APPLICATION OF POLYLACTIDE FOR THE MANUFACTURE OF THE PRODUCT USED IN CRYOGENIC MEDIA AND THE PRODUCT
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИЛАКТИДА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОДУКТА, ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО В КРИОГЕННЫХ СРЕДАХ, И ПРОДУКТ

Область техники.
Изобретение относится к продуктам, которые могут эксплуатироваться в криогенных средах и может быть использовано в криотехнике, электротехнике, в частности, в сверхпроводящих устройствах с высокотемпературными сверхпроводниками. Уровень техники.
В настоящее время широкое распространение, благодаря легкости в обработке и низкой цене, получил полилактид (ПЛА) - алифатический термопластичный полиэфир, мономером которого является молочная кислота.
Данный полимер относится к биоразлагаемым и биосовместимым, сырьем для его производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник.
ПЛА используется для производства изделий с коротким сроком службы (пищевая упаковка, одноразовая посуда, пакеты, различная тара ЕА 200301054), в медицине для имплантатов, хирургических нитей и штифтов (ЕА 200301054).
Самым известным применением ПЛА является его использование для получения физических объектов по цифровой 3D-модели: http://www.orgprint.com/wiki/3d-pechat/materialy-dlja-3d-pechati).
3D печать основана на технологии послойного выращивания твердых объектов из различных материалов. Объемные модели могут печататься из различных материалов, в том числе, и из пластика.
Кроме того, ПЛА, в том числе, полученные технологией послойного выращивания твердых объектов, также пытаются применять и в электротехнике для создания изоляции для силовых кабелей (Thoru Nakatsuka, Polylactic Acid-Coated Cable, Fujikura Technical Review, 2011, p. 39-46).
В соответствии с последним источником, изоляцию получают путем экструзии ПЛА при 180-200°С. ПЛА изоляция, полученная таким способом, недолговечна при температурах окружающей среды и постепенно разлагается под действием тепла и света.
Необходимо отметить, что в предшествующем уровне техники отсутствуют сведения об эксплуатации продуктов, полученных с использованием ПЛА, в криогенных средах.
Из некоторых публикаций следует, что для эксплуатации в криогенных средах может быть использован полимер ABS - ударопрочная техническая термопластичная смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (http://www.migservice-spb.ru/ABS.html). ABS-пластик, также, нашел широкое применение для 3D печати. Об этом, в частности, сообщается в источнике Cryogenics 82 (2017) 30-37, ABS 3D printed solutions for cryogenic applications E. , B. Bozzo, P. Sevilla, O. , T. Puig, X. Granados.
Однако, наши исследования показали что ABS полимер в криогенной среде (жидкий азот) трескается и теряет форму. Кроме того, -электрическая прочность данного полимера значительно ниже, чем у ПЛА.
Раскрытие сущности изобретения.
В основе настоящего изобретения лежит решение технической проблемы растрескивания полимеров в криогенных средах, что не позволяет их использовать для изготовления продуктов для сверхпроводящих устройств, эксплуатируемых в криогенных средах. Также настоящее изобретение позволяет повысить электрическую прочность продуктов для сверхпроводящих устройств,  используемых в криогенных средах.
Данная проблема решается применением полилактидов для изготовления продуктов для сверхпроводящих устройств, эксплуатируемых в криогенных средах и обладающих высокой электрической прочностью.
В частных воплощениях изобретения, данная техническая проблема решается применением полилактидов для изготовления продуктов, эксплуатируемых в криогенных средах, выполненных 3D печатью.
В частных воплощениях изобретения, возможно применение полилактидов для изготовления продуктов, выбранных из группы, включающей материал, изделие или прототип изделия.
В частности, в этом случае возможно применение полилактидов для изготовления продуктов в виде изделий, выбранных из группы, включающей проставку, межвитковый изолятор сверхпроводящих проводов, каркас бифилярной катушки, ступицу, распорную втулку, корпус трансформатора.
Выявленная техническая проблема может быть также устранена продуктом для эксплуатации в криогенных средах в сверхпроводящих устройствах, который выполнен из полилактида и обладает высокой электрической прочностью.
В частных воплощениях изобретения данная техническая проблема может быть решена продуктом, который выполнен 3D печатью.
Данный продукт может представлять собой материал, изделие или прототип изделия.
В этом случае продукт может представлять собой изделие, выбранное из группы, включающей проставку, межвитковый изолятор сверхпроводящих проводов, каркас бифилярной катушки, ступицу, распорную втулку, корпус трансформатора.
Осуществление изобретения.
Под криогенными средами в изобретении понимаются среды с температурами ниже 120 Кельвинов (температура конденсации природного газа) до температуры 0,7 K (температура получения жидкого гелия под вакуумом).
Как показали проведенные нами исследования, объекты, созданные из полилактида, при их эксплуатации в криогенных средах, например, в жидком азоте, сохраняют свою форму и механическую прочность, электрическую прочность, обладают некоторой эластичностью, и выдерживают небольшие механические нагрузки, а также не подвержены растрескиванию.
