ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИЙ ЭЛАСТОМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ И ЕГО СОСТАВ
VIBRATION-DAMPING ELASTOMERIC MATERIAL AND COMPOSITION THEREOF

Область техники
Изобретение относится к резиновой промышленности, в частности к производству вибродемпфирующих эластомерных материалов, применяемых для уменьшения или устранения вибрационных колебаний в промышленных установках, электронных приборах, в строительстве и домашнем хозяйстве, а также резиновой смеси для их изготовления.
Предшествующий уровень техники
Демпфирование колебаний представляет собой процесс диссипации энергии внутри материала или системы, под воздействием циклических нагрузок. При этом механическая энергия колебаний преобразуется в тепловую энергию. Количество рассеиваемой энергии является мерой уровня демпфирования материала.
Демпфирующие материалы работают, изменяя частоту собственных колебаний вибрирующей поверхности, тем самым понижая уровень вызываемого ими шума и увеличивая потери энергии при прохождении колебаний внутри материала.
Наиболее распространенным механизмом демпфирования вибрации является вязкоупругое демпфирование. Термин «вязкоупругое» означает, что демпфирующий материал обладает как эластической, так и пластической составляющими поведения. Упругий материал - это тот, который хранит энергию во время действия нагрузки, но вся энергия возвращается после того, как нагрузка будет удалена. Пластичный же материал не возвращает энергию, так как вся энергия теряется в виде «чистого затухания», как только снимается нагрузка. В вязкоупругом материале, следовательно, сохраняется часть энергии во время действия нагрузки, а затем большая часть ее преобразуется в тепло.
При применении демпфера энергия возмущения поглощается демпфирующим материалом, т.е. преобразуется в некоторое количество тепла. Такой процесс обычно именуется «поглощением энергии» или «гашением вибрации», хотя на самом деле речь идет лишь о ее преобразовании в тепловую в полном соответствии с законом сохранения энергии.
Таким образом, демпфер забирает энергию системы. При увеличении эффекта затухания колебаний в системе будет происходить снижение вибрации, шума и ударных нагрузок, что приводит к повышению усталостной долговечности - в качестве дополнительного преимущества к возникшей комфортной тишине.
Вибродемпфирующие эластомерные материалы демпфируют вибрации, т.е. такой материал используется для уменьшения или устранения вибрационных колебаний в промышленных установках, электронных приборах, в строительстве и домашнем хозяйстве путем преобразования механической энергии колебаний в тепловую.
Применение вибродемпфирующих эластомерных материалов позволяет обеспечивать: комфортные условия жизнедеятельности людей; возрастание сроков службы оборудования и строительных конструкций, увеличение межремонтных интервалов, сокращение эксплуатационных расходов; увеличение надежности систем; простоту монтажа, использования и демонтажа; отсутствие выделения в атмосферу помещений пыли, волокон и др. вредных для организма человека продуктов; минимизацию негативного влияния на окружающую среду.
Области применения вибродемпфирующих эластомерных пластин: виброзащита фундаментов зданий и сооружений; фундаменты и основания тяжелого индустриального оборудования; виброгасящие опоры вентиляционного и насосного оборудования; вибро- и звукоизоляционные мембраны плавающих полов; элементы звукоизоляции потолочных пространств; прокладки под лаги пола для изоляции ударного шума; изоляция вибраций в межэтажных перекрытиях; виброзащитная отделка помещений лифтового хозяйства; акустические элементы помещений кинотеатров, концертных залов и звукозаписывающих студий. Наиболее практичным является создание фундаментов стаканного типа с использованием упругого слоя из вибродемпфирующих пластин, т.к. энергия колебаний проходящих через границу материалов с различными модулями упругости снижается во много раз эффективнее.
Вибродемпфирующие эластомерные материалы, как правило, производят в виде пластин. Вибродемпфирующие пластины активно применяются для виброизоляции промышленного, инженерного и вентиляционного оборудования, для комплексной виброзащиты зданий и сооружений. В зависимости от вида объекта и его массы, а также от характера вибраций, пластины используют либо дискретно - располагая непосредственно под опорами, либо создавая сплошное покрытие, обеспечивающее дополнительную звукоизоляцию.
