Армированные волокнами, заполненные наночастицами термоусаживаемые полимерно-композитные провода и кабели и способы

Армированные волокнами, заполненные наночастицами термоусаживаемые полимерно-композитные провода и кабели и способы

Реферат

Область техники

Настоящее раскрытие относится к термоусаживаемым полимерно-композитным проводам, включающим в себя армирующие волокна и наночастицы, кабелям, изготовленным с использованием таких термоусаживаемых полимерно-композитных проводов, а также к способам производства и использования таких полимерно-композитных проводов и кабелей.

Предпосылки

Скручивание кабеля - это процесс, при котором объединяются отдельные провода, как правило, в спиральном порядке, для производства готового кабеля. Получившийся многожильный кабель обеспечивает большую гибкость, чем имеет одна жила аналогичной площади сечения. Многожильная компоновка также имеет преимущество из-за того, что многожильный кабель сохраняет свою общую форму сечения, когда он подвергается изгибу при обращении, монтаже и применении. Подобные многожильные кабели используются во многих областях применения, таких как подъемные тросы, авиационные тросы, подводные морские тросы и фалы, а также кабели линий электропередачи.

Как правило, многожильные кабели линий электропередачи производятся из ковких металлов, таких как сталь, алюминий или медь. В некоторых случаях, таких как неизолированные кабели воздушных линий электропередачи, сердцевина многожильного кабеля окружена проводящим слоем многожильного кабеля.

Сердцевина многожильного кабеля состоит из проводов из эластичного металла, изготовленных из одного материала, такого, например, как сталь, а внешний токопроводящий слой может состоять из проводов из эластичного металла, изготовленных из другого материала, такого, например, как алюминий. В некоторых случаях, сердцевиной многожильного кабеля может быть предварительно скрученный кабель, используемый в качестве исходного материала с целью производства кабеля воздушных линий электропередачи более крупного диаметра. Обычно, многожильные кабели воздушных линий электропередачи могут содержать от семи отдельных проводов до более широко используемых конструкций, содержащих 50 и более проводов.

Во время процесса скручивания кабеля, провода из ковкого металла подвергаются нагрузкам, превышающим предел текучести металлического материала, но не превышающим предельного или разрушающего напряжения. При спиральной оплетке вокруг относительно малого радиуса предшествующего провода или провода сердечника, данная нагрузка подвергает металлический провод пластической деформации. Недавно были предложены пригодные кабели, изготовленные с помощью композитных проводов, изготовленных из материалов, которые не подвержены немедленной пластической деформации в новую форму, и которые могут быть хрупкими.

Одним примером таких композитных тросов является композитный трос с металлической матрицей, содержащий композитные провода на армированной волокном металлической матрице. Такие композитные провода на металлической матрице привлекательны в силу их улучшенных механических характеристик относительно проводов из ковких металлов, но которые, главным образом, эластичны в их характеристиках растяжения. Также хорошо известны некоторые полимерно-композитные тросы, содержащие композитные провода с армированной волокном полимерной матрицей, например, полимерно-композитные тросы, содержащие композитные провода с армированной волокном полимерной матрицей, описанные в патентах США №№4,961,990; 5,126,167; 7,060,326; 7,093,416; 7,179,522; 7,438,971; 7,683,262 и международной публикации РСТ №WO97/00976.

Сущность изобретения

Вкратце, с одной стороны, в настоящем раскрытии описывается способ, состоящий из пропитки множества, в значительной степени, непрерывных волокон с полимерно-композитной матрицей, содержащей жидкий полимерный исходный материал, и множества частиц, имеющих срединный диаметр один микрометр или меньше (т.е. наночастиц), в значительной степени равномерно распределенных в полимерном исходном материале, вытягивание волокон, пропитанных полимерно-композитной матрицей через головку экструдера, как минимум, частично отвержденную в головке экструдера полимерно-композитную матрицу, для образования в значительной степени непрерывного термоусаживаемого полимерно-композитного волокна, и, как вариант, в значительной степени непрерывного термоусаживаемого полимерно-композитного волокна, окруженного коррозионностойкой оболочкой. В конкретных примерах вариантов, множество частиц является наночастицами, имеющими срединный диаметр не более 1000 нм, 900 нм, 800 нм, 750 нм, 700 нм, 600 нм, 500 нм, 400 нм, 300 нм, 250 нм, 200 нм, 100 нм, или даже 50 нм.

