ВИБРОПОГЛОЩАЮЩАЯ МАСТИКА
VIBRATION ABSORBING PASTE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к составам для вибропоглощающих покрытий, в частности для внутрикорпусных покрытий судовых помещений, железнодорожных вагонов, трубопроводов, защитных кожухов, защиты салона транспортных средств от вибрации конструкций и шума двигателя, так же вибропоглощающее покрытие можно использовать в авиационной, аэрокосмической промышленности, строительстве и машиностроении.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для снижения уровня шума и вибрации в различных областях техники целесообразно использовать полимеры и полимерные композиционные материалы, обладающие специфическими
динамическими механическими свойствами при воздействии изменяющихся по гармоническому закону напряжений и деформаций. Способность полимеров к так называемому механическому деформированию обусловлена тем, что в процессе деформирования полимеры, обладающие свойствами как жидкостей, так и твердых упругих тел, часть энергии накапливают, а часть рессеивают в виде тепла.
Требования к вибропоглощающим материалам предусматривают эффективность их применения в широкой области температур (от -60°C до 150°C) и частот (5-10000 Гц).
Эффективность вибропоглощающих материалов оценивают, в частности, по тангенсу угла механических потерь (tg δ), максимум которого находится в интервале температур, соответствующих переходу полимера из стеклообразного в высокоэластичное состояние, т.е. при температуре механического стеклования. Величина tg δ определяется внутренним трением и микровязкостью полимера, т.е. межмолекулярными взаимодействиями (между цепями) или ближними взаимодействиями (внутри полимерных цепей). Для вибропоглощающих материалов важной характеристикой является коэффициент механических потерь, который в зависимости от типа материала составляет 0,05-0,3. Целенаправленный выбор полимерной основы и других компонентов композиции позволяет создавать вибропоглощающие материалы, эффективные в широкой области температур и частот и обладающие специфическими свойствами: легкостью изготовления и нанесения на конструкции, способностью к самозатуханию и повышенной прочностью.
2
3
2
2
2
Из уровня техники известна вибропоглощающая мастика (патент РФ №2408637, опубл. 10.01.2011, МПК C09D 131/04), которая включает водную поливинилацетатэпоксидную дисперсию, содержащую 50-57 мас.% сухого вещества и модифицированную 10÷30 мас.% диановой или аминофенольной эпоксидной смолой, нефелиновый антипирен, алкилбензилпиридинийхлорид, отвердитель в виде полиэтиленполиамина или диэтилентриамина и наполнитель, которым является боксит, характеризующийся массовым соотношением основных компонентов AlO, SiCO, TiO, равным (81-85):(10-14):(3,0-3,5), соответственно, размером частиц 63 мкм и менее, удельной поверхностью (2,6-3,3)м/г и степенью кристалличности 91% и более.
Недостатками известной мастики являются низкие значения коэффициента механических потерь, сформированных из указанной мастики демпфирующих покрытий, а также высокая плотность самой мастики.
В качестве ближайшего аналога предлагаемой вибропоглощающей мастики выбрана вибропоглощающая мастика по патенту РФ №2186814, опубл. 10.08.2002, МПК C09D 131/04, C09D 5/02. Известная вибропоглощающая мастика включает водную дисперсию полимера на основе винилацетата (с сухим остатком 40-60 мас.%), пластификатор, нефелиновый антипирен, мел, наполнитель с чешуйчатой формой частиц (кристаллический графит или вермикулит) и дополнительно тетраметилтиурамдисульфид. Вибропоглощающая мастика может дополнительно содержать регулятор вязкости - воду в количестве 5-30% от массы мастики, регулятор плотности - полые стеклянные микросферы в количестве 1-5% от массы мастики, и вещество, улучшающее способность мастики к напылению, например, поверхностно-активное вещество анионогенного (волгонат) или смешанного типа ("эмульгатор С-10") в количестве 0,05-0,1% от массы мастики.
