КОМПОЗИТНЫЙ СЕРДЕЧНИК ПРОВОДА ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Область техники
Полезная модель относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов для воздушных линий, предназначенных для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях и линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих сердечников в конструкциях кабелей и проводов.
Уровень техники
Из ГОСТ 839-80 известны самонесущие неизолированные провода, состоящие из стального сердечника и навитых на него алюминиевых токопроводящих проволок. Основными недостатками указанных проводов являются высокий вес и низкая прочность на разрыв по сравнению неизолированными проводами, имеющими композитный сердечник, выполненный из углеродных волокон.
Из уровня техники известны неизолированные провода с композитными сердечниками, выполненными по технологии пултрузии для получения композитных материалов с постоянным сечением. Технологический процесс пултрузии непрерывный и, в зависимости от происходящих процессов, разделен на следующие стадии: подготовка волокна и связующего, пропитка, формование профиля, отверждениe связующего (выдержка при постоянной температуре), охлаждение до конечной температуры, нарезка готового профиля в размер или намотка на катушку. Основными достоинствами технологии пултрузии является высокая скорость производства композитных материалов с постоянным (однородным) качеством получаемых изделий.
В традиционной технологии пултрузии в качестве полимерной матрицы (связующего) практически всегда используют различные низковязкие термореактивные связующие (реактопласты) невысокой молекулярной массы (эпоксидные, фенолформальдегидные, кремнийорганические, полиэфирные и др.), обеспечивающие равномерную пропитку армирующих волокон. Так, армирующие волокна преимущественно погружают в емкость с низкозязким термореактивным связующим, после чего отжимают обратно в емкость лишнее связующее и. пропитанные волокна подаются в формообразующую фильеру, где под действием температуры происходит полимеризация реактопласта. Полученные термореактивные материалы имеют ряд недостатков, особенно значимых при серийном производстве: невозможность постобработки после полимеризации, поскольку, они перестают размягчаться при повторном нагревании и не растворяются, а только набухают, в растворителях; хрупкость матрицы после полимеризации, в виду ее высокой твердости, сложность анкеровки (монтажа) готового изделия; сложность в утилизации; большое время производственного цикла; высокая стоимость сырьевых материалов.
В последнее время растет интерес к созданию армированных пластиков на основе термопластичных связующих (термопластов) Главные преимущества армированных термопластов по сравнению с полимерными композитными материалами на основе термореактивных связующих: высокая вязкость разрушения, трещиностойкость и постударная прочность; повышенная теплостойкость (по сравнению с традиционными эпоксидными смолами); устойчивость к воздействию агрессивных сред; неограниченно долгая жизнеспособность матрицы; высокие скорости технологических циклов; возможность вторичной переработки и локального устранения дефектов, последнее возможно благодаря возможности постобработки изготовленного изделия путем его повторного нагрева или обработки его растворителем. Тогда как недостатками, проявляемыми при использовании термопластичных связующих в технологии пултрузии, являются высокая вязкость связующего, которая затрудняет процесс пропитки армирующих волокон, и приводит к необходимости увеличения давления в процессе прохождения армирующих волокон через формообразующую фильеру, а также возможность неравномерной пропитки армирующих волокон и образования изделий с дефектами.
