Уретановые композиционные материалы с высокими звукопоглощающими свойствами

Уретановые композиционные материалы с высокими звукопоглощающими свойствами

Ю.А.Соколова, Д.Е.Жарин, А.Ф.Гумеров, Л.Н.Шафигуллин

Для нормальной жизнедеятельности людям необходимо обеспечить комфортные условия в жилых и нежилых помещениях: освещенность, температура, влажность, уровень шума и т.д.

В настоящее время в связи с увеличением шумового загрязнения окружающей среды остро стоит проблема защиты людей от шума, основными источниками которого являются: технологическое и инженерное оборудование; потоки всех видов городского транспорта на автомобильных и железнодорожных магистралях; суда при их движении в акваториях; самолеты в зонах воздушного подхода к аэропортам; производственные, коммунальные и энергетические объекты и их отдельные установки; транспорт в местах въезда в гаражи, на стоянки; вентиляция и системы кондиционирования воздуха; центральные тепловые пункты; хозяйственные дворы магазинов; стройплощадки и т.д. Для борьбы с шумом в помещениях наиболее часто используют глушители, экраны, звукопоглощающие строительные материалы.

В качестве звукопоглощающих строительных материалов широкое распространение получили полиуретановые композиционные материалы (КМ), которые обладают высоким коэффициентом звукопоглощения, низким удельным весом, но и низкой теплопроводностью, что ограничивает интервал температур и область эксплуатации готовых изделий. В этой связи разработка звукопоглощающих полиуретановых материалов с высокой теплопроводностью представляет собой актуальную материаловедческую задачу.

Экспериментальные исследования звукопоглощающих и теплопроводных свойств материалов проводились на полиуретановых композитах. В качестве матричных компонентов использовали: композицию уретановую «СУРЭЛ-27» марки 1 (ТУ 2253-027-13175942-2011), состоящую из компонентов ГСС (массовая доля гидроксильных групп - 4,4%) и ПФП (массовая доля изоцианатных групп - 21,4%); кремнийорга-ническое соединение У-2-28 «Виксинт» (ТУ 38.303-04-04-90), воду. Наполнителями служили аэросил А 300 с насыпной плотностью рн=0,39 г/см3 и гидроксид алюминия (рн=0,95 г/ см3). В рецептуре варьировалось массовое содержание матричных компонентов и объемное содержание наполнителя

(П

Оценка звукопоглощающих свойств и теплопроводности материалов осуществлялась по измеренным величинам коэффициента звукопоглощения Кз и теплопроводности К.

Исследования коэффициента звукопоглощения образцов из КМ проводились на установке «труба Кундта» типа 4002

фирмы «Брюль и Къер» (Дания) для измерений в диапазоне частот от 90 до 1800 Гц. Коэффициент теплопроводности определялся электронным измерителем ИТП-МГ4. Испытания проводились согласно действующим ГОСТам и нормативным документам.

В ходе проведенных экспериментальных исследований было установлено оптимальное соотношение полиуретановых матричных компонентов, обеспечивающее высокие показатели звукопоглощающих свойств и теплопроводности (4-й состав, К=0,143 Вт/м*С) (рис. 1).

Решение задачи оптимизации звукопоглощающих и теплопроводных свойств композитов с применением метода линейной свертки проходило в три последовательных этапа одномерного поиска экстремума. На первом этапе оптимизировался состав полимерной матрицы, находился экстремум целевой функции Г(х):

/„!

где х - массовое содержание матричных компонентов; /1(х) - функция, определяемая звукопоглощающими свойствами и теплопроводностью; /2(х) - функция, определяемая стоимостью компонентов; /н1(х),/н2(х) - нормирующие

значения соответствующих показателей; с, с2 - весовые

2

коэффициенты ( ^ = 1 ), которые определяются условиями эксплуатации композитов.

Рис. 1. Кз матричных КМ: (1) ГСС - 186, ПФП -100 масс.ч.; (2) ГСС - 175, ПФП - 100 масс.ч.; (3) ГСС -150, ПФП -100 масс.ч.; (4) ГСС - 125, ПФП - 100 масс.ч.; (5) ГСС - 100, ПФП - 100 масс.ч.

На втором этапе осуществлялась оптимизация содержания модифицирующих добавок. Выбирался модификатор и выводилось оптимальное содержание из условия максимума целевой функции £(у), где у - массовое содержание добавки.

Третий этап оптимизации был необходим для определения объемного содержания наполнителя. Выбирался функциональный наполнитель и выводилось оптимальное содержание из условия максимума целевой функции Е(3).

Экспериментальным путем была подтверждена эффективность использования вспенивающего агента (воды). Исследования свойств оптимальной полиуретановой матрицы показали, что введение воды повышает Кз до 7 %.

С целью повышения звукопоглощающих свойств и температуры деструкции КМ при нагреве его модифицировали кремнийорганическим соединением (У-2-28 «Виксинт»), что привело к значительному усилению Кз при частотном на-гружении системы в диапазоне 1000^1600 Гц, а температура деструкции материала при нагреве увеличилась более, чем в 2 раза (рис. 2).

Введение различных наполнителей приводит к существенному изменению звукопоглощающих свойств КМ (рис. 3, 4). В структуре КМ образуется перколяционный каркас из смоченных полимерным связующим частиц наполнителя (9>0,16), повышающий теплопроводность композитной системы.

Для моделирования звукопоглощающих композиционных материалов была использована классическая топологическая модель Шкловского-де-Жена, предполагающая формирование суперструктуры бесконечного перколяционного кластера композита в виде искаженного пространственного каркаса, состоящего из частиц наполнителя, разделенных пленочной прослойкой матрицы и делящегося на собственно структурный каркас и его тупиковые ветви [1].

