Результат интеллектуальной деятельности: ГИБКАЯ СПЛОШНАЯ ЛЕНТА ИЗ КОМПЛЕКСНОЙ НИТИ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Изобретение относится к способу изготовления гибкой волоконной сплошной ленты из комплексной нити и к изготовленным таким образом лентам. Изобретение относится далее к волоконно-оптическим кабелям, включающим указанную ленту.

Ленты, армированные волокнами (называемыми также нитями или пряжей), известны. В JP 10-130996 описана несущая лента. Эта несущая лента была получена с использованием плоской волоконной структуры, имеющей ширину, примерно равную ширине ленты, в качестве армирующего материала и смолы в качестве матрикса. Волоконная структура является трехмерной переплетенной тесьмой из нити.

В GB 1433128 описана основовязаная лента для армирования материалов матрикса. Лента может включать два жгута высокомодульных углеродных волокон.

В WO 03/091006 описан способ изготовления нового материала, включающего пучки натурального волокна, которые предварительно пропитаны органической смолой, приняв форму шпагата или тесемки.

В US 4626306 описан способ изготовления гибких волоконных полосок, содержащих одномерные волокна, заделанные в термопластичную смолу. Согласно этому способу кладку параллельных волокон пропитывают частицами смолы при отделении волокон от ровинга волокон. Ровинг (или прядь) представляет собой длинный и узкий пучок волокна с кручением, чтобы удерживать волокна вместе. Волокна ровинга распускают, но по этому способу распускают только волокна, а не индивидуальные элементарные нити волокна. Этот способ таким образом только предлагает метод, который приводит к поверхностной обработке каждого волокна смолой, тогда как индивидуальные элементарные нити в сердцевине волокна не пропитываются.

Подобным образом в ЕР 316922 описан способ, по которому волокна ровинга отсоединяют от ровинга и распускают с последующей пропиткой распущенных волокон эмульсией смолы. Индивидуальные элементарные нити каждого волокна не распускаются, и опять-таки только поверхностные элементарные нити волокна пропитываются веществом смолы.

US 3873389 относится к графитовым листам, которые не пропитывают на поточной линии, а сперва располагают рядом в одной плоскости, а затем пропитывают. Настоящее изобретение не относится к графиту и не относится к листам, которые не обработаны на поточной линии.

При изготовлении армированных композитов, имеющих армирующие элементы внутри матрикса, в US 5503928 описано волокно, состоящее из штапельной пряжи, спряденной из дискретных волокон со слабым скручиванием. В US 6270635 описана установка для нанесения сплошного покрытия на нити волокна, где на каждую нить пучка волокон нанесено сплошное покрытие в узком протоке зигзагообразной воронки.

Таким образом, эти известные ленты содержат волокна для армирования матрикса смолы. Недостатком таких лент является то, что имеется относительно слабое взаимодействие между волокном и матриксом. Волокна заделаны в матрикс, но только внутренние элементарные нити имеют приемлемый контакт с матриксом. Если элементарные нити имеют сплошное покрытие, как в US 6270851, то лента содержит значительное количество смолы, обычно 60% масс. или более, и относительно малые количества волокна. Смола дает значительный вклад в массу композита (обычно меньше чем 40% масс. волокна), и благоприятные свойства высокоэффективных волокон, таких как арамид, становятся менее доминирующими по сравнению в расчете на массу с настоящим изобретением (например, по величинам модуля, удлинения при разрыве, прочности на разрыв). Большие количества смолы вызывают также излишний вклад в стоимость также и в случае, когда используют высокоэффективные волокна. Кроме того, большие количества смолы уменьшают гибкость ленты, вызывая тем самым затруднения, например, при производстве волоконно-оптического кабеля, поскольку пониженные свойства гибкости могут вызвать проблемы, например, при размещении кабельного разъема.

Поэтому существует возрастающая потребность в волокнах в форме гибких сплошных лент, которые не могут быть получены известными способами. В ЕР 837162 и US 2006/0137156 была сделана попытка усовершенствования путем роспуска элементарных нитей комплексной нити. Так, элементарные нити распускают путем продувки воздухом, чтобы в большей степени дать смоле возможность проникнуть между элементарными нитями. Этот документ, однако, относится не к лентам, а к армированному волокном пластику.

Подобным образом в ЕР 569928 описан способ роспуска элементарных нитей и пропитки термопластичной смолой. Опять-таки этот способ предназначен не для изготовления лент, а для армирования термопластичного матрикса.

