Композиционный несущий элемент для электрического провода

Техническое решение 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.
Известен композиционный несущий элемент, содержащий внутренний несущий элемент, выполненный из базальтопластика, при этом внутренний несущий элемент охвачен промежуточным слоем 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).
Базальтопластик - это композитный материал на основе базальтовых волокон и органического связующего.
Недостатком данного элемента является высокая стоимость, которая напрямую связана с использованием дорогостоящих углеродных волокон и с конструктивной и технологической сложностью несущего элемента.
Кроме того, использование в конструкции трех типов разнородных волокон, имеющих различные значения коэффициентов термического расширения, приводит к появлению дополнительных внутренних термических напряжений, что уменьшает эксплуатационную прочность элемента.
Известен композиционный несущий элемент, выполненный из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего, со степенью наполнения базальтовым волокном 30-85 масс. %, при этом термореактивное связующее (матрица) представляет собой эпоксидную композицию с температурой стеклования не менее 150-300°С (патент РФ №2386183 «Композиционный несущий сердечник для внешних токоведущих жил проводов воздушных высоковольтных линий электропередачи и способ его производства» с приоритетом от 04.12.2008).
Высокая стоимость несущего элемента связана с использованием дорогостоящих компонентов для улучшения термостойкости матрицы. При этом одновременно с повышением термостойкости матрицы происходит уменьшение ее прочности на растяжение на 30-50% и ухудшаются ее адгезионные свойства - происходит ослабление связей между матрицей и армирующими волокнами, матрица перестает выполнять функцию равномерного распределения статических и динамических нагрузок между всеми армирующими волокнами, а следствием является разрыв отдельных волокон, снижение прочностных свойств несущего элемента и необходимость преждевременной замены проводов и кабелей, изготовленных с использованием данного несущего элемента.
Также известен композиционный несущий элемент, описанный в патенте РФ №160561 «Бикомпонентная проволока» с приоритетом от 23.07.2015 и выбранный в качестве прототипа.
Данный несущий элемент выполнен из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, при этом в качестве углеродного наноструктурного наполнителя использованы углеродные нанотрубки, концентрация которых равна 0,001-2,0 масс. %, а в качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола.
Углеродные нанотрубки (УНТ) обладают высокими механическими характеристиками и используются для повышения прочностных свойств композитных полимерных материалов. Однако для реализации этой возможности необходимо хорошее сопряжение между поверхностью УНТ и полимерным связующим, что обеспечивает эффективную передачу от связующего к УНТ. В противном случае УНТ, расположенные внутри связующего, не только не улучшают, но даже ухудшают прочностные свойства композита. Сопряжение между поверхностью УНТ и полимерным связующим реализуют за счет присоединения к поверхности УНТ полярных карбоксильных окисных групп, которые обеспечивают окисленным УНТ лучшее смачивание полярными органическими связующими, в том числе и эпоксидной смолой.
Необходимая высокая степень функциализации поверхности УНТ химическими группами связана с очень сложной, трудно масштабируемой методикой с применением агрессивных реагентов (обработка УНТ большим количеством кислот, затем тионилхлоридом, затем аминами). Если проводить прямую реакцию карбоксилированных нанотрубок с аминами, это требует длительного времени (3-10 суток при 70-140°С) и применения большого избытка амина, который затем нужно отмывать. Наличие всех этих многочисленных операций и высокая стоимость самих УНТ приводит к тому, что получаемый композитный материал является очень дорогостоящим.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание недорогого композиционного несущего элемента, прочностные и температурные свойства которого соответствуют нормативам.
Решением данной задачи является композиционный несущий элемент, выполненный из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, новым в котором является то, что в качестве углеродного наноструктурного наполнителя использован технический углерод, концентрация которого равна 1,0-5,0 масс. %.
В качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола.
Степень объемного наполнения термореактивного связующего базальтовым волокном равна 75-85%.
Несущий элемент может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.
В настоящее время выросла потребность в новых недорогих композиционных материалах с высокими физико-механическими свойствами, способных к длительной эксплуатации в жестких условиях. Большие потенциальные возможности улучшения характеристик композиционных материалов заложены в использовании недорогих и эффективных наполнителей, в число которых входят базальт и технический углерод (часто используют как синоним термин - сажа).
В отличие от углеродных нанотрубок технический углерод не является аллотропной модификацией углерода, эти наноструктурные материалы имеют различную природу и отличаются по свойствам.
Используемый в заявляемом решении технический углерод имеет размер частиц 13-60 нм сферической формы с шероховатой поверхностью, состоящей из тончайших графитовых слоев, на поверхности которых расположены кислородсодержащие карбоксильные группы, что исключает необходимость проведения дорогостоящего процесса функциализации поверхности технического углерода. При этом стоимость технического углерода невелика по сравнению с другими углеродными наноструктурными материалами.
