КОМПЛЕКСНАЯ АРМИРУЮЩАЯ НИТЬ АРМИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ И АРМИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Назначение и область применения.
Полезная модель относится к области изготовления термопластичных армированных полимерных изделий и армирующих систем для их армирования, применяемых в различных отраслях машино- и судостроения, в авиационной, космической промышленности, нефтегазовой отрасли и строительстве гидросооружений и коллекторов, в том числе, для транспортировки горячей воды или иных жидких и газообразных сред, в том числе, нефтепродуктов, а также для изготовления деталей сложной конфигурации, например тонко- и толстостенных корпусов, деталей соединительных узлов и т.п.
Предшествующий уровень техники
Известно, что полимерные изделия имеют хорошие механические характеристики и могут быть реализованы в широком диапазоне форм и размеров. Тем не менее, для некоторых применений необходимо выполнять армирование с целью увеличения прочности полимерных изделий и увеличения их сопротивляемости внутреннему или внешнему давлению. В частности, емкости большой вместимости, защитные или корпусные оболочки, строительные конструкции или панели, цельные или полые профили, а также трубы большого диаметра, соединительные детали и т.д. нуждаются в дополнительном механическом усилении. Традиционно, армирование может быть выполнено либо путем использования вспомогательных гетерогенных элементов, таких как волокна выполненные из стекла, углерода или арамида, либо при помощи металлических элементов, вроде металлических лент, которые могут быть наложены, например, на топливный бак после его изготовления путем, например, литья под давлением.
В заявке WO 02/088589 описан способ изготовления армированной пластмассовой трубы, включающий шаг навивки особым образом, по крайней мере, двух слоев армирующих лент, состоящих из ориентированных полимеров, вокруг полой полимерной оправки. В предпочтительном варианте ориентация молекул полимера внутри армирующих лент поддерживается благодаря навивке тонкой теплозащитной ленты вокруг армирующего слоя. Теплозащитная лента состоит из неориентированного полимера, совместимого с ориентированным полимером расположенного под ним слоя. После этого поверх слоя, образованного из тонкой теплозащитной ленты, наносится путем экструзии наружный отделочный слой. Однако при этом не образуется тесного контакта между армирующими лентами и отделочным слоем, поскольку между ними находится слой, образованный теплозащитной лентой, что само по себе снижает эффективность армирования. Кроме этого, требуется дополнительный шаг наложения теплозащитной ленты, чтобы изготовить армированное полимерное изделие, что увеличивает стоимость. Таким образом, данная конструкция имеет ограниченную область применения, а за счет возможности деформации смежных слоев, обладающих разными физико-механическими свойствами и коэффициентами температурного расширения, в условиях отсутствия монолитности конструкции изделия, может быть разрушена система армирования при повышенных нагрузках, что в свою очередь ведет к выходу из строя изделия в целом.
Известны винты или резьбовые стержни из армированных волокном термопластов, причем заготовки винтов изготовляют либо посредством соэкструзии или способом многокомпонентного литья под давлением. В этом известном выполнении (заявка ФРГ N 4016427) в качестве исходного материала используют круглые прутки, изготовляемые посредством соэкструзии. Для сердцевинной зоны в одном экструдере приготовляют гранулят с длинными волокнами длиной 5-10 мм, а для внешней зоны в другом экструдере - термопластичный гранулят с короткими волокнами. Таким образом, получают исходный материал, у которого внутренние длинные волокна и внешние короткие волокна соосны. Длинные волокна во внутренней сердцевинной зоне ориентированы преимущественно аксиально за счет процесса течения при экструзии, а короткие волокна во внешней зоне передают срезающие усилия в витках резьбы. Витки резьбы изготовляют путем последующего холодного формообразования, которое становится возможным за счет использования коротких волокон, однако именно расположение таких коротких волокон в зоне резьбы снижает прочностные показатели. Кроме того, указанная технология и система армирования сложны и неэффективны как в производстве, так и в эксплуатации изделия.
В легких конструкциях, в особенности в самолетостроении, также все большее распространение приобретает использование деталей из полимерных или композитных материалов, изготовленных из пластиков, армированных нитями или волокнами, способными выдерживать критические механические перегрузки и в то же время обладающими высоким потенциалом экономии веса.
