ПРОФИЛИРОВАННЫЙ КОНСТРУКЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Предлагаемое техническое решение относится к области строительства, а именно к отраслям строительства, предусматривающим использование композиционных полимерных материалов.
В качестве ближайшего аналога заявленного технического решения может быть выбран конструкционный элемент, известный из патента на изобретение RU 2432258, опубликованного 27.10.2011 (международная заявка WO 2008024107, опубликована 28.02.2008). Известный из RU 2432258 составной профилированный конструкционный элемент содержит полимерную основу и значительный процент коротких армирующих волокон, произвольно ориентированных в данной полимерной основе. Известный конструкционный элемент изготавливают экструзией компаунда, содержащего полимерную основу и армирующие волокна. Ожидается, что предложенный конструкционный элемент обладает повышенной прочностью и несущей способностью. В свою очередь, предлагаемое техническое решение позволит решить техническую проблему, заключающуюся в необходимости использования вспененного полимерного материала, в сочетании с большим количеством армирующего волокна, что излишне усложняет процесс изготовления конструкционных элементов, приводя в том числе к быстрому изнашиванию экструдеров, и позволит предложить прочный и долговечный конструкционный элемент, который сможет быть использован в различных отраслях строительства, например, в гидротехническом строительстве.
Указанный выше технический результат достигается при использовании профилированного конструкционного элемента, содержащего полимерную основу и армирующие волокна, произвольно ориентированные в полимерной основе. В отличие от аналога, используют сэндвич систему из, по меньшей одного, несущего слоя, содержащего длинные армирующие волокна с предпочтением более высокого значения длины волокон из диапазона, заданного для использования в материале профилированного конструкционного элемента, и наружных слоев, не содержащих армирующего волокна. Например, могут быть использованы армирующие волокна длиной <20 мм с предпочтением более высокого значения длины волокон из указанного диапазона. Армирующие волокна могут составлять <30% масс, материала профилированного конструкционного элемента, с предпочтением более высокого значения содержания армирующего волокна из указанного диапазона. Полимерная основа выбрана из перечня, включающего, по меньшей мере, поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен; а армирующее волокно выбрано из перечня, включающего, по меньшей мере, арамидное волокно, базальтовое волокно, стекловолокно, углеволокно. Также, предложенный профилированный конструкционный элемент может содержать инертный минеральный наполнитель, выбранный из перечня, включающего, по меньшей мере, волластонит, мел, тальк. Наружные слои конструкции включат технологические добавки и/или добавки, повышающие эксплуатационные свойства. Профилированный конструкционный элемент представляет собой полосу, швеллер, двутавр, угол, квадрат, V-, Z-, S-, П-, Ω-образные профили и т.п.и производится экструзией компаунда, содержащего полимерную основу и армирующее волокно.
Наибольшая прочность и долговечность профилированного конструкционного элемента будет обеспечена при использовании сэндвич системы, аналогичной по конструкции сэндвич панели, состоящей из несущего слоя либо нескольких несущих слоев и наружных слоев. Несущий слой (слои) выполнен из полимерной основы и армирующих волокон, например, длиной <20 мм, произвольно ориентированных в полимерной основе и составляющих, например, <30% масс. от материала профилированного конструкционного элемента, при предпочтении численных значений параметров максимально приближенные к заданным верхним граничным значениям, например, 20 мм, для длины волокон, и 30% масс. для доли волокон. Наружные слои сэндвич системы, обеспечивающие защиту от механических и химических повреждений при производстве и эксплуатации конструкционного элемента не содержат армирующего волокна, которое может являться абразивным материалом, усиливающим износ оборудования. Наружные слои конструкционного элемента могут включать технологические добавки улучшающие процесс экструзии (воски, полигалогенуглеводороды и др.), красители, добавки снижающие горючесть, повышающие стойкость к атмосферным воздействиям, озоностойкость, биоцидные добавки и др.
Профилированный конструкционный элемент изготавливают экструзией компаунда, содержащего полимерную основу и армирующее волокно, в описанных выше процентных соотношениях, с использованием описанных выше материалов и добавок. Сэндвич система формируется при соэкструзионном совмещения нескольких композиционных полимерных слоев в единую «монолитную» полимерную многослойную структуру заданной формы. То есть, используя фильеры различной формы и различные компаунды можно изготовить конструкционные элементы различного профиля (V-, Z-, S-, П-, Ω-образные и т.п.) и заданных прочностных характеристик. Процесс экструзии является одним из наиболее стабильных, экономичных и гибких процессов в переработке полимеров и получению профилей различной формы.
