Ступенчатые сенсорные композиты для индикации силы сжатия при герметизации стыков

В машиностроении, теплотехнике и промышленной энергетике, в частности, существует необходимость «сглаживания» бросков напряженности электрического поля в области соединения кабелей и снижения трудоемкости процессов сборки пучка проводов или герметизации стыков коммуникаций.

В патентных источниках описаны втулки из термопластичных материалов для соединения нескольких кабелей или иных коммуникаций, включающие гибкий лист, предназначенный для укладки вокруг кабельного соединения имеющий ряд продольных разрезов по направлению укладки соединения образующих «язычки». Сжатие при укладке листа вокруг кабельного соединения достигается перекрытием язычков. При этом разрезанная краевая часть листа зажимается вручную. Дополнительная обмотка стыка изоляционной лентой или его фиксация полимерной термоусадочной трубкой, обеспечивают необходимую прочность [1]. Для надежной герметизации предложено также использовать втулки с термоусадочными концевыми участками для соединения с соответствующими смежными торцевыми поверхностями трубчатых секций. Концевые термоусадочные участки должны быть выполнены заодно со средней частью и иметь относительно небольшую толщину стенки [2]. Термоусадочная трубка может быть выполнена из композиции сшитого радиацией полиолефина, способного менять цвет в зависимости от температуры для индикации нарушения электрических контактов и предупреждения аварийных ситуаций [3].

Таким образом частично решается задача визуализации качества соединения и герметизации стыков. Изменение цвета в известных технических решениях не всегда позволяет оценить силу сжатия, поэтому рядом исследователей продолжается разработка различных, в том числе оптических, датчиков силы сжатия. В патенте Японии [4] описаны сенсорные полимерные композиты, способ и устройство для оценки сжатия композиционного материала с электронным модулем обработки данных интенсивности оптического излучения, распространяющегося от источника оптического излучения к приемнику в среде деформируемого пористого или монолитного наполнителя методом оптической анизотропной диффузионной тензометрии. Интенсивность оптического излучения, распространяющего в наполнителе, зависит от его светопроницаемости. В случае пористого наполнителя его светопроницаемость зависит не только от светопоглощения полимерного композита, которое увеличивается за счет изменения плотности при деформации наполнителя, но и от направления деформации пор, которое приводит к анизотропному светорассеянию, вследствие чего изменяется средняя траектория света между источником и приемником оптического излучения. Учет параметров анизотропного изменения светорассеяния в среде пористого наполнителя в состоянии его деформации реализуется программными средствами в модуле обработки данных [5]. Известные запатентованные композиционные материалы и способы индикации силы сжатия при герметизации стыков основаны на использовании дорогостоящих ингредиентов и сложны в практической реализации.

Целью настоящего исследования является описание оптических свойств новых многослойных ступенчатых полимерных пленочных материалов и обоснование возможности их применения для индикации процесса сжатия термоусадкой, например, при герметизации стыков электрических проводов или коммуникаций.

Предмет исследования – плеохроизм при интерференции поляризованного света в многослойном пакете прозрачных бесцветных пленок из различных термопластов и его использование на примере герметизации стыков.

Материалы и методы

В качестве объектов исследования использованы:

Бесцветная прозрачная термоусадочная пленка поливинилхлорида (по ТУ 22.21.30–001– 35639164–2019 производства ТД «Упак Трейд, Воронеж» толщиной 90 ± 5 мкм)

Бесцветная прозрачная биоксиально ориентированная пленка полипропилена (ВОРР производства завода «Биаксплен», Московская область, марки HGGW-40 толщиной 45 ± 5 мкм

Металлизированная биоксиально ориентированная пленка полипропилена (ВОРР производства завода «Биаксплен» марки HMGW.M-20 толщиной 25 ± 5 мкм.)

Металлизированные самоклеющиеся ленты на основе пленки полипропилена с алюминиевым напылением марок Зубр, AVIORA, Unibob и Tesa ТУ 2245–001–45077247–2007)

Пленочные поляризаторы (NPF F1205DU (Япония), обеспечивающие степень поляризации света до 95,8%.)

Стеклянные пластины – антибликовые поляризаторы (марка «HNNYKRAY» модель Wanbo Т6 Max (КНР)

Полимерные поляризационные линзы для очков («Cantilen» POLARIZED (КНР).

Для демонстрации плеохроизма при интерференции поляризованного света в многослойном пакете прозрачных бесцветных пленок

Погиба А.Ю. и др. Вестник ВГУИТ, 2026, Т. 88, №. 1, С. 243-249 и практического использования цветных эффектов при герметизации стыков коммуникаций собрались макеты термоусадочных втулок и лабораторный стенд для оптических измерений.

