Профильное изделие из термопластичного полимера, армированного волокнами

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПРОФИЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ ИЗ ТЕРМОПЛАСТИЧНОГО ПОЛИМЕРА,АРМИРОВАННОГО ВОЛОКНАМИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Ставров Василий Петрович Наркевич Анна Леонидовна(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) 1. Профильное изделие из термопластичного полимера, армированного волокнами,нагружаемое изгибающим моментом и имеющее стенку в плоскости действия изгибающего момента, перпендикулярную нейтральной оси поперечного сечения при изгибе и выполненную из полимера, хаотически армированного волокнами, и связанные со стенкой полки, параллельные нейтральной оси, одна из которых расположена в растягиваемой, а другая в сжимаемой при изгибе части профиля, отличающееся тем, что полки выполнены из армированного волокнами полимера, диапазон упругой деформации которого при растяжениии сжатии - шире диапазона упругой деформации хаотически армированного волокнами полимера при растяжениии сжатии - соответственно, ширина полок в растянутой части профиля пропорциональна разности- , а в сжатой зоне разности - - -, при этом часть сечения профиля, включающая полки, и часть сечения,включающая стенку, статически уравновешены относительно нейтральной оси сечения профиля. 2. Профильное изделие по п. 1, отличающееся тем, что полки выполнены из того же термопластичного полимера, что и стенка, или совместимого с ним, но армированного непрерывными волокнами, ориентированны в направлении продольной оси профиля, при этом доля волокон в материале полок по крайней мере на 10 выше, чем в материале стенки.(56) 1.98114996, МПК В 29 С 70/06, 2000. 2.198157831, МПК В 29 С 70/20, 1999. 3.20675381, МПК В 29 С 70/06, 1996. 4.297105631, МПК В 29 С 70/10, 1997. 5.5324377, МПК В 29 С 47/02, В 29 С 70/10, 1994. 6.1020060429201, МПК 04 0/05, В 29 С 70/00, 2007. 7.102006031432 А 1, МПК В 29 С 70/00, 2008. 8.44280883, МПК В 29 С 47/02, В 29 С 70/14, 2003. 9. Композиционные материалы Справочник / Под ред. В.В. Васильева и Ю.М. Тарнопольского. - М. Машиностроение, 1990. - С. 330-337 Ставров В.П. Конструирование и расчет изделий из композиционных материалов. Ч. 2. Стержневые конструкции. - Минск БГТУ, 1999. - С. 8-14. Полезная модель относится к изделиям из волокнистых композиционных материалов на основе термопластичных полимеров и может быть использована в строительстве,транспортном машиностроении, химической и других отраслях промышленности в конструкциях балок, работающих на изгиб. Профильные изделия из термореактивных полимеров, армированных непрерывными волокнами, по показателям удельной жесткостью и прочности превосходят алюминиевые и стальные, но имеют высокую стоимость. Профильные изделия из более дешевых, экологически чистых и более технологичных термопластичных полимеров имеют низкую удельную жесткость и прочность, особенно при повышенных температурах. Чтобы избежать этого недостатка, термопластичные полимеры армируют высокопрочными волокнами, преимущественно длинными или непрерывными. Высокая удельная жесткость и прочность изделий из волокнистых композитов достигается за счет формирования структуры, наиболее соответствующей напряженному и деформированному состоянию изделия в условиях эксплуатации. В частях изделия,воспринимающих преимущественно растягивающие усилия, располагают однонаправленные волокна, ориентированные в направлении растяжения. Другие части, воспринимающие преимущественно касательные и сжимающие напряжения, могут быть сформированы из термопластичных полимеров, армированных дискретными волокнами. Известны профильные (стержневые) изделия из материалов, армированных волокнами с учетом распределения напряжений в поперечном сечении при изгибе 9. Параметры структуры материала и размеры сечения таких изделий задают в зависимости от распределения напряжений и их допускаемых значений, являющихся функциями структурных параметров. Вследствие зависимости структуры и свойств волокнистых композитов в различных частях сечения профиля от длины волокон, способа их совмещения с матричным полимером и от условий течения композиции при формообразовании изделий достижение структуры материала в различных частях сечения профильного изделия, оптимальной по критерию материалоемкости, усложняется. Масса изделия, отвечающего требованиям жесткости и прочности, оказывается выше минимально возможной. Известен сплошной или полый профиль из усиленной волокном пластмассы 1, в котором армирующие наполнители состоят из натуральных волокон, ориентированных в направлении продольной оси профиля. Профиль изготавливают способом непрерывного профильного прессования или пултрузии. Аналогичный по структуре профиль описан в патентной заявке 2. Он также содержит систему однонаправленных натуральных волокон в составе стренг или лент, из которых формируется изделие. 