ДЛИННОМЕРНОЕ ВИТОЕ ИЗДЕЛИЕ
LONG-LENGTH TWISTED PRODUCT

Изобретение относится к области изготовления длинномерных изделий (т.е. таких, продольные размеры которых существенно превышают поперечные), а именно, длинномерных витых изделий, и может быть использовано, в частности, в канатном производстве, в производстве сверхпрочных и долговечных кордов, используемых для армирования резинотехнических изделий, а также в производстве сверхпрочных и долговечных армированных композиционных и тканных материалов, используемых в средствах защиты от ударных воздействий.
В настоящее время широко известны длинномерные витые изделия, выполненные свивкой N однотипных длинномерных элементов с линейным касанием, где N>1, причем в качестве указанных длинномерных элементов могут использоваться синтетические мононити (например, полиамидные, полиэфирные и т.д.) или свитые из таких мононитей пряди, металлическая (как правило, стальная) проволока или свитые из проволоки пряди (стренги), а также нити, изготовленные из растительных, синтетических или минеральных волокон, или свитые из таких нитей пряди [1].
В зависимости от их назначения к длинномерным витым изделиям предъявляются различные требования по физическим характеристикам: прочности, протяженности, гибкости и жесткости, твердости, диаметру, весу, габаритам по объему, стойкости к агрессивным внешним воздействиям и т.д. При этом к числу основных эксплуатационных свойств по существу любого длинномерного витого изделия следует отнести способность выдерживать продолжительные по времени нагрузки, т.е. его долговечность, а также прочность на разрыв (предельная прочность). Следует однако отметить, что большинство используемых в настоящее время длинномерных витых изделий, выполненных из традиционных материалов, характеризуется относительно невысокими значениями разрывной прочности - в частности 700-800 МПа для нержавеющей холоднокатаной стальной проволоки и 140-160 МПа для капрона, см., например, [2, 3].
Возникающая в связи с этим задача увеличения разрывной прочности может быть решена путем модификации химического состава, физической структуры или усовершенствованием технологии получения материалов, используемых для производства длинномерных витых изделий. В частности, длинномерные витые изделия могут выполняться из известных высокомодульных ориентированных волокон, например, из Кевлара™ (торговая марка фирмы Е.И.Дюпон Де Немур, США), разрывная прочность которых (порядка 3.5 ГПа) в 4-5 раз выше, чем у стандартной стальной проволоки [4]. Вместе с тем, довольно сложная и трудоемкая технология получения указанных волокон приводит к их существенному удорожанию и делает их применение в некоторых областях техники экономически нецелесообразным. Вследствие этого область применения длинномерных витых изделий, изготовленных с использованием Кевлара™ и аналогичных материалов (в частности, Тварона™ - торговая марка компании Тейджин Тварон БВ, Нидерланды), в настоящее время по существу ограничена.
Настоящее изобретение направлено на создание длинномерного витого изделия, которое характеризуется повышенной (предельной) прочностью на разрыв (по сравнению с известными аналогичными изделиями из традиционных стандартных материалов) и при этом может быть изготовлено с использованием традиционных технологий из известных материалов без модификации химического состава или физической структуры последних, что обеспечит существенное расширение функциональных возможностей изделия.
Поставленная задача решена в длинномерном витом изделии, выполненном свивкой из N однотипных длинномерных элементов с линейно-точечным касанием, где N>1, в котором, согласно изобретению, шаг свивки длинномерных элементов L<50 мм, и при этом каждый длинномерный элемент содержит по крайней мере одно волокно или одну проволоку толщиной d<50 мкм.
В первом частном случае осуществления изобретения каждый длинномерный элемент представляет собой синтетическое моноволокно толщиной d<50 мкм.
Во втором частном случае осуществления изобретения каждый длинномерный элемент представляет собой прядь, свитую из по меньшей мере двух однотипных синтетических моноволокон толщиной d<50 мкм.
В третьем частном случае осуществления изобретения каждый длинномерный элемент представляет собой прядь, свитую из по меньшей мере двух однотипных нитей, каждая из которых выполнена из однотипных натуральных волокон толщиной d<50 мкм.
Еще в одном частном случае осуществления изобретения каждый длинномерный элемент представляет собой проволоку толщиной d<50 мкм.
Также в частном случае каждый длинномерный элемент может представлять собой прядь, свитую из по меньшей мере двух проволок толщиной d<50 мкм.
В случае, когда длинномерный элемент представляет собой синтетическое моноволокно или прядь, свитую из по меньшей мере двух таких однотипных моноволокон, или проволоку, или прядь, свитую из по меньшей мере двух таких проволок, предпочтительно шаг свивки L<30 мм.