Недостатком известной вибропоглощающей мастики, описанной в патенте РФ №2186814, являются повышенные весовые характеристики мастики, ухудшающие технологические свойства материала в части нанесения ее на демпфируемые поверхности. Кроме того, для решения многих технических задач уровень поглощения механической энергии, демонстрируемый покрытиями из известной вибропоглощающей мастики, недостаточно велик.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании новой вибропоглощающей мастики с улучшенными технологическими свойствами и улучшенными свойствами изготовленных из нее демпфирующих покрытий.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в уменьшении плотности вибропоглощающей мастики, увеличении коэффициента механических потерь сформированных из нее демпфирующих покрытий, улучшения технологичности нанесения мастики на демпфируемые поверхности как методом шпателирования, так и напылением, при одинаковой вязкости в диапазоне подвижности мастики 80-100 мм.
Поставленная задача и требуемый технический результат достигается за счет предлаемого состава вибропоглощающей мастики, включающей кристаллический графит, водную дисперсию полимера на основе винилацетата (с сухим остатком 51-55 мас.%), пластификатор, регулятор плотности, поверхностно-активное вещество, антипирен, тетраметилтиурамдисульфид, мел и воду, согласно изобретению, в качестве регулятора плотности она содержит порошковую целлюлозу, а в качестве поверхностно-активного вещества алкилбензолсульфонат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Графит кристаллический
20,0-35,0
Водная дисперсия полимера на
основе винилацетата с сухим
остатком 51-55 мас.%
32,0-46,0
Пластификатор
0,2-8,5
Порошковая целлюлоза
1,0-8,5
Алкилбензолсульфонат натрия
0,10-0,25
Антипирен
3,5-8,3
Тетраметилтиурамдисульфид
0,1-0,20
Мел
1,5-3,0
Вода
6,85-25,0
В дополнительном аспекте изобретение характеризуется тем, что в качестве пластификатора вибропоглощающая мастика содержит дибутиловый эфир фталевой кислоты.
В еще одном дополнительном аспекте изобретение характеризуется тем, что в качестве пластификатора вибропоглощающая мастика содержит трихлорэтилфосфат.
12
30
В еще одном дополнительном аспекте изобретение характеризуется тем, что в качестве антипирена включает смесь хлорированных парафинов с длиной цепи C-C.
Существенным отличием заявленного изобретения является тщательно выбранный компонентный состав вибропоглощающей мастики, оптимально сбалансированный в соответствии с приведенными в формуле соотношениями компонентов по количественным характеристикам.
Кроме того, в качестве регулятора плотности мастика содержит порошковую целлюлозу, а в качестве поверхностно-активного вещества - алкилбензолсульфонат натрия, в качестве антипирена содержит декабромдифенилоксид за счет чего, в совокупности достигается заявленный технический результат, который подтверждается приведенным ниже описанием и результатами испытаний.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
12
30
В качестве водной дисперсии полимера на основе винилацетата с сухим остатком 51-55 мас.% используют, например, дисперсию марки Д50С по ТУ 2241-086-00203521. В качестве порошковой целлюлозы используют, например, порошковую целлюлозу марки "П", ТУ 5411-001-49603537-2003. В качестве алкилбензолсульфоната натрия используют, например, сульфонат натрия, ТУ 2481-037-04689375-95. Пластификатор трихлорэтилфосфат получен в соответствии с ТУ 6-05-1611-78, антипирен с массовой долей брома не менее 70 мас.% в соответствии с ГОСТ 8728-88, антипирен в виде смеси хлорированных парафинов с длиной цепи C-C, например хлорпарафин ХП-66Т марки А, СТО 00203275-212-2008 с изм.1, тетраметилтиурамдисульфид - в соответствии с ГОСТ 740-76. В качестве кристаллического графита используют графит литейный ГОСТ 5279-74.
В результате проведения исследований было выявлено, что при введении кристаллического графита в заявляемую вибропоглощающую мастику, оптимальное его количество составляет 20,0-35,0 мас.%. Введение в мастику графита в количестве менее 20 мас.% не дает положительных результатов по увеличению значения коэффициента механических потерь. Введение указанного компонента в мастику в количестве более 35,0 мас.% повышает плотность сформированных из указанной мастики демпфирующих покрытий, тем самым значительно увеличивает вес сформированного покрытия, что существенно снижает целесообразность ее использования.