Таким образом, полилактид может найти применение для изготовления продуктов для их эксплуатации в сверхпроводящих устройствах в криогенных условиях.
Полилактид может применяться для изготовления различных продуктов, таких как материалы, изделия и прототипы изделий.
Под термином «материал» в данной ситуации понимается продукты в виде вещества или смеси веществ, прошедшие предварительную обработку на промышленных предприятиях, из которых изготавливается продукция с определенными свойствами.
В частности, для целей нашего изобретения материал, например, в виде бруска может быть получен экструзией, а из этого материала может быть получено изделие, например, путем механической обработки этого бруска.
Под термином «изделие» понимается любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии и эксплуатирующийся в сверхпроводящих устройствах.
Для целей нашего изобретения в качестве изделий может быть использовано любое изделие, контактирующее с криогенной средой. В качестве таких изделий могут быть использованы такие изделия как корпуса погружаемых в криогенную среду устройств (например, токовый трансформатор), держатели образцов и распорки (стандартная оплетка проводов трескается, и при испытания на высокое напряжение можно использовать распорки из PLA), контактные держатели для шлангов с жидким азотом, заливочные и переливочные устройства (например, воронка для слива жидкого азота в сосуд Дьюара), и т.д.
Однако, особую актуальность в настоящее время приобретают различные устройства, которые в своей работе используют высокотемпературную сверхпроводимость.
Сверхпроводящие устройства могут быть использованы для передачи электроэнергии, в установках для экранирования электромагнитного излучения, для создания транспорта на магнитной подушка и пр.
В настоящее время в качестве сверхпроводящих проводов нашли широкое применение высокотемпературные сверхпроводящие ленты (ВТСП ленты) второго поколения.
2
3
7
2
-8
-7
Под ВТСП лентами 2-го поколения понимаются сложные композитные структуры, основными компонентами которых являются: металлическая подложка (бывает магнитная и немагнитная); буферные слои для закрепления сверхпроводника на подложке; сверхпроводящий материал RBaCuO (где R - редкоземельный элемент). Дополнительно могут быть нанесены серебро, медь, покрыто припоем, и другие материалы в зависимости от назначения ВТСП ленты и условий производства. ВТСП ленты 2-го поколения проявляют сверхпроводящие свойства уже при температурах ниже 95°K, обладают высокой токонесущей способностью (плотность тока свыше 500 А/мм), а также большое удельное сопротивление в нормальном состоянии (10-10 Ом⋅м).
Данные ВТСП ленты могут входить в состав сверхпроводящих ограничителей тока и других электротехнических изделий.
ВТСП ленты 2-го поколения обеспечиваются электрической изоляцией и различного рода поддерживающими ленту приспособлениями, позволяющими строго фиксировать ее положение.
Основными факторами для возможности применения ПЛА в качестве изделий такого рода являются стойкость в криогенной среде, позволяющая длительное время находиться изделиям из ПЛА в криогенной среде, например, в жидком азоте. Вторым фактором является приемлемая гибкость ПЛА, позволяющая эксплуатировать изделия из ПЛА, подверженные, например, термическим деформациям. Третьим фактором является высокая электрическая прочность (50 кВ/мм и более), т.е. минимальная напряженность электрического поля, при которой наступает электрический пробой, у полилактида достаточно высоки, что дополнительно улучшает эксплуатационные характеристики изготавливаемых из него изделий.
В частности, нами разработаны следующие изделия, которые могут быть использованы в сверхпроводящих ограничителях тока короткого замыкания: фиксатор сверхпроводящих проводов, межвитковый изолятор сверхпроводящих проводов, каркас бифилярной катушки, ступица, проставки различной формы, распорная втулка и др.
Фиксатор сверхпроводящих проводов представляет собой монолитную конструкцию, где на подложке с ненулевой толщиной построены стенки, высотой не менее высоты сверхпроводящего провода, таким образом, чтобы в расстояние между стенками можно было проложить сверхпроводящий провод, находящийся под потенциалом, а толщина стенки обеспечивала бы данной намотке необходимую для стабильной работы электрическую прочность. В частном случае, для применения в резистивных сверхпроводящих ограничителях тока, фиксатор может быть выполнен в виде бифилярной катушки или меандра.
Межвитковый изолятор в самом общем случае представляет собой ленту из полилактида, в которой выполнена канавка для укладки в нее высокотемпературной сверхпроводниковой ленты, а также бортики с прорезями для циркуляции криогенной среды. Межвитковый изолятор отделяет друг от друга отдельные ленты или части сверхпроводящих лент. Одновременно осуществляет функцию поддержания высокотемпературной сверхпроводниковой ленты.
Каркас бифилярной катушки представляет собой цилиндрическую конструкцию, стенки которой образованы данным межвитковым изолятором, свернутым по спирали и размещенным на подложке, имеющей форму круга, в котором межвитковый изолятор выполнен заедино с подложкой из полилактида.
Под проставкой в настоящем техническом решении понимается элемент оборудования, применяемый для подсоединения или разделения других элементов оборудования.