Одним из возможных способов армирования полимерных изделий, в данном случае, является использование известной TFP-технологии. Эта технология включает в себя размещение волокнистых прядей («пучков») для механического армирования, в свою очередь, состоящих из множества отдельных армирующих волокон, проходящих параллельно друг другу по любой желаемой криволинейной траектории, и прикрепление их при помощи фиксирующих нитей к опорному слою для получения волокнистой заготовки («заготовка»), в результате чего выравнивание отдельных волокнистых прядей может практически оптимально соответствовать направлению нагрузки, действующей на готовую композитную деталь. Прикрепление осуществляется при помощи верхней и нижней фиксирующих нитей, которые соединяются друг с другом под опорным слоем, образуя петли - так же, как при обычных способах сшивания. Прикрепление волокнистых прядей осуществляется, например, при помощи обычных зигзагообразных стежков. В качестве армирующего волокна используется, например, стекловолокно, углеродное волокно, арамидное волокно и т.п. Однако, данная технология отличается сложностью ее реализации и использованию специализированно оборудования. При этом, эффективность указанного способа армирования невысока вследствие образования сужений в распределении волокон при их прошивке, а также в результате образования пустот между волокнами, которые ослабляют эффект армирования и могут вызвать деструкцию армирующего слоя. Кроме того, данные технологии не обеспечивают достаточный уровень адгезии армирующего и полимерного слоев.
В описании патента DE 10061028 A1 раскрыт способ армирования, в котором фиксирующие нити в волокнистой заготовке химически растворяются или термически расплавляются, позволяя тем самым выравнивать положение армирующих волокон в слое армирования, но здесь существует опасность повреждения волокнистых прядей при отрывании пришитого основания. Химическое растворение фиксирующих нитей может в этом случае осуществляться только при соответствующей смоляной системе в процессе пропитки волокнистой заготовки, так что повреждение смоляной матрицы не исключается. Аналогично предыдущему примеру армирования, данный способ армирования также не обеспечивают достаточный уровень адгезии армирующего и полимерного слоев, что ослабляет эффект армирования и может вызвать расслоение армирующего и полимерного слоев, в том числе, с частичным разрушением целостности каждого из них.
Известны также конструкция и способ изготовления пластмассовой трубы по патенту РФ №2205318 от 19.02.2001, в соответствии с которым между внутренним и наружным слоями из термопластичного материала расположен армирующий наполнитель из намотанных по спирали в двух взаимно противоположных направлениях непрерывных полимерных или минеральных армирующих нитей, углубленных в наружную поверхность внутреннего слоя и внутреннюю поверхность наружного слоя. Намотку армирующих нитей осуществляют на трубу, пластифицированную путем разогрева, после чего с помощью дополнительного экструдера наносят наружный термопластичный слой. Данное решение по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявленной полезной модели и принято за прототип.
Недостатками данного решения являются неудовлетворительное качество адгезии армирующего материала к полиэтиленовым слоям, а также опасность локальных нарушений целостности стенок трубы (образования свищей) в результате развития пластической деформации (внутри ячеек, образованных армирующими нитями) при превышении возникающих напряжений модуля упругости материала трубы в результате существенного повышения давления рабочей среды.
Очевидно, что во всех вышеуказанных примерах армирование полимерных изделий не позволяет сформировать монолитную структуру изделия, включающего, по меньшей мере, один основной полимерный слой и связанную с ним армирующую систему, на нитяной основе, выполненную каким-либо, известным из предшествующего уровня техники способом, что влечет за собой ограничение области их применения при высоких нагрузках. Проблема заключается, в частности, в выборе материалов армирующей нити и армируемого изделия, имеющих различное химическое строение и не имеющих химической или диффузионной адгезии между собой.
Некоторые полимерные материалы, из которых изготавливаются полимерные изделия, такие как полиэтилен (LDPE/ПЭВД, HDPE/ПЭНД, LLDPE/ЛПЭНП, PEX/ПЭС, PERT/ПЭРТ и т.п.), полипропилен, полибутен и т.п. являются неполярными и не имеют химической или диффузионной (межмолекулярной) адгезии к полярным полимерам, таким как арамид, пара-арамид из которых изготавливаю высокопрочные высокомодульные нити и волокна (KEVLAR, TWARON и др.). По этой причине межмолекулярное взаимодействие таких полимеров трудно или совсем не достижимо. Поэтому для создания надежного соединения изделий друг с другом выполненных из таких материалов необходимо рассматривать другие способы, например, механическую адгезию, которая, согласно теории адгезии, осуществляется за счет затекания адгезива (в данном случае полиэтилена) в поры, неровности, поднутрения, трещины, микрошероховатости на поверхности субстрата (в данном случае армирующей п-арамидной нити) с последующим затвердеванием. При этом считается, что между адгезивом и субстратом образуются «заклепки», связывающие компоненты адгезионного соединения путем механического заклинивания. Таким образом, прочность адгезионного соединения определяется пористостью субстрата и прочностью пленки адгезива.
Таким образом, при армировании полимерных (например, полиэтиленовых или полибутеновых) изделий методами плетения или оплетки на плетельных или оплеточных машинах, например, пара-арамидными нитями или волокнами невозможно добиться адгезии волокна с полимерными материалами из которых изготовлены изделия. В этом случае армирующая система не является элементом конструкции, а является самостоятельным независимым армирующим слоем, имеющим возможность перемещения при наложении нагрузки. По этой причине, можно вручную удалить одно или несколько армирующих волокон из полимерной трубы.