2 52302009.04.30 Однонаправленная структура профиля по всему сечению не оптимальна, если изделие в условиях эксплуатации нагружено изгибающим моментом. Потому масса конструкции оказывается завышенной. Известен профиль из волокнистого композиционного материала 3, содержащий тканую оболочку, форма которой изменяется вдоль оси, и сердцевину, помещенную в оболочку и связанную с ней за счет диффузии. Сердцевина выполнена из материала,содержащего измельченное вещество. Трубчатый или профильный стержень, армированный волокнами, согласно 4, содержит параллельные жгуты, уложенные в направлении оси стержня и под углом к ней. Ориентация системы жгутов и сечения стержня переменны вдоль оси. Профильное изделие, получаемое пултрузией по способу 5, также содержит в поперечном сечении участки, образованные непрерывными волокнами, и связанные с ними матричным полимером участки, образованные дискретными волокнами, расположенными в определенных частях сечения профиля и хотя бы частично ориентированными под углом к продольной оси изделия. Профили, получаемые пултрузией по способу, изложенному в патентной заявке 6,содержат сердцевину, включающую волокна, ориентированные вдоль оси, и наружный слой, формируемый с использованием трикотажных армирующих наполнителей. Структуры материала, заданные согласно 3-6, не соответствуют распределению нормальных напряжений при изгибе профиля. Профиль из волокнистого композиционного материала, согласно патентной заявке 7,содержит продольно ориентированные силовые элементы из композита с термореактивным связующим и стренги из термопластичного полимера, заполняющие полости между несущими элементами. Эти стренги из материала с низким модулем упругости позволяют снизить напряжения в несущих элементах при изготовлении профиля и при нагружении поперечными силами. Введение стренг, не повышающих несущую способность профиля при основном виде нагружения изгибающим моментом, снижает удельную жесткость и прочность. Вследствие различной химической природы матричного полимера в несущих элементах и полимера в стренгах предусматривается дополнительно клеевая прослойка. Это усложняет процесс изготовления профиля и увеличивает его стоимость, отнесенную к единице жесткости и прочности. Техническое решение, наиболее близкое к предлагаемому и защищенное патентом 8,относится к профильному изделию, получаемому экструзией из термопластичного полимера, армированного волокнами длиной от 3 до 30 мм с модулем Юнга не менее 60 ГПа,доля которых составляет от 30 до 70 мас. . Поперечное сечение этого профиля, нагружаемого в условиях эксплуатации изгибающим моментом, содержит вертикальную стенку и связанные с ней полки. Степень преимущественной ориентации армирующих волокон в направлении оси изделия в частях сечения, относящихся к полкам, характеризуется, согласно данному патенту, отношением температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материала в продольном и поперечном направлениях и составляет от 0,12 до 0,2. В нейтральной зоне сечения (там, где нормальные напряжения малы или равны нулю, а касательные максимальны) это отношение составляет от 0,25 до 0,5. ТКЛР композиционных материалов и их соотношение в разных направлениях (степень анизотропии) зависят не только от ориентации волокон, но и от ТКЛР компонентов. В еще большей мере от свойств компонентов, от размеров и ориентации волокон, являющихся функциями также режимов экструзии, зависят показатели упругих свойств и прочности волокнистых композитов. Из-за низкой точности прогнозирования и экспериментальной оценки ТКЛР волокнистых композитов различной структуры и слабой корреляции между ТКЛР и показателями механических свойств, определяющими несущую способность балки, а также ввиду различного сопротивления волокнистых композитов растяже 3 52302009.04.30 нию и сжатию в балках, работающих на изгиб, структура материала в изделии, заданная по соотношению ТКЛР, не является оптимальной по критерию удельной жесткости и прочности. В то же время при охлаждении профильного изделия с неоднородной структурой возникают термоструктурные напряжения и деформации, не отвечающие условию равновесия и приводящие к возникновению изгибающего момента в сечения профиля и к обусловленному действием этого момента искривлению изделия. Таким образом, задание степени анизотропии материала в профильном изделии, работающем на изгиб, путем указания, согласно патенту 8, соотношения ТКЛР не обеспечивает соответствия требованию минимума материалоемкости изделия, т.