В некоторых примерах вариантов, множество частиц содержит химически активные поверхностно-модифицированные наночастицы, кроме этого содержащие ядро и химически активный поверхностно-модифицирующее вещество, связанное с ядром наночастицы. В конкретных примерах вариантов, множество частиц имеет срединный диаметр не более 1000 нм, 900 нм, 800 нм, 750 нм, 700 нм, 600 нм, 500 нм, 400 нм, 300 нм, 250 нм, 200 нм, 100 нм, или даже 50 нм. В некоторых конкретных вариантах, множество частиц содержит не более 40 массовых процентов полимерно-композитной матрицы.

В некоторых, приведенных выше примерах и вариантах, множество в значительной степени непрерывных волокон являются в значительной степени параллельными в направлении, взятом в значительной степени параллельно продольной оси в значительной степени непрерывного полимерно-композитного волокна. В некоторых конкретных вариантах, множество в значительной степени непрерывных волокон содержит множество поверхностей волокон, а множество частиц в значительной степени не контактирует с множеством поверхностей волокон. В некоторых, приведенных выше вариантах, коррозионностойкая оболочка содержит не менее одного радиационно отвержденного полимера, термоусаживаемого полимера, термопластичного полимера, имеющего температуру стеклования не менее 145°С, фторполимера, пленки или их комбинаций.

В других примерах осуществления любого из приведенного выше, отвержденный жидкий полимерный исходный материал, показывает температуру стеклования не менее 150°С. В некоторых примерах осуществления, отвержденный жидкий полимерный исходный материал содержит эпоксидную смолу, а множество частиц составляет от 0,5 до 40 массовых % от полимерно-композитной матрицы. В конкретных примерах осуществления, отвержденный жидкий полимерный исходный материал содержит смолу сложных виниловых эфиров, а множество частиц составляет от 0,5 до 40 массовых % от полимерно-композитной матрицы.

В других вариантах любого из указанного выше, как минимум частично отвержденная полимерно-композитная матрица в головке экструдера содержит отвердитель жидкого полимерного исходного материала. В дальнейших примерах осуществления, способ получения также включает вытягивание непрерывных волокон, пропитанных с матрицей через пресс для таблетирования и отжимание волокон. В конкретных примерах осуществления, способ получения также включает в себя дополнительное отверждение частично отвержденного жидкого полимерного исходного материала после, как минимум, частичного отверждения полимерно-композитной матрицы в головке экструдера для образования полимерно-композитного волокна. В некоторых конкретных примерах осуществления, тянущее усилие, необходимое для образования полимерно-композитного волокна конкретного состава при установленной скорости линии, снижается на, как минимум, 20% относительно тянущего усилия, необходимого при установленной скорости линии для получения композитного провода конкретного состава, но не имеющего множества частиц.

С другой стороны, в раскрытии описывается термоусаживаемый полимерно-композитный провод, производимый в соответствии с любым из предшествующих способов.

С еще одной стороны, в раскрытии описываются термоусаживаемые полимерно-композитные провода, состоящие из множества в значительной степени непрерывных волокон, внедренных в отвержденную полимерно-композитную матрицу, и образующих в значительной степени непрерывное волокно, отвержденная полимерно-композитную матрица, далее содержащий полимер, образованный путем отверждения полимерного исходного материала из жидкого состояния, и множество частиц, имеющих срединный диаметр один микрометр или меньше, в значительной степени равномерно распределенных по полимерно-композитной матрице, и, в качестве варианта, коррозионностойкая оболочка, окружающая в значительной степени непрерывное волокно.