Также перемещение волокон можно наблюдать, например, при экспандировании (расширении) трубы перед монтажом пресс-фитингов. Когда экспандер увеличивает внутренний диаметр трубы, стенка трубы уменьшается, а армирующие волокна, целью которых является сдерживать внутреннее давление на трубу и, как следствие, не дать увеличиться трубе в диаметре, начинают раздвигаться и перемещаться в осевом направлении от торца трубы. Это свидетельствует об отсутствии адгезии армирующих волокон к материалам трубы.
Как уже было отмечено выше, причина отсутствия адгезии лежит в физической и химической природе материалов изделия и армирующих волокон.
Поэтому, при армировании полиэтиленовых изделий пара-арамидным волокном, невозможно добиться сплавления волокна с материалом армируемого слоя изделия, т.к. пара-арамид не плавится, а температура его разложения составляет около 450°C, в отличие от полиэтилена, температура плавления которого составляет 106-135°C. Или, например, при армировании полиэтиленовых изделий лавсановым (полиэтилентерефталатным) волокном, невозможно добиться сплавления материалов, т.к. температуры их плавления существенно различаются (у лавсана около 260°C).
Таким образом, в описанном выше примере можно допустить только, так называемую механическую адгезию материалов, т.е. их сцепление за счет шероховатости или неровности поверхностей сцепляемых материалов. Например, расплавленный полиэтилен зацепляется за микрошероховатости пара-арамидных волокон на их поверхности или проникает между ними создавая тем самым так называемое поднутрение (заклепки), за счет которого полиэтилен удерживается на пара-арамидном волокне. Но, как известно из уровня техники, полимеры являются не смачиваемыми материалами и имеют низкое значение поверхностного натяжения. Таким образом, например, полиэтилен в силу таких свойств, не может проникнуть между элементарных нитей волокна (ленты, жгута, шнура и т.п.) без дополнительных средств в виде приложения давления (фиг. 1). Это подтверждается методом разрушающего контроля, когда пара-арамидное волокно без усилий может быть извлечено из стенки армированного полиэтиленового изделия, например, трубы. При визуальном осмотре полости (канавки) в стенке такого изделия, образованной извлеченным волокном при производстве трубы, можно обнаружить остаточные следы отдельных волокон в виде коротких отрезков микроскопических нитей. Это доказывает тот факт, что некоторые волокна, расположенные на поверхности пучка волокна, которым армируется труба, в силу наличия неровностей зацепляются за материал трубы. Но, по причине того, что полиэтилен не может проникнуть внутрь пучка волокна и не соприкасается с нитями расположенными в центре пучка, волокно может быть без усилий удалено из материала трубы, при этом некоторые внешние нити пучка волокна, которые соприкасаются с материалом трубы могут быть разрушены и остаться на поверхности канавок образованных в материале самими волокнами при армировании трубы. Описанный выше недостаток при армировании не позволяет сделать армирующий слой элементом конструкции изделия и существенно снижает прочность изделия. Армирующий слой в таких изделиях является независимым (может перемещаться внутри стенки армированного слоя), что также не позволяет выполнить качественное и надежное соединение изделий, например, труб или профилей, соединительных элементов или оболочек, между собой или с элементами соединительной арматуры. Соединительные узлы, которыми должны соединяться такие изделия должны быть не типовыми (которые используются для соединения монослойных изделий или аготовок) и тем более не муфты с нагревательным элементом (электромуфты), а специально разработанные с возможностью надежно фиксировать армирующий слой со стенкой армируемого изделия в таких соединительных узлах. На практике хорошо известны случаи, когда армирующие волокна не надежно фиксируются соединительными узлами и перемещаются из области обжатия узла, что влечет разрыв трубы, и называются концевым эффектом трубы. Этот факт также свидетельствует об отсутствии адгезии между армирующим волокном и армируемым слоем полимерного изделия.
Также известен из уровня техники существенный недостаток, связанный с тепловым расширением полимерных изделий или различным линейным расширением самого изделия и армирующего это изделие материала, приводящий к расслоению или разрушению всей конструкции.
Указанные недостатки известных решений ограничивают сферу применения армированных термопластичных (полимерных) изделий и существенно снижают надежность и долговечность их использования.
Сущность полезной модели
Техническая задача решаемая заявленной полезной моделью, заключается в преодолении вышеуказанных недостатков конструкции и предложении простого и эффективной армирующей системы и нитей ее составляющих и предназначенных для армирования полимерных изделий.