е. минимальной массы, отнесенной к единице нагрузки или иного связанного с ней показателя, например прогиба. Задача предлагаемого технического решения - повышение качества изделия за счет снижения материалоемкости и искривлений оси. Поставленная задача решается тем, что в профильном изделии из термопластичного полимера, армированного волокнами, нагружаемом изгибающим моментом и имеющим стенку в плоскости действия изгибающего момента, перпендикулярную нейтральной оси поперечного сечения при изгибе и выполненную из полимера, хаотически армированного волокнами, и связанные со стенкой полки, параллельные нейтральной оси, одна из которых расположена в растягиваемой, а другая в сжимаемой при изгибе части профиля, полки выполнены из армированного волокнами полимера, диапазон упругой деформации которого при растяжениии сжатии - шире диапазона упругой деформации хаотически армированного волокнами полимера при растяжениии сжатии - соответственно, ширина полок в растянутой части профиля пропорциональна разности- , а в сжатой зоне - разности - - -, в частности из того же термопластичного полимера,что и стенка, или совместимого с ним, но армированного непрерывными волокнами, ориентированными в направлении продольной оси профиля, объемная доля которых по крайней мере на 10 выше, чем в хаотически армированном полимере, при этом общее сечение обеих полок и сечение стенки статически уравновешены относительно нейтральной оси сечения профиля. В частном случае полки выполнены из того же термопластичного полимера, что и стенка, или совместимого с ним, но армированного непрерывными волокнами, ориентированными в направлении продольной оси профиля, при этом доля волокон в материале полок по крайней мере на 10 выше, чем в материале стенки. Предлагаемое техническое решение основано на закономерностях деформирования полимеров различной структуры, армированных волокнами, и теории поперечного изгиба балок постоянного по длине сечения. Сущность полезной модели состоит в том, что в предлагаемом исполнении полки, наиболее нагруженные при изгибе, выполнены из армированного волокнами полимера, имеющего более высокие показатели жесткости и прочности, чем материал стенки, при условиях, обеспечивающих совместную работу полок и стенки во всем диапазоне упругих деформаций материала. В частности, предлагается полки выполнить из того же термопластичного полимера, что и стенка, или совместимого с ним, но армированного непрерывными волокнами, ориентированными в направлении продольной оси профиля, доля которых по крайней мере на 10 выше, чем в хаотически армированном полимере. Прочность при растяжении полимера, однонаправленно армированного волокнами, в 2-3 раза выше прочности такого же материала при сжатии, различны также диапазоны упругого деформирования при растяжении и сжатии как однонаправленного, так и хаотически армированного материала. Поэтому при условии совместного деформирования в упругой области площадь сечения полки, испытывающей растяжение при нагружении профиля изгибающим моментом, может быть меньше, чем площадь сечения полки, испытывающей сжатие. Применение разновеликих полок приводит к снижению массы профиля, однако неизбежная при этом несимметричность полок и стенки относительно нейтральной оси сечения служит причиной искривления оси профиля при 4 52302009.04.30 охлаждении в процессе формообразования и появления начальных растягивающих напряжений в стенке, снижающих нагрузку, допускаемую в условиях эксплуатации. Предлагаемое статическое уравновешивание частей профиля позволяет избежать указанных негативных последствий при использовании разновеликих полок и их несимметричном расположении относительно нейтральной оси сечения. В результате обеспечивается снижение массы изделия при заданных значениях изгибающего момента без ухудшения качества изделия. Полезная модель иллюстрируется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показаны диаграммы деформирования при растяжении и сжатии полимера(полипропилена), армированного стеклянными волокнами, ориентированными однонаправленно (30 об.) и хаотически (20 об.). Обозначенные на диаграммах границы упругих деформаций при растяжении и сжатии зависят от ориентации волокон. Они могут быть найдены экспериментальными методами и путем прогнозирования по методике, изложенной в данной статье Ставров В.П., Наркевич А.Л. Структура и механические свойства термопластов, хаотически армированных стекловолокном. - Механика машин,механизмов и материалов, 1 (02), 2008, с. 66-70. Из фиг. 1 видно, что диапазоны упругих деформаций при растяжении (обозначены знаком ) и сжатии (-) полимера, однонаправленно армированного непрерывными волокнами, шире, чем соответствующие диапазоны упругих деформаций хаотически армированного полимера. На фиг. 2 изображено поперечное сечение профильного изделия предлагаемой конструкции. Полка 1 расположена в зоне растяжения, а полка 2 - в зоне сжатия. Стенка 3 выполнена из полимера, хаотически армированного волокнами, и связана с полками 1 и 2. Стенку 3 пересекает нейтральная ось сечения . Обе полки выполнены на основе того же термопластичного полимера, что и стенка, или совместимого с ним, но имеют однонаправленную структуру. Ширина пропорциональна разности диапазонов упругих деформаций материала полок и стенки при растяжении и сжатии соответственно. На фиг. 2 это показано путем применения одинакового масштаба по отношению к масштабу диаграмм деформирования на фиг. 1. В качестве коэффициента пропорциональности может быть использован