В некоторых вариантах осуществления, множество частиц содержат поверхностно-модифицированные частицы, имеющие ядро наночастицы и химически активное поверхностно-модифицирующее вещество, связанное с ядром наночастицы, и вступившее в реакцию с полимером, отвержденным из жидкого состояния. В конкретных примерах вариантов, множество частиц имеет срединный диаметр не более 1000 нм, 900 нм, 800 нм, 750 нм, 700 нм, 600 нм, 500 нм, 400 нм, 300 нм, 250 нм, 200 нм, 100 нм, или даже 50 нм.

В некоторых, приведенных выше, вариантах термоусаживаемого полимерно-композитного провода, множество в значительной степени непрерывных волокон являются в значительной степени параллельными в направлении, взятом в значительной степени параллельно продольной оси в значительной степени непрерывного полимерно-композитного волокна. В некоторых конкретных вариантах, множество в значительной степени непрерывных волокон содержит множество поверхностей волокон, а множество частиц (т.е. наночастиц) в значительной степени не контактирует с множеством поверхностей волокон. В некоторых, приведенных выше вариантах, коррозионностойкая оболочка содержит не менее одного радиационно отвержденного полимера, термоусаживаемого полимера, термопластичного полимера, имеющего температуру стеклования не менее 145°С, фторполимера, пленки или их комбинаций.

В других примерах осуществления любого из приведенного выше термоусаживаемого полимерно-композитного провода, отвержденная полимерно-композитная матрица показывает температуру стеклования не менее 150°С. В дополнительных примерах осуществления любого из приведенного выше полимерно-композитного провода, полимер, образованный путем отверждения исходного вещества полимера из жидкого состояния, содержит не менее одной термоусаживаемой смолы, выбираемой из эпоксидной смолы, смолы сложных виниловых эфиров, полиимидной смолы, полиэфирной смолы, смолы циановокислого эфира, фенолоальдегидной смолы, бис-малеимидной смолы или их комбинаций. В некоторых примерах осуществления, полимер, образованный путем отверждения исходного вещества полимера из жидкого состояния, содержит ненасыщенную полиэфирную смолу.

В определенных, предпочтительных здесь примерах осуществления, отвержденная полимерно-композитная матрица содержит отвержденное (напр., сшитое) жидкое исходное вещество полимера. В определенных, предпочтительных здесь примерах осуществления, отвержденная полимерно-композитная матрица содержит эпоксидную смолу, отвержденную с помощью ангидрида. В некоторых, предпочтительных здесь примерах осуществления, отвержденная полимерно-композитная матрица показывает температуру стеклования не менее 150°С.

В некоторых, предпочтительных здесь примерах осуществления, отвержденное жидкое исходное вещество полимера показывает температуру стеклования не менее 150°С. В других конкретных примерах осуществления, отвержденный жидкий полимерный исходный материал содержит эпоксидную смолу, а множество частиц составляет от 0,5 до 40 массовых % от полимерно-композитной матрицы. В конкретных, предпочтительных здесь примерах осуществления, отвержденный жидкий полимерный исходный материал содержит смолу сложных виниловых эфиров, а множество частиц составляет от 0,5 до 40 массовых % от полимерно-композитной матрицы.

В дополнительных примерах осуществления любых указанных выше вариантов полимерно-композитного провода, множество композитных волокон содержит, как минимум, одно волокно, выбранное из группы, состоящей из арамидных волокон, стекловолокна, керамических волокон, металлических волокон, полимерных волокон, углеродных волокон или их комбинаций. В некоторых примерах осуществления, множество непрерывных волокон содержит не менее 66 объемных процентов в значительной степени непрерывного волокна.

В дополнительных примерах осуществления любых указанных выше вариантов полимерно-композитного провода, множество частиц содержит не менее одного поверхностно-модифицирующего вещества, связанного с поверхностью частиц. В некоторых примерах осуществления, множество частиц содержит частицы двуокиси кремния, частицы кальцита или их комбинации. В конкретных, предпочтительных здесь примерах осуществления, множество частиц содержащих частицы двуокиси кремния, дополнительно содержит не менее одного поверхностно-модифицирующего вещества, ковалентно связанного с поверхностью частиц двуокиси кремния. В других, предпочтительных здесь примерах осуществления, множество частиц содержащих частицы кальцита, дополнительно содержит поверхностно-модифицирующее вещество, имеющее ионную связь с поверхностью частиц кальцита.