Технический результат, достигаемый заявленным полезной моделью, заключается в повышении прочности и упругости как армирующей системы, так и армируемого изделия за счет применения в конструкции армирующей системы комплексных армирующих нитей, и как следствие, снижении материалоемкости и уменьшении стоимости производства, как армирующей системы, так армируемого изделия, при одновременном повышении эффективности армирования полимерных изделия, при сохранении их эксплуатационных параметров и срока его службы.
Технический результат, при этом, достигается тем, что используют в вышеуказанной конструкции полимерного изделия армирующую систему для армирования полимерных изделий на нитяной основе характеризующаяся тем, что выполнена из комплексных нитей, состоящих из пучка, соединенных между собой, по меньшей мере, нитей двух типов, включающих, по меньше мере, одну высокопрочную, высокомодульную базовую армирующую нить, и, по меньшей мере, одну заполняющую нить из термопласта с температурой плавления более низкой по сравнению с базовой армирующей нитью и близкой к температуре плавления материала армируемой поверхности полимерного слоя, при этом заполняющая нить равномерно распределена по объему в пучке комплексной армирующей нити.
Заполняющая и базовая армирующая нити предпочтительно соединены вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой с формированием комплексной армирующей нити.
При этом, базовая армирующая нить и/или заполняющая нить могут быть выполнены в виде комплексной нити, состоящей из пучка элементарных нитей и/или волокон, и при этом могут быть выполнены многокомпонентными, включающими элементарные нити и/или волокна, выполненные из разных материалов, соответствующих типу нити.
Предпочтительно, базовая армирующая нить выполнена из неплавкого, и/или тугоплавкого полимера, и/или полимера с высокой температурой плавления, существенно выше температуры плавления материала армируемого основного слоя трубы или смежного с ней верхнего покрывающего слоя. В частности, базовая армирующая нить нитяной основы может быть выполнена из пара-арамидного, и/или из полиоксадиазольных (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола), и/или иного высокомодульного материала.
Тогда как заполняющая нить предпочтительно выполнена из термопластичных полимеров с температурой плавления ниже температуры плавления базовой армирующей нити. В частности, заполняющая нить согласно полезной модели, может быть выполнена из таких материалов, как полиэтилена или полипропилена, а армирующая система предпочтительно выполнена в виде плетеного бесшовного рукава.
Армирующая система, может быть также выполнена в виде навивки комплексной армирующей нити в один слой или в несколько слоев.
Технический результат, при этом, достигается также тем, что используют в вышеуказанной конструкции трубы комплексную армирующую нить армирующей системы для армирования полимерных изделий характеризующуюся тем, что она состоит из пучка, соединенных между собой, элементарных нитей или волокон, по меньшей мере, двух типов, образующих, по меньшей мере, одну базовую армирующую нить из высокопрочного, высокомодульного материала и одну заполняющую нить из термопласта с температурой плавления более низкой по сравнению с базовой армирующей нитью и близкой к температуре плавления полимерного материала смежного слоя армируемого изделия, причем заполняющая нить равномерно распределена в пучке комплексной армирующей нити и по объему в базовой армирующей нити.
Предпочтительно базовая армирующая нить и/или заполняющая нить выполнена комплексной, состоящей из пучка элементарных нитей и/или волокон. При этом, базовая армирующая нить предпочтительно выполнена из неплавкого полимера или полимера с высокой температурой плавления, существенно выше температуры плавления полимерного материла смежного армируемого слоя изделия, например, пара-арамидных и/или, например, полиоксадиазольных (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола) и/или полипропиленовых, и/или полиамидных и/или полиэфирных элементарных нитей или волокон, тогда как заполняющая нить предпочтительно из термопластичных полимеров с температурой плавления ниже температуры плавления базовой армирующей нити, например, их таких материалов, как полиэтилена и/или полипропилена.
В еще одном варианте осуществления полезной модели, базовая армирующая нить и/или заполняющая нить могут быть выполнены многокомпонентными, включающими элементарные нити и/или волокна, выполненные из разных материалов, соответствующих типу нити.
Заполняющая и базовая армирующая нити предпочтительно соединены вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой с формированием комплексной армирующей нити.
