Терморасширяющаяся вязкоупругая смесь
THERMALLY EXPANDING VISCOELASTIC MIXTURE

Настоящее изобретение относится к вязкоупругим демпферам, которые используются в области сейсмостойкого строительства, и может применяться для гашения вибраций в антивибрационных и антисейсмических изоляционных конструкциях и устройствах.
В современном мире с ускорением темпов урбанизации, с ростом объёма строительных производств и других антропогенных факторов проблема обеспечения сейсмической безопасности приобретает все большую актуальность. Наиболее перспективными и экономически целесообразными являются системы пассивного рассеивания энергии, наиболее распространёнными типами которых являются гистерезисные демпферы и вязкоупругие демпферы. Сочетание этих типов демпферов могло бы позволить более эффективно гасить сейсмические и вибрационные воздействия. В связи с этим возникла необходимость в разработке вязкоупругого материала, который будет размещаться в полости между трубами гистерезисного демпфера (на Фигуре приведена схема расположения сейсмического демпфера) [WO2010119154A1. SYSTEM FOR DISSIPATING SEISMIC ENERGY IN CONSTRUCTIONS. МПК E04B1/98, E04H9/02, F16F15/02; 16.04.2010]. Для этого вязкоупругий материал должен обладать следующими минимальными характеристиками:
тангенс угла механических потерь tgδ
не ниже 0,2;
удлинение при разрыве не менее
120 %;
эквивалентный модуль упругости при 100 % деформации
не ниже 0,1 МПа.
Кроме того, для размещения данного материала в зазор между трубами гистерезисного демпфера необходимо, чтобы он был саморасширяющимся.
Из уровня техники известна резиновая композиция с высоким демпфированием [Патент JP5143605B2. HIGHLY DAMPING RUBBER COMPOSITION AND VIBRATION CONTROL DAMPER OBTAINED BY USING THE SAME. МПК C08L21/00, C08L23/16, C08L53/02, C08L61/10, C08L9/00, C09K3/00, F16F1/36, F16F15/08; 13.02.2013], включающая в свой состав в мас. %: стирол-изопрен-стирольный блок-полимер 60,0÷95,0; несшитый каучук - бутадиеновый каучук 40,0÷5,0; жидкий изопреновый каучук 5,0÷100,0 по отношению к общему количеству 100 весовых частей первых двух компонентов; нереакционноспособная алкилфенольная смола 5,0÷60,0 весовых частей в расчете на 100 весовых частей первых двух компонентов.
Механические характеристики резиновой композиции при 20 °С:
экививалентная демпфирования he
0,405;
относительный модуль сдвига при 10% деформации
1,64 МПа
относительный модуль сдвига при 100% деформации
0,269 МПа.
Приведённые характеристики удовлетворяют указанным требованиям, предъявляемым к вязкоупругому материалу, однако вследствие отсутствия информации по максимальному относительному удлинению и отсутствии свойств саморасширения, данный материал не может применяться в разрабатываемом типе вязкоупругого демпфера.
Также в качестве аналога можно рассматривать резиновую композицию [Патент JP2014227521A.HIGH ATTENUATION RUBBER COMPOSITION FOR SEISMIC ISOLATION DAMPER AND SEISMIC ISOLATION DAMPER OBTAINED BY USING THE SAME. МПК C08L53/02, C08K3/04, C08K3/22, C08K7/06, C08L21/00https://ru.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=EPODOC&II=0&ND=3&adjacent=true&bcId=2&locale=ru_RU&return=true&FT=D&date=20091015&CC=JP&NR=2009235336A&KC=A; 08.12.2014], в составе которой блок-полимер стирол-изопрен-стирол, теплопроводный наполнитель, имеющий теплопроводность 17 Вт / м × К или более (от 10 до 100 мас. частей по отношению к 100 мас. частям общего количества блок-полимера стирол-изопрен-стирола), несшитая резина - бутадиеновый каучук, карбонат кальция (от 10 до 120 мас.ч. по отношению к 100 мас. ч. общего количества стирол-изопрен-стирольного блок-полимера и несшитого каучука), жидкий изопреновый каучук (от 10 до 100 весовых частей по отношению к 100 весовым частям общего количества стирол-изопрен-стирольного блок-полимера и несшитого каучука). Из механических характеристик в патенте приведён только коэффициент демпфирующей силы Ceq = 1,07. В связи с недостатком информации по механическим характеристикам материала и отсутствии свойств саморасширения, данный материал не может применяться в разрабатываемом типе вязкоупругого демпфера.
Наиболее близким аналогом разработанного материала является вулканизуемая каучуковая смесь [патент JP4092577B2. RUBBER COMPOSITION, VULCANIZABLE RUBBER COMPOSITION AND DAMPING RUBBER VULCANIZATE. МПК C08L9/00, C08L15/00, C08L3/00, F16F1/36; 28.05.2008]. Данная смесь состоит из 100 частей по массе каучука на основе сопряженного диена и от 5 до 100 частей по массе циклизованного продукта сопряженного диенового полимера. Его механические характеристики:
относительное удлинение
480 %;
тангенс угла механических потерь при 23 °С
0,16;
относительный модуль сдвига
2,1÷2,5 МПа.
