RU2567876C2 - Composite rod and method of its production - Google Patents
Composite rod and method of its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2567876C2 RU2567876C2 RU2014103931/03A RU2014103931A RU2567876C2 RU 2567876 C2 RU2567876 C2 RU 2567876C2 RU 2014103931/03 A RU2014103931/03 A RU 2014103931/03A RU 2014103931 A RU2014103931 A RU 2014103931A RU 2567876 C2 RU2567876 C2 RU 2567876C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fibers
- polymer matrix
- modified
- layer
- binder
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 69
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 39
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 34
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 claims abstract description 15
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229920005596 polymer binder Polymers 0.000 claims abstract description 9
- 239000002491 polymer binding agent Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 16
- 230000008719 thickening Effects 0.000 claims description 13
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 12
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims description 2
- 238000000527 sonication Methods 0.000 claims description 2
- 230000000379 polymerizing effect Effects 0.000 claims 1
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 abstract description 2
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 abstract description 2
- 235000019241 carbon black Nutrition 0.000 abstract 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 abstract 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 12
- 229910002012 Aerosil® Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 11
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 10
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 8
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 8
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 5
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000009210 therapy by ultrasound Methods 0.000 description 4
- 229920002748 Basalt fiber Polymers 0.000 description 2
- 239000004593 Epoxy Substances 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- -1 antifreeze Substances 0.000 description 2
- 239000002717 carbon nanostructure Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 2
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000011858 nanopowder Substances 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002528 anti-freeze Effects 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000004568 cement Substances 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 239000012765 fibrous filler Substances 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005470 impregnation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 239000002707 nanocrystalline material Substances 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 239000002798 polar solvent Substances 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Chemical Or Physical Treatment Of Fibers (AREA)
- Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
- Reinforced Plastic Materials (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к строительству, а именно к изготовлению стержней из нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве связующих связевых элементов стеновых ограждающих конструкций, монолитных железобетонных и сборных конструкций, а также в качестве конструктивных элементах для армирования оснований автомагистралей и дорог в виде самостоятельных отдельных стержней или в виде сеток.The invention relates to the construction, namely to the manufacture of rods from nanocomposites, which can be used as adhesive connecting elements of wall envelopes, monolithic reinforced concrete and prefabricated structures, as well as structural elements for reinforcing the foundations of highways and roads in the form of separate individual rods or in the form of grids.
В настоящее время наблюдается тенденция развития производства полимерных композиционных материалов в виде нанокомпозитов.Currently, there is a tendency to develop the production of polymer composite materials in the form of nanocomposites.
Известен нанокомпозитный арматурный элемент (заявка РФ №2012100172/05, МПК E04C 5/07, опубл. 20.07.2013 г.), содержащий волокнистый наполнитель, пропитанный полимерным связующим, в которое введена магнитовоспримчивая металлсодержащая углеродная наноструктура.Known nanocomposite reinforcing element (application of the Russian Federation No. 20112100172/05, IPC E04C 5/07, publ. 07/20/2013), containing a fibrous filler impregnated with a polymer binder, which introduced a magnetically susceptible metal-containing carbon nanostructure.