Использованный термин «волокно» означает вытянутое тело, у которого размер по длине значительно превышает перпендикулярные размеры по ширине и толщине. Поперечные сечения волокон, используемых в данной полезной модели, могут широко варьироваться. Они могут быть круглыми, плоскими или вытянутыми. Соответственно, термин включает нити, ленты, полосы и т.п.с регулярным или нерегулярным поперечным сечением. Они также могут иметь нерегулярное или регулярное поперечное сечение со многими выступами, из которых один или несколько выступов являются регулярными или нерегулярными.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, где
фиг. 1 - схемное представление расположения армирующих элементарных нитей или волокон в конструкции армированного полимерного изделия, известной из предшествующего уровня техники, где 1 - сечение нитей или волокон армирующей системы, 2 - пустоты между нитями или волокнами армирующей системы, 3 - основной полимерный слой, 4 - верхний (покрывающий) дополнительный полимерный слой;
фиг. 2 - схемное представление комплексной нити согласно полезной модели, в разрезе, где 5 - сечение базовой армирующей нити, 6 - сечение заполняющей нити
Фиг. 3 схемное представление вариантов обеспечения монолитной структуры армированной трубы: а) размещение комплексной армирующей нити на внешней поверхности основного армируемого слоя, до расплава материала основго слоя и заполняющей нити; б) с вплавлением базовых армирующих нитей в приповерхностный слой основного полимерного слоя; в) с частичным погружением базовых армирующих нитей в основной полимерный слой; г) с полным погружением базовых армирующих нитей в основной полимерный слой.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое, очевидно для специалиста в данной области техники, может включать другие варианты осуществления.
Пример осуществимости полезной модели.
Как следует из представленного на фиг 1 и фиг. 3 чертежей, согласно заявленному решению полезной модели, полимерная труба содержит основной полимерный слой 3, снабженный армирующей системой (на чертежах не представлена), состоящей из комплексных армирующих нитей. Словосочетание «комплексная армирующая нить» в контексте полезной модели относится к комбинации, по меньшей мере, двух нитей, состоящих из элементарных нитей или волокон различных материалов, которые были объединены, сложены, скручены или свиты вместе в одну нить, по меньшей мере, за одну операцию соединения или смески. Как показано на фиг. 2, относительные размеры данных нитей могут быть примерно одинаковыми, но и другие относительные размеры также не выходят за рамки настоящей полезной модели.
Согласно полезной модели (фиг. 2) комплексные армирующие нити армирующей системы состоят, по меньшей мере, из нитей двух типов: базовой армирующей нити 5, выполненной из неплавкого и/или тугоплавкого полимера, и/или полимера с высокой температурой плавления, и заполняющей нити 6, выполненной из термопластичного материала, с температурой плавления близкой к температуре плавления материала основного слоя 3 и более низкой по сравнению с данным параметром базовой армирующей нити. В частности, в случае выполнения основного слоя из сшитого полиэтилена (РЕХ) любой модификации, заполняющие нити 6 могут быть выполнены из полиэтилена.
В свою очередь, так как базовая армирующая нить 5 несет всю основную нагрузку на армирующую систему, она может быть выполнена из таких высокопрочных неплавких и/или с высокой температурой плавления полимерных материалов как одно- или многокомпонентные, высокомодульные или высокопрочные полимерные нити, например, ароматические полиамидные, полиэфирные, алифатические полиамидные, поливинилспиртовые, гидратцеллюлозные, п-арамидные, п-арилатные, ароматические
полиэфирные, поли-п-фениленбензо-бис-оксазольные и -тиазольные, полиоксадиазольные (поли-пара-фенилен-1,3,4-оксадиазола), полиакрилонитрильные, поликапроамидные, полиэтилентерефталатные, полипропиленовые, полиэтиленовые, из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, полиамидные, арамидные, полиимидные, полибензимидазольные и др. их сополимеры и модификации. Под арамидным материалом подразумевается длинная цепочка синтетического ароматического полиамида, имеющего амидные связи, прикрепленные непосредственно к двум ароматическим кольцам или в пара- или мета-положении. При этом пара-арамиды, например, включают поли(пара-фенилентерефталамид) (PPD-T), поли(п-бензамид) или им подобные и волокна, которые продаются, например, под торговой маркой KEVLAR от фирмы E.I. DuPont de Nemours and Company и под торговой маркой TWARON от фирмы Teijin Ltd. Однако, очевидно, что перечень материалов, которые могут быть применены в качестве базовой армирующей нити, согласно полезной модели не ограничивается пара-арамидными волокнами, могут быть также использованы, например, углеродные, капроновые, полиамидные, лавсановые и т.п. нити.
В настоящей полезной модели размер нитей, формирующих композиционную нить не имеет ограничений, и может быть ограничен только ассортиментом данных нитей производителя. При этом согласно настоящей полезной модели, окончательный размер комплексной армирующей нити также не имеет специальных ограничений, и может устанавливаться по желанию для конкретного применения подходящим выбором материала базовой армирующей и заполняющей нитей. Вместе с тем, для достижения заявленного технического результата предпочтительно формирование комплексной армирующей нити с равномерным распределением заполняющей нити в пучке комплексной армирующей нити, по объему базовой армирующей нити, что обеспечивает максимально надежное сцепление армирующей системы с основным полимерным слоем и/или дополнительным внешним, покрывающим слоем и обеспечивает монолитность конструкции.
