ИННОВАЦИОННАЯ ПОЛИМЕРНАЯ ЛЕНТА (ВАРИАНТЫ) И ПОЛОСА, ИЗГОТОВЛЕННАЯ ИЗ НЕЕ
INNOVATION POLYMER TAPE (VERSIONS) AND TAPE MADE OF IT

Изобретение относится к области строительства, предназначено для изготовления пространственно-полимерных решеток (ППР), широко используемых для армирования строительных конструкций и укрепления слабых оснований промышленных и гражданских сооружений, откосов береговых линий и русел водоемов, а также при строительстве аэродромов, дорожных одежд, откосов, подпорных стенок. Заявленная инновационная полимерная лента может найти применение в нефтегазовой, транспортной, гидротехнической и других отраслях строительства, требующих повышенных и стабильных показателей по прочности, стабильности и долговечности возводимых сооружений.
Из уровня техники известны различные устройства (см. патент RU 2129189, опубликованный 20.04.1999, патент RU 2358063, опубликованный 10.06.2009, и патент RU 2152480, опубликованный 10.07.2000), в которых для закрепления поверхностного слоя откоса используются пространственно-полимерные решетки (ППР), в частности так называемые «георешетки». Для изготовления ППР требуется гибкая и прочная полимерная лента, нарезая которую на мерные полосы и скрепляя их между собой в шахматном порядке поперечными швами, получают ячеистые структуры, способные закреплять и удерживать от смещения массы грунта, загруженные в ячейки. Материалом для изготовления указанных лент служит полиэтилен различных марок. Ленты и полосы из полиэтилена являются гибкими, прочными, устойчивыми к воздействию различных природных факторов. Однако полиэтилен относится к термопластичным материалам, поэтому при нагревании его под нагрузкой, например под действием солнечных лучей и под давлением грунта, происходит его неупругое растяжение, которое приводит к деформации лент и всей георешетки, что приводит к соответствующему перемещению слоя грунта. На устранение указанного недостатка полимерных лент для ППР направлено заявленное изобретение.
Из уровня техники известно техническое решение, позволяющее частично преодолеть указанную проблему. На сайте компании PRS - Professional Reinforcement Solutions в 2009 были размещены сведения о геокомпозитном материале «NEOLOY», предназначенном для изготовления георешоток. Данный материал представляет собой полимерный материал, матрица которого изготовлена из полиолефинов и армирована нановолокнами, в частности волокнами из полиэстера или из полиамида (см. http://www.prs-med.com/content.aspx?page=5).
Армирование полимерной матрицы дискретными волокнами увеличивает термическую стабильность материала, однако не полностью решает указанную выше проблему, поскольку дискретные армирующие нановолокна упрочняют матрицу локально и связаны между собой по длине материала только прочностью полимерной матрицы, которая сохраняет термопластичные свойства и остается подверженной неупругому растяжению при смене температурных режимов эксплуатации под нагрузкой.
В качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения выбрана гибкая полимерная лента, предназначенная для производства пространственной полимерной решетки (ППР), выполненная из полиэтилена, снабженная перфорациями и дополнительными прорезями, описанная в патенте RU 2323301, опубликованном 27.04.2008. Данная лента не обладает стабильностью геометрических размеров под нагрузкой при изменении температурных режимов ее эксплуатации.
Заявленное изобретение направлено на решение задачи повышения прочности и стабильности геометрических параметров полимерной ленты и полосы, изготовленной из нее при эксплуатации под нагрузкой при изменении температурных режимов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочности и стабильности продольных геометрических размеров полимерной ленты и полосы, изготовленной из нее при использовании их для изготовления ППP.
Другим техническим результатом заявленного изобретения является повышение несущей способности ППP, изготовленных из заявленной ленты (полосы), и исключение деформаций укрепляемых грунтовых сооружений.
Еще одним техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочности и увеличение срока службы возводимых сооружений, изготовленных с использованием ППР из заявленной ленты (полосы).
Существенное повышение прочности и термической стабильности геометрических параметров заявленной инновационной полимерной ленты создает возможность для применения ППР в новых областях техники, требующих повышенных прочностных показателей, например в балластном слое насыпи железных дорог, в аэродромных покрытиях, при строительстве защитных военных сооружений и т.д.
Для достижения указанного результата предложена гибкая полимерная лента для производства пространственной полимерной решетки (ППР) на основе полиэтилена, которая содержит в продольном направлении армирующие нити, выбранные из группы, включающей: арамидные нити или нити из углеродных волокон, или нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) или комбинацию из нескольких видов указанных армирующих волокон или нитей, при этом отверстия перфорации расположены между армирующими нитями, выполнены продолговатой формы, вытянутой вдоль направления армирования, и имеют по торцам скругленную форму, а лента имеет толщину 1-2 мм и текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов высотой 0,2-0,4 мм.