Известна композитная арматура «Астрофлекс» (патент РФ 2405091, МПК E04C 5/07, опубл. 27.11.2010 г.), содержащая внешний слой и внутренний слой, при этом внешний слой выполнен из нанокомпозитного углепластика, в котором полимерная матрица модифицирована полиэдральными многослойными углеродными наноструктурами фуллероидного типа (астраленами) в соотношении 0,01-10% от массы полимерной матрицы, а внутренний слой выполнен из легкого высокоподвижного нанобетона, содержащего в своем составе компоненты при следующем соотношении, мас. %:Known composite reinforcement "Astroflex" (RF patent 2405091, IPC E04C 5/07, publ. 11/27/2010), containing the outer layer and the inner layer, while the outer layer is made of nanocomposite carbon fiber, in which the polymer matrix is modified with polyhedral multilayer carbon fulleroid type nanostructures (astralenes) in a ratio of 0.01-10% by weight of the polymer matrix, and the inner layer is made of light highly mobile nanoconcrete containing in its composition the components in the following ratio, wt. %:
Недостатком является недостаточные механохимические свойства.The disadvantage is the insufficient mechanochemical properties.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является стержень переменного сечения из композиционного материала (патент РФ №2324797, МПК E04C 5/07, опубл. 20.05.2008 г.), выполненный из ровинга минерального или химического волокна, скрепленного отвержденным полимерным связующим, при этом стержень выполнен многослойным и содержит несущий внутренний слой с продольным расположением волокон, последующий, по меньшей мере, один слой с поперечным расположением волокон.The closest analogue (prototype) is a rod of variable cross section made of composite material (RF patent №2324797, IPC E04C 5/07, published on 05/20/2008), made of roving of mineral or chemical fiber, bonded with a cured polymer binder, while the rod made multilayer and contains a supporting inner layer with a longitudinal arrangement of fibers, followed by at least one layer with a transverse arrangement of fibers.
Недостаток состоит в низких эксплуатационных характеристиках.The disadvantage is low performance.
Известен способ изготовления стержня переменного сечения из композиционного материала (патент РФ №2339773, МПК E04C 5/07, опубл. 27.11.2008 г.), выбранный за прототип, включающий пропитку ровинга минерального или химического волокна полимерным связующим, непрерывное последовательное формирование внутреннего слоя с продольным расположением волокон и внешнего слоя с поперечным расположением волокон, полимеризацию и формирование монолитного стержня.A known method of manufacturing a rod of variable cross-section from composite material (RF patent No. 2339773, IPC E04C 5/07, published on November 27, 2008), selected for the prototype, comprising impregnating the roving of a mineral or chemical fiber with a polymer binder, continuous sequential formation of the inner layer with a longitudinal arrangement of fibers and an outer layer with a transverse arrangement of fibers, polymerization and the formation of a monolithic rod.
При этом наружный слой с поперечным расположением волокон формируют путем навивки волокон на внутренний слой с заданным углом наклона волокон, образующих утолщения за счет дифференцирования скорости протяжки и навивки волокон.In this case, the outer layer with a transverse arrangement of fibers is formed by winding the fibers on the inner layer with a given angle of inclination of the fibers, forming thickenings by differentiating the speed of drawing and winding of the fibers.
Изменение толщины слоев и концентрации волокон позволяет широко варьировать свойства изделия.Changing the layer thickness and fiber concentration allows you to widely vary the properties of the product.
Недостатком способа является н достаточно эффективная технология производства и низкие механохимические свойства изделия.The disadvantage of this method is n quite effective production technology and low mechanochemical properties of the product.
Задачей настоящего изобретения является модификация способа изготовления стержней, обеспечивающая повышение качества изделий.The present invention is a modification of the method of manufacturing the rods, providing improved product quality.
Технический результат композитного стержня состоит в повышении механических прочностных характеристик, а также в повышении свойств изделия к воздействию в агрессивной среде.The technical result of the composite rod is to increase the mechanical strength characteristics, as well as to increase the properties of the product to action in an aggressive environment.
Технический результат достигается тем, что в композитном стержне, выполненном из ровинга минерального или химического волокна, скрепленного отвержденным полимерным связующим, содержащем несущий слой с продольным расположением волокон, последующий, по меньшей мере, один слой с поперечным расположением волокон, согласно изобретению волокна скреплены связующим с полимерной матрицей, модифицированной сажевым углеродом в соотношении 0,001-10% от массы полимерной матрицы, при этом продольные и поперечные волокна модифицированы в полимерной матрице ультразвуком. В частном случае наружный слой спирально навит на несущий слой в виде рельефных утолщений из модифицированных концентрированных скрученных или сплетенных между собой волокон. Внутренний несущий слой сформирован из модифицированных концентрированных сплетенных или скрученных между собой волокон.The technical result is achieved by the fact that in a composite rod made of roving mineral or chemical fibers, bonded with a cured polymer binder containing a carrier layer with a longitudinal arrangement of fibers, the subsequent at least one layer with a transverse arrangement of fibers, according to the invention, the fibers are fastened with a binder with a polymer matrix modified with carbon black in a ratio of 0.001-10% by weight of the polymer matrix, while the longitudinal and transverse fibers are modified in the polymer m Atritz ultrasound. In a particular case, the outer layer is spirally wound onto the carrier layer in the form of embossed thickenings of modified concentrated twisted or interwoven fibers. The inner carrier layer is formed from modified concentrated woven or twisted together fibers.