В некоторых из указанных выше примеров осуществления, множество частиц предпочтительно имеет срединный диаметр не более 400 нм. В других примерах осуществления, множество частиц предпочтительно имеет срединный диаметр не более 250 нм. В определенных примерах осуществления, множество частиц предпочтительно имеет срединный диаметр не более 100 нм. В некоторых конкретных примерах осуществления, множество частиц показывает мультимодальное распределение диаметров частиц на количественной основе. В некоторых конкретных примерах осуществления, полимерно-композитная матрица дополнительно содержит множество частиц наполнителя, имеющих срединный диаметр не менее 1 микрометра.

В конкретных примерах осуществления, термоусаживаемый полимерно-композитный провод имеет диаметр сечения от около 1 мм до, примерно, 2,54 см.

С еще одной стороны, в настоящем раскрытии описывается термоусаживаемый полимерно-композитный кабель, содержащий, как минимум, один термоусаживаемый полимерно-композитный провод, описанный выше. В некоторых примерах осуществления, данный кабель является многожильным тросом, состоящим из сердцевинного провода, определяющего центральную продольную ось, первых нескольких проводов, скрученных вокруг сердцевинной жилы, и второго множества проводов, скрученных вокруг первых нескольких проводов.

В конкретных, предпочтительных здесь примерах осуществления, как минимум, первые нескольких проводов, или второе множество проводов, содержат не менее одного, описанного выше, термоусаживаемого полимерно-композитного провода. В некоторых, предпочтительных здесь примерах осуществления, сердцевинный провод является описанным выше термоусаживаемым полимерно-композитным проводом. В других, предпочтительных здесь примерах осуществления, каждый из сердцевинного провода, первых нескольких проводов, и второго множество проводов, выбираются, чтобы быть описанным выше термоусаживаемым полимерно-композитным проводом. В дополнительных, предпочтительных здесь примерах осуществления, каждый из множества проводов в кабеле является термоусаживаемым полимерно-композитным проводом.

С еще одной стороны, в настоящем раскрытии описывается спирально скрученный композитный кабель, состоящий из не менее одного описанного выше термоусаживаемого полимерно-композитного провода, спирально скрученный композитный кабель, имеющий сердцевинный провод, определяющий центральную продольную ось, первые нескольких проводов, спирально скрученных вокруг сердцевины в первом слое, направленном под первым углом укладки, определенном относительно центральной продольной оси, и имеющем длину первой укладки, и второе множество проводов, спирально скрученное вокруг первого множества композитных проводов в направлении второй укладки под вторым углом укладки, определенном относительно центральной продольной оси, и имеющем длину второй укладки.

В некоторых примерах осуществления указанного выше многожильного кабеля, сердцевинный провод выбирается из группы, состоящей из термоусаживаемого полимерно-композитного провода, термопластичного полимерно-композитного провода, композитного провода на металлической матрице, или провода из ковкого металла. В определенных примерах осуществления, как минимум один из первого множества проводов выбирается из группы, состоящей из термоусаживаемого полимерно-композитного провода, термопластичного полимерно-композитного провода, композитного провода на металлической матрице, или провода из ковкого металла. В некоторых конкретных примерах осуществления, как минимум один из второго множества проводов выбирается из группы, состоящей из термоусаживаемого полимерно-композитного провода, термопластичного полимерно-композитного провода, композитного провода на металлической матрице, или провода из ковкого металла.

В конкретных, предпочтительных здесь примерах осуществления, как минимум, первые нескольких проводов, или второе множество проводов, содержат не менее одного, описанного выше, термоусаживаемого полимерно-композитного провода. В определенных, предпочтительных здесь примерах осуществления, сердцевинный провод является описанным выше термоусаживаемым полимерно-композитным проводом. В других, предпочтительных здесь примерах осуществления, каждый из сердцевинного провода, первых нескольких проводов, и второго множества проводов, выбираются, чтобы быть описанным выше термоусаживаемым полимерно-композитным проводом. В дополнительных, предпочтительных здесь примерах осуществления, каждый из множества проводов в кабеле является термоусаживаемым полимерно-композитным проводом.