В результате проведения исследований было выявлено, что при введении водной дисперсии полимера на основе винилацетата с сухим остатком 51-55 мас.% в заявляемую вибропоглощающую мастику, оптимальное его количество составляет 32,0-46,0 масс.%. Введение в мастику водной дисперсии указанного полимера в количестве менее 32,0 мас.% и более 4 6 мас.% приводит к ухудшению технологических свойств мастики и снижению ее адгезионных свойств.
Кроме того, в процессе проведения исследований было выявлено, что добавление в заявленную вибропоглощающую мастику пластификатора в количестве более 8,5 мас.% не приводит к увеличению значения коэффициента механических потерь сформированных из нее демпфирующих покрытий. Важно отметить, что отсутствие этого компонента приводит к ухудшению технологических свойств мастики, а также ухудшению свойств сформированных из нее демпфирующих покрытий.
В результате проведения исследований было выявлено, что при введении порошковой целлюлозы в заявляемую вибропоглощающую мастику, оптимальное ее количество составляет 1,0-8,5 мас.%. Введение в мастику порошковой целлюлозы в количестве менее 1,0 мас.% не приводит к уменьшению значения коэффициента
механических потерь сформированных из нее демпфирующих покрытий. Введение указанного компонента в мастику в количестве более 8,5 мас.% не приводит к снижению весовых характеристик мастики.
Кроме того, в процессе проведения исследований было выявлено, что добавление в заявленную вибропоглощающую мастику алкилбензолсульфоната в количестве более 0,25 мас.% не приводит к увеличению значения коэффициента механических потерь. Важно отметить, что отсутствие этого компонента приводит к ухудшению технологических свойств мастики, а также ухудшению свойств, сформированных из нее демпфирующих покрытий.
В процессе проведения исследований также было выявлено, что при введении антипирена в заявляемую вибропоглощающую мастику, оптимальное его количество составляет 3,5-8,3 мас.%. Введение в мастику антипирена в количестве менее 3,5 мас.% не создает желаемого эффекта по увеличению значения коэффициента механических потерь сформированных из нее демпфирующих покрытий. Увеличение количества антипирена более 8,3 мас.% приводит к тому, что не удается достигнуть требуемых показателей коэффициента механических потерь сформированных из нее демпфирующих покрытий.
Сущность изобретения поясняется таблицами.
В Таблице 1 приведены составы вибропоглощающих мастик с целью иллюстрации отдельных аспектов осуществления изобретения и не предназначены для того, чтобы каким-либо образом ограничивать объем настоящего изобретения.
В Таблице 2 приведены результаты испытаний свежеприготовленной мастики.
В Таблице 3 приведены результаты испытаний изготовленного из мастики демпфирующего покрытия.
Составы вибропоглощающих мастик, а также изготовленные из них демпфирующие покрытия, проходили испытания согласно действующим стандартам и ГОСТам по показателям, подтверждающим достижение указанного технического результата:
- определение плотности мастики по ТУ 2243-038-00203521-97;
- определение подвижности (густоты) мастики по ГОСТ 5902-86.
определение коэффициента механических потерь энергии изгибных колебаний на одной из резонансных частот в диапазоне от 200 до 800 Гц стального стержня, демпферированного покрытием при (23±2°C), по ТУ 2243-038-00203521-97, основанный на измерении ширины резонансного максимума на кривой зависимости амплитуды колебаний консольно-закрепленного образца от частоты при постоянной возмущающей силе (метод ограничен измерениями значений коэффициента потерь в интервале от 0,01 до 0,3).
В приведенных ниже примерах представлено получение составов мастики в соответствии с приведенными в формуле соотношениями компонентов по количественным характеристикам результатов испытаний, подтверждающим достижение указанного технического результата.
Пример 1. Способ получения вибропоглощающей мастики. Испытания полученной свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее методом шпателирования демпфирующего покрытия.