Рис. 2. Кз модифицированных КМ : (1) ГСС - 186, ПФП - 100, кремнийорганическое соединение - 10 масс.ч.; (2) ГСС - 175, ПФП - 100, кремнийорганическое соединение - 10 масс.ч.; (3) ГСС - 150, ПФП - 100, кремнийорганическое соединение - 10 масс.ч.; (4) ГСС - 125, ПФП - 100, кремнийорганическое соединение - 10 масс. ч.; (5) ГСС - 100, ПФП - 100, кремнийорганическое соединение - 10 масс. ч.

Для реализации этой модели был произведен сравнительный анализ данных экспериментов по Кз для полиуретановых композитов и расчетных значений, полученных с помощью методов теории протекания.

С учетом всех использованных опытных величин был произведен корреляционный анализ уравнения [1]:

К=Кзж

где К - коэффициент поглощения звука полимерной

матрицы; а

А

К,

- коэффициент поглощения звука еди-

ничного структурного элемента композита; 9 - объемное содержание наполнителя; у - критический индекс.

Для модели (2) были получены параметры, соответствующие различным условиям частотного нагружения композитной системы (315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600 Гц). На примере полиуретанового и полиуретано-кремнийоргани-

о;во

о.«о

0.40

о.зо

оде

400

б?о

$00

1000 1250

1(500

Частота, Гц

Рис. 3. Кз полиуретановых КМ, наполненных аэросилом:

(1) ГСС - 125, ПФП - 100 масс.ч., аэросил - 9 =0,1;

(2) ГСС - 125, ПФП - 100 масс.ч., аэросил - 9 =0,2;

(3) ГСС - 125, ПФП - 100 масс.ч., аэросил - 9 =0,3;

(4) ГСС - 125, ПФП -

Рис. 4. Кз полиуретановых КМ, наполненных гидроксидом алюминия: (1) ГСС - 125, ПФП - 100 масс.ч., гидроксид алюминия - 9= 0,2; (2) ГСС - 125, ПФП - 100 масс.ч., гидроксид алюминия - 9 = 0,4; (3) ГСС - 125, ПФП -100 масс.ч., гидроксид алюминия - 9= 0,5

3 2013

109

ческого материалов, наполненных аэросилом, при условии частотного нагружения 1600 Гц были получены следующие зависимости:

К

К

Таким образом, в результате проведенного экспериментально-теоретического анализа полимерных дисперсно-наполненных композиционных материалов была выявлена структурная особенность формирования их звукопоглощающих свойств и установлено, что основной механизм поглощения энергии звука сосредоточен в тупиковых ветвях структурного каркаса.

На основе модели (1) и зависимостей, показанных на рисунках 1 - 4, были оптимизированы эффективные составы с повышенными звукопоглощающими свойствами (см. табл.).

Как видно из таблицы, разработанный материал эффективно использовать в качестве листового материала при условии частотного нагружения системы в диапазоне 500^1000 Гц.

Литература

1. Бобрышев А.Н., Козомазов В.Н., Бабин Л.О., Солома-тов В.И. Синергетика композитных материалов. Липецк: НПО «ОРИУС», 1994.

2. НовиковВ.У. Полимерные материалы для строительства: справочник. М.: Высшая школа, 1995.

Literatura

1. Bobryshev A.N., Kozomazov V.N., Babin L.O., Soloma-tov V.I. Sinergetika kompozitnyh materialov. Lipetsk: NPO «ORIUS», 1994.

2. Novikov V.U. Polimernye materialy dlya stroitelstva: spravochnik. M.: Vysshaya shkola, 1995.

Urethane Compound Materials with High Sound-Absorbing

Qualities. By Yu.A.Sokolova, D.Ye.Zharin, A.F.Gumerov,

L.N.Shafigullin

Polyurethane compound materials are widely used as acoustical building materials. These materials have high sound-absorbing index, but low thermal conductivity which limits the temperature interval and the area of its exploitation. In this regard development of acoustical polyurethane materials with high thermal conductivity is of current interest.

Ключевые слова: полиуретановые композиции, звукопоглощение, теплопроводность, композиционные материалы.

Key words: polyurethane compounds, sound-absorption, thermal conductivity, compound materials.

Таблица. Сравнительные звукопоглощающие характеристики промышленных листовых полимерных материалов [2] и новых полиуретановых и полиуретано-кремнийорганических композитов

Марка материала Показатели

К на частотах, Гц з ' ^

100 125 250 500 900 1000 2000 3000 4000

ФФ 0,13 * 0,12 0,25 - 0,20 0,22 - -

ПС-1 0,02 - 0,02 0,03 - 0,24 0,22 0,25 0,24

ПС-4 0,03 - 0,08 0,03 - 0,06 0,32 0,38 0,27

ПСБ 0,07 - 0,11 0,15 - 0,40 0,22 0,24 0,33

ПХВ-1 0,08 - 0,08 0,15 - 0,27 0,25 - -

ПХВ-3 0,05 - 0,10 0,08 - 0,08 0,12 - -

ПУ-Э 0,12 - 0,35 0,90 - 0,8 0,75 0,70 0,75

Мипора - 0,12 0,29 0,49 0,65 - - - -

ГСС - 125, ПФП - 100 масс.ч. - - - 0,17 0,35 0,41 - - -

ГСС - 125, ПФП - 100, У-2-28 - 10 масс.ч. 0,07 0,30 0,37

ГСС - 125, ПФП - 100, У-2-28 - 10 масс.ч.; аэросил - $=0,3 0,20 0,59 0,67

* Информация отсутствует.