Задачей настоящего изобретения является не армирование матрикса смолы, а получение гибких сплошных лент, изготовленных из волоконного материала, содержащего настолько мало материала матрикса, насколько это возможно. Эта задача достигается новым способом изготовления гибкой волоконной ленты, содержащей от 60 до 98% волокна в расчете на массу ленты из комплексной нити, выбранной из арамида, стекла, ароматического полиэфира и жесткого стержневидного полимера, включающим стадии:

a1) роспуск элементарных нитей пряжи для получения слоя элементарных нитей, имеющего соотношение геометрических размеров в поперечном сечении (ширина/высота) от 2 до 2000; и

b1) обработки распущенных элементарных нитей отверждаемой смолой или жидкой термопластичной смолой или воском; или

a2) обработки пряжи отверждаемой смолой или жидкими термопластичной смолой или воском; и

b2) роспуск элементарных нитей пряжи для получения слоя нитей, имеющего соотношение геометрических размеров в поперечном сечении (ширина/высота) от 2 до 2000; с последующей

c) фиксацией элементарных нитей путем отверждения или затвердевания смолы для получения ленты,

где стадии a1)-b1) или, соответственно, a2)-b2) и с) осуществляют в поточной линии.

В отличие от материалов предшествующего уровня техники, которые не были именно лентами, а главным образом являются армированными материалами из смол, настоящие продукты являются волоконными материалами, в которых смола обеспечивает фиксирование отдельных элементарных нитей волокон. Таким образом волокна не армируют матрикс, который присутствует лишь в низких количествах, наиболее предпочтительно даже меньше, чем 30% масс., но волокно является материалом, из которого главным образом изготовлена лента, а низкие количества смолы использованы лишь для того, чтобы обездвижить нити.

Поэтому другой задачей изобретения является создание гибкой сплошной ленты, изготовленной из слоя, включающего нити и имеющего соотношение геометрических размеров (ширина/высота) в поперечном сечении от 2 до 2000. Эти ленты могут быть крайне прочными и тонкими и, тем не менее, оставаться гибкими. Они обычно содержат общее число нитей от 6 до 4000. Далее было обнаружено, что полученные таким образом ленты показывают слабую или не показывают потерю прочности на разрыв по сравнению с необработанной пряжей.

Ленты по изобретению включают элементарные нити, фиксированные отвержденной или затвердевшей смолой, где отношение ширина/высота ленты составляет от 2 до 2000, предпочтительно от 10 до 1000, наиболее предпочтительно от 20 до 500. Эти ленты могут быть использованы в применениях, которые требуют высокой прочности на разрыв, таких как использование в качестве ортопедической ленты, армирующей ленты тубы, шланга или трубы, для армирования парусов и ленты для использования в электрических или волоконно-оптических кабелях. Ленты могут быть, необязательно, намотаны на катушку.

Изобретение также дает возможность изготовления очень мелких микролент, каковые ленты имеют ширину менее 0,5 мм и отношение геометрических размеров (ширина/высота) в поперечном сечении от 2 до 20. Эти микроленты могут найти применение в медицине.

Ленты по изобретению, где отношение геометрических размеров (ширина/высота) в поперечном сечении составляет от 20 до 500, особо подходят для применения в волоконно-оптических кабелях. Высококачественные волокна с превосходными модулем, прочностью и теплостойкостью в настоящее время используют в качестве армирующего материала для волоконно-оптических кабелей. Высокие прочность и модуль высококачественных волокон предотвращают воздействие экстремальных усилий на оптические стекловолокна, приводящее к повреждению стекловолокон. Обычно оптические стекловолокна помещают в тонкие полые трубки из термопластика в кабеле (так называемые конструкции с центральной ненапряженной трубкой), или слой термопластика экструдируют на оптическое волокно (конструкция с плотно обжатым буферным покрытием). Обычно внутренний кабель полностью покрывают армирующими волокнами, в особенности при конструкции с плотно обжатым буферным покрытием. Другой важной характеристикой высококачественных волокон является их термостойкость. Во время изготовления волоконно-оптического кабеля термопластиковый чехол экструдируют вокруг внутреннего кабеля для защиты от атмосферных воздействий. Высококачественные волокна, расположенные в пространстве между чехлом и трубками, образуют слой изоляции и предотвращают проплавление обеих частей во время экструзии. В результате проплавления может быть нарушена передача оптических сигналов. Проплавление делает невозможным установление соединений кабеля в случае кабеля с плотно обжатой буферной оболочкой. Чтобы предотвратить проплавление в случаях, когда оно нежелательно, в качестве изолятора в этом кабеле используют больше армирующего материала, чем требовалось с точки зрения прочности кабеля или модуля кабеля.