В некоторых, конкретных примерах осуществления, каждый провод имеет сечение в направлении, в значительной степени обычном к центральной продольной оси, а форма поперечного сечения каждого провода выбирается из группы, состоящей из круглого, эллиптического и трапециевидного сечений. В некоторых, конкретных примерах осуществления вариантов многожильного троса, форма поперечного сечения каждого провода является круглой, а диаметр каждого провода от, около 1 мм до, около 2,54 см. В дополнительных примерах осуществления вариантов многожильного троса, каждый из первого множества композитных проводов и второго множества композитных проводов имеет коэффициент укладки от 10 до 150. В некоторых, предпочтительных здесь примерах осуществления, направление первой укладки аналогично направлению второй укладки. В определенных, предпочтительных здесь примерах осуществления, относительная разность между углом первой укладки и углом второй укладки превышает 0°, и не превышает примерно 4°.

В дополнительных примерах осуществления вариантов многожильного троса, многожильный трос дополнительно содержит третье множество скрученных композитных проводов, предпочтительнее, скрученных спирально вокруг второго множества композитных проводов в направлении третьей укладки, под углом, определенным относительно центральной продольной оси, и имеющим длину третьей укладки. В некоторых примерах осуществления, каждый из третьего множества композитных проводов имеет коэффициент укладки от 10 до 150. В некоторых, предпочтительных здесь примерах осуществления, направление третьей укладки аналогично направлению второй укладки. В некоторых, предпочтительных здесь примерах осуществления, относительная разность между углом третьей укладки и углом второй укладки превышает 0°, и не превышает примерно 4°.

В дополнительных примерах осуществления вариантов многожильного троса, многожильный трос дополнительно содержит четвертое множество скрученных композитных проводов, предпочтительнее, скрученных спирально вокруг третьего множества композитных проводов в направлении четвертой укладки, под углом, определенным относительно центральной продольной оси, и имеющим длину четвертой укладки. В некоторых примерах осуществления, каждый из четвертого множества композитных проводов имеет коэффициент укладки от 10 до 150. В определенных, предпочтительных здесь примерах осуществления, направление четвертой укладки аналогично направлению третьей укладки. В некоторых конкретных, предпочтительных здесь примерах осуществления, относительная разность между углом четвертой укладки и углом третьей укладки превышает 0°, и не превышает примерно 4°.

В любом из указанных выше примерах осуществления троса, множество непрерывных волокон содержит, как минимум, одно волокно, выбранное из металлических волокон, полимерных волокон, углеродных волокон, керамических волокон, стекловолокна, или их комбинаций. В некоторых примерах осуществления, как минимум одно волокно содержит титан, вольфрам, бор, сплав с эффектом памяти формы, углерод, графит, карбид кремния, арамид, поли (п-фенилен-2,6-бензобисоксазол, или их комбинации. В некоторых конкретных примерах осуществления, как минимум одно волокно содержит керамическое волокно, выбранное из карбида кремния, окиси алюминия или кремнекислого алюминия. В определенных примерах осуществления, полимерно-композитная матрица содержит (со)полимер, выбранный их группы, включающей в себя эпоксидную, эфирную, виниловую эфирную, полиимидную, полиэфирную, циановокислую эфирную и фенольную смолы, бис-малеимидную смолу, или их комбинации.