Рисунок 1. Схема укладки и расположения пленок при герметизации стыков: 1 и 2 – соединяемые провода, 3 – слой электроизоляции, 4 – слой материала отражающего свет, 5 – слой оптически активной полимерной пленки, 6 – термоусадочная пленка Figure 1. Layout and arrangement of films during joint sealing: 1 and 2 – connected wires, 3 – electrical insulation layer, 4 – light-reflecting material layer, 5 – optically active polymer film layer, 6 – shrink film

Схема макета соединения электрических кабелей (1 и 2) с помощью прозрачной многослойной втулки, содержащей ступенчатый слой оптически активной в поляризованном свете пленки ВОРР (5), слоя изоляции со светоотражающей поверхностью (4) и внешнего термоусадочного слоя пленки поливинилхлорида (6) показана на рисунке 1.

Втулка показана в положении сборки до нагревания термоусадочной трубки и без поляризационного светофильтра, необходимого для цветной индикации процесса сжатия. Слои пленок расположенные поверх изоляции со светоотражающей поверхностью (4) бесцветны и прозрачны в обычном неполяризованном свете до и после нагревания для сжатия. «Цветными становятся» слои пленки ВОРР при наблюдении стыка в очках с поляризационными стеклами или при его освещении и фотографировании сквозь пленочные поляризаторы.

Процесс сборки макета стыка электрических кабелей (поз. 1 и 2 на рисунок 1) включает следующие операции. Концы электрических кабелей изолируют диэлектрическим материалом (поз. 3 на рисунок 1). Ленты, вырезанные из пленок полипропилена ВОРР обматываются поверх слоя металлизированной самоклеющиеся пленки (поз. 4 на рисунок 1) в форме спирали внахлёст с шагом 0,2–0,5 ширины лент для формирования ступенчатого оптически активноого слоя (поз. 5 на рисунок 1). На ступенчатый оптически активный слой пленок полипропилена

ВОРР надевают термоусадочный рукав из пленки поливинилхлорида (поз. 6 на рисунок 1). Производят фотографирование сборки пленок сквозь сквозь пленочный поляризатор для фиксации цвета до сжатия.

Для исследования интерференции и определения зависимости цвета пакета пленок в поляризованном свете от силы сжатия собран лабораторный стенд для фотографирования и оптических измерений (рисунок 2). На стенде установлен спетрофотометр и/или фотокамера (поз. 5 на рисунок 2) с возможностью изменения угла наблюдения. Осуществляли фотографирование цветовых эффектов, возникающих при отражении поляризованного света лампы (поз. 1 на рисунок 2) от зеркального слоя самоклеющиеся пленки (поз. 4 на рисунок 2) в различных направлениях. Стабильная цветопередача во всем наборе данных обеспечена калибровкой цвета с использованием стандартизированной мишенью X-Rite ColorChecker Passport, которая фотографировалась в начале каждого сеанса фотографирования. Объект для фотосъемки в отраженном потоке поляризованного света это – комбинация нескольких прозрачных полимерных пленок (ПВХ + ВОРР или ПВХ + ВОРР + ВОРР), проявляющая плеохроизм при размещении на различных отражающих поверхностях [6]. Все изображения были получены в условиях контролируемого освещения для поддержания постоянства в течение всей экспериментальной процедуры.

Обработка RAW-изображений производилась с помощью программного обеспечения Darktable с открытым исходным кодом, которое обеспечивает точное управление цветом и калибровку рабочих процессов. Пользовательский цветовой профиль был создан с помощью модуля цветовой калибровки (Color Calibration) в Darktable, реализующего стратегию оптимизации, основанную на минимизации среднего значения ΔЕ 76 (цветового различия) участков (ступеней) на фотографии пленки [7].

Результаты и обсуждения

Оптическая активность прозрачных стеклообразных плёнок поливинилхлорида в проходящем поляризованным свете была обнаружена, исследована полуколичественно ранее и предложена для использования в светотехнике и уличной световой рекламе [8]. При этом зависимость прозрачности и цвета термоусадочных плёнок от деформации усадки и уровня внутренних напряжений в плёнках не анализировалась. Установлены лишь периодическая (синусоидальная) зависимость прозрачности плёнок и «повторяемость» цвета пакетов прозрачных пленок в проходящем потоке поляризованного света по мере увеличения количества слоёв [9].

Различие цвета пакетов прозрачных плёнок по мере увеличения их числа в пакете оценивается величиной ΔЕ 76 и наиболее существенно при дублировании или сложении трёх-четырёх слоёв. Высечка части одного из слоёв в пакете плёнок или размещение между слоями плоских фигур, вырезанных из прозрачной плётки того же или другого полимера приводит к получению нового вида слоистых композитов, названных нами "ступенчатыми". Свойства ступенчатых прозрачных полимерных плёночных материалов аналогичны оптическим свойствам пакетов прозрачных минеральных пластин известных в геометрической оптике под именем «Стопа Столетова» и называемых в экспериентальных исследованиях интерференции полимерных систем, «multilayer optical film», «multilayer film stack» или optical film stack [10].

Новые технические решения в области индикации и/или измерения силы сжатия полимерных материалов при герметизации емкостей с жидкостью [11], а позднее пучков проводов [12] основаны на недавно обнаруженном изменении цвета ступенчатых оптически активных плёнок в поляризованном свете и систематических исследованиях механохромных материалов с памятью формы [13, 14]. Все предшествующие исследования цвета и прозрачности многослойных полимерных плёнок осуществлялись в проходящем потоке света при размещении пленок между двумя поляризаторами. Применения на практике таких вариантов прохождения света и наблюдения изменений цвета полимерных пленок с целью диагностики напряженного состояния материалов в изделиях или инженерных конструкциях весьма ограничены.