Технический результат способа изготовления состоит в том, что модифицированный способ позволяет улучшить технологию производства и получить плотный однородный стержень с повышенными эксплуатационными характеристиками, применяемый в высоконагруженных конструкциях. Также техническим результатом является упрощение процесса изготовления анкерных утолщений.The technical result of the manufacturing method consists in the fact that the modified method allows to improve the production technology and to obtain a dense homogeneous rod with high operational characteristics, used in highly loaded structures. Also the technical result is to simplify the manufacturing process of anchor thickenings.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления композитного стержня, включающем пропитку ровинга минерального или химического волокна полимерным связующим, непрерывное последовательное формирование несущего внутреннего слоя с продольным расположением волокон и, по меньшей мере одного, слоя с поперечным расположением волокон, полимеризацию и формирование монолитного стержня, согласно изобретению полимерную матрицу связующего предварительно модифицируют сажевым углеродом в соотношении 0,001-10% от массы полимерной матрицы, перед полимеризацией волокна в полимерной матрице модифицируют ультразвуковой обработкой. В частном случае при модификации связующего дополнительно осуществляют ультразвуковую обработку полимерной матрицы. Наружный слой имеет рельефные утолщения, сформированные путем обратной спиральной навивки концентрированных скрученных или сплетенных между собой модифицированных волокон на наружную поверхность внутреннего слоя из модифицированных продольных волокон, при этом угол наклона поперечных волокон, образующих утолщения, формируют в пределах 91-179 градусов за счет дифференцирования скоростей навивки волокон и протяжки стержня.The technical result is achieved by the fact that in the method of manufacturing a composite rod, comprising impregnating a roving of a mineral or chemical fiber with a polymer binder, continuous sequential formation of a supporting inner layer with a longitudinal arrangement of fibers and at least one layer with a transverse arrangement of fibers, polymerization and formation of a monolithic rod , according to the invention, the polymer matrix of the binder is pre-modified with carbon black in a ratio of 0.001-10% by weight of polymer atritsy before polymerization fibers in the polymer matrix is modified by sonication. In the particular case of the modification of the binder, ultrasonic processing of the polymer matrix is additionally carried out. The outer layer has relief thickenings formed by reverse spiral winding of concentrated twisted or braided modified fibers onto the outer surface of the inner layer of modified longitudinal fibers, while the angle of inclination of the transverse fibers forming the thickenings is formed within 91-179 degrees due to differentiation of speeds winding fibers and broaching the rod.
На фиг. 1 представлен композитный стержень в поперечном сечении. На фиг. 2 - композитный стержень с утолщениями в виде спиральной навивки концентрированных волокон. На фиг. 3 (а, б, в) представлен композитный стержень с несколькими продольными слоями, последний из которых навит в виде утолщений.In FIG. 1 shows a composite rod in cross section. In FIG. 2 - composite rod with thickenings in the form of a spiral winding of concentrated fibers. In FIG. 3 (a, b, c) presents a composite rod with several longitudinal layers, the last of which is wound in the form of thickenings.
Разработка новых композиционных материалов на основе эпоксиполимерных матриц и микро- и субмикродисперсных неорганических компонентов проводилась в ООО «Композит-Сервис» совместно с Институтом химии Коми НЦ УрО РАН. В результате исследований апробированы физико-химических процессы изготовления нанокомпозита. Разработаны технологические схемы получения эпоксиполимерных матриц, модифицированных введением высокодисперсных частиц сажевого углерода.The development of new composite materials based on epoxy polymer matrices and micro- and submicrodispersed inorganic components was carried out at Composite-Service LLC in conjunction with the Institute of Chemistry of the Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. As a result of the studies, the physicochemical processes of manufacturing the nanocomposite were tested. Technological schemes for the production of epoxy polymer matrices modified by the introduction of fine particles of carbon black have been developed.