Предпочтительно, число N однотипных длинномерных элементов при их заданной толщине d<50 мкм рассчитываются по формуле:
p,max
N≥f/p·f
где
p,max,
р - доля длинномерных элементов, имеющих максимальное разрывное усилие f f - нагрузка, которую должен выдержать пучок из длинномерных элементов.
Настоящее изобретение основано на открытых авторами общих универсальных природных явлениях и закономерностях [5-7]. Это, во-первых, одноэлементный масштабный эффект изменения физических характеристик твердых тел («эффект Цоя») [5], согласно которому при снижении линейных размеров в волокнистых и им подобных структурах (волокнах, нитях, проволоках) происходит существенное увеличение механической прочности (в т.ч. и разрывной прочности). При этом, если достигшие (при снижении линейных размеров) высокого значения разрывной прочности однотипные волокна или проволоки объединить в пучок, то полученный таким способом пучок при некотором значении числа N>1 составляющих его однотипных элементов достигнет своего предельного значения, близкого к теоретической прочности, определяемого прочностью химической связи материала, из волокон (проволок) которого собран пучок. Это так называемый многоэлементный масштабный эффект («эффект Цоя-Карташова-Шевелева» или «эффект пучка» [6]) изменения физических (в частном случае прочностных) характеристик твердых тел и полимеров. Кроме того, в пучке величина дисперсии прочностных характеристик, в соответствии с открытыми авторами закономерностями разброса [7], снижается обратно пропорционально числу однотипных элементов в нем. Следует отметить, что под однотипными в рамках настоящего изобретения понимаются элементы, выполненные из одного и того же материала одинаковым способом и имеющие по существу одинаковые массогабаритные характеристики.
Указанные эффекты наблюдаются во всех исследованных авторами традиционных волокнистых и им подобных материалах, включая натуральные (природные), синтетические и искусственные (полимерные и неполимерные) волокна, а также проволоки из различных металлов, независимо от их природы, химического и физического строения. Это подтверждается данными, приведенными в таблицах 1 и 2, в которых для различных известных материалов показаны выявленные авторами зависимости разрывной прочности σ (в МПа) от длины исследуемого образца L (в мм) при фиксированной толщине (таблица 1), а также зависимости разрывной прочности σ от толщины исследуемого образца d (в мкм) при фиксированной длине L (таблица 2).
Как следует из приведенных в таблицах 1 и 2 данных, в «массивных» волокнах или проволоках (d>50 мкм, L>80 мм) значение разрывного напряжения постоянно и сравнительно невелико: при таком соотношении диаметра и длины волокна масштабный эффект отсутствует. Следовательно, массивные волокна или проволоки непригодны для изготовления высокопрочных канатов, тросов и других длинномерных конструкций. При незначительном снижении значений толщины и длины волокон (или проволок) - к примеру снижении диаметра d до 50 мкм, а длины L волокон (или проволок) от 80 до 50 мм, происходит увеличение прочности. При этом разрывное напряжение некоторых материалов (шелка, α-кератина, полиамидных волокон) увеличивалось более чем вдвое, в то время как у других материалов (полиэфирные волокна, медная и стальная проволоки) увеличение прочности было недостаточно интенсивным (в пределах 40%). В техническом отношении эта область линейных и поперечных размеров волокон и проволок в большей степени пригодна для достижения эффекта увеличения долговечности и прочности витых длинномерных изделий или иных конструкций на их основе. Вместе с тем негативным фактором является в данном случае то, что выбор материала для изготовления волокон и проволок по существу ограничен.
При дальнейшем снижении линейных и поперечных размеров волокон и проволок (d<50 мкм и L<50 мм) обеспечиваются наиболее широкие возможности для достижения масштабного эффекта вне зависимости от физической или химической структуры материала. Как видно из таблицы 1, снижение длины волокна (проволоки) до 5 мм при фиксированном его (ее) диаметре в заданных пределах (менее 50 мкм) приводит к увеличению разрывной прочности в 4-5 (для шелка - в 11) раз. Аналогичная картина наблюдается при вариации диаметров d волокон и проволоки при фиксированных длинах L образцов (см. таблица 2), и при этом структура материала, из которого выполнены волокна или проволоки, влияет только на интенсивность увеличения разрывной прочности при сохранении общей тенденции.