Вследствие снижения уровня вибраций возникает дополнительный положительный результат - понижение общего уровня шума, что приводит к созданию более комфортной обстановки в местах работы или проживания.
Важным критерием при выборе в пользу вибродемпфирующих пластин является то, что срок их эксплуатации сопоставим со сроком эксплуатации зданий. Этого удалось добиться за счет применения высокоэффективных антиоксидантов эластомеров.
Сегодня на рынке вибродемпфирующих эластомерных материалов известны такие импортные материалы как Sylomer и Sylodyn производства австрийской фирмы Getzner Werkstoffe GmbH, как виброизолирующие материалы, представляющие собой микропористый полиуретановый эластомер со смешанной открыто-закрытой структурой ячеек. На их основе изготавливают виброизолирующие опоры для применения в строительстве, на транспорте и в различных отраслях промышленности, в упругих опорах для виброизоляции инженерного и промышленного оборудования, фундаментов зданий и сооружений, железнодорожных рельсовых путей и метрополитена и т.п.
Из отечественных материалов наиболее известным звукоизолирующим материалом является ТЕРМОЗВУКОИЗОЛ, который представляет собой трехслойный прошивной материал (мат), состоящий из прошивного стекловолокнистого холста и двусторонней защитной оболочки из нетканого полипропиленового материала, и ПЕНОФЛЕКС из вспененного полистирола.
Однако эти материалы не обладают хорошими вибропоглощающими свойствами.
Из области применения в технике известны листовые виброшумопоглощающие материалы (патент РФ №2326142, опубл. 10.06.2008 г., и патент РФ №2188214, опубл. 27.08.2002 г.) на основе битумных композиций. Они предназначены для применения в автомобилестроении и в автотракторной технике для эффективного снижения вибраций инженерных конструкций в салоне транспортного средства. Они могут дополнительно включать лицевой слой из алюминиевой фольги толщиной 100 мкм и для удобства монтажа использовать клеевой монтажный слой с постоянной липкостью, например, на основе водной акриловой дисперсии, защищенный силиконовой бумагой. Недостатками данных материалов являются невысокие вибродемпфирующие свойства и низкая термостойкость.
Известны материалы на основе бутадиен-нитрильного каучука (СКН-18), включающие наполнители, активаторы вулканизации, ускорители вулканизации, мягчители, диспергаторы и серу (возможно введение других целевых добавок) (Федюкин Д.Л., Махлис Ф.А. Технические и технологические свойства резин. М.: Химия, 1985, с. 217).
Из авторского свидетельства №1073258, опубл. 15.02.1984, известен эластомерный материал на основе резиновой композиции, включающий бутадиен-акрилонитрильный и бутадиеновый каучуки, печную сажу, серу, окись цинка, стеариновую кислоту и сульфенамид, каптакс, дифенилгуанидин, неозон, рубракс, ароматическое масло, диоктилсебацинат, олигоэфиракрилат-триэтиленгликольдиметакрилат и перекись дикумила. Получаемые материалы обладают повышенной устойчивостью к действию нефти, но не высокими вибродемпфирующими показателями.
Известен эластомерный материал на основе бутадиен-нитрильного каучука для изготовления уплотнительных деталей, используемых в подвижных узлах механизмов, с содержанием нитрила акриловой кислоты 17-23 мас.%, включающая серу, оксид цинка, технический углерод, стеариновую кислоту, дифенилгуанидин, дисульфид, нафтиламин, N-фенилендиамин, дибутилфталат, ультрадисперсный алмазосодержащий порошок (патент РФ №2129132, опубл. 20.04.1999).
Известен материал для изготовления изделий различного целевого назначения, в том числе акустических покрытий с улучшенными физико-механическими показателями, включающий каучук бутадиен-нитрильный марки БНКС-40 АМН, тиурам, нафтам-2, диафен-ФП, белила цинковые, канифоль, фактис, мел, технический углерод, сульфенамид "Ц", дитиодиморфолин, дибутилфталат, масло (патент РФ №2232172, опубл. 10.07.2004).
Однако изделия из этих смесей характеризуются неудовлетворительной износостойкостью и низкими звукопоглощающими и деформационно-прочностными характеристиками, что снижает ресурс их работы.