В указанном решении полимерная лента содержит отверстия перфорации, расположенные между армирующими нитями, при этом отверстия выполнены продолговатой формы, вытянутой вдоль направления армирования, и имеют по торцам закругления. То есть лента снабжается дренажными отверстиями, например, в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями на коротких сторонах. Указанные отверстия ориентированы длинными сторонами параллельно краям ленты и армирующим нитям.
В одном из вариантов выполнения полимерная лента армирована в продольном направлении арамидной нитью при следующем соотношении компонентов, мас.%:
арамидная нить
0,2-3,
полиэтилен
остальное
При использовании армирования в количестве менее 0,2 мас.% не достигается заметного повышения прочности материала ленты, а при армировании в количестве более 3 мас.% повышается себестоимость материала.
Заявленная полимерная лента армирована в продольном направлении, преимущественно, арамидной нитью с шагом армирования 1-5 мм за исключением зон размещения дренажных отверстий. Зоны размещения дренажных отверстий выполнены свободными от армирования.
В качестве арамидной нити при армировании заявленной ленты используют сверхвысокомодульную (СВМ) арамидную нить, в частности нити марки «Кевлар» и их аналоги.
Заявленная полимерная лента может содержать в качестве армирующих нитей нити, выполненные из углеродных волокон, например карбоновые нити.
Полимерная лента может быть изготовлена из полиэтилена различного состава, например из полиэтилена высокого давления, или из полиэтилена среднего давления, или из смеси различных типов полиэтилена, однако, преимущественно, заявленную ленту изготавливают из полиэтилена низкого давления.
Полимерная лента в качестве армирующего компонента может содержать высокопрочные нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), при этом, предпочтительно, для дополнительного повышения прочности выбирают нити из СВМПЭ, изготовленные с использованием нанотехнологии.
При изготовлении заявленной полимерной ленты армирующие нити перед введением в полимерную матрицу подвергают обработке, повышающей их адгезию к полиэтилену, например путем обработки адгезивами или путем термообработки.
При реализации данного изобретения дополнительно решается задача обеспечения равномерного введения в ленту или в полосу армирующих нитей. Для этого либо применяется специальное оборудование, например, типа гребенки, обеспечивающей заданный шаг нити, либо предварительно изготавливается сетка, содержащая продольные армирующие нити с заданным шагом, который фиксируется дополнительными поперечными уточными нитями, устанавливающими расстояние между армирующими СВМ нитями. Таким образом, армирующие нити с заданным шагом армирования (1-5 мм) могу быть введены в полиэтиленовую матрицу полимерной ленты в виде сетки, в которой по основе расположены армирующие нити, предназначенные для продольного армирования ленты, а по утку расположены вспомогательные полимерные нити, устанавливающие шаг армирования.
Полимерная лента может быть получена путем экструзии, а армирующие нити введены в нее через гребенку или в виде сетки.
Таким образом, в предпочтительном варианте изготовления заявленная гибкая полимерная лента для производства пространственной полимерной решетки на основе полиэтилена характеризуется тем, что содержит в продольном направлении армирующие нити, выбранные из группы, включающей: арамидные нити или нити из углеродных волокон, или нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), при следующем соотношении компонентов (в мас.%): арамидная нить 0,2-3, полиэтилен - остальное, при этом полимерная лента изготовлена перфорированной, имеет толщину 1-2 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов высотой 0,2-0,4 мм.
Из мерных отрезков полимерной ленты изготавливается гибкая полимерная полоса для производства пространственной полимерной решетки (ППР) на основе полиэтилена, содержащая в продольном направлении армирующие нити, выбранные из группы, включающей: арамидные нити или нити из углеродных волокон, или нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ).
Изобретение иллюстрируется фигурами 1-5 и примерами.
На фигуре 1 изображен фрагмент заявленной ленты, выполненной с дренажными отверстиями.
На фигуре 2 показано поперечное сечение заявленной ленты для варианта с односторонним размещением армирующих нитей.
На фигуре 3 показан в увеличенном масштабе фрагмент поперечного сечения заявленной ленты, приведенного на фигуре 2.
На фигуре 4 показано поперечное сечение заявленной ленты для варианта с двухсторонним размещением армирующих нитей.
На фигуре 5 показан в увеличенном масштабе фрагмент поперечного сечения заявленной ленты, приведенного на фигуре 4.