Из евразийского патента на изобретение №11625, МПК B32В 27/04 (2006.01), B05D 3/02 (2006.01), B05D 1/18 (2006.01), D04H 3/08 (2006.01), опубликованного 29.12.2006 г., известен композитный сердечник для электрического кабеля, образованный множеством пропитанных смолой армированных волокон по меньшей мере одного типа, при этом смола окружает и, по существу, покрывает каждое из множества армированных волокон, которые ориентированы в основном параллельно продольной оси сердечника. При этом, как указано в независимом пункте формулы, весовой процент волокон в композите составляет меньше 50%, что является недостаточным для достижения требований к нагрузкам требуемого несущего сердечника. Кроме того, в качестве пропитывающей смолы использованы различные связующие, в том числе, термопластичные связующие, при этом, в разделе описания «Известный уровень техники» указаны проблемы, с которыми сталкиваются специалисты в уровне техники, а именно, несущий сердечник из термопласта, во-первых, не обладает требуемыми физическими характеристиками для эффективного перераспределения нагрузки и предотвращения провисания кабеля, во-вторых, не соответствует температурным режимам эксплуатации кабельной продукции, в-третьих, ограничен в максимальном количестве используемых волокон по соотношению волокна и связующего в сердечнике, поскольку использование термопласта, как уже было указано выше, затруднено его высокой вязкостью, что, в свою очередь, увеличивает трение между экструзионной головкой (частью фильеры) и формуемым композитным материалом. В указанном изобретении на странице 13 приведено два способа использования термопластичного связующего, снижающего сложности его использования, в которых термопластичное связующе присутствует в твердой форме, и переводится в жидкое состояние при нагреве на более поздней стадии процесса. В первом варианте термопластичное связующе присутствует в виде волокон, которые переплетаются с армирующими волокнами и, разогреваясь в фильере, пропитывают армирующие волокна. При этом недостатками указанного варианта являются недостаточная пропитка волокон и наличие пустот в получаемом композитном сердечнике. Во втором варианте было предложено покрывать каждую армирующую нить слоем из термопластичного связующего до подачи в фильеру и, также, осуществлять пропитку путем разогревания покрытых волокон в фильере. Так, недостатками указанного варианта являются наличие пустот в получаемом композитном сердечнике и трудоемкость предварительной подготовки покрытых термопластичной смолой армирующих волокон. В остальных вариантах, в том числе и предпочтительном варианте, в котором используется эпоксидное связующее, используются термореактивные связующие, которым свойственны указанные выше недостатки.
Из патента РФ на изобретение №2632454, МПК С08K 3/04 (2006.01), С08K 7/24 (2006.01), C08J 5/24 (2006.01), В32В 5/28 (2006.01), В32B 27/38 (2006.01), опубликованного 04.10.2017 г., известен композитный сердечник, использующий углеродное волокно или стекловолокно. При этом термопластичное связующее используется в нем только в качестве добавки к эпоксидному связующему, в размере от 5 до 20 мас. %. Достоинством предложенного решения является использование преимуществ термопластичного связующего. При этом указанному решению свойственны недостатки термореактивных связующих.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, является композитный сердечник, известный из международной заявки РСТ № WO/2009/130525, МПК В29С 70/52 (2006.01), H01В 5/10 (2006. 01), опубликованной 29.10.2009 г., изготовленный с помощью технологии пултрузии с использованием термопластичной полимерной матрицы. Так, композитный сердечник провода линии электропередачи выполнен в виде стержня из однонаправленного композиционного материала, включающего центральную часть, состоящую из углеродного волокна и термопластичной полимерной матрицы, и
внешнюю часть, состоящую из стекловолокна и термопластичной полимерной матрицы. Преимущества указанной конструкции проявляются ввиду использования термопластичного связующего. Также преимуществом указанной конструкции является отсутствие электрического контакта между углеродным армирующим сердечником и алюминиевыми токопроводящими проволоками, прерываемый внешней частью, состоящей из стекловолокна и термопластичной полимерной матрицы, что исключает электрохимические коррозионные процессы. При этом недостаток указанного решения проявляется в результате использования термопластичных волокон в твердом виде для переплетения и дальнейшей пропитки армирующих волокон. Как указано в примере №3, термопластичные волокна, выбранные из карполактама и лауриллактама, нагреваясь в формообразующей фильере расплавляются и пропитывают переплетенные с ними армирующие волокна (углеродные волокна и стекловолокна), с образованием в результате анионной полимеризации полимерной матрицы. Недостатками указанного способа получения полимерной матрицы являются недостаточная пропитка армирующих волокон и наличие пустот в получаемом композитном сердечнике, а также сравнительно низкое содержание армирующих волокон. Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является получение композитного сердечника, состоящего из армирующих волокон и термопластичного связующего (матрицы) с исключением дефектов пропитки армирующих волокон и пустот в получаемом композитном сердечнике.