В некоторых конкретных примерах осуществления указанного выше многожильного троса, как минимум один из композитных проводов является композитным проводом на металлической матрице, армированной волокном, содержащим в металлической матрице, дополнительно, как минимум одно непрерывное волокно, в котором, опционально, не менее части композитных проводов окружают не менее одного композитного провода на армированной волокном металлической матрице. В определенных примерах осуществления, как минимум одно непрерывное волокно содержит материал, выбираемый из группы, в которую входят керамика, стекло, углерод, карбид кремния, бор, железо, сталь, сплавы на железной основе, вольфрам, титан, сплав с эффектом памяти формы, и их комбинации. В некоторых конкретных примерах осуществления, металлическая матрица состоит из алюминия, цинка, олова, магния, их сплавов или комбинаций. В определенных, предпочтительных здесь примерах осуществления, металлическая матрица состоит из алюминия, а, как минимум, одно из непрерывных волокон состоит из керамического волокна. В некоторых, предпочтительных здесь примерах осуществления, керамическое волокно состоит из поликристаллического a-Al₂O₃.

В любом из указанных выше примерах осуществления многожильного троса, многожильный трос дополнительно состоит из множества проводов из ковкого металла, скрученного вокруг сердцевинного провода, определяющего центральную продольную ось. В некоторых примерах осуществления, не менее части множества проводов из ковкого металла спирально скручено в направлении первой укладки. В определенных примерах осуществления, не менее части множества проводов из ковкого металла спирально скручено в направлении второй укладки, противоположном направлению первой укладки. В некоторых конкретных примерах осуществления, множество проводов из ковкого металла скручено вокруг сердцевинного провода, определяющего центральную продольную ось, в множестве радиальных слоев, окружающих сердцевинные провода. В определенных конкретных примерах осуществления, каждый радиальный слой скручен в укладке, противоположной укладке соседнего радиального слоя.

В других примерах вариантов осуществления указанного выше многожильного кабеля, каждый провод из ковкого металла может быть выбран с сечением в направлении, в значительной степени обычном к центральной продольной оси, и где форма поперечного сечения каждого эластичного провода выбирается из группы, в которую входят круглое, эллиптическое, трапецевидное сечения, а также сечения форм S и Z. В некоторых примерах осуществления, множество проводов из эластичных металлов включает в себя, как минимум, один металл, выбираемый из группы, в которую входят железо, сталь, цирконий, медь, олово, кадмий, алюминий, марганец, цинк, кобальт, никель, хром, титан, вольфрам, ванадий, их сплавы друг с другом, их сплавы с другими металлами, их сплавы с кремнием, и их комбинации.

В дополнительных примерах осуществления многожильного кабеля, относительная разность между углом первой укладки и углом второй укладки выбирается превышающей 0°, и не превышающей примерно 4°. В некоторых примерах осуществления, относительная разность между углом первой укладки и углом второй укладки не превышает 0,5°. В определенных примерах осуществления, длина первой укладки равна длине второй укладки.

В дополнительной разновидности, в настоящем раскрытии описывается кабель, имеющий сердцевину и проводящий слой вокруг сердцевины, при этом, сердцевина состоит из указанных выше многожильных кабелей. В некоторых примерах осуществления, проводящий слой состоит из множества скрученных проводников.

В еще одной разновидности, в настоящем раскрытии описывается указанный кабель, используемый для передачи электроэнергии. В некоторых примерах осуществления, кабель выбирается из группы, состоящей из кабеля для воздушных линий электропередачи, кабеля для подземных линий электропередачи и кабеля для подводных линий электропередачи. В определенных примерах осуществления, кабель является кабелем для подводных линий электропередачи, выбираемым из подводного троса или гибкого подводного кабеля.

В заключительной разновидности, в настоящем раскрытии описывается способ производства многожильного термоусаживаемого полимерно-композитного кабеля с использованием не менее одного указанного выше термоусаживаемого полимерно-композитного провода, дополнительно объединенного с любым указанным выше не термоусаживаемым полимерно-композитным проводом. Данный способ состоит из спиральной скрутки первого множества проводов вокруг сердцевинного провода, определяющего центральную продольную ось, при этом, спиральная скрутка первого множества проводов осуществляется в направлении первой укладки под углом первой укладки, определенном относительно центральной продольной оси, и спиральной скрутки второго множества проводов вокруг первого множества проводов, при этом, спиральная скрутка второго множества проводов осуществляется в направлении первой укладки под углом второй укладки, определенном относительно центральной продольной оси. Как минимум один сердцевинный провод, первое множество проводов или второе множество проводов состоит из не менее одного термоусаживаемого полимерно-композитного провода.

