Рукав с наноматериалами (варианты)
SLEEVE WITH NANOMATERIALS (VARIANTS)

Область техники.
Заявляемая группа технических решений относится к области композитных материалов. Заявляемые полимерные композитные материалы предназначены для использования в корпусах, силовых конструкциях, конструкционных изделиях (уголки, тавры, двутавры, швеллеры и т.д.), строительстве (арматура и конструкционные изделия), жилищно-коммунальном хозяйстве (в качестве основы для производства санирующих рукавов, вставок, ремонтных комплектов), предметах декоративно-прикладного назначения, транспорте, связи и других отраслях.
Уровень техники.
Известен скважинный трубчатый композитный элемент (US2013206273, «Fiber Reinforced Polymer Matrix Nanocomposite Downhole Member», F16L9/00, B82Y30/00, [1]), содержащий слои армирующих волокон, сформированных в тканые материалы. Армирующие волокна содержат тканые и нетканые материалы. Тканые материалы содержат стеклянные, углеродные, минеральные, керамические, металлические или полимерные волокна, или их комбинацию. Тканые и нетканые слои содержат полимерную матрицу, которая представляет собой термореактивный полимер и, в частности, включает фенольный, эпоксидный или бисмалеимидный полимер, или их комбинацию. Термопластичный полимер включает полимер на основе полиэфирэфиркетона, в который диспергирован наполнитель. Нанонаполнителем служат углеродные наночастицы, которые могут включать частицы фуллерена. Наполнитель содержит графеновые нанотрубки и фуллерен С60, С70, C76 и т.п. Наполнитель из наночастиц присутствует в количестве, по объемной доле композита, примерно от 0,005 до примерно 0,15. Слои прошиты между собой.
В качестве прототипа к заявляемой группе технических решений выбран полимерный композитный материал (US 10407597 B2, B32B 5/02, 10.09.2019), содержащий тканое или нетканое синтетическое мультиаксиальное полотно, пропитанное на основе смолы.
Недостатками приведенных аналогов являются низкие прочностные характеристики.
Решаемой технической проблемой является необходимость улучшения прочностных характеристик полимерных композитных материалов, а также сохранение механических характеристик при повышенных температурах относительно немодифицированных материалов.
Раскрытие заявляемого технического решения.
Техническим результатом, обеспечиваемым каждым заявляемым техническим решением, является увеличение физико-механических (прочностных) характеристик от 30 до 500%.
Другими техническими результатами являются:
- увеличение химической стойкости к воздействию агрессивных сред;
- повышение термостабильности, т.е. сохранение механических характеристик при повышенных температурах относительно немодифицированных материалов, на 10 - 70°С.
Сущность заявленного технического решения по варианту 1 состоит в том, что полимерный композитный материал содержит слой нетканого полотна или слой тканого полотна, или оба типа этих слоёв в произвольном количестве и последовательности, при этом нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно, причем материал тканого полотна представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное, или саржевое полотно. Кроме того, тканые и нетканые полотна пропитаны связующим на основе смолы. Отличается тем, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками в количестве от 0,0005% до 20% по массе, при этом наноуглеродными присадками являются графены или диамены, или их смеси, причем графены представляют собой пластины или ленты (полосы) углеродных монослоёв толщиной в 1 атом углерода, а диамены представляют собой пластины или ленты (полосы) углеродных слоёв толщиной в 2 атома углерода.
В частном случае допускается наличие трехслойных или многослойных графеновых структур.
Связующее предпочтительно выполнено на основе фотореактивной смолы на основе непредельных полиэфиров.
Сущность заявленного технического решения по варианту 2 состоит в том, что полимерный композитный материал содержит слой нетканого полотна или слой тканого полотна, или оба типа этих слоёв в произвольном количестве и последовательности, при этом нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно, причем материал тканого полотна представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное, или саржевое полотно или их разновидности. Кроме того, тканые и нетканые полотна пропитаны связующим на основе смолы. Отличается тем, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками в количестве от 0,0005% до 20% по массе, при этом наноуглеродными присадками является смесь графенов или диаменов или их смесь между собой и с фуллеренами, при этом фуллерены представляют собой чистые фуллерены С60, С70, или более тяжёлые фракции (С76, С78, С84 и далее), либо их смеси.