В качестве модифицирующей наноструктуры применяют сажевый углерод и/или аэросил.As a modifying nanostructure, carbon black and / or aerosil are used.
Термическая сажа, или термический сажевый углерод, представляет собой тонкодисперсное порошкообразное вещество. Согласно микроскопическим исследованиям (http://school318.ru/rezina/07/6.html), сажа - это соединение отдельных пластинок типа графитовых (размером 10-20 Å), сложенных по три-четыре вместе и имеющих по краям свободные валентности углерода. Частицы сажи представляют собой агрегаты, состоящие из большого количества таких образований. У термических саж пластинки расположены в виде правильных стопок параллельно поверхности сажевой частицы, вследствие чего сила притяжения между отдельными частицами сажи очень невелика. У газовой сажи первичные пластинки расположены хаотично, вследствие чего свободные валентности углерода по краям этих пластинок легко взаимодействуют как между собой, вызывая образование цепочечной или сетчатой структуры. Сетчатая или цепочечная структура саж сообщает высокий модуль минеральному или химическому волокну.Thermal soot, or thermal carbon black, is a finely divided powdery substance. According to microscopic studies (http://school318.ru/rezina/07/6.html), soot is a combination of individual graphite-type plates (10-20 Å in size) folded three to four together and having free carbon valencies at the edges . Soot particles are aggregates consisting of a large number of such formations. For thermal soot, the plates are arranged in the form of regular stacks parallel to the surface of the soot particle, as a result of which the attractive force between the individual soot particles is very small. In gas soot, the primary plates are randomly located, as a result of which the free valencies of carbon at the edges of these plates easily interact with each other, causing the formation of a chain or network structure. The mesh or chain structure of soot imparts a high modulus to the mineral or chemical fiber.
Так же в качестве модифицирующей наноструктуры может быть использована «белая сажа», в частности аэросил. Аэросил представляет собой аморфный непористый диоксид кремния с размером частиц от 4 до 40 нм (в основном 10…30 нм). По современной классификации аэросил относится к нанопорошкам. Это чрезвычайно легкий белый порошок, который в тонком слое кажется прозрачным, голубоватым. Особенность аэросила заключается в его высокой удельной поверхности (до 500 м2/г). Высокая удельная поверхность аэросила, малые размеры, однородность и сферическая форма частиц обусловили применение аэросила в качестве модификатора композита. В Республике Коми находится Ярегское месторождение - уникальная сырьевая база титановой отрасли. На Ярегском ГХК планируется производство аэросила, отвечающего по качеству маркам крупнейших мировых производителей. Результаты исследования показывают, что аэросил состоит из частиц сферической или почти сферической формы, группирующихся в цепочки, которые в свою очередь образуют хлопьевидные агрегаты размером 1…2 мкм. Частицы аэросила группируются в фракталы (агломераты) размером от 10 до 200 мкм, преимущественно от 10 до 30 мкм.Also, “soot white”, in particular aerosil, can be used as a modifying nanostructure. Aerosil is an amorphous non-porous silicon dioxide with a particle size of 4 to 40 nm (mainly 10 ... 30 nm). According to the modern classification, aerosil belongs to nanopowders. This is an extremely light white powder, which in a thin layer appears transparent, bluish. The peculiarity of aerosil is its high specific surface (up to 500 m 2 / g). The high specific surface of the aerosil, its small size, uniformity, and the spherical shape of the particles led to the use of aerosil as a composite modifier. In the Komi Republic is the Yaregskoye deposit - a unique raw material base for the titanium industry. At Yaregsky Mining and Chemical Combine, it is planned to produce aerosil that meets the quality of brands of the world's largest manufacturers. The results of the study show that Aerosil consists of particles of a spherical or almost spherical shape, grouped in chains, which in turn form
Основные свойства композиционного стержня - энергия упругости, прочность при разрыве и др. характеристики зависят от типа сажи и размера частиц сажи.The main properties of a composite rod are elastic energy, tensile strength, and other characteristics that depend on the type of soot and the size of the soot particles.