На фигуре 1 показан предпочтительный вариант изготовления заявленной инновационной полимерной ленты 1, содержащей армирование и дренажные отверстия. Гибкая полимерная лента 1, предназначенная для производства ПНР, содержит в продольном направлении армирующие нити 2, выбранные из группы, включающей: арамидные нити или нити из углеродных волокон, или нити из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), при этом полимерная лента изготовлена перфорированной, имеет толщину 1-2 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов 3 высотой 0,2-0,4 мм.
Заявленная гибкая полимерная лента для 1 производства ППР содержит матрицу на основе полиэтилена 4. Указанная полиэтиленовая матрица 4 может быть армирована в продольном направлении, например, арамидной нитью 2 с шагом армирования h, при этом h=1÷5 мм.
Полимерная лента 1 содержит сквозные отверстия 5 (перфорацию), которые расположены между армирующими нитями 2 и выполнены продолговатой формы, вытянутой вдоль направления армирования, и имеют по торцам скругления. То есть лента 1 снабжается дренажными отверстиями 5, например, в форме вытянутых прямоугольников с полуокружностями радиуса R на коротких сторонах, при этом высота прямоугольника составляет величину 2R. Указанные отверстия 5 ориентированы длинными сторонами L параллельно краям ленты и армирующим нитям 2. Использование в конструкции заявленной полимерной ленты дренажных отверстий указанной формы позволяет дополнительно повысить дренажную способность ППР, изготовленной из данной инновационной ленты.
Как показано на фигурах 2-3, армирующие нити 2 могут быть расположены вблизи одной боковой поверхности ленты, и размещены предпочтительно в углублениях между соседними текстурными выступами 3. В другом варианте, показанном на фигурах 4-5, армирующие нити 2 расположены вблизи обеих боковых поверхностей ленты, и также размещены в углублениях между текстурными выступами 3.
Пример 1
Изготовили гибкую полимерную ленту, которая согласно заявленному изобретению предназначена для изготовления ППР. Ленту армировали в продольном направлении арамидной нитью диаметром 0,05 мм при следующем соотношении компонентов (в мас.%): арамидная СВМ нить 0,2 мас.%, полиэтилен низкого давления - остальное. Полимерная лента изготовлена перфорированной, при этом она имеет толщину 1,27 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов высотой 0,3 мм. Армированную ленту изготовили по экструзионной технологии, при этом армирующую нить заправляли в расплавленную массу полиэтилена низкого давления сразу после выхода ленты из экструзионной головки и перед входом ленты в первую пару формующих валков. Шаг армирования был выбран 5 мм. Задавали шаг армирования при помощи металлической гребенки, через которую пропускали нити перед вводом в полимерную ленту.
Полученная полимерная лента при испытаниях на разрыв показала повышение прочности по сравнению с прототипом, минимум, в 1,5 раза. Кроме того, полученная лента показала упругий разрыв, практически, без удлинения, тогда как лента по прототипу показывает удлинение при разрыве до 150%. Это означает, что достигается технический результат заявленного изобретения по повышению прочности и стабильности продольных геометрических размеров полимерной ленты и полосы, изготовленной из нее, при использовании их для изготовления ППР. Полученная лента не деформируется в грунте под действием перепадов температур под нагрузкой.
Пример 2
Изготовили гибкую полимерную ленту, которую армировали в продольном направлении арамидной нитью диаметром 0,2 мм при следующем соотношении компонентов (в мас.%): арамидная СВМ нить 3,0 мас.%, полиэтилен низкого давления - остальное. Полимерная лента изготовлена перфорированной, при этом она имеет толщину 1,8 мм, а также имеет текстуру на внешней поверхности, которая характеризуется наличием выступов высотой 0,4 мм. Армированную ленту изготовили по экструзионной технологии, при этом армирующую нить заправляли в расплавленную массу полиэтилена низкого давления после выхода ленты из экструзионной головки перед входом ленты в первую пару формующих валков. Шаг армирования был выбран 2 мм. Задавали шаг армирования при помощи предварительно изготовленной сетки, которую ввели в полимерную ленту. Для этого армирующие арамидные нити расположили в качестве основы сетки, а в качестве утка использовали вспомогательную капроновую, полиэтиленовую или полиэфирную нить, только чтобы обеспечить заданный шаг армирования.
Полученная лента обладает повышенной прочностью и не деформируется в грунте под действием перепадов температур под нагрузкой.
Кроме того, армирование в совокупности с увеличением дренажных отверстий позволяет снизить расход полиэтилена на изготовление ленты, что снижает ее себестоимость.