3
Способ осуществляют следующим образом. В реактор объемом 1 м, снабженный перемешивающим устройством и тормозом (комбинированное перемешивание по часовой и против часовой стрелки при выключенном и/или включенном тормозе), при непрерывном перемешивании добавляли к 46,0 кг водной дисперсии полимера на основе винилацетата с сухим остатком 51-55 мас.% марки Д50С, 8,5 кг пластификатора трихлорэтилфосфата, 1 кг порошковой целлюлозы, 3,85 кг воды, 0,15 кг
алкилбензолсульфоната натрия, 8,3 кг антипирена, 1,5 кг воды, 0,2 кг тетраметилтиурамдисульфида, 3,0 кг мела, 1,5 кг воды, 26 кг графита, что соответствует количественному соотношению компонентов, приведенных в таблице 1. Компоненты вводили поэтапно частями, чтобы избежать их комкования. Равномерное, с заданной скоростью поступление порошкообразных ингредиентов (антипирена, мела, графита) в пластифицированную дисперсию осуществляли при помощи шнекового питателя. После загрузки всех компонентов осуществляли их окончательное совмещение до получения однородной, не содержащей комков массы. Полученную мастику упаковывали в герметичнозакрывающиеся широкогорлые бочки из полиэтилена, снабженные полиэтиленовым вкладышем с крышками, исключающими высыхание мастики и рассчитанными на массу не более 50 кг.
Для проверки качества полученной мастики на соответствие по показателям, подтверждающим достижение указанного технического результата, проводили испытания полученной свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее демпфирующего покрытия. Для этого отбирали пробу массой не менее 4 кг из реактора во время выгрузки мастики. Пробу отбирали в сухую чистую банку с герметичной укупоркой. Демпфирующее покрытие изготавливали путем нанесения мастики на демпфирующую поверхность методом шпателирования. Покрытие высушивали при температуре (23±2°C) в течение (72±1) часов. Результаты испытаний свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее демпфирующего покрытия приведены в Таблице 2, 3 соответственно.
Полученную мастику можно транспортировать любым видом крытого транспорта при температуре не ниже плюс 5°C в условиях, обеспечивающих сохранность продукта и упаковки от механического повреждения. Мастику, упакованную в герметичную тару, можно хранить в закрытых складских помещениях при температуре не ниже 5°C на расстоянии не менее 1 м от отопительных приборов. Полученная мастика наносится на конструкции и оборудование, и после отверждения становится вибродемпфирирующим покрытием, предназначенным для снижения вибраций и обусловленного ими шума. Покрытия из мастики эксплуатируются в интервале температур от минус 60°C до плюс 100°C.
Пример 2. Способ получения вибропоглощающей мастики. Испытания полученной свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее методом шпателирования демпфирующего покрытия.
Вибропоглощающую мастику готовили как в примере 1, но с отличным от примера 1 соотношением компонентов мастики (в заявляемых пределах), приведенным в Таблице 1 (Пример 2), при этом в качестве пластификатора вместо трихлорэтилфосфата добавляли 4,5 кг дибутилового эфира фталевой кислоты. Демпфирующее покрытие изготавливали путем нанесения мастики на демпфирующую поверхность методом шпателирования. Покрытие высушивали при температуре (23±2°C) в течение (72±1) часов. Результаты испытаний свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее демпфирующего покрытия приведены в Таблице 2, 3 соответственно.
Пример 3. Способ получения вибропоглощающей мастики. Испытания полученной свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее методом напыления демпфирующего покрытия.
12
30
Вибропоглощающую мастику готовили как в примере 1, но с отличным от примера 1 соотношением компонентов мастики (в заявляемых пределах), приведенным в Таблице 1 (Пример 3), при этом в качестве антипирена добавляли 3,5 кг смеси хлорированных парафинов с длиной цепи C-C. Демпфирующее покрытие изготавливали путем нанесения мастики на демпфирующую поверхность методом напыления. Покрытие высушивали при температуре (23±2°C) в течение (72±1) часов. Результаты испытаний свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее демпфирующего покрытия приведены в Таблице 2, 3 соответственно.
Пример 4. Способ получения вибропоглощающей мастики. Испытания полученной свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее методом напыления демпфирующего покрытия.
