КОМПОЗИТНАЯ АРМАТУРА, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ИЗ СТЕКЛОРОВИНГА И ЭПОКСИДНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

Полезная модель относится к элементам строительных конструкций, применяемых для армирования стеновых панелей, монолитных бетонных и сборных зданий, при строительстве морских и припортовых сооружений, может быть использована для армирования грунта оснований зданий и сооружений, в том числе оснований автомагистралей и дорог.
Известна композитная арматура (RU 2522641), применяемая для армирования обычных и предварительно напряженных строительных и других конструкций. Для изготовления арматуры используется следующий компаунд:
- стеклоровинг линейной плотности 2400 текс - 70%;
- смола ЭД-20 - 18%;
- ИМТГФА - 11%;
- модификаторы Этал и Алкофен - по 0,5%.
Недостатком такой стеклокомпозиционной арматуры является низкий предел прочности на растяжение (1100 МПа).
Известен замасливатель для стеклянного и базальтового волокна (RU 2565301), предназначенный для армирования стеклопластиковых и базальтовых нитей. Замасливатель имеет следующее соотношение компонентов, мас. %: пленкообразующий агент 0,5-9,4, пластификатор 0,5-9,4, связующее стекла 0,1-0,8, ПАВ 0,01-2,6, регулятор водородного показателя 0,01-0,3, металл/углеродный нанокомпозит на основе наночастиц 3d металла, такого как медь, никель или железо, стабилизированных в углеродных нанопленочных структурах 0,0001-1,0, вода - остальное.
Недостатком стеклокомпозиционной арматуры с использованием указанного замасливателя является низкий предел прочности на растяжение (938-1253 МПа).
Наиболее близкой к предлагаемой, является арматура стеклопластиковая (RU 2194135), содержащая несущий стержень из высокопрочного полимерного материала и обмотку с уступами, которые выполнены в виде жгута нитей, пропитанных связующим и спирально нанесенных с натягом.
Недостатком такой арматуры является низкое значение предела прочности на растяжение (1100 МПа), низкое значение модуля упругости (51,6 ГПа), отсутствие электропроводящих свойств.
Технической задачей, решаемой настоящей полезной моделью является повышение предела прочности, модуля упругости композитной арматуры, а также придание ей электропроводящих свойств.
Техническая задача решается за счет того, что композитная арматура содержит армирующий наполнитель 82-87 мас. % и связующее 18-13 мас. %, включающее:
термореактивную смолу
10,2-13,6 мас. %
отвердитель
2,55-3,4 мас. %
поверхностно-активное вещество (ПАВ)
0,225-0,9 мас. %
углеродные нанотрубки
0,025-0,1 мас. %
За счет высокого содержания армирующего наполнителя достигается основная конструкционная прочность изделия.
Наличие в составе композитной арматуры углеродных нанотрубок дает повышение конструкционной прочности стеклопластиков за счет модификации полимерной матрицы и создание матричных наноструктур при синтезе материала. Под модификацией понимается направленное изменение структуры и свойств полимеров при введении в состав макромолекул малого количества наноразмерных фрагментов иной природы. При этом свойства полученных многофазных нанокомпозитов определяются двумя основными факторами: диспергированием и распределением наночастиц в матрице полимера, а так же взаимодействием между полимерными цепями и наночастицами.
Углеродные нанотрубки способны на молекулярном уровне встраиваться в структуру матрицы полимера и обеспечивать заданные прочностные свойства. Это можно объяснить размерным эффектом наноадгезии, которая достигается при одинаковом масштабе ее «участников» - наночастиц и макромолекул полимера. В формировании механических свойств многофазных нанокомпозиционных материалов, характеризующихся многочисленными поверхностями раздела, определяющую роль играет уровень взаимодействия между фазами. Поэтому межфазные области являются армирующим элементом структуры полимерных нанокомпозитов (как и сам нанонаполнитель).
Армирующий наполнитель - материал или изделие, соединенный или соединенное с термореактивной смолой до начала процесса отверждения для улучшения физико-механических характеристик полимерного композита. Под «армирующим наполнителем» понимается армирующий наполнитель, изготовленный из непрерывного волокна. Данный термин не является синонимом термина «наполнитель». В качестве наполнителя может использоваться в первую очередь стеклянный, а также базальтовый, углеволоконный, арамидный или комбинированный ровинг.
Волокно - гибкое протяженное, непрерывное и прочное тело ограниченной длины с малыми поперечными размерами по отношению к длине, применяемое для изготовления волокнистых материалов, предназначенных для армирования полимерных композитов.
Термореактивная смола - смола, которая при отверждении под действием температуры и в результате химической реакции необратимо превращается в твердый, неплавкий и нерастворимый материал с трехмерной сетчатой структурой. В качестве термореактивной смолы используется эпоксидно-диановая смола или ее аналоги.