Комплексная армирующая нить, согласно полезной модели формируется из заполняющей нити и базовой армирующей нити, соединенных вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой. Способы и оборудование, используемые для скручивания и сложения нитей с целью получения комплексной нити, не имеют особых ограничений. Подходящие для этого текстильные крутильные машины включают, например, кольцекрутильную машину, крутильную машину «2 в 1», прямую тростильную машину и любую другую крутильную машину, известную в данной области техники. При этом нити, формирующие комплексную армирующую нить могут быть смешаны друг с другом, сложены друг с другом или скручены друг с другом на любом подходящем этапе процесса изготовления данной нити или трубы. Например, в вязальную машину могут быть заправлены обе нити, где из них формируется комплексная нить по мере выполнения процесса вязки армирующей системы на трубном элементе.
Базовая армирующая и/или заполняющая нити могут содержать как элементарные нити, так и волокна вышеуказанных материалов. При этом, каждая из них может быть представлена в качестве комплексной нити, состоящей из пучка соответствующих элементарных нитей или волокон, а также может быть выполнена в виде многокомпонентной нити, включающей элементарные нити или волокна разных материалов, но относящихся к соответствующему нити типу. При этом, например, такая комплексная и многокомпонентная заполняющая нить может включать, по меньшей мере, элементарные нити из термопласта с разной температурой плавления, с одной стороны, более низкой, чем температура плавления базовой армирующей нити, и, с другой стороны, близких к температуре плавления основного полимерного слоя и покрывающего слоя, например, выполненных из термопласта с разными температурами плавления. Возможность выполнения базовой и/или заполняющей нити комплексной, а также, комплексной и многокомпонентной, позволяет обеспечить максимально высокую степень адгезии между армирующей системой и армируемыми основным и покрывающим слоем, за счет равномерного распределения расплава заполняющей нити по объему базовой комплексной армирующей нити, охватывая расплавом каждую элементарную нить или волокно базовой армирующей нити, тем самым исключая создание пустот и зон с ослабленной прочностью или, напротив, излишне преднапряженных. Возможность выбора заполняющих нитей с разными температурами плавления, в случае выполнения основного и покрывающего слове из разных полимерных материалов, также обеспечивает возможность достижения максимально высокую степень адгезии соединяемых материалов элементов конструкции, вследствие беспрепятственного вплавления расплава соответствующих элементарных нитей или волокон заполняющей нити в расплав смежных с армирующей системой армируемых слоев, что обеспечивает монолитность конструкции в целом. В силу широкой известности способов производства каждого и вышеуказанных вариантов формирования нитей, выбор структуры базовой армирующей или заполняющей нитей зависит от технологических возможностей производства.
Для достижения заявленного технического результата предпочтительно формирование комплексной нити с равномерным распределением низкоплавкой нити в по объему в комплексной армирующей нити, таким образом, что обеспечивается охват одной или каждой из пучка базовых армирующих нитей, входящих в состав комплексной нити, по всей длине. При этом, возможно управление свойствами армирующей системы установкой пропорционального соотношения нитей двух видов в составе комплексной нити, а также выбором числа круток низкоплавкой нити.
Данная конструкция комплексной нити обеспечивает максимально надежное сцепление армирующей системы с основным полимерным слоем и/или дополнительным внешним, покрывающим слоем и обеспечивает монолитность структуры конечной конструкции изделия.
При равномерном распределении базовой армирующей нити и заполняющей нити в пучке комплексной армирующей нити с одновременным равномерным распределение заполняющих нитей, т.е. более низкоплавких по отношению к базовой армирующей нити, по объему базовой армирующей нити, позволяет достичь высокой степени адгезии между ними при расплаве заполняющих нитей нагревом до температуры плавления. Расплав заполняющей нити заполняет все воздушное пространство между элементарными нитями базовой армирующей нити, охватывая их полностью по всей длине. При этом, при заполнении расплавом всего воздушного пространства между элементарными нитями базовой армирующей нити, создается механическая адгезия между каждой элементарной нитью высокопрочной высокомодульной базовой армирующей нити друг с другом.
В процессе нанесения многокомпонентной комплексной армирующей нити на полимерное изделие, один или несколько компонентов нити, являющейся заполняющей нитью, выполненной из низкоплавкого материала по отношению к базовой комплексной нити и приближенного по температуре плавления к температуре плавления материалов армируемого изделия, и равномерно распределенный между элементарными нитями одно- или многокомпонентной базовой армирующей нити, плавится и заполняет все воздушное пространство между базовыми элементарными нитями. При заполнении расплавом всего воздушного пространства между элементарными нитями базовой комплексной нити, создается механическая адгезия между каждой элементарной нитью высокопрочной высокомодульной комплексной базовой нити друг с другом и с материалом из которого изготовлено изделие. В этом случае, происходит так называемое механическое заклинивание материала армируемого изделия между элементарных нитей комплексной армирующей нити. А поскольку комплексная армирующая нить выполнена, предпочтительно, крученой, это полностью исключает осевое перемещение элементарных нитей комплексной армирующей нити между собой и относительно армируемого изделия. Таким образом, формируется монолитная структура армируемой конструкция, в которой все элементы связаны между собой и работают как единое целое, что существенным образом отражается на увеличении прочностных характеристик армированного изделия.