Технические результаты, проявляющиеся в результате использования предложенного композитного сердечника, заключаются в повышении вязкости разрушения, трещиностойкости и постударной прочности, теплостойкости, устойчивости к воздействию агрессивных сред, жизнеспособности матрицы, скорости технологических циклов, также в возможности вторичной переработки и локального устранения дефектов композитного сердечника.
Указанный технический результат достигается с помощью композитного сердечника провода линии электропередачи, выполненного в виде стержня из однонаправленного композиционного материала, включающего центральную часть, состоящую из углеродного волокна и полимерной матрицы, и внешнюю часть, состоящую из стекловолокна и полимерной матрицы. Согласно заявленному решению полимерная матрица, состоит из капролона, полученного в результате анионной полимеризации смеси преполимера, состоящей из раствора мономеров ε-капролактама и катализатора, и раствора мономеров ε-капролактама и активатора.
При этом, в качестве катализатора могут быть использованы щелочные и щелочноземельные металлы, их гидриды, амиды, гидроксиды, карбонаты и их соединения.
В качестве активатора могут быть использованы ацил-производные лактама (ацетилкапролактам) или соединения, способные ацилировать лактам в условиях полимеризации.
Кроме того, весовой процент волокон в композитном сердечнике составляет не менее 60%.
Преимущественно композитный сердечник провода линии электропередачи изготовлен методом реактивной термопластичной пултрузии.
Помимо этого, после полимеризации матрицы композитный сердечник могут подвергать постобработке, включающей нагрев и формовку под специальную арматуру крепления и соединения проводов.
В отличии от ближайшего аналога, связующее предлагаемого композитного сердечника провода линии электропередачи позволяет полностью пропитывать армирующие волокна и получать в результате анионной полимеризации термопластическую полимерную матрицу, состоящую из капролона.
Краткое описание чертежей
Сущность заявленной полезной модели и возможность ее практической реализации поясняется приведенными ниже описанием, фигурами и таблицами.
На фигуре 1 показано сечение провода линии электропередачи с композитным сердечником.
На фигуре 2 показан общий вид композитного сердечника.
В таблице 1 приведены минимальные физико-механические показатели композитного сердечника.
В таблице 2 приведены номинальные параметры и характеристики композитных сердечников.
Осуществление полезной модели
Предлагаемая полезная модель поясняется конкретным исполнением композитного сердечника провода линии электропередачи, однако, приведенный пример не является единственно возможным, но наглядно демонстрируют возможность достижения данной совокупностью, существенных признаков заявленного технического результата. Композитный сердечник провода линии электропередачи выполнен в виде стержня из однонаправленного композиционного материала, включающего центральную часть 1, состоящую из углеродного волокна и полимерной матрицы, и внешнюю часть 2, состоящую из стекловолокна и полимерной матрицы, при этом полимерная матрица состоит из капролона, полученного в результате анионной полимеризации смеси преполимера, состоящей из раствора мономеров ε-капролактама и натрия и раствора мономеров ε-капролактама и изоцианата. При этом, содержание ε-капролактама составляет 19,6% масс. композитного сердечника, содержание натрия составляет 0,2% масс. композитного сердечника, а содержание изоцианата составляет 0,2% масс. композитного сердечника.