Проставки могут быть выполнены любой формы. В нашем случае мы изготавливали проставки (пример 1) в виде ленты для разделения лент ВТСП.
Также в качестве проставок между листами подложки, на которую укладывается ВТСП лента, и крышки, необходимая для жесткой фиксации ВТСП ленты в требуемой для стабильной работы устройства форме, выполненные из текстолита, применялись распорные втулки (фиг. 1).
Кроме того, в качестве частного исполнения изделия, нами также были также опробованы такие изделия для криогенных сред на основе полилактида, как различного рода втулки, крепления, подвижные механизмы, корпуса для стандартных электротехнических изделий (см. фиг. 2), в частности, для токового трансформатора и др.
Все вышеперечисленные изделия могут быть получены как по традиционным технологиям (экструзионное прессование, литье в формы, инжекционное литье, вакуумная формовка, механическая обработка и пр.). Также они могут быть получены посредством 3D печати.
Под 3D печатью понимается метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели.
Печать на 3D принтере является очень простым и дешевым способом создания как испытательных образцов, так и типовых изделий. Полилактид широко распространен в качестве материала для 3D принтеров, выпускается в виде смотанных в бобину струн, и практически все известные 3D принтеры (в частности, нами используются Witbox, Witbox2, Makerbot Replicator 2X) имеют возможность печатать полилактидом.
Изготовление изделий из полилактида на 3D принтере предполагает создание цифровых версий изделия путем построения 3D модели в специализированных чертежных программах (таких, как Kompas 3D, Solid Works, AutoCAD, и т.п.), перенос цифровой версии в в специализированную программу (Сига 3D, Simplify 3D, и др.), настройку принтера и печать изделия.
Кроме традиционных изделий 3D печатью также могут быть получены прототипы изделий - опытные образцы или работающие модели разрабатываемых изделий для проверки возможности реализации конечных изделий. Прототипирование позволяете минимальными затратами проанализировать работу разрабатываемых изделий в целом, что значительно сокращает расходы на получение аналогичных изделий, выпускаемых по традиционным технологиям в промышленных масштабах..
Примеры реализации изобретения.
Пример 1.
Изготавливали проставку из ПЛА в виде ленты для разделения ВТСП лент в сверхпроводящем ограничителе тока.
Изделия распечатывали на 3D принтере Witbox.
Для изготовления данных изделий использовали полилактид, произведенный компанией Bestfilament (российский производитель) с диаметром прутка 1.75 мм. Для данного изделия важным фактором являлось минимальное количество красителей, так как они могут содержать электропроводящие частицы (как, например, большинство черных пигментов), что может как снизить электрическую прочность нашего устройства, так и создать каналы прямого контакта двух сверхпроводящих проводов разного потенциала, уложенных в соседние витки бифилярной катушки или меандра, используемые для резистивных сверхпроводящих ограничителей тока.
После создания цифровой версии проставки путем построения 3D модели в специализированной чертежной программе Kompas 3D и переноса ее в специализированную программу Сига 3D, осуществляли настройку принтера и печать проставки.
Печать осуществляли при температуре нагрева экструдера 205°С, исходная скорость печати составляла 50 мм/с, скорость печати внешних слоев - 50% по отношению к исходной скорости, а внутренних - 75%.
Полученную проставку ленты для испытаний размещали в емкости с жидким азотом. Там же размещали аналогичные образцы, выполненные из ABS пластика
Испытания проводились в течение 1 часа. ABS пластик трескался в первые же секунды после захолаживания, а пластик PLA сохранял свою форму в течение всего часа испытаний.
Пример 2. Для замены традиционного пластикового короба токового трансформатора из текстолита, который деформировался и растрескался в процессе эксплуатации в среде жидкого азота был распечатан короб из полилактида (см. фиг. 2). Данный трансформатор применялся для бесконтактного измерения тока, протекающего по сверхпроводящему проводу, находящемуся в жидком азоте.
Короб был получен на 3D принтере марки Witbox2. Для короба был использован полилактид PLA фирмы REC с диаметром прутка 1.75 мм, прозрачный. Настройки принтера соответствовали настройкам в предыдущем примере. Полученный благодаря 3D печати короб был расположен на токовом трансформаторе, закрыв обмотку трансформатора от сверхпроводящего провода.
В настоящее время срок службы короба трансформатора в жидком азоте составил более полугода при условиях частых замораживаний до температуры жидкого азота и отогрева до комнатной температуры, что является самым жестким режимом эксплуатации, в то время как стандартный пластиковый короб растрескался в жидком азоте и оголил намотку трансформатора сразу после погружения в жидкий азот.
В данном примере срок службы определяется не только химическими свойствами полилактида, но также и его физическими свойствами: как указывалось ранее, полилактид обладает высокой электрической прочностью, что дополнительно улучшает эксплуатационные характеристики изготавливаемых из него изделий.
Таким образом, как следует из представленных примеров, полилактид может найти широкое применение для получения различных продуктов, эксплуатируемых в криогенных средах.
Приведенные примеры осуществления изобретения представлены как иллюстративные, т.е. не наносящие никаких ограничений на объем защиты.