Задачей настоящего изобретения является также получение ленты, которая является достаточно гибкой для того, чтобы эффективно покрыть внутренний кабель, что делает возможным использовать значительно меньше армирующего волокна. Более того, при использовании ленты по данному изобретению возможно снижение диаметра и массы волоконно-оптического кабеля. Это имеет то преимущество, что в существующем канале для кабелей может быть использовано больше волоконно-оптических кабелей и возможно больше соединений между рабочими станциями и пользователями. Возможно также аппретировать ленту по изобретению суперабсорбентными материалами, например, путем обработки ленты, содержащей суперабсорбент, эмульсией вода-в-масле. Подобным способом могут быть добавлены другие функциональные возможности в случае, когда они требуются.

В некоторых кабелях от 2 до 12 волокон собраны в пучок и пропитаны, чтобы образовать тесемку. Ленты по настоящему изобретению могут очень удобно комбинироваться с такими тесемками и таким образом упростить изготовление таких кабелей. Применение таких лент также предложит возможности упрощения трудоемкого производства кабелей присоединения к кабельному разъему или к ответвительной коробке.

Важно, чтобы волокна, после того как они подверглись роспуску на элементарные нити, были зафиксированы так скоро, как только возможно, чтобы предотвратить запутывание нитей и вспушивание и удержать требуемые характеристики размера (такие как ширина и высота). Эта задача достигается использованием других отверждаемых жидких термопластичных смол или жидкого воска, которые после отверждения или затвердевания намертво фиксируют (обездвиживают) элементарные нити. Поэтому важно, чтобы процесс отверждения или затвердевания проводился так быстро, насколько это возможно. Это достигается осуществлением процесса в поточной линии, где все технологические стадии осуществляются без промежуточной изоляции промежуточных продуктов. Большинство смол известного уровня техники были непригодны для такой быстрой фиксации. Отверждаемые смолы являются особо предпочтительными, поскольку они могут быстро затвердевать, посредством этого удерживая элементарные нити в неподвижности. В принципе, может быть использовано и термическое и радиационное отверждение (такое как УФ-отверждение и отверждение пучком электронов). Термическое отверждение может предпочтительно осуществляться с термореактивными смолами (подходящие примеры включают, среди прочего, эпоксидные, винильноэфирные, ненасыщенные полиэфирные и фенольные смолы). В подходящем способе распущенные элементарные нити проводят через ванну, головку экструдера или аппликатор, содержащие отверждаемую смолу, и затем подводят к нагреваемым валкам, камере сушки горячим воздухом, нагревательной плате или к их сочетанию, на которых смола быстро отверждается, тем самым фиксируя элементарные нити. В другом осуществлении, когда используют жидкую термопластичную смолу, распущенные элементарные нити проводят через ванну, головку экструдера или аппликатор, содержащие отверждаемую смолу, и затем вводят в охлаждаемые валки, чтобы получить быстрое затвердевание смолы. Если это желательно, нить может быть высушена после осуществления технологической стадии b1) или а2).

Еще более удобно наносить отверждаемую облучением смолу на распущенные элементарные нити. Подходящими отверждаемыми облучением смолами являются, например, смолы, содержащие аллильные, винильные или (мет)акрилатные функциональные группы. Обработанные этими смолами элементарные нити немедленно вводят в область облучения, такую как область с УФ-лампой, или в зону пучка электронов, в каковых условиях смола мгновенно отверждается. Быстрое отверждение делает возможными высокие скорости обработки, что делает УФ-отверждение привлекательным для промышленности. Например, аппликация и отверждение на потоке может рассматриваться как стадия последующей обработки в линии формирования волокна при высокой скорости вплоть до 700 м/мин.

В другом подходящем способе пучок нитей обрабатывают жидкими термопластичной смолой или воском. Жидкие термопластичная смола или воск представляют собой термопластичные смолы, которые являются жидкими благодаря тому, что находятся при температуре выше их температуры плавления, или благодаря растворению или эмульгированию в растворителе. Эти материалы затвердевают при понижении температуры ниже их температуры плавления или при удалении растворителя, например выпариванием. Подходящими растворителями являются вода или распространенные органические растворители, такие как толуол, изогексадекан, этанол, ацетон, простой эфир и т.п. Более удобным является способ, в котором пучок нитей обрабатывают низковязкими водным раствором или дисперсией термопластичной смолы или воска. Низковязкая водная дисперсия быстро проникает в пучок нитей и распределяет смолу или воск по нитям. Далее водную фазу полностью или частично удаляют бесконтактным нагревом, например, в камере сушки горячим воздухом, и распускают пучок нитей, используя один или несколько стержней. Сразу после стержней распущенную нить дополнительно нагревают, чтобы удалить оставшееся количество воды и/или фиксировать термопластичную смолу на поверхности горячего валика, такого как, например, горячая годета. Вторая годета может быть использована для того, чтобы сделать возможной легкую намотку гибкой ленты. В случае, когда используют дисперсию расплавленных воска или термопластичной смолы, предпочтительно, чтобы после стадии роспуска на стержнях нить проводили через холодный валик, чтобы зафиксировать элементарные нити в ленте.

