Нетканый материал для армирования дорожных покрытий и способ его изготовления

Нетканый материал для армирования дорожных покрытий и способ его изготовления

Реферат

Изобретение относится к области получения нетканого рулонного материала и может быть использовано для армирования дорожностроительных покрытий. Изобретение может быть использовано в объектах, где предъявляются повышенные требования к прочности материала, когда изделие эксплуатируется в сложном напряженном состоянии при действии значительных циклических нагрузок.

Общеизвестно, что в зависимости от метода формирования основы материалы условно делят на текстильные материалы и нетканые. Нетканые материалы относятся к той категории материалов, которые получают путем формирования и закрепления тем или иным способом слоя из волокон или нитей. В отличие от текстильных материалов, которые изготавливают ткачеством или вязанием пряжи, нетканые материалы относительно недороги в изготовлении, однако для них характерно неравномерное по различным направлениям распределение нитей в материале, т.е. значительная неоднородность плотности материала. Это приводит не только к неоднородности механических свойств плоского материала по различным направлениям, но и к недостаточной стабильности свойств во времени. Нетканый материал может быть необратимо деформирован в результате приложения к нему значительных циклических нагрузок, что обуславливает в случае его использования в качестве армирующего дорожного или строительного покрытия неудовлетворительную стабильность. Изготовление основы материала ткачеством придает материалу однородность по различным направлениям, которой недостает нетканым материалам, обладающим в высокой степени дискретным расположением нитей в основе, однако методы ткачества достаточно сложные, медленные и непригодны для формирования протяженных армирующих изделий. Существует потребность в способе, который обеспечивал бы возможность быстрого формирования протяженных гибких армирующих покрытий, однородных и стабильных по своим механическим свойствам.

Хорошо известны в текстильной промышленности нетканые материалы (RU, 2106441, кл. D 04 H 3/04, 2003 г.), содержащие, по меньшей мере, два слоя, причем нити внутри каждого слоя преимущественно параллельны друг другу, при этом поддержание параллельности нитей в каждом слое осуществляют за счет простегивания. Такие материалы используют главным образом в качестве упрочнителей в изделиях, изготовленных из пластических материалов. К сожалению, использование иглопробивных средств приводит к разрыву некоторых из волокон.

В патенте RU, 1516547, кл. D 04 H 3/00, 1989 г. раскрыт нетканый материал, содержащий синтетические волокна, сформированные аэродинамическим методом из расплава полимера и также скрепленные иглопрокалыванием. Известный нетканый материал из полипропиленовых нитей предназначен для дорожно-строительных работ, возведения грунтовых сооружений. Поверхностная плотность материала составляет 500 г/м², разрывная нагрузка - 412 Н, удлинение при разрыве -110-130%, что не обеспечивает требуемой стабильности эксплуатационных характеристик ввиду большой величины относительного удлинения и малой разрывной нагрузки.

В патенте RU, 2075563, кл. D 04 H 3/04, 1997 г., раскрыт нетканый материал и способ его получения, состоящий в том, что волокна из полиимида вытягивают, затем скрепляют иглопробивным способом в виде нетканого материала и термообрабатывают. Получаемое по известному способу формованное волокнистое изделие, не смотря на его волокнистую структуру, обладает такой прочностью, что его можно подвергать механической обработке. Известный волокнистый материал имеет удельный вес 60-3000 г/м. Низкая износостойкость известного материала связана с нерегулярностью его структуры по отношению к направлению приложения истирающего воздействия.

Как уже отмечалось выше, необходимость проведения операции сшивания для формирования нетканого материала создает проблемы, касающиеся структурной прочности материала и производительности способа его изготовления. Наличие швов увеличивает вероятность снижения механической прочности материала, представляющего собой композитную структуру, получаемую путем пропитки уложенных нитей в виде двухмерной формы затвердевающими связующими, например затвердевающими смолами. Имеется потребность в более простом способе предварительного формирования плоских форм из материалов без применения сшивания. Такие швы, как отмечалось выше, могут приводить к риску снижения прочности композитных структур.