Модификацию полимерной матрицы связующего осуществляют следующим образом.Modification of the polymer matrix of the binder is as follows.
В качестве полимерной матрицы используют эпоксидные смолы, например ЭД-20. Полимерную матрицу модифицируют углеродной наноструктурой в соотношении 0,001-10% от массы полимерной матрицы путем смешивания углеродного наноматериала с компонентами полимерной матрицы. Модификация полимерной матрицы связующего основана на использовании «эффекта малых добавок» (Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеринбург, 1998 г.). Нанопорошки с размером частицы до 1 мкм распределяются в межструктурных пространствах полимера на стадии его формирования, что приводит к снижению уровня микрогетерогенности полимерной матрицы и увеличению ее плотности. Для улучшения модифицируемых характеристик осуществляют ультразвуковую обработку смеси ультразвуковым генератором. Параметры ведения процесса обработки устанавливают в зависимости от степени наполнения полимерной матрицы таким образом, что обеспечивается равномерная плотность распределения частиц сажевого углерода в полимерной матрице.Epoxy resins, for example ED-20, are used as the polymer matrix. The polymer matrix is modified with a carbon nanostructure in the ratio of 0.001-10% by weight of the polymer matrix by mixing the carbon nanomaterial with the components of the polymer matrix. Modification of the polymer matrix of the binder is based on the use of the “effect of small additives” (Gusev AI, Nanocrystalline materials: production methods and properties. Yekaterinburg, 1998). Nanopowders with a particle size of up to 1 μm are distributed in the interstructural spaces of the polymer at the stage of its formation, which leads to a decrease in the level of microheterogeneity of the polymer matrix and an increase in its density. To improve the modifiable characteristics, ultrasonic treatment of the mixture with an ultrasonic generator is carried out. The parameters of the processing process are set depending on the degree of filling of the polymer matrix in such a way that a uniform distribution density of carbon black particles in the polymer matrix is ensured.
Полученное модифицированное связующее применяют для изготовления композитного стержня на технологической линии по патенту РФ №2318102, на которой дополнительно установлены ультразвуковые камеры.The obtained modified binder is used for the manufacture of a composite rod on the production line according to the patent of the Russian Federation No. 2318102, on which ultrasonic cameras are additionally mounted.
Композитный стержень 1 выполняют многослойным. Стержень содержит внутренний слой 2 с продольным расположением волокон, являющийся несущим, и последующий, по меньшей мере, один слой с поперечным расположением волокон 3, полученный посредством обратной спиральной навивки волокон на несущий слой 2 с углом наклона от 91 до 179 градусов. Волокна в слоях 2, 3, 4 скреплены связующим с модифицированной полимерной матрицей сажевым углеродом. Дополнительно, волокна в слоях с полимерной матрицей модифицированы ультразвуком. В зависимости от требуемого диаметра стержня (4-24 мм) и заданных свойств слоев с поперечным расположением волокон может быть несколько (3, 4) или несущий внутренний слой 2 может быть сформирован из нескольких слоев волокон с продольным расположением, при этом слои с продольным и поперечным расположением волокон могут чередоваться (2, 4). Также внутренний слой 2 может быть сформирован из концентрированных волокон, которые переплетены или скручены между собой.
