Способ изготовления стеклопластикового изделия

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам изготовления изделий из композиционных материалов, в частности из стеклопластика, которые могут быть использованы в качестве конструкционных элементов опорной изоляции и ограничителей перенапряжения. Способ изготовления стеклопластикового изделия заключается в намотке стекловолокна на оправку с помощью укладчика косослойно-продольно-поперечным способом, при котором часть стекловолокна поступает на оправку через пропиточный узел и наматывается на нее по кольцу, т.е. в поперечном направлении по отношению к оси оправки при ее вращении, а часть стекловолокна поступает с вращающегося укладчика на стекловолокно, идущее из пропиточного узла на оправку, и оплетает его параллельно оси оправки. При этом его пропитка происходит непосредственно на оправке, а количество стекловолокна, укладываемого параллельно оси оправки, регулируется в пределах 0,4-0,7 от общего количества стекловолокна. В качестве стекловолокна могут быть использованы: нити, ровинг, жгуты, ленты и др. Техническим результатом предложенного способа является получение изделий с высоким модулем упругости в осевом направлении, обладающих высокими эксплуатационными свойствами. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам изготовления изделий из композиционных материалов, в частности из стеклопластика, которые могут быть использованы в качестве конструкционных элементов опорной изоляции и ограничителей перенапряжения.

В последнее время отмечается резкое увеличение производства и потребления изделий из композиционных материалов, в частности из стеклопластика, в различных областях техники. Это объясняется превосходством композиционных материалов над традиционными, например металлическими, по механическим свойствам в сочетании с малым удельным весом и особенно эффективным использованием композитов в конструкциях, работающих в экстремальных условиях. Преимуществом композиционных материалов является также их высокая технологичность по сравнению с металлами, а также высокий коэффициент использования материалов в конструкциях (близкий к 1,0) по сравнению с металлами (0,5-0,6) /Розенберг Б.А., Ениколонян Н.С. Композиционные полимерные материалы. Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева, 1980 г./.

Одним из основных методом изготовления изделий из композиционных материалов является намотка пропитанных полимерным связующим тканей, лент, ровинга из высокопрочных волокон на оправку. Наибольшую реализацию прочностных характеристик волокна получают при использовании непосредственно ровинга и нити. Указанным способом изготавливаются трубы различного назначения и габаритов, цистерны, сосуды давления, лыжные палки, телескопические удилища, изоляторы и другое. Каждое конкретное изделие в процессе эксплуатации подвергается различным механическим нагрузкам, что заставляет оптимизировать технологические способы их изготовления.

В технике известны способы изготовления изделий из композиционных материалов, в частности из стеклопластика (а.с. РФ №1148050, 1410112, патент РФ №2119689, патент США №3044372, США №3102458). Во всех этих случаях предлагается послойная намотка пропитанных полимерным связующим лент, нитей или ровинга на оправку либо спирально-крестовым способом, либо продольно-поперечным. Причем каждый из способов имеет свои технологические пределы в возможности создания той или иной структуры композиционного материала.

Так, спирально-крестовой способ предполагает укладку армирующего материала, в частности стекловолокна, под углом к оси оправки чередующимися слоями до набора полной толщины стенки. Технологичность способа значительно снижается из-за необходимости делать большое количество проходов укладчика для формирования стенки. При таком способе укладки изделие оказывается ослабленным в осевом направлении по сравнению с кольцевым. Например, модуль упругости в осевом направлении при статическом изгибе не превышает 1,5×10 МПа. Для конструкционных элементов опорной изоляции и ограничителей перенапряжения эта величина должна быть выше как минимум в 1,5 раза.

Продольно-поперечная намотка может обеспечить необходимый уровень модуля упругости в осевом направлении при статическом изгибе, если укладывать волокно преимущественно в направлении оси оправки (в продольном направлении). Однако в этом случае для формирования толщины стенки даже в 5 мм потребуется одновременное размещение большого количества шпуль с армирующим материалом (волокна), что снижает технологичность способа или даже становится непреодолимым препятствием к его применению.

Помимо сказанного, оба способа формируют послойного структуру, где слои армирующего материала разделены слоями связующего, имеющего прочностные характеристики на порядок ниже, чем армирующее волокно, причем ослабленные слои связующего расположены вдоль изделия от торца к торцу, и при возникновении дефектов (микротрещин) они склонны к разрастанию вплоть до образования сквозных трещин. Это значительно снижает электрическую и механическую прочность изделия, что в конечном итоге ведет к снижению его эксплуатационных свойств.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления стеклопластикового изделия по a.c. №1469523, которое заключается в намотке пропитанного полимерным связующим стеклоровинга на оправку послойным спирально-крестовым способом с помощью нитеукладчика с возвратно-поступательным перемещением вдоль изделия с последующим образованием утолщений путем подмотки пропитанного стеклоровинга. При этом используют дополнительный нитеукладчик с возвратно-поступательным перемещением, а скорость намотки стеклонитей устанавливают превышающей скорость намотки стеклоровинга.

Недостатком данного способа изготовления стеклопластикового изделия, так же как и вышеописанных аналогов, являются низкие эксплуатационные свойства готового изделия: низкий модуль упругости в осевом направлении, а также низкая электрическая и механическая прочность вследствие образования сквозных трещин. Кроме того, в данном способе используют послойную намотку, которая предусматривает большое количество проходов укладчика для формирования толщины стенки изделия, что снижает технологичность процесса.