В частном случае связующее выполнено на основе фотореактивной смолы на основе непредельных полиэфиров.
Сущность заявленного технического решения по варианту 3 состоит в том, что полимерный композитный материал содержит слой нетканого полотна или слой тканого полотна, или оба типа этих слоёв в произвольном количестве и последовательности, при этом нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно, причем материал тканого полотна представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное, или саржевое полотно или их разновидности. Кроме того, тканые и нетканые полотна пропитаны связующим на основе смолы. Отличается тем, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками в количестве от 0,0005% до 20% по массе, при этом наноуглеродными присадками является смесь графена и диамена с однослойными и многослойными углеродными открытыми и закрытыми нанотрубками.
В частном случае связующее выполнено на основе фотореактивной смолы на основе непредельных полиэфиров.
Сущность заявленного технического решения по варианту 4 состоит в том, что полимерный композитный материал содержит слой нетканого полотна или слой тканого полотна, или оба типа этих слоёв в произвольном количестве и последовательности, при этом нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно, причем материал тканого полотна представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное, или саржевое полотно или их разновидности. Кроме того, тканые и нетканые полотна пропитаны связующим на основе смолы. Отличается тем, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками в количестве от 0,0005% до 20% по массе. При этом наноуглеродными присадками является смесь графенов и диаменов, фуллеренов и открытых, и закрытых углеродных нанотрубок, при этом фуллерены представляют собой чистые фуллерены С60, С70 или более тяжёлые фракции (С76, С78, С84 и далее) либо их смеси, а углеродные нанотрубки являются одно-, двух- или многослойными.
В частном случае связующее выполнено на основе фотореактивной смолы на основе непредельных полиэфиров.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение заявленного технического результата.
Автором заявленной группы технических решений изготовлен опытный образец каждого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
Осуществление технического решения.
Полимерный композитный материал по варианту 1 представлен в виде рукава и имеет трубчатую стенку, содержащую слой нетканого полотна, или слой тканого полотна, или оба типа этих слоёв в произвольном количестве и последовательности, и желательно герметизирующий слой на основе термопластичных эластомеров. Полотна пропитаны отверждаемым связующим на основе смолы, отверждаемой ультрафиолетовым излучением либо посредством воздействия повышенных температур от 70 до 130°С.
Нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно (синтетический войлок) на основе полиэфирных или иных синтетических, или натуральных волокон.
Тканое полотно представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное или саржевое полотно или их разновидности (рогожа, жаккард и т.д.) на основе арамидных, базальтовых, стеклянных или углеродных волокон (ровинга), в любом составе и порядке, от одиночного слоя до многослойных комплексов.
Термопластичными эластомерами герметизирующего слоя являются полиэтилен, полипропилен, полиуретан, поливинилхлорид, полиэфирэфиркетон или их смеси и сополимеры.
Связующая смола предпочтительно фотореактивная на основе непредельных полиэфиров. Кроме того, связующая смола может быть эпоксидной, полиэфирной, винилэфирной, эпоксивинилэфирной, полиуретановой или другой.
Увеличение физико-механических характеристик, термостабильности и химической стойкости к воздействию агрессивных сред достигаются за счет того, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками, содержание которых в смоле может быть от 0,0005% до 20% по массе.
Наноуглеродными присадками являются графены или диамены, или их смеси. При этом графены представляют собой пластины или ленты (полосы) углеродных монослоёв толщиной в 1 атом углерода. При этом диамены представляют собой пластины или ленты (полосы) углеродных слоёв толщиной в 2 атома углерода. Допускается наличие трехслойных или многослойных графеновых структур.
Графены и диамены в произвольной пропорции выполняют функцию сверхпрочных двумерных армирующих наполнителей связующего (смолы).
Результаты исследований по определению прочностных характеристик указанных материалов с последовательным введением в состав связующего на основе эпоксидных и винилэфирных смол, модифицирующих наноуглеродных компонентов приведены в Таблице 1.
Таблица 1. Результаты испытаний образцов на основе модифицированного связующего.