Модифицированный ультразвуком наружный слой 3 из концентрированных скрученных или сплетенных между собой волокон спирально навит на несущий слой 2 в виде рельефных утолщений, расположенных под углом 91-179 градусов. Волокна спиральной навивки 3 могут выполнять функцию анкерных зацепов. Угол навивки и диаметр нити выбирают в зависимости от области применения, обеспечивающий наилучшее сцепление стержня с бетоном или иным материалом.Ultrasound-modified
Модификацию волокон осуществляют с помощью одной или нескольких ультразвуковых камер, установленных на технологической линии перед блоком полимеризации. Многослойные наноструктуры - группированные сажевые частицы (термическая сажа или газовая сажа или аэросил), находящиеся в полимерной матрице, при пропитке волокон связующим оседают на поверхности волокна. В процессе обработки ультразвуком частицы распределяются по поверхности волокна с равномерной плотностью, входят в межструктурное пространство, вследствие чего стержень имеет однородную, стабильную и бездефектную структуру.Modification of the fibers is carried out using one or more ultrasound chambers installed on the production line in front of the polymerization unit. Multilayer nanostructures - grouped carbon black particles (thermal carbon black or gas black or aerosil) located in a polymer matrix, when the fibers are impregnated with a binder, settle on the surface of the fiber. In the process of ultrasonic treatment, the particles are distributed over the surface of the fiber with a uniform density, enter the interstructural space, as a result of which the core has a uniform, stable and defect-free structure.
Изготовление осуществляется следующим образом.Production is as follows.
Предварительно в блоке управления задаются определенные параметры: длина стержня, скорость навивки волокон поперечного слоя на несущий продольный слой, скорость протяжки при формировании угла наклона утолщения.Preliminarily, certain parameters are set in the control unit: the length of the rod, the speed of winding the fibers of the transverse layer onto the supporting longitudinal layer, the speed of broaching when forming the angle of inclination of the thickening.
Бобины с ровингом устанавливают на бобинодержателе с натяжными блоками и выравнивающими гребенками. Количество бобин подбирают в зависимости от ровинга, требуемого диаметра несущего внутреннего слоя 2 и степени наполнения.The roving reels are mounted on a bobbin holder with tension blocks and leveling combs. The number of bobbins is selected depending on the roving, the required diameter of the supporting
Через шпулярник ровинг с продольным расположением волокон равномерно распределяется в натяжителе, проходит через счетно-измерительное устройство, затем через горизонтальный распределитель подается в камеру нагрева для удаления избыточной влажности и замасливания, после чего проходит через пропиточную камеру с модифицированным полимерным связующим и отжимное устройство с блоком фильер. После чего волокна в полимерной матрице модифицируют в ультразвуковой камере.Through a creel, roving with a longitudinal arrangement of fibers is evenly distributed in the tensioner, passes through a metering device, then it is fed through a horizontal distributor to a heating chamber to remove excess moisture and oiling, and then passes through an impregnation chamber with a modified polymer binder and a squeezing device with a die block . Then the fibers in the polymer matrix are modified in an ultrasonic chamber.
Ровинг слоя 3 (с поперечным расположением волокон) предварительно скручивают и пропитывают связующим для нанесения на внутренний слой 2. Затем на сформированный внутренний слой 2 (в том числе со слоем скрученного ровинга) посредством устройства продольно-кольцевой навивки укладывают слой крученой нити слоя 3 с поперечным расположением волокон.The roving of layer 3 (with a transverse arrangement of fibers) is pre-twisted and impregnated with a binder to be applied to the
Для формирования нескольких слоев волокон ровинга (3, 4) в технологическую линию дополнительно включают несколько последовательно установленных устройств навивки и ультразвуковых камер.To form several layers of roving fibers (3, 4), several sequentially installed winding devices and ultrasonic chambers are additionally included in the technological line.
Формирование утолщения 3 с определенным углом наклона обеспечивается посредством автоматизации скоростей протяжки и навивки.The formation of thickening 3 with a certain angle of inclination is ensured by automating the speeds of pulling and winding.
В частном случае модификацию волокон могут осуществлять одновременно во всех сформированных слоях в одной камере установленной после устройств продольно-кольцевой навивки. Обработку волокон ультразвуком проводят в зависимости от требуемых эксплуатационных параметров формируемого стержня, например, с частотой 22 кГц и мощностью 750 Вт с интенсивностью 9 Вт/см2. Продолжительность ультразвуковой обработки задают с учетом степени наполнения полимерной матрицы сажевым углеродом, при этом обеспечивается равномерная плотность распределения. Сформированный стержень заданного сечения проходит стадию полимеризации с дальнейшим направлением через укладчик в протяжной механизм и затем на линию резки или намотки.In the particular case, the modification of the fibers can be carried out simultaneously in all the formed layers in one chamber installed after the devices of longitudinal-ring winding. The processing of fibers with ultrasound is carried out depending on the required operational parameters of the formed rod, for example, with a frequency of 22 kHz and a power of 750 W with an intensity of 9 W / cm 2 . The duration of ultrasonic treatment is set taking into account the degree of filling of the polymer matrix with carbon black, while ensuring a uniform distribution density. The formed rod of a given cross section passes through the polymerization stage with a further direction through the stacker to a lingering mechanism and then to the cutting or winding line.