Кроме того, в данном способе используют дополнительный нитеукладчик, что снижает технологичность процесса.

Технической задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание высокотехнологичного способа изготовления стеклопластикового изделия с высоким модулем упругости в осевом направлении, а также обладающего высокими эксплуатационными свойствами за счет повышения электрической и механической прочности.

Поставленная задача решается предлагаемым способом изготовления стеклопластикового изделия, который заключается в намотке стекловолокна на оправки с помощью укладчика косослойно-продольно-поперечным способом, при котором часть стекловолокна поступает на оправку через пропиточный узел и наматывается на нее по кольцу, т.е. в поперечном направлении по отношению к оси оправки при ее вращении, а часть стекловолокна поступает с вращающегося укладчика на стекловолокно, идущее из пропиточного узла на оправку и оплетает его параллельно оси оправки. При этом его пропитка происходит непосредственно на оправке, а количество стекловолокна, укладываемого параллельно оси оправки, регулируется в пределах 0,4-0,7 от общего количества стекловолокна.

В качестве стекловолокна могут быть использованы: нити, ровинг, жгуты, ленты и др.

Использование косослойно-продольно-поперечной намотки позволяет получить готовое изделие за один проход, что повышает технологичность процесса.

Кроме того, изделия, полученные предлагаемым способом намотки, устойчивы к сквозному трещинообразованию. Это достигается за счет расположения ослабленных слоев связующего не вдоль всего изделия от торца к торцу, а расположением их наклонно от внутренней поверхности к внешней на длину, равную расстоянию между крайними "оплетаемыми" волокнами при намотке, что повышает электрическую и механическую прочность изделий.

В заявляемом способе количество стекловолокна, укладываемого параллельно оси оправки, регулируется в пределах 0,4-0,7 от общего количества стекловолокна. При уменьшении количества стекловолокна менее 0,4 изделия имеют низкий модуль упругости в осевом направлении, увеличение же количества стекловолокна более 0,7 нецелесообразно по технологическим причинам.

Данным способом можно получить изделие толщиной до 15-20 мм при использовании его в автоматических линиях непрерывной намотки и значительно большей толщины для периодической намотки, т.е. у данного способа отсутствует ограничение по толщине изготавливаемого изделия.

Способ осуществляется следующим образом.

Часть волокна поступает на оправку через пропиточный узел, где происходит его пропитка полимерным связующим. Пропитанное полимерным связующим стекловолокно укладывается на оправку в кольцевом направлении, при ее вращении, т.е. в поперечном относительно оси оправки направлении.

На вращающейся поверхности укладчика размещены бобины со стекловолокном, которое, вращаясь вместе с укладчиком, оплетает стекловолокно, идущее из пропиточного узла параллельно оси оправки и пропитывается полимерным связующим непосредственно на оправке.

Слой стеклопластика определенной толщины получатся при движении укладчика вдоль оси оправки. На оправке формируется слой стеклопластика, который состоит из множества наклонных к оправке слоев, начинающихся на оправке и заканчивающихся на наружной поверхности слоя.

После завершения намотки стекловолокна оправка помещается в печь полимеризации для отверждения.

Нужное соотношение прочностных свойств стеклопластика в осевом и кольцевом направлениях и толщина формуемой стенки достигается выбором кинематических параметров установки (скоростью вращения оправки и укладчика, скоростью перемещения укладчика относительно оправки), и количеством стекловолокна, поперечно и продольно укладываемого на оправку, шириной формующей ленты, линейной плотностью стекловолокна. В соответствии с этим за один проход укладчика можно получить слой стеклопластика толщиной до 20 мм.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа изготовления стеклопластикового изделия, отсутствуют. Следовательно, данное техническое решение соответствует критерию патентоспособности “новизна”.

Результаты поиска известных решений в области электротехники и в смежных областях с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого изобретения, показали, что они не следуют из уровня техники. Заявителем не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение поставленной задачи. Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Способ не вызовет затруднений при его промышленной реализации, т.к. описанные в нем приемы и устройства для его осуществления легко воспроизвести из стандартных материалов с применением известных технологических приемов. Необходимость же в использовании высокотехнологического способа изготовления стеклопластикового изделия, позволяющего получить изделие, обладающее высокими эксплуатационными свойствами, не вызывает сомнений, а значит предложение соответствует критерию патентоспособности “промышленная применимость”.

Формула изобретения

1. Способ изготовления стеклопластикового изделия, заключающийся в намотке стекловолокна на оправку с помощью укладчика, отличающийся тем, что намотку осуществляют косослойно-продольно-поперечным способом, при котором часть стекловолокна поступает на оправку через пропиточный узел и укладывается относительно оси оправки в поперечном направлении при ее вращении, а часть стекловолокна поступает с вращающегося укладчика на стекловолокно, идущее на оправку из пропиточного узла и оплетает его параллельно оси оправки, причем его пропитка происходит непосредственно на оправке, а количество стекловолокна укладываемого параллельно оси оправки, регулируется в пределах 0,4-0,7 от общего количества стекловолокна.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве стекловолокна используются или нити, или ровинг, или жгуты.