Ширина ленты может быть задана использованием одного или нескольких распускающих стержней. На конечную ширину ленты влияет также натяжение нити перед горячим валиком или годетой, что дает возможность настраивать ширину ленты без использования распускающих стержней, только регулируя натяжение нити.

Чтобы получить гибкие ленты, важно нанести настолько малые количества смолы, насколько это возможно. Ленты содержат по меньшей мере 60% масс. волокна, более предпочтительно по меньшей мере 70% масс. (в расчете на массу ленты), и, когда используют УФ-отверждаемую смолу или воск, волокно составляет предпочтительно по меньшей мере 80% масс. При использовании термопластичных смол удовлетворительными являются еще более высокие количества смолы, и предпочтительно используют по меньшей мере 90% масс. волокна.

Гибкая природа лент по изобретению позволяет легко изгибать ленту. Поэтому лента по изобретению пригодна для того, чтобы изогнуть ее после отверждения или затвердевания, получив объект цилиндрической формы, и продольные края ленты могут быть затем склеены друг с другом клеем. Таким образом из ленты по изобретению могут быть изготовлены трубки.

В качестве клея может быть применен любой обычный клей, но обычно предпочтительно использовать ту же смолу, которая была использована для фиксации элементарных нитей. Когда используется термопластичная смола, нет необходимости наносить смолу в качестве клея. Обычно достаточно согнуть ленту одной продольной стороной к другой и нагреть и охладить эти края, посредством чего смолы сжижаются и затвердевают, спаивая продольные края друг с другом.

Способ по изобретению пригоден для любого волокна и используется для изготовления ленты из арамидной, стеклянной нити, нити из ароматического полиэфира или из жесткостержневого полимера. Предпочтительно способ используют для изготовления арамидной ленты. Изобретение дополнительно поясняется следующими неограничительными примерами.

Пример 1

Следующие УФ-отверждаемые смолы были получены от Rahn AG (Швейцария) и смешаны в следующем соотношении (таблица 1): Genomer™ 4302 (59% масс.), Miramer™ M3130 (36% масс.) и Genocure™ LTM (5% масс.). Genomere 4302 является УФ-отверждаемой акрилатной смолой, которая содержит >90% масс. алифатического полиэфира триуретантриакрилата. Miramer M3130 является трифункциональным реакционно-способным акрилатным мономером, содержащим этоксилированный триметилолпропантриакрилат. Genocure LTM является жидкой фотоинициирующей смесью. В следующих примерах используемая смесь называется "УФ-отверждаемой акрилатной смесью".

Система УФ-отверждения

Осветительный прибор F300 Fusion UV был установлен и использован для того, чтобы способствовать отверждению нити при скорости 40 м/мин. Осветительный прибор F300 Fusion UV был снабжен ртутной лампой высокого давления (лампой "Н") с общей выходной мощностью 1800 Вт. В дополнение был установлен рефлектор с проволочными спиралями С6-1 от Fusion UV для того, чтобы гарантировать круговое освещение. Нить распускали, используя пять неподвижных круглых стержней диаметром 6 мм в сочетании с двумя прядильными нитепроводниками (аппликаторами) Rapal100 3.94336 от Rauschert. Намотку делали на трубки диаметром 94 мм мотальной машиной Barmag, используя приемные нитепроводники мотальной машины Rapal100 3.94013 R от Rauschert. В следующих примерах эта система называется "системой УФ-отверждения".

Было сделано шесть экспериментов с использованием двух типов нити Twaron с двумя различными величинами децитекс у каждой (таблица 2):

Twaron®1000 1680f1000 и Twaron® D2200 1610f1000 (от Teijin Aramid, Нидерланды) обе сматывали со стандартной промышленной бобины на систему УФ-отверждения и дважды пропитывали 10-15% УФ-отверждаемой акрилатной смесью. Это дало в результате ленту шириной после отверждения и намотки около 2 мм с примерно шестью слоями нитей.

