтианата или изометилтерефлаталиевого ангидрида.
Указанные отличительные существенные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать новое техническое решение, соответствующее критерию «новизна».
Единая совокупность существенных признаков с общеизвестными существенными признаками позволяет решить поставленную задачу и достичь новых технических результатов, что позволяет характеризовать новое техническое решение существенными отличиями по сравнению с известным уровнем, аналогом и прототипом. Новое техническое решение является результатом опытно-конструкторского вклада, получено без использования стандартных проектировочных решений или каких-либо рекомендаций, является оригинальным и неочевидным, соответствует критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами и кратким описанием. На фиг.1 представлена армированная оболочка. На фиг.2 - фрагмент технологической ленты. Более подробно описание сущности изобретения состоит в следующем.
Армированная оболочка, представленная на фиг.1, содержит силовой каркас 1 из спиральных 2 и кольцевых 3 лент, выполненных за одно целое с днищами 4 узлов стыковки 5 и фланцами 6 в полюсных отверстиях 7. Фрагмент технологической ленты, представленный на фиг.2, содержит высокомодульные нити 8 из сополимеров 5(6)-амино-2-бензимидазолтерефталамида с парааамитерефталамидом, равномерно распределенные в массе полимерного связующего 9.
Связующее, используемое для «мокрой» намотки изделий (типа баллонов высокого давления) должно обладать комплексом необходимых технологических свойств, обеспечивать в пластике определенный уровень механических характеристик и высокую степень их сохранения при эксплуатации.
Так, вязкость связующего при температуре переработки должна быть не более 500 спз. При этом, температуру переработки желательно иметь не выше 60°С, так как поскольку нитетракт, как правило, не обогреваемый и при выходе ленты из пропиточной ванны происходит резкое возрастание вязкости связующего и не обеспечивается качественная пропитка. Жизнеспособность связующего при переработке должна быть не менее 8-10 часов, т.е. когда нарастание вязкости составляет не более 50% от исходного значения.
Физико-механические характеристики указанных материалов, в том числе микропластиков и однонаправленных пластиков на их основе, представлены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Физико-механические характеристики наполнителя и микропластика на его основе
Наименование физико-механических характеристик
Наименование материала
жгут «Русар»
жгут «Армос»
Волокна из сополимеров 5(6)-амино-2-бензимидазолтерефталамида с п-аамитерефталамидом
1. Модуль упругости комплексной нити Е, кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000001.tif" he="7" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000002.tif" he="7" wi="25" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="10" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
2. Разрывная нагрузка сухого жгута Р<sub>жг</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000004.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000006.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
3. Предел прочности при растяжении микропластика на основе нити σ<sub>н</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000007.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000008.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000009.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
4. Предел прочности при растяжении микропластика жгута σ<sub>жг</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000010.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000011.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000012.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
5, Эффективная прочность микопластика из жгута S, кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000013.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000014.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000015.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
6. Разрывная нагрузка микропластика на основе жгута Р<sub>нж</sub>, кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000016.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000017.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000018.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
Таблица 2
Физико-механические характеристики однонаправленного органопластика
Наименование физико-механических характеристик
Органопластик на основе
Волокна «Русар»
Волокна«Армос»
Волокна из сополимеров 5(6)-амино-2-бензимидазолтерефталамида с п-аамитерефталамидом
1. Предел прочности при растяжении, кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000019.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000020.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000021.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
2. Модуль упругости кгс/мм<sup>2</sup>
<img file="00000022.tif" he="10" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000023.tif" he="10" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000024.tif" he="10" wi="27" img-content="undefined" img-format="tif" />
3. Содержание связующего, %
<img file="00000025.tif" he="11" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000026.tif" he="11" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000027.tif" he="10" wi="17" img-content="undefined" img-format="tif" />
4. Плотность к/см<sup>3</sup>
<img file="00000028.tif" he="11" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000029.tif" he="11" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000030.tif" he="11" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
5. Удельная прочность, км
<img file="00000031.tif" he="8" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000032.tif" he="11" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000033.tif" he="10" wi="22" img-content="undefined" img-format="tif" />
Анализ данных, представленных в таблице 1, показывает, что композиционный материал на основе заявленного волокна по физико-механическим характеристикам значительно превышает композиционный материал на основе волокна «армос» и «Русар».
Анализ результатов испытаний, представленных в таблице 2, показывает, что Органопластик на основе заявленного волокна также превышает прочностные и жесткостные характеристики подобного органопластика на основе волокна «Армос» и «Русар».
Также необходимо отметить, что увеличение удельной прочности органопластика на основе заявленного волокна на 9-10% позволяет улучшить эксплуатационные характеристики и ресурс армированных оболочек высокого давления.
Для оценки прочностных характеристик нитей на основе заявленного волокна по действующей документации был изготовлен серийный корпус. Намотка силового каркаса проводилась послойно технологической лентой.
Связующее не должно содержать легколетучих компонентов (тем более растворителей), при отверждении (при 150-170°С) не должно быть испарения и, соответственно, увеличения пористости, что приводит к снижению прочности органопластика в изделии.
С учетом вышеизложенного для изготовления методом «мокрой» намотки органопластиковых корпусов изделий используются, главным образом, эпоксидные связующие на основе эпоксидно-диановых или эпоксидных смол повышенной функциональности и жидких низковязких отвердителей типа триэтаноламинтианата, изометилтерефталевого ангидрида и некоторых других.
В таблице 2 представлены физико-механические характеристики комплексной нити, жгута, микропластика на основе указанной нити, в сравнении с нитями на основе волокон «Русар» по ТУ 2272-004-18059169-1004 и волокон «Армоса» по ТУ 2272-01105920771-1004.
В качестве полимерного связующего использовалось эпоксидное связующее на основе смеси эпоксидно-диановой смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84), и алифатической эпоксидной смолы ДЭГ-1 (в соотношении 100:10 по массе), и отвердителя каталитического типа - триэтаноламинтианата (ТЭАТ-1) в количестве 11 масс. ч. Вязкость связующего при температуре переработки 60°С составляла 300-400 спз. Это же связующее было использовано для намотки микропластиков изделия на основе волокон «Армос» и «Русар».