к
к
K
Таким образом, для того чтобы одноэлементное волокно (или проволока) было высокопрочным, необходимо соблюдение принципа минимальности его (ее) линейных размеров: длина L должна быть меньше определенной критической длины L (50 мм), а диаметр d должен быть меньше некоторого критического значения d (50 мкм), что обеспечивает его (ее) высокую разрывную прочность и долговечность. Вместе с тем, для практических целей длинномерный элемент (волокно, нить или проволока), имея высокую прочность, должен быть в то же время достаточно протяженным. Для одновременного соблюдения условий высокой прочности и высокой (или сверхвысокой) протяженности он должен быть составлен из целого числа М>>1 высокопрочных однотипных участков-звеньев с фиксированными длинами (т.е. с постоянным шагом L<L=const). Схематически такое гипотетическое высокопрочное и сверхпротяженное длинномерное тело, состоящее из множества одинаковых по размерам звеньев, реализуется в цепях. В цепях звенья все однотипны, имеют одинаковые размеры и малы по длине по сравнению с длиной всей цепи. Недостатком такой сверхпротяженной схемы, осуществляемой в реальных цепях, являются сравнительно низкие прочностные характеристики - прочность всей цепи и отдельного звена определяется прочностью сварного (или иного) шва звена (кольца) такой цепи, которая невысока.
K
k
Однако сам «принцип цепи» можно осуществить при свивке пучка однотипных длинномерных элементов (волокон, проволок) в длинномерное изделие (канат, корд). В этом случае элементарному звену цепи будет соответствовать эквивалентный элементарный участок изделия с длиной, равной шагу свивки. При этом, если длина L шага свивки длинномерных элементов меньше критической длины L, и диаметр d самих длинномерных элементов (моноволокон, мононитей, проволок при одинарной свивке) или входящих в состав длинномерных элементов волокон, нитей или проволок (при двойной или тройной свивке) меньше критического диаметра d, на каждом m-ном (m=1…М) участке длинномерного изделия с длиной, равной шагу свивки, обеспечивается высокопрочное состояние длинномерных элементов (при одинарной свивке) или входящих в состав этих элементов волокон, нитей, проволок (при двойной или тройной свивке), соответственно. Кроме того, за счет наличия многоэлементного масштабного эффекта в длинномерном витом изделии, представляющем собой многоэлементный пучок из длинномерных элементов, в этом случае достигается сверхпрочное состояние на каждом m-ном участке изделия длиной L. Для того чтобы сверхпрочным было полностью все сверхпротяженное длинномерное изделие, необходимо линейно-точечное касание. Именно точечное касание элементарного звена-участка обеспечивает сверхпрочность элементарного звена, равного шагу свивки, и всего сверхпротяженного витого длинномерного изделия, состоящего из этих элементарных сверхпрочных звеньев. Таким образом, согласно изобретению сверхпротяженное витое изделие должно состоять из суммы М→∞ элементарных сверхпрочных участков-звеньев.
Длинномерное витое изделие по изобретению может быть изготовлено традиционным способом на стандартном оборудовании при выполнении заданных настоящим изобретением требований к величине шага свивки L<50 мм и диаметру используемых волокон или проволок d<50 мкм. При этом с учетом данных, приведенных в таблице 1, наиболее эффективным является использование шага свивки L менее 30 мм.
Для расчета числа N однотипных длинномерных элементов при заданной толщине моноволокон d<50 мкм предлагается удобное для практических расчетов соотношение, полученное авторами экспериментальным путем:
p,max
N≥f/p·f
где
p,max,
р - доля длинномерных элементов, имеющих максимальное разрывное усилие f f - нагрузка, которую должен выдержать пучок из длинномерных элементов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Большая Советская Энциклопедия, глав. ред. A.M.Прохоров, 3-е изд., М., «Сов. энциклопедия», 1973, Т.11, ст. «Канат».
2. http://en.wikipedia. org/wiki/Tensile strength.
3. ГОСТ 10293-77, Канаты капроновые.
4. Глен Мартин Инжиниринг, Инк. - Кабель марки НексСтран, выполненный с использованием кевларовых волокон, сравнительные характеристики http://www.glenmartin.com/industrial/pg37.htm (последнее обновление - 02.12.2002).
5. Цой Б. Закономерность изменения физических характеристик одноэлементных структур полимеров и твердых тел при изменении масштаба (эффект Б.Цоя). Москва. Диплом на открытие №247 от 02 марта 2004 г. Рег. №293.
6. Цой Б., Э.М.Карташов, В.В.Шевелев. Явление многоэлементного масштабного эффекта характеристик физических объектов (эффект Цоя-Карташова-Шевелева). Москва. Диплом на открытие №243 от 16 декабря 2003 г. Рег. №287.
7. Цой Б, Э.М.Карташов, В.В.Шевелев. Закономерность распределения значений физических характеристик полимеров и твердых тел при внешнем многофакторном воздействии. Москва. Диплом на открытие №209. от 02 октября 2002 г. Рег. №248.