БИКОМПОНЕНТНАЯ ПРОВОЛОКА

Техническое решение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов и тросов для воздушных линий электропередачи и линиях электрифицированного транспорта, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.
Известна бикомпонентная проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник, при этом сердечник выполнен из плотно упакованных высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных, а на поверхность стержня нанесено покрытие из эпоксидной смолы - 0,7-2,0 масс % (патент РФ №86345 «Проволока с упрочняющим сердечником» с приоритетом от 10.04.2009).
Волокна расположены вдоль сердечника, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации.
Недостатком данной проволоки является то, что, не смотря на использование в качестве сердечника высокопрочных волокон, эксплуатационная прочность проволоки невелика. Это связано с тем, что волокна связаны между собой только механически с помощью скрутки, а покрытие из эпоксидной смолы нанесено только на поверхность сердечника и играет роль защитного покрытия для исключения повреждения и разрушения при формировании сердечника. В такой конструкции сердечника при эксплуатации не обеспечено равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми волокнами, что приводит к разрыву отдельных волокон, снижению прочностных свойств сердечника и проволоки в целом, а также к преждевременной замене проводов, изготовленных с использованием данной проволоки.
Известна бикомпонентная проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник, при этом сердечник выполнен из композиционного материала с матрицей из синтетической смолы, модифицированной углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %, в качестве синтетической смолы использована эпоксидная смола (патент РФ №2387035 «Проволока с композиционным сердечником» с приоритетом от 10.04.2009).
Недостатком данной проволоки является невысокая эксплуатационная прочность. Это объясняется тем, что сердечник представляют собой полимерный нанокомпозит, в котором углеродные нанотрубки использованы только в качестве модифицирующей добавки к полимерной матрице для увеличения прочностных свойств матрицы, при этом армирующая роль нанотрубок ничтожна. Это приводит к тому, что все действующие статические и динамические нагрузки воспринимаются только матрицей, которая не может во время эксплуатации длительно и без разрушения выдерживать такие нагрузки, что приводит к преждевременной замене проводов, выполненных с использованием данной проволоки.
Также известна бикомпонентная проволока, описанная в заявке РФ №2011153876 «Провод для воздушных линий электропередачи и способ его изготовления» с приоритетом от 29.12.2011 и выбранная в качестве прототипа.
Данная проволока из металлического проводникового материала содержит упрочняющий сердечник из термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью наполнения 30-95 масс % (46-97 объем %), при этом термореактивное связующее наномодифицированно, например, вискерами или графенами.
Недостатком данной проволоки является невысокая эксплуатационная прочность, связанная со свойствами связующего, изготовленного на основе соединений ароматических полиамидов или ненасыщенных ароматических углеводородов; кремнеорганических, полиимидных, полиэфирных, фенол-альдегидных смол или полициануратных, борорганических, полифениленоксидных, полисульфоновых композиций, их производных и сополимеров. Для создания термореактивной композиции с заданными в данном техническом решении свойствами требуется введение различных добавок, содержание которых может меняться в очень широких пределах. При этом улучшение одних свойств композиций приводит к ухудшению других свойств. Так улучшение физико-механические свойства композиционного сердечника (заявка РФ №2011153876) приводит к ухудшению адгезионных свойств связующего (матрицы) и при длительном действии статических и динамических нагрузок происходит ослабление связей между связующим и армирующими волокнами и матрица перестает выполнять свою основную функцию - равномерное распределение статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, а это приводит к разрыву отдельных волокон, снижению прочностных свойств сердечника и проволоки в целом, а также к преждевременной замене проводов, изготовленных с использованием данной проволоки.
Кроме того, наномодифицирование связующего вискерами или графенами невозможно, так как не существует воспроизводимых и относительно дешевых промышленных способов получения вискеров и графена с заданными характеристиками и все работы по их использованию проводятся только в лабораторных условиях, а в научно-технической литературе отсутствуют сведения о возможных концентрациях графена и вискеров и о их влиянии на свойства термореактивных связующих,
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание бикомпонетной проволоки с повышенной эксплуатационной прочностью.
Решением данной задачи является проволока из металлического проводникового материала, содержащая упрочняющий сердечник из наномодифицированного термореактивного полимерного связующего, непрерывно армированного базальтовым волокном, новым в которой является то, что термореактивное полимерное связующее модифицировано углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %.