В определенных примерах осуществления, первое множество проводов и/или второе множество проводов включает в себя множество термоусаживаемых полимерно-композитных проводов. В таких примерах осуществления, способ производства опционально включает в себя нагрев спирально скрученных первого и второго множества проводов до температуры, достаточной для удержания спирально скрученных проводов в спирально скрученном состоянии при охлаждении до 25°С. В качестве опции, данный способ включает в себя заключение первого и второго множества проводов в коррозионностойкую оболочку.

В некоторых примерах осуществления способа производства многожильного кабеля с использованием любого из описанных выше полимерно-композитных проводов, множество частиц состоит из поверхностно-модифицированных частиц, далее содержащих ядро наночастицы и поверхностно-модифицирующее вещество, связанное с ядром наночастицы и вступившее в реакцию с полимером, отвержденным из жидкого состояния. В других примерах осуществления способа производства многожильного кабеля с использованием любого из описанных выше полимерно-композитных проводов, относительная разность между углом первой укладки и углом второй укладки превышает 0°, и не превышает примерно 4°. В определенных примерах осуществления, способ производства многожильного кабеля с использованием любого из описанных выше полимерно-композитных проводов включает еще скручивание множества эластичных металлических проводов вокруг сердцевинного провода, определяющего центральную продольную ось.

В примерах осуществления настоящего раскрытия получены различные неожиданные результаты и преимущества. В некоторых примерах осуществления, включение множества частиц, имеющих срединный диаметр в один микрометр или менее, в значительной степени равномерно распределенных по полимерно-композитной матрице, позволяет достигнуть более высокую объемную степень загрузки углеродного волокна в армированный волокном полимерно-композитный провод, увеличивая этим предел прочности на сжатие, модуль упругости при сдвиге, жесткость и устойчивость проволоки против провисания. Включение множества частиц, имеющих срединный диаметр в один микрометр или менее, в значительной степени равномерно распределенных по полимерно-композитной матрице, также показало снижение коэффициента теплового расширения (КТР) и сжатия во время отверждения.

Например, по сравнению с контрольным экземпляром без включения частиц, для армированного волокном отвержденного полимерного композита, включающего множество частиц, имеющих срединный диаметр в 500 нм и менее, в значительной степени равномерно распределенных по полимерно-композитной матрице было получено 25% снижение КТР и 37% снижение линейного сжатия. Такие полимерно-композитные провода, армированные углеродным волокном, особенно привлекательны для использования в кабелях воздушных линий электропередачи. В дополнение, армированные углеродным волокном полимерно-композитные провода могут, в некоторых случаях, быть изготовлены с меньшими затратами, чем обычные композитные провода на металлической матрице, армированные керамическим волокном.

Более того, в определенных примерах осуществления, включение наночастиц в термоусаживаемые полимерно-композитные провода, увеличивает одно или оба предела, прочности на изгиб и прочности на сгибание, полимерно-композитного провода, и, в некоторых примерах осуществления, одно или оба предела, прочности на изгиб и прочности на сгибание, композитного кабеля, имеющего такой полимерно-композитный провод. Это не только улучшает рабочие характеристики провода и/или кабеля, но предоставляет существенные преимущества при обращении, транспортировке и монтаже термоусаживаемых полимерно-композитных проводов и композитных кабелей, имеющих такие полимерно-композитные провода.

Кроме этого, в некоторых примерах осуществления, полимерная матрица композитного ядра смешана из уникальной комбинации эпоксидной смолы с высокой температурой стеклования и отверждающего вещества, что делает полимерную матрицу более стабильной при высоких температурах (напр., до 280°С). Кроме этого, в некоторых примерах осуществления, использование эпоксидных смол с высокой температурой стеклования (напр., Tg в 240°С, 250°С, 260°С, или даже с более высоким показателем Tg) в полимерно-композитной матрице, может уникально предоставить улучшенные высокотемпературные рабочие характеристики по сравнению с обычными, термопластичными полимерно-композитными проводами, хорошо известными специалистам. Некоторые уникальные высокотемпературные рабочие характеристики идеально подходят для применения в электропередаче высокого напряжения.