№
Наименование модификатора
Содержание модификаторов, %
Предел прочности на разрыв σ, МПа
Модуль упругости при растяжении кратковременный Е, МПа
1
Без модификаторов
-
92
4320
2
Графены и Диамены
0,02
141
10750
Изготовление образцов и их испытания проводились в соответствии с ГОСТ 9550-81 «Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе».
Полимерный композитный материал по варианту 2 представлен в виде рукава и имеет трубчатую стенку, содержащую слой нетканого полотна, или слой тканого полотна, или оба типа этих слоёв в произвольном количестве и последовательности, и желательно герметизирующий слой на основе термопластичных эластомеров. Полотна пропитаны отверждаемым связующим на основе смолы, отверждаемой ультрафиолетовым излучением либо посредством воздействия повышенных температур от 70 до 130°С.
Нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно (синтетический войлок) на основе полиэфирных или иных синтетических, или натуральных волокон.
Тканое полотно представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное, или саржевое полотно или их разновидности (рогожа, жаккард и т.д.) на основе арамидных, базальтовых, стеклянных или углеродных волокон (ровинга), в любом составе и порядке, от одиночного слоя до многослойных комплексов.
Термопластичными эластомерами герметизирующего слоя являются полиэтилен, полипропилен, полиуретан, поливинилхлорид, полиэфирэфиркетон или их смеси и сополимеры.
Связующая смола предпочтительно фотореактивная на основе непредельных полиэфиров. Кроме того, связующая смола может быть эпоксидной, полиэфирной, винилэфирной, эпоксивинилэфирной, полиуретановой или другой.
Увеличение физико-механических характеристик, термостабильности и химической стойкости к воздействию агрессивных сред достигаются за счет того, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками, содержание которых в смоле может быть от 0,0005% до 20% по массе.
Наноуглеродными присадками является смесь графенов или диаменов, или их смесь между собой и с фуллеренами. При этом фуллерены представляют собой чистые фуллерены С60, С70, или более тяжёлые фракции (С76, С78, С84 и далее), либо их смеси.
При этом графены и диамены в произвольной пропорции выполняют функцию сверхпрочных двумерных армирующих наполнителей связующего (смолы).
Роль и механизм работы фуллеренов состоит в купировании трещинообразования как полимерной матрицы, так и армирующих наполнителей и добавок, поскольку микротрещины, возникающие в процессе испытаний, во время роста замыкаются на молекулах фуллерена (независимо от марки - С60, С70 или высшие фуллерены) в силу его высоких электроноакцепторных свойств.
Результаты исследований по определению прочностных характеристик указанных материалов с последовательным введением в состав связующего на основе эпоксидных и винилэфирных смол, модифицирующих наноуглеродных компонентов приведены в Таблице 2.
Таблица 2. Результаты испытаний образцов на основе модифицированного связующего.
№
Наименование модификатора
Содержание модификаторов, %
Предел прочности на разрыв σ, МПа
Модуль упругости при растяжении кратковременный Е, МПа
1
Без модификаторов
-
92
4320
2
Графены и Диамены+Фуллерены
0,015
168
13500
Изготовление образцов и их испытания проводились в соответствии с ГОСТ 9550-81 «Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе».
Полимерный композитный материал по варианту 3 представлен в виде рукава и имеет трубчатую стенку, содержащую слой нетканого полотна, слой тканого полотна и желательно герметизирующий слой на основе термопластичных эластомеров. Полотна пропитаны отверждаемым связующим на основе смолы, отверждаемой ультрафиолетовым излучением либо посредством воздействия повышенных температур от 70 до 130°С.
Нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно (синтетический войлок) на основе полиэфирных или иных синтетических, или натуральных волокон.
Тканое полотно представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное, или саржевое полотно или их разновидности (рогожа, жаккард и т.д.) на основе арамидных, базальтовых, стеклянных или углеродных волокон (ровинга), в любом составе и порядке, от одиночного слоя до многослойных комплексов.
Термопластичными эластомерами герметизирующего слоя являются полиэтилен, полипропилен, полиуретан, поливинилхлорид, полиэфирэфиркетон или их смеси и сополимеры.
