CC BY
40
Исследование влияния наполнителей и модификаторов на демпфирующие свойства материала на основе ПВА
11 2 В.Д. Черкасов , М.В. Тюрин , В.В. Авдонин
1 Национальный исследовательский Мордовский государственный университет 2Вятский государственный университет
Аннотация: Современный мир невозможно представить без средств технического передвижения, широкой механизации и автоматизации производственных процессов. Механизмы источают вредные шумы и вибрацию, которые пагубно влияют на организм человека. Было создано множество материалов, которые поглощают вредные шумы и вибрацию. Широко применяются вибропоглощающие материалы в повседневной жизни. Они наносятся на детали автомобилей, корпуса поездов и самолетов со внутренней стороны. Защитить дно автомобиля и поезда помогает антикоррозийное покрытие. Оно может служить еще одним уровнем защиты от шума и вибрации. В основе вибропоглощающего материала, как и в антикоррозийном покрытии, лежит вязкоупругий слой, который, в свою очередь, модифицируют путем введения наполнителей и пластификаторов. Отличием вибропоглощающего материала от антикоррозийного служит то, что для большего увеличения своих вибропоглощающих свойств материал иногда армируют.
В статье представлены результаты исследований мастичного материала с такими наполнителями как слюда молотая флогопит СМФ-123, формиат кальция, шеШих 1641Б, шеШих 4930Б, шеШих 6681Б. В качестве объекта исследования выбрана стальная пластина с нанесенной на нее мастичным материалом. В основе матричного материала был использован поливинилацетат, в который вводилась эпоксидная смола и дибутилфталат. Коэффициент потерь материала определяли резонансным методом, сущность которого заключается в возбуждении у образца поперечных колебаний. Разработана вибропоглощающая мастика, подобраны эффективные наполнители и пластификатор для нее. Представлена зависимость вибропоглощающих свойств от количества вводимой эпоксидной смолы, пластификатора и влияния толщины слоев. Ключевые слова: поливинилацетат, эпоксидная смола, вибропоглощающий мастичный материал, демпфирование, коэффициент потерь.
Введение
Современный мир - мир технического прогресса, важной ветвью которого являются средства передвижения, производственная техника и механизмы. В настоящее время мы не можем представить свою жизнь без машин, самолетов, поездов, широкой механизации и автоматизации производственных процессов, но к сожалению, они не являются абсолютно безопасными. Шум и вибрация, которую они производят, пагубно влияют на организм человека, а станки на производстве вызывают такие заболевания
как вибрационная болезнь и тугоухость. Из-за этого возникла необходимость их устранения, так как они воздействуют на конструкции, людей и оборудования. В большей степени эта проблема актуальна в машиностроении, так как снижение вибрации и шума приводит к повышению комфортности в салоне автомобиля. Источник вибрации исходит из работы двигателя, агрегатов автомобиля и кузова [1].
Одним из эффективных способов снижения вредных вибраций и шумов является применение в конструкции материалов с повышенными виброшумопоглощающими свойствами. Широко применяются два способа вибропоглощения: вибропоглощающие материалы и вибропоглощающие конструкционные материалы [2]. Вибропоглощающий материал наносят на возбудимую вибрацией готовую конструкцию для увеличения в них потерь энергии вибрации. В свою очередь вибропоглощающий материал делится на две составляющие: вибропоглощающие покрытия и вибропоглощающая мастика. Из вибропоглощающих конструкционных материалов изготавливают конструкции с высокими вибропоглощающими свойствами
[3].
Одним из действенных методов снижения шума и вибрации в салоне автомобиля - использование со внутренней стороны виброшумопоглощающих покрытий, наносимых на двери и кузов автомобиля. Но не стоит забывать о внешней защите кузова. Мастика, применяемая для обработки днища автомобиля, также может служить еще одним уровнем защиты от вредного воздействия вибрации и шума, а также обеспечить надежную защиту от ржавления и механических повреждений и продлит срок службы автомобиля.