Длительное время при изготовлении нетканых материалов с использованием нитей из термопластичных сополимеров осуществляют соединение нитей при плавлении. Средства для соединения могут представлять собой клеящее вещество, растворитель, размягчающий полимер нити и позволяющий соединяться нитям вместе (см., например, RU, 2106442, кл. D 04 H 5/02, 1998 г.).

Известен нетканый волокнистый материал из синтетических нитей, изготавливаемый по патенту RU, 2058453, кл. D 04 H 3/00 и имеющий одиночные термически склеенные нити в продольном и поперечном направлениях и участки групп нитей, термически склеенных боковыми поверхностями в продольном и поперечном направлениях, причем участки групп продольных склеек в нижележащем и вышележащем слоях ориентированы преимущественно в разных направлениях, а минимальный угол между осями участков продольных склеек составляет 45-90°. Известный материал может быть использован в объектах, где предъявляются повышенные требования к износостойкости волокнистого материала, когда изделие эксплуатируется в сложном состоянии при действии циклических нагрузок в условиях простого нагружающего воздействия, например, при истирании между двумя вращающимися или совершающими только возвратно-поступательное движение рабочими органами контактирующих поверхностей. Низкая износостойкость известного материала в условиях сложного механического воздействия связана с неоднородностью его структуры по отношению к направлению приложения истирающего воздействия.

В патенте RU, 2008383, кл. D 04 H 3/00, 1994 г. раскрыт способ изготовления нетканого полотна из волокон пластмасс двух видов - продольных и поперечных, различающихся по материалу, форме поперечного сечения, температуре пластической деформации. Продольные и поперечные волокна могут быть из стекла, базальта, из их сочетания, стекла и капрона или других пластмасс. В зависимости от требований эксплуатации эти полотна могут иметь пропитку лаками, клеями, смолами и другими веществами. Известный способ включает изготовление волокон из пластических материалов и формирование на их основе сетки из продольно и поперечно уложенных волокон. Продольные волокна перед формированием сетки прокатывают между металлическими валками для придания им формы ленты толщиной 3-4 мкм и шириной 10-15 мкм. При формировании сетки на продольные волокна укладывают резаные поперечные волокна, после чего эту сетку волокон при температуре пластической деформации резаных волокон пропускают между металлическими валками, вызывая расплющивание поперечных волокон и вдавливание их в продольные волокна на участках их пересечения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному материалу является нетканый материал для армирования дорожных покрытий, имеющий двухосевую композиционную гибкую структуру, содержащую две группы дискретно расположенных волокон, удерживаемых с помощью связующего, причем волокна каждой группы параллельны между собой и отдалены одно от другого с регулярным шагом и перекрещиваются под прямым углом с волокнами другой группы (RU, 2145985, кл. D 04 H 3/04, 2000 г.).

Наиболее близким к данному способу является способ изготовления этого же нетканого материала для армирования дорожных покрытий, включающий дискретное укладывание с регулярным шагом групп продольных и поперечных волокон под прямым углом друг к другу, пропитку их связующим и термообработку (RU, 2145985, кл. D 04 H 3/04, 2000 г.). Известный способ позволяет производить относительно качественный нетканый материал для армирования дорожных покрытий, однако технология его производства обладает тем существенным недостатком, что производимый согласно этой технологии материал представляет двухслойную структуру, характеризующуюся неоднородностью и нестабильностью свойств в условиях сложного циклического нагружения.

В рамках данной заявки решается проблема получения нетканого материала для армирования дорожно-строительных покрытий, обладающего повышенной стабильностью физико-механических свойств путем формирования изотропного состояния основы материала. Существует потребность в простом способе, посредством которого можно изготавливать нетканые структуры материалов путем дискретной укладки нитей, расположенных в настиле так, чтобы обеспечить изотропность физико-механических свойств при значительных циклических нагрузках.

Существует потребность в достижении стабильной прочности материала при сохранении гибкости его нитей.