Связующая смола предпочтительно фотореактивная на основе непредельных полиэфиров. Кроме того, связующая смола может быть эпоксидной, полиэфирной, винилэфирной, эпоксивинилэфирной, полиуретановой или другой.
Увеличение физико-механических характеристик, термостабильности и химической стойкости к воздействию агрессивных сред достигаются за счет того, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками, содержание которых в смоле может быть от 0,0005% до 20% по массе.
Наноуглеродными присадками является смесь является смесь графена и диамена с однослойными и многослойными углеродными открытыми и закрытыми нанотрубками.
При этом графены и диамены или их смесь в произвольной пропорции выполняют функцию сверхпрочных двумерных армирующих наполнителей связующего (смолы).
Использование углеродных нанотрубок для модификации полимерных смол также известно. Они выполняют роль сверхпрочных одномерных наполнителей наноуровня, по аналогии с рубленными нитями из стеклянного, базальтового, арамидного или углеродного ровинга.
Результаты исследований по определению прочностных характеристик указанных материалов с последовательным введением в состав связующего на основе эпоксидных и винилэфирных смол, модифицирующих наноуглеродных компонентов приведены в Таблице 3.
Таблица 3. Результаты испытаний образцов на основе модифицированного связующего.
№
Наименование модификатора
Содержание модификаторов, %
Предел прочности на разрыв σ, МПа
Модуль упругости при растяжении кратковременный Е, МПа
1
Без модификаторов
-
92
4320
2
Графены и Диамены+Углеродные нанотрубки
0,02
148
11960
Изготовление образцов и их испытания проводились в соответствии с ГОСТ 9550-81 «Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе».
Полимерный композитный материал по варианту 4 представлен в виде рукава и имеет трубчатую стенку, содержащую слой нетканого полотна, слой тканого полотна и желательно герметизирующий слой на основе термопластичных эластомеров. Полотна пропитаны отверждаемым связующим на основе смолы, отверждаемой ультрафиолетовым излучением либо посредством воздействия повышенных температур от 70 до 130°С.
Нетканое полотно представляет собой иглопробивное синтетическое полотно (синтетический войлок) на основе полиэфирных или иных синтетических, или натуральных волокон.
Тканое полотно представляет собой мультиаксиальное полотно или полотняное, или саржевое полотно или их разновидности (рогожа, жаккард и т.д.) на основе арамидных, базальтовых, стеклянных или углеродных волокон (ровинга), в любом составе и порядке, от одиночного слоя до многослойных комплексов.
Термопластичными эластомерами герметизирующего слоя являются полиэтилен, полипропилен, полиуретан, поливинилхлорид, полиэфирэфиркетон или и/или их смеси и сополимеры.
Связующая смола предпочтительно фотореактивная на основе непредельных полиэфиров. Кроме того, связующая смола может быть эпоксидной, полиэфирной, винилэфирной, эпоксивинилэфирной, полиуретановой или другой.
Увеличение физико-механических характеристик, термостабильности и химической стойкости к воздействию агрессивных сред достигаются за счет того, что связующее модифицировано наноуглеродными присадками, содержание которых в смоле может быть от 0,0005% до 20% по массе.
Наноуглеродными присадками является смесь графенов и диаменов, фуллеренов и открытых, и закрытых углеродных нанотрубок. При этом фуллерены представляют собой чистые фуллерены С60, С70 или более тяжёлые фракции (С76, С78, С84 и далее) либо их смеси, а углеродные нанотрубки могут быть одно-, двух- или многослойными.
Результаты исследований по определению прочностных характеристик указанных материалов с последовательным введением в состав связующего на основе эпоксидных и винилэфирных смол, модифицирующих наноуглеродных компонентов приведены в Таблице 4.
Таблица 4. Результаты испытаний образцов на основе модифицированного связующего.
№
Наименование модификатора
Содержание модификаторов, %
Предел прочности на разрыв σ, МПа
Модуль упругости при растяжении кратковременный Е, МПа
1
Без модификаторов
-
92
4320
2
Графены и Диамены+Фуллерены+Углеродные нанотрубки
0,015
153
12630
Изготовление образцов и их испытания проводились в соответствии с ГОСТ 9550-81 «Методы определения модуля упругости при растяжении, сжатии и изгибе».