Отвердитель эпоксидной смолы (отвердитель) - ангидриды карбоновых кислот алифатического, алициклического и ароматического строения; или аминные отвердители ароматического, алифатического или циклоалифатического ряда. В качестве отвердителя используется ангидридный или аминный отвердитель.
Поверхностно-активные вещества (ПАВ) - химические соединения, которые, концентрируясь на поверхности раздела термодинамических фаз, вызывают снижение поверхностного натяжения. В качестве ПАВ используется ПАВ на основе этоксилированного спирта.
Углеродные нанотрубки - универсальный наномодификатор, улучшающий механические свойства, электро- и теплопроводность различных материалов. В качестве углеродных нанотрубок используются одностенные и многостенные углеродные нанотрубки.
Наполнитель термореактивной смолы (наполнитель) - материал, соединенный с термореактивной смолой до начала процесса отверждения для изменения или придания требуемых свойств смоле и/или матрице (в нашем случае - смесь ПАВ и углеродных нанотрубок).
Связующее - матрица дисперсно-наполненных и армированных полимерных композиций (в нашем случае - смесь термореактивной смолы, отвердителя и наполнителя).
На фиг. 1 представлен продольный разрез композитной арматуры.
На фиг. 2 представлена таблица результатов физико-механических испытаний композитной арматуры.
Арматура конструктивно состоит из стержня 1 и спиралевидного жгута 2, повышающего прочность контакта арматуры с армируемой (бетонной) массой.
Приводимый ниже пример позволяет проиллюстрировать полезную модель, однако не ограничивает ее. Сырье:
- армирующий наполнитель - стеклоровинг марки Т30 SE 1200 24-4800 C-F (производитель ОАО «ОСВ Стекловолокно»);
- термореактивная смола - смола эпоксидная ЭД-20;
- отвердитель - компаунд SIPO Tech WARM;
- углеродные нанотрубки - одностенные углеродные нанотрубки TUB ALL;
- ПАВ на основе этоксилированного спирта.
В ходе работы было приготовлено 3 состава композитной арматуры 05 мм и контрольный образец (без нанотрубок).
Контрольный образец:
армирующий наполнитель
87%
термореактивная смола
10,4%
отвердитель
2,6%
Состав 1:
армирующий наполнитель
87%
термореактивная смола
10,2%
отвердитель
2,55%
ПАВ
0,225%
углеродные нанотрубки
0,025%
Состав 2:
армирующий наполнитель
85%
термореактивная смола
11,6%
отвердитель
2,9%
ПАВ
0,45%
углеродные нанотрубки
0,05%
Состав 3:
армирующий наполнитель
82%
термореактивная смола
13,6%
отвердитель
3,4%
ПАВ
0,9%
углеродные нанотрубки
0,1%
По внешнему виду составы не отличаются друг от друга, но отличаются от контрольного образца по цвету.
Результаты физико-механических испытаний представлены в таблице на фиг. 2.
Добавление одностенных углеродных нанотрубок TUBALL привело к увеличению механической прочности композитной полимерной арматуры. По результатам испытаний арматуры, произведенной с использованием разной концентрации нанотрубок, произошло увеличение предела прочности отдельных образцов до 32% и модуля упругости до 6%.
8
У арматуры появились электропроводящие свойства. Как известно, сопротивление полупроводников находится в диапазоне от 1 до 10 Ом, соответственно составы, содержащие нанотрубки, обладают электропроводящими свойствами.
Таким образом, в зависимости от эксплуатационных требований можно с применением модифицирующих добавок направленно регулировать свойства композитной полимерной арматуры. Общий положительный эффект модификации композитной полимерной арматуры выбранными добавками - расширение спектра областей использования таких материалов.
Работает арматура следующим образом. Соединяют отрезки арматуры между собой в пространственную арматурную конструкцию, которую располагают в опалубке и заливают бетоном или иным вяжущим материалом. При этом впадины между витками жгутов 2 вдоль стержня 1 заполняются бетоном.
Технология изготовления композитной арматуры на производственной линии следующая. В начале линии разматывается стеклоровинг с бобин и формируются параллельные пучки стекловолокна, пропитываются предварительно подготовленной смолой с нанотрубками, поверхностно-активным веществом и отвердителем в необходимом соотношении. Предварительно смола, наполнитель и отвердитель нагреты до 50°С. Затем стержень 1 проходит через фильеры, где отжимается избыток связующего и ему придается цилиндрическая форма. Диаметр фильеры равен размерам производимой арматуры. Фильера необходима для формирования и уплотнения стержня, обработанного связующим. На следующем этапе намотчиком на не затвердевшую арматуру накладывается спиралевидный жгут 2. Арматура проходит через секцию нагрева, где затвердевает до полной полимеризации связующего. После печи арматура проходит через узел охлаждения, а далее - через протяжной механизм. После этого арматура наматывается на барабан.
Техническим результатом является увеличение прочности и долговечности строительных конструкций, в которых используется композитная арматура.