Несмотря на высокие модуль сдвига и относительное удлинение такие демпфирующие изделия из вулканизированной резины не удовлетворяют двум требованиям - тангенс угла механических потерь менее 0,2 и отсутствие свойств саморасширения, что делает невозможным применение данного материала в разрабатываемом типе терморасширяющейся вязкоупругой смеси.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что новый материал удовлетворяет всем требуемым механическим характеристикам и имеет уникальное свойство - саморасширение, которое обеспечивает размещение терморасширяющейся вязкоупругой смеси в зазор между трубами демпфера.
Технический результат достигается тем, что терморасширяющаяся вязкоупругая смесь включает в себя хлорбутилкаучук марки ХБК-139, вулкатив С-1, масло индустриальное марки И-40, тиурам, серу, микросферы Expancel, мел и технический углерод П-803 при следующем соотношении компонентов, масс. ч:
хлорбутилкаучук ХБК-139
100
вулкатив C-1
5
индустриальное масло И-40
30,8 ÷ 40,8
тиурам
5
мел
153,8 ÷ 230,8
технический углерод П-803
19,2 ÷ 38,5
микросферы Expancel
10
сера
1,5.
Используемые компоненты:
в качестве базового полимера для смеси был принят хлорбутилкаучук марки ХБК-139 (ТУ 2294-096-05766801-2000), обладающий высокими демпфирующими свойствами;
наполнители - технический углерод П-803 - ГОСТ 7885-86 и мел тонкодисперсный марки Микарб (ТУ 5743-020-05346453-2008);
пластификатор - масло индустриальное марки И-40 (ГОСТ 20799-88);
в качестве вулканизующего агента был использован Тиурам (ГОСТ 740-76), добавлен активатор вулканизации - Вулкатив С-1 (ТУ 2294 001-31273447-2010) и сера молотая (ГОСТ 127.5-93);
для придания композиту свойств саморасширяющегося материала в состав добавлен вспенивающий агент - микросферы Expancel (ТУ 2291-012-25665344-2013).
Вязкоупругую смесь готовят в смесителе типа Брабендер с Z-образными роторами путем механического перемешивания смеси компонентов при температуре 110 °C. На первой стадии производят смешение хлорбутилкаучука, вулкатива С-1, серы, 1/3 мела и технического углерода. На второй стадии вводят ½ масла и 1/3 мела и технического углерода. На третьей стадии вводят ½ масла и 1/3 мела и технического углерода. На четвертой стадии добавляют тиурам, микросферы Expancel и смешивают до получения однородной массы.
Из получившейся массы изготавливают ленты методом вальцевания или экструдирования с требуемыми размерами.
На трубы демпфера наносится праймер Хемосил 211 и клей Хемосил 411. Тонкая полоска материала помещается в полость между трубами демпфера, путем нанесения на внутреннюю поверхность - при выдержке в термошкафу в течение одного часа при 160 °C материал расширяется, соединяя трубы намертво. В результате на маленьких деформациях работает терморасширяющаяся вязкоупругая смесь, на больших - металлическая конструкция.
При осуществлении изобретения были изготовлены пять образцов терморасширяющейся вязкоупругой смеси, состав которых представлен в таблице 1, а значения механических характеристик - в таблице 2.
Лучшие механические характеристики оказались у образца №5: полученный материал по механическим свойствам, в отличие от самых близких аналогов, удовлетворяет всем требованиям и при этом обладает уникальным свойством - саморасширением.
Предложенная смесь с высоким демпфированием по настоящему изобретению может быть использована в качестве гасителя вибрации в сфере промышленного строительства и гражданского строительства, для устройств контроля вибрации и устройств сейсмической изоляции, в гасителях вибрации бытовых и электронных устройств, для гашения вибрации в автомобилях и амортизации и т.д.
Таблица 1 - Состав образцов
Материалы
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Образец 4
Образец 5
Хлорбутилкаучук ХБК-139
100
100
100
100
100
Вулкатив C-1
5
5
5
5
5
Индустриальное масло И-40
35,8
40,8
30,8
30,8
30,8
Тиурам
5
5
5
5
5
Мел
230,8
153,8
153,8
192,3
192,3
Технический углерод П-803
19,2
38,5
38,5
19,2
38,5
Микросферы Expancel
10
10
10
10
10
Сера
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
Таблица 2 - Механические характеристики образцов
Механические характеристики
Образец 1
Образец 2
Образец 3
Образец 4
Образец 5
Относительное удлинение, %
325,8
431,6
351,6
512,8
302,8
Тангенс угла механических потерь при 23 °С
0,29
0,27
0,24
0,24
0,3
Относительный модуль сдвига при 10% деформации, МПа
0,28
0,36
0,46
0,32
0,42
Относительный модуль сдвига при 100% деформации, МПа
0,09
0,11
0,16
0,11
0,14