Наиболее близким к заявленному является вибродемпфирущий эластомерный материал, известный из патента РФ №2507223, опубл. 20.02.2014, состав которого включает бутадиен-нитрильный каучук, содержащий 26-34 мас.% нитрила акриловой кислоты, модифицированный поливинилхлоридом (бутадиен-нитрильный каучук СКН-26 ПВХ 30), серу, сульфенамид, 2,2,4-триметил 1,2-дигидрохинолин (ацетонанил), вулканизующую систему, состоящую из тиурама, альтакса, оксида цинка и стеариновой кислоты, наполнитель - диоксида кремния марки БС-100, диоксид титана пигментный, мел и технологические добавки - пластификатор олигоэфиракрилат ТГМ-3 и антипирены, содержащие триоксид сурьмы и борат цинка в соотношении 3-20:5-25, N-циклогексилтиофталимид. Изобретение обеспечивает получение высокопрочного бензо-, масло- и озоностойкого напольного покрытия с антистатическими, огнестойкими и вибропоглощающими свойствами: условная прочность при растяжении, МПа при температуре (20±5)°С - 13-15,6, относительное удлинение при разрыве, %, при температуре (20±5)°С - 130-152, твердость, ед. Шор А - 96-98, сопротивление раздиру, кгс/см - 59-72. Однако данное изделие ввиду своей низкой эластичности, не обеспечивает удовлетворительного уровня поглощения вибраций во всем необходимом диапазоне.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в расширении арсенала вибродемпфирующих эластомерных материалов, обладающих улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, в частности, достигается обеспечение высокого показателя поглощения энергии вибрации, расширение температурного диапазона эксплуатации материала, увеличение жесткости материала,
Указанный технический результат достигается в вибродемпфирующем эластомерном материале, включающем сополимер бутадиен-нитрильного каучука с содержанием нитрила акриловой кислоты 23-30% с поливинилхлоридом, бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрила акриловой кислоты 32-49%, вулканизующую систему, наполнитель, мягчитель и технологические добавки, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
бутадиен-нитрильный каучук
15-40
сополимер бутадиен-нитрильного каучука
с поливинилхлоридом
10-30
вулканизующая система
2-12
наполнитель
25-64
мягчитель
7-15
технологические добавки
до 2
Вулканизующая система включает серу, ускоритель вулканизации тиазольного типа, оксид цинка, стеариновую кислоту или комплекс синтетических жирных кислот. Предпочтительно, серу используют в количестве 0,5-3,0 мас.%, оксид цинка в количестве 0,5-3,0 мас.%, ускоритель вулканизации тиазольного типа в количестве 0,5-3,0 мас.%, стеариновую кислоту или комплекс синтетических жирных кислот в количестве 0,5-3,0 мас.%.
Предпочтительно, в качестве ускорителя вулканизации тиазольного типа используют 2-меркаптобензотиазол или ди-(2-бензтиазолил)-дисульфид.
В качестве мягчителя в вибродемпфирующем эластомерном материале используют комплекс мягчителей на основе сырья растительного происхождения или комплекс мягчителей битумного типа в количестве 7,0-15,0 мас.%.
Предпочтительно, в качестве комплекса мягчителей на основе сырья растительного происхождения используют фактис в количестве 7,0-15,0 мас.% и канифоль в количестве 0,5-3,0 мас.%, а в качестве комплекса мягчителей битумного типа используют рубракс.
В качестве наполнителя в вибродемпфирующем эластомерном материале используют смесь активного и инертного наполнителей в количестве 25-64 мас.%. В качестве активного наполнителя используют гидратированный оксид кремния в количестве 15,0-40,0 мас.%, а в качестве инертного наполнителя используют мел в количестве 10,0-30,0 мас.%.
В качестве технологических добавок используют антиоксиданты фенольного или аминного типа, пигменты в количестве до 2,0 мас.%.