Последовательное непрерывное формирование внутреннего несущего слоя, наружного слоя в виде рельефных утолщений позволяет упростить процесс формирования анкерного зацепа. Изменение толщины слоев за счет скручивания (сплетения) и концентрации волокон позволяет широко варьировать диапазоном диаметра стержня. Кроме того, изготовление стержня с последовательным формированием слоев позволяет применять различные сочетания минеральных и химических волокон (стекловолокно, базальтовое волокно и др.) и тем самым расширить спектр применения.Sequential continuous formation of the inner bearing layer, the outer layer in the form of embossed thickenings simplifies the process of forming the anchor hook. Changing the thickness of the layers due to twisting (plexus) and fiber concentration allows you to widely vary the range of diameter of the rod. In addition, the manufacture of a rod with sequential formation of layers allows the use of various combinations of mineral and chemical fibers (fiberglass, basalt fiber, etc.) and thereby expand the range of applications.
Физико-механические свойства полученных изделий приведены в таблице 1.Physico-mechanical properties of the obtained products are shown in table 1.
В примерах испытаний использованы образцы композитного стержня из ровинга стекловолокна. Монолитный стержень получен по вышеописанному способу. В качестве модифицирующей добавки использован наполнитель сажевый углерод в количестве 0,01-10 масс. % от полимерной матрицы.In the test examples used samples of a composite rod of fiberglass roving. Monolithic rod obtained by the above method. As a modifying additive used carbon black filler in an amount of 0.01-10 mass. % of the polymer matrix.
В совокупности модификация полимерной матрицы сажевым углеродом и последующая модификация волокон внутреннего и внешнего слоев в полимерной матрице ультразвуковой обработкой позволяют получить нанокомпозитный стержень с высокими эксплуатационными свойствами и повышенной устойчивостью к агрессивным средам, в том числе стойкость к воде, антифризу, кислотам, щелочам, электролиту, растворам солей, маслам и полярным растворителям. Исследования показали, что изобретение позволяет в сравнении с прототипом повысить модуль упругости в два раза, устойчивость к агрессивным средам в 10 раз.Altogether, the modification of the polymer matrix with carbon black and the subsequent modification of the fibers of the inner and outer layers in the polymer matrix by ultrasonic treatment make it possible to obtain a nanocomposite rod with high performance properties and increased resistance to aggressive media, including resistance to water, antifreeze, acids, alkalis, electrolyte, salt solutions, oils and polar solvents. Studies have shown that the invention allows, in comparison with the prototype, to increase the elastic modulus by half, resistance to aggressive environments by 10 times.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014103931/03A RU2567876C2 (en) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Composite rod and method of its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014103931/03A RU2567876C2 (en) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Composite rod and method of its production |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014103931A RU2014103931A (en) | 2015-08-10 |
| RU2567876C2 true RU2567876C2 (en) | 2015-11-10 |
Family
ID=53795802
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014103931/03A RU2567876C2 (en) | 2014-02-04 | 2014-02-04 | Composite rod and method of its production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2567876C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019090120A1 (en) * | 2017-11-02 | 2019-05-09 | Mahmoud Reda Taha | Pultruded gfrp reinforcing bars, dowels and profiles with carbon nanotubes |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2220049C2 (en) * | 2001-06-26 | 2003-12-27 | Николаев Валерий Николаевич | Concrete-reinforcing rod |
| US7419624B1 (en) * | 1997-03-07 | 2008-09-02 | William Marsh Rice University | Methods for producing composites of fullerene nanotubes and compositions thereof |
| RU2461588C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "УралСпецАрматура" | Composite reinforcing article |