Комплексная нить, согласно полезной модели формируется из заполняющей и базовой армирующей нитей, состоящих из элементарной нити или пучка элементарных нитей или волокон, и соединенных вместе трощением, или сопряжением, или сращиванием, или плетением, или круткой, или иным известным из уровня техники способом соединения нитей различных типов. Способы и оборудование, используемые для скручивания и сложения нитей с целью получения комплексной армирующей нити, не имеют особых ограничений. Подходящие для этого текстильные крутильные машины могут включать, например, типовые модернизированные тростильно-крутильные машины, а для нанесения волокна на изделие типовые плетельные или оплеточные машины. При этом нити, формирующие комплексную нить могут быть смешаны друг с другом, сложены друг с другом или скручены друг с другом на любом подходящем этапе процесса изготовления данной нити или конечного изделия.
Армирующая система может быть вывязана вокруг армируемого основного слоя полимерного изделия, с использованием при этом любого из многочисленных способов вязания, известных в данной области. Этот способ вязания может, например, содержать гладкую петлю или петлю, образуемую перенесением на прилегающую иглу. При этом может использоваться любое подходящее число кордных нитей, игл и/или вязальных головок. Согласно данной полезной модели размер петли не имеет особых ограничений. Хотя предпочтение отдается вязаному армированию, предусматривается также, что в альтернативном варианте комплексная нить может с успехом быть представлена в виде плетеного шнура или фасонной штопорной пряжи, или же представлять собой армирующий обвитый тканый материал, нетканый материал или шинную кордную ткань и т.п. При этом, армирующая система может содержать один или большее количество слоев.
Согласно полезной модели, полимерное изделие может содержать дополнительные верхний(покрывающий) и внутренние слои. При этом, верхний, покрывающий, слой, может быть выполнен из термопластичного материала с температурой плавления близкой к температуре плавления заполняющей нити и основного полимерного слоя, что обеспечивает формирования монолитной структуры армированного полимерного изделия, так как в процессе его изготовления и нагрева основного полимерного слоя изделия с армирующим покрытием и нанесенным верхним слоем, осуществляется равномерный расплав заполняющей нити и смежных с армирующей системой поверхностей полимерных слоев, с последующим вплавлением заполняющей нити в данные поверхности. Так как элементарные нити ли волокна заполняющей нити равномерно распределены в комплексной армирующей нити, по объему базовой армирующей нити, соединение слоев между собой также осуществляется равномерно
Осуществление полезной модели возможно на существующем типовом оборудовании, производимым машиностроительной отраслью в области переработки полимеров и не требует применения дополнительных специальных средств, существенно повышающих стоимость производства изделия. При этом, способ армирования состоит из 2-х стадий.
Первая стадия заключается в подготовке комплексной армирующей нити. Комплексная армирующая нить изготавливается, по меньшей мере, из двух типов элементарных нитей или волокон, на типовом оборудовании методами: трощения, сопряжения, сращивания, плетения, крутки и т.п. Один тип нити, это базовая армирующая нить (например, выполненная из пара-арамида), которая несет всю нагрузку изделия, и может быть выполнена из высокопрочных неплавких или с высокой температурой плавления полимерных материалов, второй тип - это заполняющая нить (например, выполненная из полиэтилена), которая преимущественно является термопластом с более низкой температурой плавления, чем базовая армируюшая нить и такой же или близкой к температуре плавления материалов самого армируемого изделия. Базовая армирующая нить, также как и заполняющая нить могут быть выполнены комплексными и представлять собой пучок элементарных нитей или образующих нить волокон, выполненных из соответствующих их назначению материалов. Заполняющая нить равномерно распределяется в комплексной армирующей нити по объему базовой армирующей нити, в количестве приближенным к объему пустот между элементарными нитями или волокнами базовой армирующей нити (фиг. 2).