Поставленная задача решается тем, что в нетканом материале для армирования дорожных покрытий, содержащем две группы дискретно расположенных под прямым углом друг к другу в продольном и поперечном направлениях волокон, удерживаемых с помощью связующего и отдаленных в каждой группе одно от другого с регулярным шагом, в котором обе группы волокон образуют трехслойную структуру так, что группа поперечных волокон уложена между разделенными на верхнюю и нижнюю подгруппы продольными волокнами, при этом волокна каждой группы выполнены из стеклоровинга с линейной плотностью не менее 400 текс.

Предпочтительно, чтобы волокна были выполнены из алюмоборосиликатного стеклоровинга с относительным удлинением не более 5%.

Поставленная задача решается также тем, что в способе изготовления нетканого материала для армирования дорожных покрытий, включающем дискретное укладывание под прямым углом друг к другу двух групп волокон в продольном и поперечном направлениях, пропитку их связующим и термообработку, в качестве волокон используют стеклоровинг с линейной плотностью не менее 400 текс, при этом предварительно перед укладыванием волокон группу продольных волокон разделяют на верхнюю и нижнюю подгруппы, создают контролируемое натяжение волокон в этих подгруппах, пропитывают, по крайней мере, одну из подгрупп продольных волокон связующим, затем группу поперечных волокон укладывают между верхней и нижней подгруппами продольных волокон, после чего проводят термообработку при температуре 150-180°C с последующей повторной пропиткой волокон связующим и сушкой до достижения остаточной влажности волокон не более 0,5 маc.%.

Предпочтительно сушку проводить в интервале температур 150-220°С, а в качестве волокон использовать стеклоровинг с относительным удлинением не более 5%.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между физико-механическими свойствами нетканого материала для армирования дорожных покрытий и его структурой, полученной на основе используемого материала волокон в рамках заданной последовательности действий и режимов их выполнения. Для выявления этой взаимообусловленности было изучено экспериментально в условиях циклических нагрузок поведение нетканого материала, изготовленного данным способом с использованием в качестве волокон стеклоровинга с линейной плотностью не менее 400 текс. При отсутствии известности общего уравнения, связывающего физико-механическое состояние нетканого материала при циклических нагрузках с материалом волокон, авторами экспериментально были найдены те оптимальные значения величины линейной плотности стеклоровинга, которые позволяют сформировать стабильную структуру материала и получить его изотропное состояние.

Пропитка одной из подгрупп продольных волокон и термообработка при температуре 150-180°С необходимы для создания жесткой структуры материала. После такой термообработки продольные и поперечные волокна удерживаются друг около друга до тех пор, пока сформированную структуру не подвергнут повторной пропитке связующим и сушке в режиме контролируемого натяжения волокон до достижения требуемой степени остаточной влажности.

Пример. Для изготовления трехслойного нетканого материала, имеющего двухосевую композиционную гибкую структуру для армирования дорожного покрытия с циклической нагрузкой 10 т, используют бухты алюмоборосиликатного стеклоровинга с линейной плотностью 1200 текс. Бухты стеклоровинга устанавливают на шпулярнике. Со шпулярника первую группу волокон подают на разделительную гребенку, где ее разделяют на верхнюю и нижнюю подгруппы продольных волокон, а затем направляют на натяжное устройство. Создание натяжения верхних и нижних продольных волокон необходимо для защемления между ними другой группы волокон поперечных. Натяжение верхних продольных волокон поддерживают в пределах 3-8 кг/нить, а натяжение нижних - в пределах 5-10 кг/нить. Поперечные волокна с бухты стеклоровингов подают на раскладчик цепного транспортера, имеющего подвижную несущую поверхность для поддержания структуры формируемого материала. С помощью раскладчика укладывают поперечные волокна на нитедержателе цепного транспортера, обеспечивая при этом перпендикулярное расположение их относительно продольных волокон. Верхние продольные волокна с натяжного устройства направляют в ванну, где их пропитывают клеящим составом. Формование двухосевой сетчатой структуры материала производят на формовочном цилиндре, установленном на приводном валу цепного транспортера. На формовочном цилиндре между верхними и нижними продольными волокнами укладывают поперечные, при этом с помощью формовочного устройства в режиме контролируемого натяжения продольных волокон защемляют поперечные волокна между продольными волокнами. После чего производят обрезку концов поперечных волокон отрезным устройством. Скорость укладывания нитей в двух взаимно перпендикулярных направлениях контролируют в процессе формирования материала. Материал со сформированной трехслойной структурой направляют на горячие каландры, где с целью создания жесткости структуры полотна осуществляют термообработку при температуре в пределах 150-180°С, сопровождающуюся склеиванием продольных волокон стеклоровинга. После повторной пропитки структуры клеящим составом, материал отжимают, а затем сушат при температуре 190°С до остаточной влажности не более 0,5% от массы материала. Готовый материал подают на тянущее устройство, с помощью которого обеспечивают скорость изготовления материала в пределах 0,5-3,5 м/мин. Использование данного способа позволяет получить трехслойную структуру, где волокна обеих групп, продольной и поперечной, образуют дискретный массив и не застилают сплошь поверхность. Получаемый нетканый материал представляет собой целевой продукт, который может быть изготовлен в виде рулонного материала.