Вместо натрия в качестве катализатора могут быть использованы щелочные и щелочноземельные металлы, их гидриды, амиды, гидроксиды, карбонаты и их соединения, выбираемые в зависимости от выбранного активатора процесса полимеризация. Тогда как, вместо изоцианата в качестве активатора могут быть использованы -ацил-производные лактама (ацетилкапролактам) или соединения, способные ацилировать лактам в условиях полимеризации, выбираемые в зависимости от выбранного катализатора процесса полимеризации, а также от необходимой плотности и степени кристалличности полимера. Система катализатора и активатора подбирается исходя из требуемых параметров времени, температуры и давления следующих процессов: подготовки смеси преполимера, пропитки перполимером армирующих волокон, полимеризации преполимера. Наиболее полно полимеризация проходит при эквивалентном сооотношении компонентов каталитической системы, когда на одну функциональную группу катализатора приходится одна функциональная группа активирующего соединения. Увеличение мольной концентрации одного из компонентов либо замедляет, либо полностью прекращает процесс полимеризации. Оптимальная концентрация каталитической системы составляет от 0,3 до 0,5% масс.композитного сердечника, что обеспечивает получение высококачественных полимеров. Весовой процент волокон в композитном сердечнике составляет 80%. Для достижения минимальных физико-механических характеристик, приведенных в таблице 1, содержание волокон выбирается от 60 до 90% масс.композитного сердечника, при этом, нижнее значение обусловлено минимальными прочностными характеристиками, а верхнее значение обусловлено возможностями пропитки армирующего волокна преполимером на основе ε-капролактама.
Композитный сердечник провода линии электропередачи изготовлен методом реактивной термопластичной пултрузии, при котором в процессе пултрузии происходит полимеризация преполимера, состоящего из раствора ε-капролактама и катализатора и раствора ε-капролактама и активатора, с образованием термопластичной матрицы.
Процесс получения композитного сердечника состоит из следующих стадий: подготовка сырья, приготовление растовора ε-капролактама с катализатором и раствора ε-капролактама с активатором, получение преполимера, формование композитного сердечника.
Подготовка сырья
ε-капролактам подвергается сушке до содержания влаги не более 0,1%, а затем плавится в резервуаре плавления (на фигурах не показан) при температуре 70-90°С. Сушить ε-капролактам можно в вакуум-сушильном шкафу при температуре около 50°С или в сушильном шкафу с рециркуляцией воздуха. Наиболее рациональна сушка в среде инертного газа.
В процессе плавления ε-капролактама из него удаляется остаточная влага под давлением 0,02 МПа инертного газа, подаваемого в резервуар плавления. Допустимая конечная влажность расплава капролактама - не выше 0,02%.
Процедуры сматывания, выравнивания, натяжения и подачи углеволокна и стекловолокна осуществляется таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение армирующих волокон в композитном сердечнике. После чего армирующие волокна проводятся через сушильный шкаф (на фигурах не показан) для удаления влаги и предварительного подогрева. Каждый жгут армирующих волокон проходит через отверстия калибровочных пластин (на фигурах не показаны) для исключения спутывания отдельных ровингов. Сушка и подогрев волокон в сушильном шкафу производятся при температуре 180±5°С. Далее армирующие волокна пропускаются через преформовочные калибры (на фигурах не показаны). Волокна стеклоровинга проходят через систему калибров по внешнему контуру таким образом, чтобы на входе в фильеру (на фигурах не показана) образовался равномерный внешний слой, разномерно покрывающий центральную часть сердечника, формируемую из углеволокна. Сформированный таким образом общий пучок волокон поступает в фильеру.
Приготовление растворов
Из плавителя ε-капролактам подается в два отдельных реактора-смесителя (на фигурах не показаны): в первом реакторе к раствору добавляют катализатор, а во втором - активатор.
При смешении ε-капролактама с катализатором температура не должна превышать 120°С. Температура смешения ε-капролактама с активатором может изменяться от 120°С до 140°С.
Получение преполимера
Раствор ε-капролактама с катализатором и раствор ε-капролактама с активатором из смесителей поступают в миксер (на фигуре не показан). Необходимое соотношение катализатора и активатора достигается одновременной подачей растворов по каналам равного сечения. При смешении растворов образуется преполимер, который поступает в предварительно подготовленную и нагретую фильеру. Полимеризация проводится непосредственно в фильере при температуре 140 - 180°С.
Формование композитного сердечника
Расплав ε-капролактама обладает низкой вязкостью менее 1 Па⋅с, что позволяет пропитывать армирующие волокна.
Так, в фильере одновременно протекают следующие процессы: пропитка армирующих волокон, синтез полимера. и формирование-] композитного сердечника, которые зависят от многих факторов: типа активатора, режима полимеризации, скорости охлаждения.