12
30
Вибропоглощающую мастику готовили как в примере 1, но с отличным от примера 1 соотношением компонентов мастики (в заявляемых пределах), приведенным в Таблице 1 (Пример 4), при этом в качестве антипирена добавляли 5,0 кг смеси хлорированных парафинов с длиной цепи C-C, а в качестве пластификатора вместо трихлорэтилфосфата добавляли 6,7 кг дибутилового эфира фталевой кислоты. Демпфирующее покрытие изготавливали путем нанесения мастики на демпфирующую поверхность методом напыления. Покрытие высушивали при температуре (23±2°C) в течение (72±1) часов. Результаты испытаний свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее демпфирующего покрытия приведены в Таблице 2, 3 соответственно.
Пример 5. Способ получения вибропоглощающей мастики. Испытания полученной свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее методом шпателирования демпфирующего покрытия.
Вибропоглощающую мастику готовили как в примере 1, но с отличным от примера 1 соотношением компонентов мастики (в заявляемых пределах), приведенным в Таблице 1 (Пример 5). Демпфирующее покрытие изготавливали путем нанесения мастики на демпфирующую поверхность методом шпателирования. Покрытие высушивали при температуре (23±2°C) в течение (72±1) часов. Результаты испытаний свежеприготовленной мастики и изготовленного из нее демпфирующего покрытия приведены в Таблице 2, 3 соответственно.
Для сравнения свойств предлагаемого состава мастики, полученной по примерам 1-5, ниже в Таблице 1-3 приводятся также примеры 6-9, соответствующие примерам 1, 2, 7 и 8, описанным в Таблицах 1-3 патента РФ №2186814 (прототип).
В Таблице 1 приведены составы предлагаемых вибропоглощающих мастик (Примеры 1-5) и соответственно для сравнения составы вибропоглощающих мастик по прототипу (Примеры 6-9). Технологические свойства предлагаемых составов вибропоглощающих мастик и соответствующие технологические свойства составов по прототипу для сравнения приведены в Таблице 2. Свойства демпфирующих покрытий, изготовленных из предлагаемых составов вибропоглощающих мастик, и из соответствующих составов по прототипу для сравнения приведены в Таблице 3.
3
Как наглядно видно из Таблицы 2, предложенные составы мастики, а именно, их количественные и качественные характеристики, обладают пониженными весовыми характеристиками (плотность мастики 1145-1245 кг/м).
Как видно из Таблицы 3, предлагаемая вибропоглощающая мастика позволяет формировать демпфирующие покрытия, которые характеризуются более высокими значениями коэффициента механических потерь, измеренных при температуре 23±2°C, по сравнению с приведенными в Таблице 3 значениями коэффициента по прототипу, измеренными при температуре (23±2°C).
Кроме того, в Таблице 3 дополнительно приведены результаты испытаний по прочности адгезии (сцепления покрытия с загрунтованной сталью при сдвиге, характеризуемой величиной разрушающего напряжения при сдвиге) и по плотности покрытия. Прочность адгезии (сцепления) покрытия с загрунтованной сталью при сдвиге, характеризуемой величиной разрушающего напряжение при сдвиге, определяли по ГОСТ 14759. Плотность покрытия определяли методом обмера и взвешивания по ГОСТ 15139, раздел 2. Как наглядно видно из Таблицы 3, прочность адгезии покрытия по изобретению (пример 1, 4, 5) сопоставима с прочностью адгезии по прототипу (примеры 6-9). Как наглядно видно, покрытия в примерах 2 и 3 по изобретению имеют высокий коэффициент механических потерь по сравнению с прототипом (примеры 6-9), но меньшую прочность адгезии. Это обусловлено тем, что указанные показатели взаимосвязаны друг с другом обратно пропорционально. Важно отметить, что незначительное уменьшение прочности адгезии не приводит к ухудшению свойств, сформированных из заявленной мастики демпфирующих покрытий (примеры 2 и 3), что подтверждается результатами испытаний по коэффициенту механических потерь и плотности покрытия (Таблица 3). Что касается плотности покрытия по изобретению (примеры 1 и 2), то, как наглядно видно из Таблицы 3, она сопоставима с плотностью покрытия по прототипу (примеры 6-9). А в примерах 3-5 плотность покрытий даже меньше, что свидетельствует о дополнительном улучшении свойств, сформированных из заявленной мастики демпфирующих покрытий.