В таблице 1 приведены физико-механические показатели нетканого материала, полученного согласно данному способу.

Табл. 1
Наименованиепоказателей	Значения показателей нетканого материала
1	2	3	4
Масса на единицу площади, г/м	225±30	320±40	450±50	540±60
Остаточная влажность, не более, % от массы на единицу площади	0,5	0,5	0,5	0,5
Разрывная нагрузка, кН/м не менее: продольные нити	50	70	100	120
поперечные нити	48	65	95	115
Удлинение при разрыве, % не более: по	4,0	4,0	4,0	4,0

продольным нитямпо поперечным нитям	4,0	4,0	4,0	4,0
Потеря прочности при проверке морозостойкости (50 циклов замерзания-оттаивания),% не более	25	25	25	25

Размеры ячеек, мм

25×25 37,5×37,5 50×50

25×25 37,5×37,5 50×50

25×25 37,5×37,5 50×50

25×2537,5×37,550×50

Изобретение может быть использовано при производстве нетканого рулонного материала на основе стеклоровинга для армирования дорожных и строительных покрытий. Изобретение предусматривает получение изотропного состояния нетканого материала, характеризующегося требуемыми стабильными физико-механическими свойствам. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая способность производить по низкой себестоимости в едином технологическом цикле качественное покрытие, характеризующееся структурной прочностью при воздействии циклических нагрузок.

1. Нетканый материал для армирования дорожных покрытий, содержащий две группы дискретно расположенных под прямым углом друг к другу в продольном и поперечном направлениях волокон, удерживаемых с помощью связующего и отдаленных в каждой группе одно от другого с регулярным шагом, в котором обе группы волокон образуют трехслойную структуру так, что группа поперечных волокон уложена между разделенными на верхнюю и нижнюю подгруппы продольными волокнами, при этом волокна каждой группы выполнены из стеклоровинга с линейной плотностью не менее 400 текс.

2. Нетканый материал по п. 1, в котором волокна выполнены из алюмоборосиликатного стеклоровинга с относительным удлинением не более 5 %.

3. Способ изготовления нетканого материала для армирования дорожных покрытий, включающий дискретное укладывание под прямым углом друг к другу двух групп волокон в продольном и поперечном направлениях, пропитку их связующим и термообработку, в котором в качестве волокон используют стеклоровинг с линейной плотностью не менее 400 текс, при этом предварительно перед укладыванием волокон группу продольных волокон разделяют на верхнюю и нижнюю подгруппы, создают контролируемое натяжение волокон в этих подгруппах, пропитывают, по крайней мере, одну из подгрупп продольных волокон связующим, затем группу поперечных волокон укладывают между верхней и нижней подгруппами продольных волокон, после этого проводят термообработку при температуре 150-180°С с последующей повторной пропиткой связующим и сушкой до достижения остаточной влажности волокон не более 0,5 мас. %.

4. Способ по п. 3, в котором сушку проводят в интервале температур 150 - 220°С.

5. Способ по пп. 3, 4, в котором в качестве волокон используют алюмоборосиликатный стеклоровинг с относительным удлинением не более 5 %.