Несмотря на многочисленные вибропоглощающие материалы, за основу взят единый принцип состава - это вязкоупругий материал (битум, полимерно-битумные композиции, бутилкаучуки и т.п.) [4, 5]. Полимерные
вибропоглощающие материалы находят все большее применение защите от вибрации. Ослабление вибрации может быть достигнуто путем увеличения потерь энергии вибрации конструкции при нанесении на нее покрытия из материала с повышенным внутренним трением [5]. Из всех материалов, наносимых на конструкцию, особое внимание заслуживают мастичные материалы. Эти материалы имеют ряд технико-экологических преимуществ. Основным, из которых является простота изготовления и нанесение материала на конструкции, в том числе и сложной конфигурации.
Антикоррозийную мастику изготавливают для защиты металлических поверхностей, также применяют для изоляции подземных трубопроводов и используют в качестве связующего в дорожном строительстве. Метод состоит в получении асфальтосмолистого олигомера и добавления в него полимерных добавок - бутилкаучука, технического масла и термоэластопласта. Противокоррозионную мастику получают путем объединения процесса в единый технологический цикл. Процесс заключается в загрузке битума при температуре 130°С. Затем добавляют техническую серную кислоту 1,5-2 ч при температуре 130°С. Далее стабилизируют продукт при 150°С 4 ч. Затем вводят добавки - бутилкаучук, масло техническое, термоэластопласт - при температуре 140°С. При этом компоненты постоянно перемешивают после каждого цикла от 60 до 180 мин. В результате происходит усовершенствование физико-химических характеристик получаемой антикоррозионной мастики за счет улучшения ее состава и оптимизации технологии процесса [6, 7].
Недостатками данного способа являются высокая энергоемкость и длительность технологического процесса; низкий выход продукта. Введение полимерных добавок в асфальтосмолистые соединения хоть и улучшают некоторые технические характеристики продукта, такие как температура
размягчения, хрупкость, эластичность, но в то же время ухудшают другие, такие как адгезия, пенетрация [6].
Нашей задачей является разработка энерго- и экономически эффективного способа изготовления мастики, которая будет совмещать в себе 2 функции: антикоррозийная изоляция и вибропоглощающие свойства.
В качестве полимерной матрицы в составе вибропоглощающих полимерных композиционных материалов часто используют поливинилацетат (ПВА) [8, 9]. Он сравнительно не дорогой, также имеет широкое применение. Большая часть поливинилацетата выпускается в виде дисперсий ПВА (концентрация 50-55%, размер частиц 0,05-2 мкм), она используется при производстве других видов клея, при производстве красок, в полиграфии и в табачной промышленности.
Раствор поливинилацетата представляет собой вязкую белую жидкость. В производстве органических растворах - клеи. Значительные клеящие свойства дают возможности его применения при склейке бумаги и картона, древесины, может входить в качестве компонента шпатлёвок и грунтовок. В виде эмульсий он применяется как добавка в строительные растворы, для повышения адгезии растворов к наносимой поверхности. ПВА имеет хорошие свойства: высокая морозостойкость, хорошая клеящая способность, не токсичен, пожаробезопасен, стекленеет с малой усадкой, высокая термопластичность, термостойкость, доступность и имеет совместимость с разными наполнителями.
В состав мастики входили различные наполнители. Для придания улучшенных клеящих свойств мастики в ее состав вводили эпоксидную смолу УП-563.
Эпоксидную смолу используют в строительстве при нанесении разметочных полос на трассах, изготовлении плит для полов и для наливных полов. Также как материал для покрытия, востребована в декоративных и
1
отделочных работах [10-12]. В составе стеклопластика и углепластика она встречается в ремонте аэродромов, дорог и железобетонных конструкций.
Методы и материалы исследований
Для решения поставленных задач в качестве объекта исследования были изготовлены мастичные материалы с разными наполнителями. Их наносили на стальную пластину толщиной 1,2 мм, шириной 20 мм и длиной 240 мм (см. рис. 1). Толщина полимерного слоя изменялась от 1 мм до 6 мм. Полимерный слой представлял собой смесь наполнителя такие как слюда молотая флогопит СМФ-123 (ГОСТ 855-74 с изм. № 3), формиат кальция (ТУ 6-09-11-1149-78), melflux 1641Б, melflux 4930Б, melflux 6681Б, поливинилацетата (ТУ 5772-049-43659241-09), эпоксидной смолы УП-563 (ТУ 2225-336-09201208-94) и пластификатор дибутилфталат (ГОСТ 872888).