Термореактивное связующее армированно базальтовым волокном со степенью объемного наполнения 60-80%.
В качестве углеродных нанотрубок могут быть использованы многослойные углеродные нанотрубки серии «Таунит».
В качестве термореактивного полимерного связующего может быть использована эпоксидная смола.
В качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы.
Опытным путем установлено, что внесение в эпоксидную матрицу 0,001-2,0 масс % многослойных углеродных нанотрубок (МУНТ) серии «Таунит» при их равномерном распределении обеспечивает монолитность композиционного сердечника за счет повышенной адгезии матрицы к армирующим базальтовым волокнам, что является одним из важных факторов, влияющих на эксплуатационную прочность композиционного сердечника за счет сохранения целостности композитного сердечника и равномерного распределения действующих статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, что позволяет полноценно использовать данную проволоку и провода, изготовленные с использованием данной проволоки, весь эксплуатационный срок - 10 лет. Концентрация МУНТ менее 0,001 масс %, не приводит к улучшению адгезинных свойств матрицы, а, значит, и к увеличению прочностных свойств композиционного материала в целом. Установлено, что увеличение концентрации модификатора выше 2 масс %, не приводит к улучшению свойств матрицы.
Использование многослойных углеродных нанотрубок серии «Таунит» обусловлено их высокой степенью чистоты, высокой совместимостью с эпоксидной матрицей и налаженным промышленным производством на территории РФ.
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.
В качестве металлического проводникового материала (далее - покрытие) в заявляемой проволоке могут использоваться медь и/или алюминий, или их сплавы. При этом для проводов воздушных линий электропередач в качестве покрытия используют алюминий или сплав марки ABE (ГОСТ 839-80), как легкие и дешевые материалы с хорошей электропроводимостью; в линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий используют медь или бронзу, как материалы с повышенной электропроводимостью. Для дополнительного увеличения на 5-15% допустимой пропускной способности алюминиевой проволоки с сердечником, на ее поверхность накладывают слой медного покрытия, площадь сечения которого соответственно равна 10-30% от общей площади сечения покрытия, при этом площадь сечения проволоки не увеличивается.
Заявляемая проволока и сердечник для нее изготавливаются на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы автора, и в данной заявке не рассматривается.
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».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена заявляемая проволока с покрытием из одного слоя металлического проводникового материала, на фиг. 2 - проволока с покрытием из двух слоев металлического проводникового материала, а на фиг.3 - пример выполнения электрического провода из заявляемых проволок.
Проволока 1 из металлического проводникового материала 2 содержит композиционный упрочняющий сердечник 3, в котором термореактивная матрица 4 модифицирована углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс %, и непрерывно армирована базальтовым волокном 5 со степенью объемного наполнения 60-80%.
В качестве металлического проводникового материала могут быть использованы медь, алюминий, их сплавы или покрытие может быть выполнено из слоя 6 алюминия и слоя 7 меди. В качестве синтетической смолы использована термореактивная смола, например, эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА, и т.д.).
Для изготовления сердечника 3 подготавливают нанотрубки в виде суспензии и активизируют их с помощью, например, ультразвука. После этого суспензию вводят в эпоксидную смолу (матрицу) и тщательно перемешивают для равномерного распределения матрицы между нанотрубками. После этого вводят отвердитель, пропитывают базальтовые волокна 5 и формуют сердечник 3, прочностные свойства которого в 2 раза выше, чем у стали Ст. 50. Проволоку 1 получают путем совместной деформации оболочки из проводникового материала 2 и сердечника 3.
Затем из полученных проволок 1 методом скрутки изготавливают провода, которые используют по назначению. Приведенный на фиг.3 пример является не единственной конструкцией таких проводов.
В электрическом проводе, выполненном из заявляемых проволок 1, в процессе эксплуатации каждый их упрочняющих сердечников 3, воспринимает нагрузки, направленные на растяжения провода, а слой 2 из металлического проводникового материала (меди, алюминия) обеспечивает повышенную электрическую проводимость каждой проволоки 1 провода.
Кроме того, при двухслойном покрытии с внешним слоем 7 из меди обеспечиваются хорошие контактные свойства проволоки 1 (проводов), необходимые для соединения с выводами электротехнических устройств и соединения проволок (проводов) между собой.