Вторая стадия - армирование основного слоя трубы подготовленной комплексной армирующей нитью на типовом оборудовании и нанесение покрывающего слоя (слоев) или без слоя, при условии, что температура плавления верхнего (покрывающего) слоя близка к температуре основного слоя и/или заполняющей нити. Армирующую систему на основе комплексной армирующей нити наносят на пластифицированную путем разогрева наружную поверхность армируемого основного полимерного слоя изделия (фиг. 3) с формированием армирующего покрытия на его наружной поверхности. Процесс соединения армирующего покрытия с армируемым основным полимерным слоем осуществляют при нагреве основного полимерного слоя изделия с армирующим покрытием до температуры плавления заполняющей нити и наружной поверхности основного полимерного слоя изделия (фиг. 3б) - 3г)). Под воздействием температуры, заполняющая нить плавится. Расплавленный материал равномерно распределяется между элементарными нитями или волокнами базовой армирующей нити и заполняет все пустоты. За счет межмолекулярной адгезии (диффузии) между однотипными материалами расплавленный материал приплавляется к внешней поверхности основного слоя и к внутренней поверхности покрывающего расплавленного слоя, тем самым формируя монолитную структуру армированного полимерного изделия с надежно закрепленной армирующей системой внутри материала армируемого изделия. Процесс нагрева заготовки осуществляется на типовом оборудовании, широко применяемом при традиционных методах армирования полимерных изделий и не требует его доработки или модификации.
Процесс соединения армирующей системы с армируемым основным полимерным слоем, при этом, осуществляют с обеспечением вплавления расплава заполняющей нити в наружную поверхность основного полимерного слоя и равномерным его распределением в пучке комплексной армирующей нити, с вплавлением нитей базовой армирующей нити, смежных с армируемым полимерным слоем в приповерхностный слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя (фиг. 3б)), либо с полным (фиг. 3г)) или частичным (фиг. 3в)) погружением на неполную высоту базовой армирующей нити в слой образованный расплавом заполняющей нити и армируемого полимерного слоя.
Различная глубина погружения армирующей нити достигается путем регулирования температуры нагрева армирующего слоя и усилия натяжения армирующей нити. Чем выше температура и больше усилие натяжения, тем больше возможно достигать погружения армирующей нити в армирующий слой. И соответственно, чем ниже температура армируемого слоя и меньше усилие натяжения, тем меньше армирующая нить погружена в армирующий слой и может быть зафиксирована на поверхности армируемого слоя.
Таким образом, согласно полезной модели, возможно формирование полимерных армированных изделий, с разным расположением базовых армирующих нитей по отношению к армируемому слою, в зависимости от требований к эксплуатационным параметрам изделия, и соответственно его конструкции (с покрывающим слоем, с дополнительным покрывающим слоем, без покрывающего слоя, с дополнительным внутренним слоем и т.п.). В частности, возможны различные варианты армирования, среди которых например: базовая армирующая нить не погружается в армируемый слой изделия; базовая армирующая нить частично погружается в армируемый слой изделия; базовая армирующая нить полностью погружена в армируемый слой изделия.
Согласно полезной модели, также возможно наносить один или несколько последовательных армирующих слоев состоящих из армирующих систем на основе комплексных армирующих нитей, которые будут приплавляться к нижнему предыдущему слою также образуя монолитность конструкции. Таким образом, можно производить монолитные многослойные армированные полимерные изделия, с заданной прочностью трубы, достигая ее существенного увеличения до 250 бар и более.
Изделия, армированные согласно полезной модели, могут быть соединены обычными соединительными узлами для монолитных изделий и широко применяемыми в настоящее время электромуфтами, что существенно упрощает процесс монтажа и эксплуатации.
Технология изготовления основного слоя, а также нанесения дополнительных верхнего и внутреннего слоев известна из предшествующего уровня техники не является предметом рассмотрения данной полезной модели.
Таким образом, за счет применения в конструкции системы армирования комплексной армирующей нити, содержащей помимо базовой армирующей нити, заполняющей нити, с температурой плавления близкой к температуре плавления смежных с армирующей системой полимерных слоев, обеспечивается монолитность структуры полимерного изделия образованной вплавлением заполняющей нити в поверхность смежных полимерных слоев с одновременным равномерным распределением расплава заполняющей нити между нитями комплексной армирующей нити, по объему базовой армирующей нити. Монолитность конструкции полимерного изделия обеспечивает повышение прочности и упругости изделия за счет закрепления армирующей системы в материале основного слоя, и как следствие - повышение рабочих характеристик изделия, снижение материалоемкости, увеличение срока эксплуатации, уменьшение линейного расширения. Простота процесса армирования подготовленной комплексной армирующей нитью обеспечивает также уменьшение стоимости армированных полимерных изделий и увеличение производительности технологических линий, за счет исключения дополнительных операций, связанных, например, с нанесение адгезива и/или прошивки армирующих нитей, и т.д., при сохранении эксплуатационных параметров изделия (рабочее давление, температура эксплуатации) и срока его службы. Армирующая система на основе комплексной армирующей нити, согласно полезной модели, характеризуется простой изготовления, а также высокой эффективностью за счет возможности адаптации свойств армирующей системы выбором составляющих комплексной армирующей нити.