Таким образом, из примеров 1-5 и приведенных в Таблицах 2, 3 показателей наглядно видно, что в предлагаемой вибропоглощающей мастике качественно-количественный состав оптимально сбалансирован, что способствует увеличению коэффициента механических потерь, улучшению технологических свойств, которые позволяют наносить мастику на демпфируемые покрытия как методом шпателирования (пример 2, 3), так и методом напыления (пример 1, 4, 5), при одинаковой вязкости в диапазоне подвижности мастики 80-100 мм.
Таблица 1
Наименование
Примеры по изобретению,
Примеры по прототипу,
компонентов
мас.%
мас.%
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Графит
26,0
35,0
29,03
25,0
20,00
30,0
28,0
28,0
28,0
кристаллический
Водная дисперсия
46,0
42,8
32,0
36,0
43,59
37,3
43,0
-
-
полимера на основе
винилацетата с
сухим остатком
51-55 мас.%
Пластификатор
8, 5
-
0,2
-
1,40
-
-
-
-
(трихлорэтилфосфат)
Пластификатор
-
4,5
-
6,7
-
4,3
5,0
2,5
2,5
(дибутиловый эфир
фталевой кислоты)
Порошковая
1,00
2,66
8,5
4,0
6,00
-
-
-
-
целлюлоза
Алкилбензолсуль-
0,15
0,25
0,17
0,14
0,1
-
-
-
-
фонат натрия
Антипирен
8,3
5,3
-
-
4,0
-
-
-
-
(содержит бром в
количестве не менее
70 мас.%)
Антипирен
-
-
3,5
5,0
-
-
-
-
-
(смесь хлориро-
ванных парафинов
с длиной цепи
С<sub>12</sub>-C<sub>30</sub>)
Тетраметилтиурам-
0,2
0,14
0,1
0,12
0,16
0,50
-
0,15
0,15
дисульфид
Мел
3,0
2,35
1,5
2,04
1,75
9,9
7,82
7,85
7,85
Вода
6, 85
7,0
25, 0
21,0
23,0
5,0
15,0
15,0
15,0
Регулятор способ-
-
-
-
-
-
-
0,05
0,10
0,10
ности мастики к
напылению
(волгонат)
Регулятор плотности
-
-
-
-
-
-
-
-
1,0
(микросферы)
Водная дисперсия
-
-
-
-
-
-
-
45,5
-
сополимера
винилацетата с
8-10% этилена
Водная дисперсия сополимера
-
45,5
винилацетата с
3 5 мас.%
дибутилмалеината
Нефелиновый антипирен
-
-
-
-
-
18,0
16,0
16,0
16,0
Таблица 2
Наименование
Значения показателей при использовании составов
показателей,
Примеры по изобретению
Примеры по прототипу
ед. изм.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Плотность мастики, кг/м<sup>3</sup>
1219
1245
1150
1215
1145
1360
1340
1310
1250
Подвижность (густота) мастики, мм
85
83
90
89
87
88
135
139
137
Таблица 3
Значения показателей при использовании составов
Наименование
Примеры
по изобретению
Примеры по
прототипу
показателей, ед. изм.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Прочность адгезии, МПа
2,5
1,6
1,4
2,8
3,4
2,8
3,0
2,9
2,8
Коэффициент механических потерь энергии изгибных колебанийна одной из резонансных частот в диапазоне от 2 до 800 Гц стального стержня, демпфированного покрытием при (23±2°C)
0,28
0,35
0, 34
0, 24
0,26
0,19 (при 20°C)
0,19 (при 20°C)
0,19 (при 20°C)
0,19 (при 20°C)
Плотность покрытия, кг/м<sup>3</sup>
1430
1500
1050
1200
1100
1420
1430
1420
1310