Исходя из зависимости Мак-Ларена, количественно описывающей адгезию, прочность адгезионной связи в полимерах зависит от концентрации карбоксильных групп, а в заявляемом техническом решении концентрации технического углерода 1,0-5,0 масс. %, благодаря высокоразвитой поверхности технического углерода и существующему количеству карбоксильных групп на его поверхности, достаточно для получения прочной адгезионной связи частиц технического углерода с термореактивным полимерным связующим (эпоксидной смолой).
Механические свойства композиции определяются прочностью связей между всеми компонентами композита.
По правилу Дебройна прочные соединения образуются между адгезивом и субстратом, близкими по полярности. В заявляемом композиционном материале использованы как неполярные материалы (технический углерод и базальтовое волокно), так и полярные - термореактивное связующее. Несмотря на разнополярность материалов, удается достигнуть прочной адгезионной связи между всеми составляющими композиционного материала:
- между неполярным техническим углеродом и полярным связующим - благодаря наличию большой концентрации карбоксильных групп на поверхности технического углерода;
- между полярным связующим и неполярным базальтовым волокном - через соединение неполярного технического углерода, связанного со связующим.
Прочность композита зависит не только от прочности сцепления на границе волокно - связующее, но и от прочности используемых волокон, которые имеют неидеальную (дефектную) поверхность с размером пор и трещин до 30 нм. Благодаря тому что базальтовые волокна и технический углерод являются однополярными материалами, происходит объемное заполнение дефектов базальтового волокна частицами технического углерода с образованием прочного соединения, а чем прочнее поверхностный слой, тем выше прочность волокна.
Введение технического углерода в заявляемой концентрации 1-5 масс. % уменьшает усадку связующего при полимеризации, что снижает тангенциальные напряжения на межфазной поверхности, ослабляющие адгезионное соединение компонентов композита и отрицательно влияющие на прочностные свойства.
Одновременно технический углерод повышает термостойкость связующего и заявляемого композитного несущего элемент в целом, который устойчиво эксплуатируется в регламентированном температурном диапазоне рабочих температур - 70-90°С, и позволяет без разрушения выдерживать пиковую температуру до 180°С.
В композите объемная доля базальтового волокна 75-85% является оптимальной и позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокна в получаемом композите. При этом волокна расположены вдоль несущего элемента, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации. При степени армирования более 85% 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 75% матрица под действием нагрузок деформируется, в том числе и в межволоконном пространстве, и увлекает волокна за собой, что приводит к их разрушению.
В зависимости от условий эксплуатации и испытываемых напряжений композиционный несущий элемент может быть выполнен в виде одножильной или 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.
Прогнозирование свойств композитов при определенных концентрациях наполнителей нанометрового диапазона является очень сложной задачей, которая может быть решена только путем проведения соответствующих исследований.
2
2
Проведенные исследования показали, что композиционный несущий элемент с концентрацией технического углерода 1,0 масс. % имеет нормативную прочность на разрыв 105 кГс/мм, необходимую для эксплуатации кабелей и проводов; при концентрации 2,0 масс. % - прочность увеличилась до 165 кГс/мм, что позволяет эксплуатировать провода и кабели с заявляемым несущим элементом в условиях повышенных статических и динамических нагрузок (вибрации, налипание снега и гололеда). Увеличение концентрации технического углерода до 5 масс. % дает незначительный прирост прочностных свойств, относительно концентрации 2 масс. %, поэтому оптимальная концентрация технического углерода в получаемом композите составляет 2,0%, а дальнейшее ее увеличение нерационально с точки зрения перерасхода сырья и увеличения стоимости композитного несущего элемента.
Из-за склонности технического углерода к образованию агломератов перед введением его в связующее и после этого проводят ультразвуковую обработку в соответствии с известной методикой.
Заявляемый композиционный несущий элемент изготавливают на стандартном оборудовании с использованием известных методик.
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 представлен одножильный заявляемый несущий элемент, на фиг. 2 - многожильный заявляемый несущий элемент.
Несущий элемент 1 содержит термореактивную матрицу (связующее) 2 с углеродным наноструктурным наполнителем - техническим углеродом (на чертеже не показан), концентрация которого равна 1,0-5,0 масс. %. Матрица 2 непрерывно армирована базальтовым волокном 3 со степенью объемного наполнения 75-85%.
В качестве углеродного наноструктурного наполнителя использован технический углерод с дисперсностью 13-60 нм.
Несущий элемент 1 может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.
В качестве матрицы 2 использована термореактивная смола, например эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА и т.д.).
Из-за склонности технического углерода к образованию агломератов перед введением его в связующее 2 и после этого проводят ультразвуковую обработку в соответствии с известной методикой для получения равномерно распределения частиц технического углерода по объему матрицы 2 и после этого вводят отвердитель. Базальтовые волокна 3 пропитывают полученным составом и формуют элемент 1, который после полимеризации матрицы 2 готов к использованию. При необходимости методом скрутки из элементов 1 изготавливают многожильную конструкцию (фиг. 2).
В процессе эксплуатации в качестве, например, несущих тросов и силовых элементов в конструкциях проводов и кабелей каждый несущий элемент 1 воспринимает статические и динамические нагрузки, надежно работает в условиях регламентированных температур.