Предпочтительно, в качестве антиоксидантов фенольного типа используют бензопиридин, 1,2-дигидро-2,2,4-триметилхинолин полимеризованный, поли (1,2-дигидро-2,2,4-триметилхинолин), 1,2-дигидро-2,2,4-триметилхинолин гомополимер, триметилдигидрохинолина полимер, 2,2,4-триметил-1,2-дигидрохинолина полимер, 2,2′-метилен-бис(4-метил-6-третбутилфенол) в количестве до 1,0 мас.%, а в качестве антиоксидантов аминного типа используют фенил-β-нафтиламин, n-оксифенил-β-нафтиламин, N-фенил-N′-изопропил-n-фенилендиамин в количестве до 1,0 мас.%.
Вибродемпфирующий эластомерный материал в своем составе содержит следующие ингредиенты.
Бутадиен-нитрильный каучук - синтетический полимер, являющийся основой резиновой смеси. В изобретении используют сополимер бутадиен-нитрильного каучука с содержанием нитрила акриловой кислоты 23-30% с поливинилхлоридом, например, марки СКН-26-ПВХ-30 или аналоги российского или импортного производства, а так же бутадиен-нитрильный каучук, например, марки СКН-40, БНКС-40 или аналоги российского или импортного производства. Допускается применение каучуков различной вязкости по Муни и произведенных по различным технологиям (температура полимеризации, наличие стабилизаторов и др. модифицирующих добавок и т.п.).
Сера - вулканизующий агент в резиновой промышленности.
Оксид цинка - применяется в резиновой промышленности как активатор вулканизации различных каучуков.
Ускоритель вулканизации (2-меркаптобензотиазол (каптакс), ди-(2-бензтиазолил)-дисульфид) - применяется в качестве ускорителя в резиновых смесях серной вулканизации, и для придания резинам стойкости к старению.
Стеариновая кислота - активатор ускорителей вулканизации; диспергатор наполнителей и других ингредиентов; мягчитель (пластификатор). Стеариновая кислота вводится непосредственно в каучук и используется практически во всех резинах на основе натурального и синтетических карбоцепных каучуков, регулирует и стабилизирует процесс вулканизации, особенно в присутствии оксидов металлов (Mg, Ca, Zn, Cd и т.д.).
17
21
Комплекс синтетических жирных кислот (СЖК) - продукт окисления парафинов. В резиновой промышленности, как правило, применяют очищенные СЖК фракций C-C.
Канифоль модифицированная - смесь смоляных кислот и их изомеров, продукт растительного происхождения, получаемый из смолы хвойных деревьев, применяют в качестве мягчителя, для улучшения диспергирования ингредиентов, для повышения клейкости резиновых смесей.
Фактис - продукт взаимодействия растительного масла (подсолнечного, рапсового, льняного, касторового или соевого) и природной серы. Фактисы - используются в резиновой промышленности в качестве мягчителя, обеспечивая технологичность резиновых смесей при смешении и переработке (каландрование и шприцевание), а также позволяют добиваться оптимального распределения твердых ингредиентов - технического углерода, мела и других минеральных наполнителей - в каучуковой композиции.
Комплекс мягчителей битумного типа - соединения, получаемые окислением остаточных продуктов после прямой перегонки нефти. В резиновых смесях применяются нефтяные битумы (рубраксы), полученные на базе нефтей различных месторождений.
Мел - инертный наполнитель. Используется для удешевления резиновых смесей, а также облегчает технологический процесс изготовления резиновых изделий: ускоряет процесс вулканизации резины и придает ее поверхности гладкость.
Белая сажа - тонкодисперсный гидратированный оксид кремния, аморфный дисперсный кремнезем. В резиновых смесях на основе карбоцепных каучуков белая сажа улучшает механические характеристики, повышает теплостойкость и огнестойкость, маслостойкость, и придает высокое сопротивление скольжению.
Антиоксиданты - бензопиридин, 1,2-дигидро-2,2,4-триметилхинолин полимеризованный, поли (1,2-дигидро-2,2,4-триметилхинолин), 1,2-дигидро-2,2,4-триметилхинолин гомополимер, триметилдигидрохинолина полимер, 2,2,4-триметил-1,2-дигидрохинолина полимер, применяется в качестве высокоэффективного стабилизатора в производстве резинотехнических изделий.
Пигменты - органические или неорганические соединения, которые вводят в резиновую смесь для придания цвета конечному изделию.