Рис. 1. - Конструкция слоеного вибропоглощающего материала. 1- металлические пластины; 2 - вязко-упругий материал
Коэффициент потерь материала определяли резонансным методом по ГОСТ 19873-74 на установке Вг^! & Kjaer 08-13-10. Сущность метода заключается в возбуждении у образца поперечных (изгибных) колебаний основной гармоники. По частотам резонансных колебаний определяют модуль упругости, а по ширине резонансных пиков - коэффициент потерь [9,
13].
1
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты исследования представлены на рис. 2. Как видно из рис. 2 положительное влияние на вибропоглощающие свойства оказывают следующие наполнители: молотая слюда, формиат кальция и теШих 1641Б.
Рис. 2. - Влияние вида наполнителя и эпоксидной смолы на вибропоглощающие свойства мастики
Введение эпоксидной смолы приводит к увеличению коэффициент потерь мастики (рис. 2). При содержании эпоксидной смолы в мастике 10% приводит к увеличению коэффициента потерь более чем в два раза. Для увеличения демпфирующей мастики 50% поливинилацетата, 40% формиат кальция и 10% эпоксидной смолы, добавляли пластификатор дибутилфталат (ДБФ) в качестве 10, 20, 30 %. Результаты исследования приведены на рис. 3.
0,15
о
о
10
20
30
Количество ДБФ,0 о
Рис. 3. - Влияние количества ДБФ на вибропоглощающие свойства
мастики
При содержании в мастики ДБФ до 10 % резко повышает вибропоглощающие свойства её (рис 3). Дальнейшее увеличение содержания ДБФ менее эффективно. Всвязи с этим можно считать эффективным содержанием ДБФ до 20 %.
На демпфирующие свойства и поглощающего покрытия оказывает влияние толщина полимерного слоя. Всвязи с этим проведены исследования влияния толщины полимерного слоя на вибропоглощающие свойства покрытия (рис. 4).
Рис. 4. - Влияние соотношения толщины слоев на вибропоглощающие свойства мастики вибропоглощающего покрытия
0,24
а2 = ?12/?11
Проведенные исследования показали, что увеличение толщины слоя в два раза наиболее эффективно повышает вибропоглощающие свойства (рис. 4). Дальнейшее увеличение толщины слоя малоэффективно сказывается на вибропоглощающих свойствах.
Выводы
1. Разработана вибропоглощающая мастика, подобраны эффективные наполнители и пластификатор для нее.
2. Установлено, что наиболее эффективные толщина покрытия из этой мастики составляет 2 толщины основы, на которую она наносится.
Работа выполнена в рамках Гранта Президента Российской Федерации МК-1960.2018.8.
Литература
1. Муромцев Д.Н, Пичхидзе С.Я. Оценка вибродемпфирующих свойств мастики на основе этиленпропиленового каучука // Вестник Саратовского государственного технического университета. Саратов. 2013. С. 114-118.
2. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие / Бондалетова Л.И., Бондалетов В.Г. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 118 с.
3. Лотошникова Е.О., Усепян Л.М., Телегина В.Н., Усепян И.М. Возможности использования минеральных пористых компонентов в качестве демпфирующих добавок для бетонов // Инженерный вестник Дона, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4821
4. Дахиев Ф.Ф., Раевская Л.Т. Шумоизоляция оператора лесного манипулятора // Леса России и хозяйство в них. Екатеринбург: 2013. С. 64-67
5. Черкасов В.Д., Авдонин В.В., Пильщиков В.О., и др. Полимерные вяжущие для производства вибропоглощающих материалов // Региональная архитектура и строительство. Пенза: 2017. С. 59-67.
6. Пат. 2407773 Российская Федерация, МПК С 10 С 3/02, С 09 D 195/00, С 04 В 26/26. Способ получения противокоррозионной мастики на основе асфальтосмолистых олигомеров / Галиуллин Т.В., Галиуллина Е.Г., Николаев В.Н., Никифоров С.В.; заявитель и патентообладатель Галиуллин Т.В. - № 2009105898/05; заявл. 27.08.2010; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36. - 9 с.
7. Пат. 2543217 Российская Федерация, МПК С 10 С 3/02, С 09 D 195/00, С 08 L 95/00. Мастичная композиция и способ ее получения / Подлипчук И.Е., Сухарева Г.М., Тимашева Ф.Г.; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Уфимский завод эластомерных материалов, изделий и конструкций" - № 2013143776/05; заявл. 27.09.2013; опубл. 27.02.2015, Бюл. № 6. - 7 с.