| RU126031U1 (en) * | 2012-08-21 | 2013-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "Москомпозит" | REINFORCED ROD OF VARIABLE SECTION FROM COMPOSITE MATERIAL |
-
2014
- 2014-02-04 RU RU2014103931/03A patent/RU2567876C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7419624B1 (en) * | 1997-03-07 | 2008-09-02 | William Marsh Rice University | Methods for producing composites of fullerene nanotubes and compositions thereof |
| RU2220049C2 (en) * | 2001-06-26 | 2003-12-27 | Николаев Валерий Николаевич | Concrete-reinforcing rod |
| RU2461588C1 (en) * | 2011-04-01 | 2012-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "УралСпецАрматура" | Composite reinforcing article |
| RU126031U1 (en) * | 2012-08-21 | 2013-03-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "Москомпозит" | REINFORCED ROD OF VARIABLE SECTION FROM COMPOSITE MATERIAL |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019090120A1 (en) * | 2017-11-02 | 2019-05-09 | Mahmoud Reda Taha | Pultruded gfrp reinforcing bars, dowels and profiles with carbon nanotubes |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014103931A (en) | 2015-08-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Laverde et al. | Use of vegetable fibers as reinforcements in cement-matrix composite materials: A review | |
| CN1196822C (en) | Process for the preparation of macroscopic fibers and ribbons from colloidal particles, especially carbon nanotubes | |
| Dvorkin et al. | Effect of reinforcement with carbon fabrics impregnated with nanoparticles on the tensile behavior of cement-based composites | |
| Zhao et al. | Development and testing of fast curing, mineral-impregnated carbon fiber (MCF) reinforcements based on metakaolin-made geopolymers | |
| US8470946B1 (en) | Enhanced strength carbon nanotube yarns and sheets using infused and bonded nano-resins | |
| KR100857475B1 (en) | Fiber reinforcing agent manufacturing method with improved dispersibility and adhesion performance and cement composition comprising the same | |
| CN102166780A (en) | Method for preparing light-transmitting concrete by spinning optical fiber technology | |
| KR20140037115A (en) | 3-mode blended fibers in an engineered cementitious composite | |
| RU2732284C2 (en) | Composite fiber coated with silicon dioxide for reinforcement of concrete | |
| Zhao et al. | Effect of surface profiling on the mechanical properties and bond behaviour of mineral-impregnated, carbon-fibre (MCF) reinforcement based on geopolymer | |
| Rahman et al. | Advanced Green composites using liquid crystalline cellulose fibers and waxy maize starch based resin | |
| Zheng et al. | Polydopamine coating improves electromagnetic interference shielding of delignified wood-derived carbon scaffold | |
| WO2005118924A1 (en) | Loaded polymer fibre, method for the production thereof, use of the same, and composition comprising such fibres | |
| RU2567876C2 (en) | Composite rod and method of its production | |
| Kolosov | Functional Materials for Construction Application Based on Classical and Nano Composites: Production | |
| RU2433038C1 (en) | Method to make modified fibrous concrete mixture and modified fibrous mixture | |
| Mas et al. | Understanding the enhancement of Young’s modulus of macroscopic carbon nanotube fibers after polymer infiltration | |
| RU2612284C1 (en) | Composite reinforcement | |
| CN110863347B (en) | A kind of polyoxymethylene fiber, modification method and application thereof | |
| Takagi et al. | Mechanical characterisation of nanocellulose composites after structural modification | |
| Ma et al. | Carbon nanotube composites manufactured by filament wind processing for electrothermal deicing application | |
| RU121841U1 (en) | COMPOSITION FITTINGS | |
| CN108656652B (en) | Carbon nanotube fiber composite material and preparation method thereof | |
| Xie et al. | Structurally Tailoring Clay Nanosheets to Design Emerging Macrofibers with Tunable Mechanical Properties and Thermal Behavior | |
| Hasan et al. | Novel engineered high performance sugar beetroot 2D nanoplatelet-cementitious composites |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170205 |