По нашим исследованиям, использование в рецептуре других ингредиентов или аналогов вышеописанных ингредиентов возможно, но не будет обеспечивать всей полноты эксплуатационных характеристик конечного изделия, обеспечиваемых применением оригинальной рецептуры.
Эффективность работы предлагаемого вибродемпфирующего материала обусловлена оригинальным химическим составом, обеспечивающим высокую поглощающую способность колебательной энергии, т.е. преобразование энергии из механической в тепловую с последующим ее рассеиванием в массе эластомера, что подтверждается низкими величинами динамического модуля упругости, в сочетании с высокими показателями внутренних потерь.
Изготовление вибродемпфирующих эластомерных материалов осуществляют методом высокотемпературной вулканизации заготовок из резиновой смеси, изготовленной на основе синтетических каучуков и вышеописанных ингредиентов. Такая технология позволяет получать изделия различных конфигураций и конструкций, в том числе с варьированием поглощающих характеристик.
По сравнению с традиционными материалами (стекловата, вспененный полиуретан и др.), вибродемпфирующие эластомеры для решения аналогичных задач могут применяться в виде изделий с меньшей толщиной, что значительно экономит пространство защищаемых помещений.
Практическая несжимаемость эластомерного материала упрощает прогнозирование поведения всей виброзащитной конструкции при проектировании и гарантирует неизменность формы в течение всего периода использования.
Испытания вибродемпфирующего материала показали, что срок их эксплуатации превышает 50 лет, т.е. сопоставим со сроками эксплуатации оборудования, зданий и сооружений. Срок эксплуатации вибродемпфирующего материала более чем в 3 раза превышает аналогичные показатели для волокнистых материалов и пенополиуретанов.
2
Рабочая нагрузка для вибродемпфирующего материала - до 700 т/м, что почти в 10 раз больше, чем показатели стекловат и вспененных полиуретанов.
В зависимости от способа применения, вибродемпфирующий материал обеспечивает поглощение до 85% энергии вибрации в диапазоне частот от 2 до 10000 Гц.
Состав вибродемпфирующего материала обуславливает стойкость изделий из него к воздействиям нефтяных, индустриальных и животных масел, бензинов и топлив, неконцентрированных растворов неорганических кислот и щелочей, озоностойкость, стойкость к гидролизу, высокие электроизоляционные характеристики.
В составе материала отсутствуют асбестовые, стеклянные и другие волокна, полиизоцианаты, что позволяет сократить выбросы вредных веществ при эксплуатации продукта и обеспечить, таким образом, комфортные и безопасные условия для работы и жизни людей.
Осуществление изобретения
Материал по изобретению изготавливают по трехстадийной технологии. Технологический процесс включает в себя:
- смешение синтетических каучуков и ингредиентов на смесительном оборудовании открытого или закрытого типа до образования гомогенной массы - резиновой смеси;
- изготовление заготовок методом каландрования, экструдирования (шприцевания) или трансферного предформования;
- вулканизацию изделия при температуре 135-180°С.
Изготовление резиновой смеси (смешение, крашение) проводится либо в резиномесителях закрытого типа Banbury или Intermix, либо на смесительных вальцах с шириной валков от 600 до 2500 мм.
Экструдирование (шприцевание) заготовок осуществляется машинами червячными теплого или холодного питания (экструдерами, шприцмашинами) с диаметром шнека от 60 до 250 мм, либо плунжерными предформователями-экструдерами. Изготовление заготовок в виде полотна производится на каландровом оборудовании с числом валков от 2 до 5.
Для вулканизации эластомерного материала используются:
- гидравлические вулканизационные пресса - для изготовления изделия в виде пластин и плит размерами от 100 до 1500 мм и толщиной от 1 до 60 мм, колец и других формовых деталей;
- вулканизаторы барабанного типа - для изготовления изделий в виде рулонного полотна шириной от 500 до 2000 мм толщиной от 1 до 10 мм;
- вулканизационные автоклавы - для изготовления длинномерных профильных изделий.
- Экструзионно-вулканизационные линии - для изготовления длинномерных профильных изделий.
Время и температура вулканизации изделий из вибродемпфирующего материала варьируется в зависимости от массы и объема изделия.