Экструзия включает дозирование компонентов в заданных пропорциях и плавление полимера в экструзионной камере, после перевода полимера в вязко-текучее состояние вводятся функциональные добавки, готовый расплав компаунда поступает в узел формования профиля. В итоге, конструкционный элемент заданного профиля получают экструзией через фильеру с дальнейшим охлаждением и нарезкой изделий необходимой длины, отходы дробятся и возвращаются в процесс. Использование прямого компаундирования позволяет использовать при изготовлении профиля «длинные» армирующие волокна заданного размера - <20 мм и т.п. Кроме того, полученные таким образом конструкционные элементы смогут быть переработаны вторично. Для сравнения при использовании грануляции, ножи гранулирующей головки срезают волокно до габаритов получаемых гранул - <5 мм, при возможной деградации полимера при повторном плавлении. Линия экструзии включает двушнековый экструдер, внедряющий армирующее волокно в полимерную матрицу, что позволяет произвести в одну стадию готовый конструкционный элемент с несущим каркасом, образованным армирующим волокном, которое не ориентировано в полимерной матрице, что стойкость конструкций различным типам нагрузок: кручение, изгиб, растяжение, сжатие и т.д.
Профилированный конструкционный элемент, который может представлять собой профиль любой заданной формы: полосу, швеллер, двутавр, угол, квадрат, различные V-, Z-, S-, П-, Ω-образные профили, форма которых определяется решаемой технической задачей, изготовлен из материала, состоящего из полимерной основы и длинных армирующих волокон, произвольно ориентированных в полимерной основе. Под длинными армирующими волокнами понимаются волокна длиной, превосходящей 1÷5 мм, например, длиной <20 мм (1÷20 мм). Доля волокон может составлять <30% масс. (1÷30% масс.) от материала профилированного конструкционного элемента. Армирующее волокно, равномерно распределенное в массе полимера несущего слоя, создает пространственную каркасную структуру, повышающую физико-механические характеристики конструкции. Выбор верхних граничных значений, например, 20 мм, для длины волокон, и 30% масс. для доли армирующих волокон в материале конструкционного элемента позволит повысить прочность и долговечность конструкционного элемента при снижении расходов армирующего материала и, соответственно, снижении массы профиля.
Конкретный размер армирующих волокон и доля их содержания в материале определяются существом решаемой технической задачи, требуемыми прочностными характеристиками и заданной долговечностью конструкции с предпочтением более высокого значения содержания армирующего волокна из заданного диапазона, а также с предпочтением более высокого значения длины волокон из заданного диапазона. Превышение заданных, например, указанных выше граничных значений, усложнят процесс компаундирования при изготовлении профиля и увеличивает трудоемкость экструзии компаунда (в первую очередь при увеличении длины армирующих волокон), при приближении же указанных параметров к нулевым, с очевидностью, будут снижаться прочностные свойства конструкционного элемента (см., например, таблицу экспериментальных данных, где проиллюстрирована зависимость механических свойств конструкционного элемента от содержания армирующего стекловолокна в материале).
То есть, для обеспечения лучших прочностных свойств необходимо использовать численные значения параметров максимально приближенные к заданным граничным значениям, например, 20 мм, для длины волокон, и 30% масс., для доли армирующих волокон в материале конструкционного элемента.
В качестве полимерной основы материала конструкционного элемента может быть использован: поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен, иные термопластичные полимерные материалы, обладающие подобными свойствами. В качестве армирующих волокон - может быть использовано: арамидное волокно, базальтовое волокно, стекловолокно, углеволокно, иные органические и неорганические волокна, позволяющие создать армирующий каркас в конструкционном элементе. Предложенный профилированный конструкционный элемент может содержать инертный минеральный наполнитель: волластонит, мел, тальк и т.п., добавка которого в компаунд позволит снизить стоимость конструкции и/или ускорить технологический процесс изготовления конструкционных элементов. Конкретный выбор материала, необходимость использования наполнителя также определяется существом решаемой технической задачи, требуемыми прочностными характеристиками и заданной долговечностью конструкции.
При практическом использовании, предложенный композитный профилированный конструкционный элемент сможет быть использован при производстве конструкционных профилей и элементов повышенной прочности, стойких к внешним природным условиям, различного назначения и будет эффективной и экономичной альтернативой традиционно используемым профилям из металла или древесины. Как и было указано выше, профилированный конструкционный элемент, который может представлять собой профиль любой заданной формы: полосу, швеллер, двутавр, угол, квадрат, различные V-, Z-, S-, П-, Ω-образные профили, которые смогут быть использованы в качестве балок, шпунтов Ларсена при гидротехническом строительстве. Например, использование предложенных конструктивных элементов в качестве шпунтов Ларсена, использующихся для укрепления берегов водоемов, выемок и насыпей и т.п.(V-, Z-, S-, П-, Ω-, К-, X-образных профилей) позволит отказаться от использования дополнительного анкерования либо от использования дорогостоящих и мало пригодных к вторичной переработке шпунтов армированных стекловолокном, получаемых пултрузией (ср. изделия Creative Pultrusions Inc. - US 6672026, US 6893191, US 7311470, US 7604438; Пултрузионные технологии - RU 115372 U1).