8. Сычев М.М., Родионов А.Г., Мякин С.В., Шейко Н.Б. Улучшение вибропоглощения композитов на основе ПВА и графита электронно-лучевой обработкой наполнителя // Инновационные технологии в строительстве и геоэкологии. М.: 2015. С. 31-33
9. Самогонова В.А., Кислякова В.И., Тюменева Т.Ю., Большакова В.А. Влияние состава вибропоглощающих материалов на коэффициент механических потерь // «Труды ВИАМ». М.: 2015. №10. С. 63-69
10. Кузнецов А.В., Петров В.В. Метод химической модификации эпоксидных композиций // Инженерный вестник Дона, 2019, №6. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N6y2019/6031
11. Nakhaei A., Marandi S.M., Kermani S.S., Bagheripour M.H. Dynamic properties of granular soils mixed with granulated rubber // Soil dynamics and earthquake engineering. 2012. - Vol. 43. - P. 124-132.
12. Luo R., Wu XP., Mortel W. Dynamic simulation studies and experiments on rubber structures used in rail vehicles // Proceedings of the institution of mechanical engineers. Part F-journal of rail and rapid transit. - 2013. - Vol. 227. - P. 103-112.
13. Черкасов В.Д., Юркин Ю.В., Авдонин В.В., Пугачев А.А., Мокейкина Е.В. Влияние наполнителей на диссипативные свойства полимерного композиционного материала на основе эпоксидной смолы // Региональная архитектура и строительство. Пенза: 2017. С. 12-15.
References
1. Muromcev D.N, Pichxidze S.Ya. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Saratov, 2013. Pp.118-118.
2. Bondaletova L.I., Bondaletov V.G. Polimerny'e kompozicionny'e materialy'
[Polymer composites] (chast' 1): uchebnoe posobie. Tomsk, 2013. 118 p.
3. Lotoshnikova E.O., Usepyan L.M., Telegina V.N., Usepyan I.M. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4821
4. Dakhiyev F.F., Raevskaya L.T Shumoizolyaciya operatora lesnogo manipulyatora. Lesa Rossii i xozyajstvo v nix. Ekaterinburg, 2013. 64-67 p.
5. Cherkasov V.D., Avdonin V.V., Pil'shhikov V.O., i dr. Polimerny'e vyazhushhie dlya proizvodstva vibropogloshhayushhix materialov. Penza, 2017. Pp.59-67.
6. Galiullin T.V., Galiullina E.G., Nikolaev V.N., Nikiforov S.V. Sposob polucheniya protivokorrozionnoj mastiki na osnove asfal'tosmolisty'x oligomerov [Method of producing anticorrosion mastic based on asphalt-resin oligomers]. Patent Russia, no. 2407773. 2010. 9 p.
7. Podlipchuk I.E., Suxareva G.M., Timasheva F.G. Mastichnaya kompoziciya i sposob ee polucheniya
[Mastic composition and method of obtaining thereof]. Patent Russia, № 2543217. 2015. 7 p.
8. Sy chev M.M., Rodionov A.G., Myakin S.V., Shejko N.B. Uluchshenie vibropogloshheniya kompozitov na osnove PVA i grafita elektronno-luchevoj obrabotkoj napolnitelya. Moscow, 2015. pp. 31-33.
9. Samogonova V.A., Kislyakova V.I., Tyumeneva T.Yu., Bolshakova V.A. Vliyanie sostava vibropogloshhayushhix material ov na koefficient mexanicheskix poter\ Moscow, 2015. pp.63-69.
10.Kuzneczov A.V., Petrov V.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N6y2019/6031
11.Nakhaei A., Marandi S.M., Kermani S.S., Bagheripour M.H. Soil dynamics and earthquake engineering. 2012. Vol. 43. pp. 124-132.
12.Luo R., Wu XP., Mortel W. Proceedings of the institution of mechanical engineers. Part F-journal of rail and rapid transit. 2013. Vol. 227. pp. 103112.
13.Cherkasov V.D., Yurkin Yu.V., Avdonin V.V., Pugachev A.A., Mokejkina E.V. Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo. Penza, 2017. pp.12-15.