Пропитку армирующих волокон связующим осуществляют путем впрыска преполимера в формообразующую фильеру под давлением от 3 до 5 Бар.
Формующая зона фильеры, имеет угол конусности канала 12°. Формующая зона фильеры имеет сужающийся канал, переходящий от формы и размеров канала, входной зоны к форме и размерам изготавливаемого профиля. В этих условиях давление формования создаются главным образом за счет уменьшения сечения канала по длине зоны, за счет скорости протягивания материала через фильеру и за счет избыточного количества материала, входящего в фильеру. Важной величиной, характеризующей Формующую зону, является угол конусности канала, который с одной стороны, не должен превышать 15°, чтобы расплав термопласта захватывался движущимися волокнами наполнителя, а с другой стороны - должен иметь минимальное значение, чтобы обеспечить плавное нарастание давления, так как это улучшает качество и равномерность пропитки по толщине сечения и способствует более полному удалению воздушных включений из формующей зоны. Однако слишком маленькая конусность (менее 5°) приводит к неоправданному увеличению длины этой зоны, а значит и габаритов всей фильеры, что, в свою очередь, увеличивает время нахождения расплава при высокой температуре, а значит, и степень термодеструкции, и увеличивает отжим связующего с наружной поверхности.
Температура преполимера существенно влияет на весь ход процесса получения полимера, а также на свойства и качество готового композитного сердечника. Температура преполимера зависит от активатора, массы и конфигурации сердечника и должна находиться в пределах 120 - 140°С. При более низких температурах образуется полимер с неоднородной структурой, высоким содержанием низкомолекулярных соединений, а, следовательно, качество сердечника будет низким. При температурах выше 140°С реакция полимеризации протекает с большой скоростью, и вязкость преполимера быстро нарастает, в результате чего воздух и летучие компоненты не успевают полностью выйти и остаются внутри сердечника, а также не успевает произойти качественная пропитка армирующих волокон, что является причиной образования многочисленных мелких пор, усадочных раковин и трещин.
Температура фильеры зависит от массы сердечника. Нижняя граница температуры фильеры определяется начальной температурой преполимера и должна быть выше 150°С. При более низкой температуре на поверхности композитного сердечника образуется слой незаполимеризозавшегося мономера, а полимер будет иметь пониженные прочностные характеристики. Верхняя граница температуры фильеры устанавливается с таким расчетом, чтобы конечная максимальная температура структурообразования не превысила температуру плавления полимера и не была выше 180°С. При относительно пониженных температурах фильеры образуются значительные усадочные раковины и поры.
Время выдержки при температуре полимеризации устанавливается, исходя из необходимости обеспечить полное протекание процессов затвердевания полимера и в зависимости от скорости полимеризации размеров и массы композитного сердечника.
Характерной особенностью процесса анионной полимеризации ε-капролактама является то, что он протекает при температуре ниже температуры плавления полимера, благодаря чему процессы роста макромолекул и их упорядочение (кристаллизация) частично накладываются друг на друга. Скорость охлаждения оказывает большое влияние на формирование структуры, и при медленном охлаждении получаются полимеры с однородной структурой, хорошей поверхностью и высокими физико-механическими характеристиками.
Режим охлаждения оказывает влияние не только на однородность структуры, но также на внутренние напряжения, которые возрастают с увеличением скорости охлаждения. Поэтому скорость охлаждения должна регулироваться в зависимости от массы композитного сердечника. Медленное охлаждение композитного сердечника до 100°С, последующее охлаждение в термостате (камера постотверждения, на фигурах не показана) до 50°С и далее на воздухе представляется наиболее оптимальным режимом с точки зрения достижения наилучших характеристик композитного сердечника. После полимеризации матрицы композитный сердечник подвергают постобработке, включающей нагрев и формовку под специальную арматуру укрепления и соединения проводов.
После чего на композитный сердечник навивают алюминиевые токопроводящие проволоки 3.
В таблице 2 раскрываются номинальные параметры и характеристики получаемых композитных сердечников.