В других вариантах осуществления, множество частиц содержат поверхностно-модифицированные частицы, имеющие еще ядро наночастицы и химически активное поверхностно-модифицирующее вещество, связанное с ядром наночастицы, и вступившее в реакцию с полимером, отвержденным из жидкого состояния. Данные химически обработанные частицы особенно хорошо распределяются в жидких исходных полимерных материалах матрицы эпоксидной смолы, и, как правило, требуют меньших пултрузионных усилий для вытягивания волокон через головку экструдера во время процесса производства композитного провода. Этим облегчается производства термоусаживаемых полимерно-композитных проводов с высокой загрузкой волокон, что весьма желательно для улучшения прочности и механических свойств композитных проводов. По сравнению с системой смолы без наночастиц, это также может облегчить производство композитных проводов с наночастицами при высоких скоростях пултрузионной линии, или с меньшими пултрузионными усилиями.

Так, в некоторых вариантах осуществления, тянущее усилие, необходимое для образования термоусаживаемого полимерно-композитного провода, снижается не менее чем на 30% по сравнению с тянущим усилием, необходимым для образования аналогичного, армированного волокнами полимерного композита при аналогичных условиях, но без множества частиц, имеющих срединный диаметр в один микрометр или менее, в значительной степени равномерно распределенных по жидкому полимерному исходному материалу. В некоторых вариантах осуществления, тянущее усилие, необходимое для образования армированного волокнами полимерного композита при скорости линии на 20% превышающей базовую скорость лини, меньшее, чем тянущее усилие, необходимое для образования аналогичного армированного волокнами полимерного композита при базовой скорости линии, и не имеющего множества частиц, со срединным диаметром в один микрометр или менее, в значительной степени равномерно распределенных по жидкому полимерному исходному материалу.

Были обобщены различные аспекты и преимущества вариантов осуществления настоящего раскрытия. Приведенные выше Сводные данные не предназначены для описания каждого показанного варианта осуществления, или каждого применения приведенных определенных вариантов осуществления настоящего раскрытия. В последующих Чертежах и Подробном описании приведены более конкретные примеры предпочтительных вариантов осуществления с помощью принципов, раскрытых в настоящем документе.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1А приводится фронтальное перспективное изображение типичного термоусаживаемого полимерно-композитного провода из настоящего раскрытия.

На Фиг.1В приводится фронтальное перспективное изображение типичного многожильного термоусаживаемого полимерно-композитного кабеля, имеющего в своем составе термоусаживаемые полимерно-композитные провода в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

На Фиг.1C приводится фронтальное перспективное изображение типичного многожильного термоусаживаемого полимерно-композитного кабеля, имеющего в своем составе термоусаживаемые полимерно-композитные провода в соответствии с другими определенными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

На Фиг.2A-2I приводятся поперечные боковые проекции различных типичных многожильных термоусаживаемых полимерно-композитных кабелей, имеющих в составе термоусаживаемые полимерно-композитные провода в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

На Фиг.3А-3В приводятся поперечные боковые проекции различных типичных многожильных термоусаживаемых полимерно-композитных кабелей, имеющих в составе термоусаживаемые полимерно-композитные провода и опциональные провода из эластичных металлов, в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

На Фиг.4А показан типичный пултрузионный процесс, используемый в формовании термоусаживаемых полимерно-композитных проводов в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

На Фиг.4В показан типичный процесс скручивания провода, используемый при формовании спирально скрученных термоусаживаемых полимерно-композитных проводов и опциональных проводов из эластичных металлов, в соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего раскрытия.

На Фиг.5А показано изображение полученного с помощью Сканирующего Электронного Микроскопа (СЭМ) снимка типичного одноосноориентированного термоусаживаемого полимерно-композитного бруска, содержащего множество частиц, имеющих срединный диаметр в один микрометр или меньше, в знач