Twaron®1000 1680f1000 и Twaron® D2200 1610f1000 обе сматывали со стандартной промышленной бобины на систему УФ-отверждения и дважды пропитывали 15-20% (в расчете на массу пряжи) УФ-отверждаемой акрилатной смесью. Это дало в результате ленту шириной после отверждения и намотки около 4 мм с приблизительно тремя слоями нитей.

Twaron®1000 3360f2000 и Twaron® D2200 3220f2000 обе сматывали со стандартной промышленной бобины на систему УФ-отверждения и дважды пропитывали 10-15% (в расчете на массу пряжи) УФ-отверждаемой акрилатной смесью. Это дало в результате ленту шириной после отверждения и намотки около 4 мм с приблизительно шестью слоями нитей.

Примеры 2а-2с

Паковку нити Twaron D2200,1610 децитекс/волокно 1000 подвергали следующей обработке. Арамидную нить разматывали вращением, при этом последовательно пропуская нить через аппликатор жидкости и сквозь две сушильных камеры с горячим воздухом (длиной 3 м каждая), пропуская нить через ряд распускающих стержней, пропуская нить через годету А и следующую годету В, и, наконец, сматывая в паковку. С помощью аппликатора жидкости и трубного насоса нить пропитывали различным количеством жидкой термопластичной смолы (см. таблицу 3). В сушильной камере растворитель частично или полностью испарялся. Температуру годеты А можно было регулировать, в то время как температура годеты В была равна комнатной температуре (~20°С). В таблице 4 упомянуты условия процесса и характеристики полученных лент.

Примеры 2d-2f

Следовали процедуре примеров 2a-2c, но в качестве основной нити использовали Twaron D2200, 3220 децитекс/волокно 2000. В таблице 5 показаны условия процесса и характеристики полученных лент.

Примеры 3a-3c

Следовали процедуре примеров 2a-2c, но температуру годеты А поддерживали на уровне комнатной температуры (~20°С) и использовали жидкий воск (см. таблицу 3). В таблице 6 показаны условия процесса и характеристики полученных лент.

Полученные в примерах 2a-2f и 3a-3c ленты были гибкими и отдельные элементарные нити каждой ленты были фиксированными.

Пример 4

Technora HMY T 242 (61 декатекс/волокно 25) подвергали следующей обработке. Нить разматывают вращением. Затем нить проходит устройство для гашения флюктуаций напряжения, вызванных разматыванием нити. Нить последовательно проходит устройство контроля натяжения нити F1, ненагреваемую годету 1, устройство контроля натяжения нити F2, пластину, устройство контроля натяжения нити F3, ненагреваемую годету 2 и устройство контроля натяжения нити F4.

Нанесение испытуемых водных аппретур (см. таблицу 5) происходит после измерителя натяжения 4 и перед входом в первую трубчатую сушильную камеру. Испытуемые водные аппретуры наносят посредством керамического аппликатора, питаемого стеклянным шприцевым насосом. После нагреваемой первой трубчатой сушильной камеры (предназначенной для испарения растворителя) проходятся ненагреваемая годета 2 и измеритель натяжения нити F5. Далее аппретированная нить проходит (ненагреваемую) трубчатую сушильную камеру 2 и ненагреваемую годету 3. Путем приложения к нити высокого натяжения (устройство контроля натяжения F6) между ненагреваемой годетой 4 и нагреваемой годетой 5 на горячей годете 5 нити придается форма ленты. После прохождения нагретой годеты 5 нити дают возможность остыть (под натяжением (устройство контроля натяжения F7)) перед намоткой.

Примеры 5a-5b

Паковку нити Twaron D2200, 3220 декатекс/волокно 2000 подвергали следующей обработке. Паковку арамидной нити разматывали при вращении при натяжении нити, которое приведено в таблице 9, при этом последовательно пропуская нить через аппликатор жидкости, через две сушильные камеры с горячим воздухом (длиной 3 м каждая), пропуская нить через горячую годету и, наконец, сматывая в паковку. Натяжение размотки нити устанавливали регулируемой скоростью размотки. С помощью аппликатора жидкости и трубного насоса пряжу пропитывали жидкой термопластичной смолой. В сушильной камере растворитель частично или полностью испарялся. В таблице 9 упомянуты условия процесса и характеристики полученных лент. Этот пример показывает, что ширина ленты может быть установлена через натяжение пряжи/нити без необходимости использовать один или несколько распускающих стержней.