допустимый радиус кривизны изогнутой оси профиляпри заданных условиях нагружения. Тогда ширина полок, расположенных в растянутой зоне 1 и в сжатой зоне 2, связана с разностями диапазонов упругих деформаций материала полок и стенки соотношениями(1) 1( - ) 2(- - -). Ординаты сечения профиля, характеризующие положение полок и стенки, заданы соотношениями(2)-- -Радиус кривизны оси балки связан с жесткостьюсоотношением 1//, откуда следует выражение для жесткости балки при изгибе. С другой стороны, жесткость при изгибе балки переменного по высоте сечения из неоднородного по упругим свойствам материала выражается через параметры сечения формулой где- модуль Юнга в направлении продольной оси балки у - ордината, отсчитываемая от нейтральной оси сечения х,- текущая ширина сечения. В балке предлагаемой конструкции полки имеют прямоугольное сечение и материал в пределах полок и стенки однороден, поэтому выражение для жесткости при изгибе может быть в виде формулы, содержащей параметры сечения профиля. Полки 1 и 2 и стенка 3 выполнены так, что удовлетворяются условия статического равновесия 5 52302009.04.30 12 30,(4) где с учетом однородности материала в пределах полок и стенки и формы сечений этих элементов- статические моменты сечений полок относительно нейтральной оси сечения профиля- статический момент сечения стенки Е и Е - модули упругости материала полки и стенки соответственно в направлении оси профиля 1 2 и- ширина полок и стенки. Если различаются границы упругих деформаций при растяжениии при сжатии- полимера, хаотически армированного волокнами, то сечение стенки оказывается трапецеидальным. Наименьшая сторона трапеции (ширина стенки 1) удовлетворяет условию прочности при сдвиге 1(7)где- поперечная сила в сечении балки- прочность при сдвиге на границе стенки с полкой. Из условия статической уравновешенности сечения стенки (6) следует выражение для другой стороны трапеции 3 гдеу- - высота стенки. Для предлагаемого сечения профиля жесткость, вычисляемая по формуле (3), записывается в виде суммы жесткостей полок и стенки 123,(9) где Из системы уравнений (4) и (8) находятся неизвестные значения размеров полок 1 и 2. Затем по формулам (7) и (8) вычисляются размеры стенки. Таким образом, определены все параметры сечения, обеспечивающие заявленный технический результат. Они соответствуют минимальной массе профиля из армированного термопластичного полимера с заданными параметрами структуры, нагруженного заданным моментом. Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующим примером. Допустим, профильное изделие - балка на двух опорах, расстояние между которыми равно 1 м, изгибается силой 1 кН, приложенной в середине. Максимальный изгибающий момент в среднем сечении равен М/4. Предельный прогиб установлен равным 25 мм, тогда допустимый радиус кривизны изогнутой оси балки равен 2/12,или 3,33 м. Необходимая для обеспечения данного прогиба жесткость при изгибе 830 Нм 2. Профиль, сечение которого соответствует фиг. 2, изготавливается из полипропилена,армированного стеклянными волокнами. Стенка выполняется из полипропилена, хаотически наполненного отрезками стеклоровинга ЕС 13-2400 длиной 3-20 мм в количестве 40 мас.(20 об. ). Модуль упругости такого материала Е 6 ГПа, границы диапазона упругой деформации при растяжении 0,4 , при сжатии - -0,3 , разрушающие напряжения 40 и 80 МПа соответственно. 52302009.04.30 Полки выполняются из однонаправленного армированного полипропилена (60 мас. ,или 30 об. ), полученного путем пултрузионной пропитки стеклоровинга ЕС 13-2400 полимерным расплавом. Модуль упругости в направлении армирования Е 15 ГПа,граница диапазона упругой деформации при растяжении 0,9 , при сжатии -о 0,4 , разрушающие напряжения 200 и 90 МПа соответственно. Полки сплавлены со стенкой в процессе экструзии. Прочность при сдвиге на границе полок со стенкой принимается равной 5 МПа. Размеры полок, рассчитанные по формулам (1) и в результате решения системы уравнений (4) и (8), задаются равными в растянутой зоне 117,0 мм, 14,4 мм, в сжатой зоне - 23,3 мм, 241 мм. Размеры стенки 23 мм, 13 мм, 24 мм. При этих параметрах сечения масса 1 м изделия составляет 0,35 кг. Материал полок аналогичного профиля, выполненного по известному решению, имеет при армировании полипропилена стеклоровингом ЕС 13-2400 длиной 3-20 мм в количестве 40 мас. , и при отношении ТКЛР в продольном и поперечном направлениях 0,12 следующие характеристики Е 11 ГПа, границы диапазона упругой деформации при растяжении 0,5 , при сжатии - -0,5 , разрушающие напряжения 70 и 80 МПа соответственно. Размеры полок в сечении, удовлетворяющем требованиям жесткости и прочности,125 мм, 1237 мм. Размеры стенки 23 мм, 123 мм. При этих параметрах сечения масса изделия составляет 0,56 кг, т.е вдвое больше, чем профиля предлагаемой конструкции. Таким образом, предлагаемое исполнение профильного изделия обеспечивает решение поставленной технической задачи. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.