Примеры осуществления изобретения
Техническая сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется экспериментальными данными. В таблице 1 приведены составы эластомерного материала прототипа и варианты заявляемой композиции вибродемпфирующего эластомерного материала. В таблице 2 приведены физико-механические и эксплуатационные характеристики прототипа и предлагаемых вибродемпфирующих эластомерных материалов.
Вибродемпфирующий эластомерный материал представляет собой лист шириной 250-1000 мм, длинной 250-1000 мм, толщиной 2-50 мм или рулонный материал шириной до 1500 мм и толщиной 2-10 мм.
Таблица 1
Компоненты резиновой смеси
Содержание в составе
Прототип, мас. Ч.
Примеры конкретного выполнения предлагаемого материала, мас.%
1
2
3
4
5
6
Сополимер бутадиен-нитрильного каучука с поливинилхлоридом СКН-26 ПВХ-30
100
33,18
32,62
35,7
30,77
40,19
30,77
Каучук бутадиен-нитрильный СКН-40
-
14,22
13,99
11,90
13,19
4,46
13,19
Сера
0,4-1,5
0,71
0,65
0,95
0,88
0,89
0,88
Каптакс
5,0-7,8
0,71
0,51
0,70
0,66
0,89
0,66
Оксид цинка
1,0-2,0
2,83
1,40
2,40
1,32
3,57
1,32
Стеариновая кислота
-
0,71
0,47
0,95
0,44
1,34
0,44
Диоксид кремния
95-115
23,7
27,97
26,19
26,37
22,32
26,37
Диоксид титана
4,5-10,5
-
-
-
-
-
-
Фактис
-
7,11
9,32
7,15
10,99
13,39
-
Мел
10,0-30,0
14,22
11,66
11,90
13,19
11,16
13,19
Ацетонанил
0,5-1,5
0,95
0,47
0,58
0,44
0,45
0,44
Сульфенамид
0,7-1,5
-
-
-
-
-
-
N-циклогексилтиофталимид
0,5-1,0
-
-
-
-
-
-
Канифоль
-
0,71
0,47
1,05
0,88
0,89
-
Рубракс
-
-
-
-
-
-
11,87
Олигоэфиракрилат ТГМ-3
10,0-15,0
-
-
-
-
-
-
Триоксид сурьмы
10,0-15,0
-
-
-
-
-
-
Борат цинка
5,0-25,0
-
-
-
-
-
-
Тиурам
1,0-1,5
-
-
-
-
-
-
Альтакс
0,8-1,2
-
-
-
-
-
-
Пигмент (красители)
0,5-50,0
0,95
0,47
0,53
0,87
0,45
0,87
Физико-механические и эксплуатационные характеристики предлагаемых эластомерных материалов в сравнении с прототипом.
Из таблицы 2 видно, что введение в состав материала бутадиен-нитрильного каучука с содержанием нитрила акриловой кислоты 32-49% значительно улучшает эксплуатационные характеристики материала, в частности, достигается расширение диапазона температурной эксплуатации (от -40 до +100°С), а также обеспечение высоких вибропоглощающих свойств (поглощение до 85% энергии вибрации в диапазоне частот до 10000 Гц), увеличение жесткости материала, что в совокупности обеспечивает более долгий срок эксплуатации материала (до 50 лет).
Таблица 2
Показатели эластомерных материалов после переработки по формовой технологии (145±5)°С×(40±1) мин
Составы из таблицы 1 по примерам
Прототип
1
2
3
4
5
6
Температурный диапазон эксплуатации, °С
-20-+50
-40-+100
Условная прочность при растяжении, МПа при температуре (20±5)°С
13-16
11,84
11,22
12,51
11,73
10,71
11,52
Относительное удлинение при разрыве, %, при температуре (20±5)°С
110-152
390
340
430
350
460
335
Твердость по Шору А, ед. Шор А
96-98
72
70
73
68
66
69
Эластичность по отскоку Шоб, %
10
11
9
8
6
7
Динамический модуль упругости при нагрузке 5000 кН, МПа
14
16
13,2
11
10,5
11
Коэффициент механических потерь
0,23
0,19
0,24
0,21
0,26
0,23