Рисунок 2. Схема стенда для изучения цвета и оптических характеристик пакета пленки в отраженном от зеркала световом потоке: 1 – Источник света; 2 – подвижный поляризатор; 3 – пакет лент из пленок ВОРР внахлест; 4 – светоотражающая поверхность; 5 – фотокамера, 6 – термоусадочная пленка ПВХ

Figure 2. Diagram of the stand for studying the color and optical characteristics of a film package in the light reflected from a mirror: 1 – light source; 2 – movable polarizer; 3 – BORR film package (Stoletov stack); 4 – reflective surface; 5 – camera; 6 – PVC shrink film

В настоящем исследовании использована схема измерения цвета и прозрачности многослойных полимерных плёнок с одним поляризатором (рисунок 2), где роль источника поляризованного света, проходящего сквозь пакет пленок выполняет отражение от зеркал – металлизированной плёнки со светоотражающей поверхностью (поз. 4 на рисунок 2) расположенной на изделии или узле сжимаемых коммуникаций. Анализатором служит поляризационная пленка фильтр (поз. 2 на рисунок 2) или очки наблюдателя с поляризационными стеклами (не показаны).

На рисунке 3 показана реализация продуктового результата исследований – пример практического использования обнаруженных и количественно оценённых по контрасту цветных оптических эффектов. Изменение цвета пакета плёнок поляризованном свете после термоусадки внешнего слоя пленки поливинилхлорида как индикатор качества изоляции.

Цветопеременный эффект как индикатор изоляции исследован на комбинации пленок ПВХ и ВОРР размещенных в одной плоскости на стенде для оптических измерений (рисунок 2) с использованием различных светоотражающих материалов. Цвет в поляризованном свете под углом α менее 10 градусов комбинации пленок ПВХ с 1 или 2 слоями пленки ВОРР фиксировался на фотографиях и записывался в форме спектра.

Рисунок 3. Выявление силы сжатия стыка по цвету ступенчатого слоя ленты ВОРР в поляризованном свете после термоусадки внешнего слоя пленки ПВХ (рукава с памятью формы)

Figure 3. Identification of the compression force of the joint by the color of the stepped layer of the BOPP tape in polarized light after the shrinkage of the outer layer of the PVC film (shape-memory sleeves)

Пленка ПВХ подвергалась частичной свободной усадке с ограничением 50% и повторно фотографировалась в составе комбинации пленок ПВХ и (1–2) ВОРР. На фотографиях (рисунок 3 внизу), показан цвет плёнок полипропилена в поляризованном свете размещённых на зеркальной поверхности. После нагревания и сжатия внешнего слоя термоусадочной пленки ПВХ до максимально возможной величины

Рисунок 4. Изменение цвета ступеней пленки ВОРР на светоотражающей поверхности 1,2 – количество слоев пленки BOPP; A – BOPP + PVC 0%; B – BOPP + PVC сжатие относительно первоначального размера 50%

Figure 4. Change in color of the BOPP film steps on the reflective surface 1, 2 – number of plecka layers BOPP; A – BOPP + PVC 0%; B – BOPP + PVC compression relative to the original size of 50%

Заключение

• 1    Поляризация и интерференция света, отраженного от зеркальной поверхности обеспечивают многоцветный эффект плеохроизма, обусловленный наличием и уровнем внутренних напряжений в дихроичной термоусадочной пленке поливинилхлорида.

• 2    Сочетание дихроичной термоусадочной пленки поливинилхлорида пленок с несколькими слоями дихроичной двуосноориентированной пленки полипропилена усиливает интерференцию поляризованного света в слоистом пакете и изменение палитры цвета в процессе термостимулируемой усадки.

(≈ 50% диаметра) цвет ступенчатого слоя пленок ВОРР меняется и это изменение указывает на успешной завершение герметизации стыка проводов. Следует отметить, что в отсутствие поляризатора весь пакет пленок является прозрачным и бесцветным до и после термоусадки.

Изменение цвета ступенчатого слоя пленок ВОРР в поляризованном свете показано на рисунке 4 и измерено спектрофотометром (рисунок 5).

Рисунок 5. Коэффициент спектральной прозрачности. BOPP + PVC сжатие относительно первоначального размера: B – 50%; A – 0%

Figure 5. Spectral transparency coefficient. BOPP + PVC compression relative to the original size: B – 50%; 2 – 0%

• 3    Цветопеременный эффект при термостимулируемой усадке комбинированного пакета металлизированных, термоусадочных и дву-осноориентированных пленок из термопластичных полимеров предложено использовать при визуальном контроле качества герметизации стыков электрических проводов или узлов соединения коммуникаций.

Настоящее исследование проведено при финансовой поддержке Московского Политехнического Университета в рамках гранта имени В.Е. Фортова.