КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ И СПОСОБ ИХ МОНТАЖА
COMPOSITE POLYMER MATERIAL FOR VIBRATION-ABSORBING COATINGS AND METHOD OF THEIR MOUNTING

Изобретение относится к наполненным композиционным полимерным материалам (КПМ), предназначенным для напольных покрытий, обладающих высокой износостойкостью и способностью выдерживать высокие нагрузки, и может быть использовано в судостроении, гражданском строительстве и других областях техники. Кроме того, КПМ устойчивы к механическим повреждениям, являются огнестойкими и токсикологически безопасными. Способность поглощать при деформации большое количество колебательной энергии позволяет использовать их в качестве элементов вибропоглощающих покрытий. Эффективность вибропоглощающих свойств КПМ определяется их вязкоупругими параметрами. Изменяя тип образованных в процессе вулканизации поперечных связей и параметры вулканизационной сетки можно практически изменять динамические характеристики материала, динамический модуль, модуль внутреннего трения, спектр времени релаксации, ответственные за борьбу с шумом и звуковой вибрацией. Таким образом, используя принципы построения рецептуры при создании КПМ с низким динамическим модулем и высоким коэффициентом механических потерь и анализ результатов предшествующих работ, осуществляется выбор оптимальной вулканизационной системы и плотности поперечных связей.
Известны различные технические решения по созданию КПМ, предназначенных для традиционных напольных покрытий и соответствующих самым высоким требованиям по качественным характеристикам и функциональности.
До настоящего времени в качестве напольных покрытий традиционно используются линолеумы (патенты РФ №2281962, №02156266, №02051933, №02148497, №99124375, №2258718), полимерной основой которых является поливинилхлорид - полимер линейного строения с и жесткой структурой пространственной сетки, которая определяет низкое акустическое сопротивление и низкую динамическую упругость композиционного материала. Коэффициент механических потерь составляет величину не более 0,03. На основании вышеуказанного, линолеумы не обеспечивают требуемую защиту от вибрации современных конструкций и механизмов. Кроме того, введение в линолеумы в качестве стабилизаторов, пластификаторов и других технологических добавок (эпоксифталатов, крезилдифенилфосфатов, хлорпарафинов, сульфатов свинца и др.) не позволяет осуществлять процесс производства по экологически чистой технологии. Наиболее эффективными полимерными материалами для виброзащиты являются резины на основе высокомолекулярных полимеров (каучуков).
Представленный в виде резиновой смеси КПМ обеспечивает вулканизатам и изделиям, изготовленным из него, высокие прочностные характеристики и стабильные эксплуатационные свойства.
Динамические характеристики КПМ косвенно характеризуются следующими показателями: модулем сдвига (изгиба), коэффициентом механических потерь, модулем потерь, а эффективность защиты от шума и вибрации (вибродемпфирование) оценивают на макетах - имитаторах покрытия.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению по составу, способу изготовления и уровню технических параметров является «Композиционный полимерный материал для палубных и напольных покрытий» (заявка на изобретение №2012108977 от 12.03.2012) - прототип. Содержит бутадиеннитрильный каучук СКН-26 ПВХ-30, вулканизующую систему из альтакса, сульфенамида, серы и тиурама, активаторы вулканизации - оксид цинка и стеариновую кислоту, в качестве антискорчинга N-циклогексилтиофталимид, противостаритель - 2,2,4-триметил 1,2-дигидрохинолин и «реакционный» пластификатор - олигоэфиракрилат ТГМ-3, комбинацию наполнителей из диоксида кремния, диоксида титана и мела при их массовом соотношении 35÷115:4÷20:5÷50 соответственно, а в качестве антипиренов - триоксид сурьмы и борат цинка в соотношении 3÷20:5÷25 и красители (пигменты) в количестве 3÷50 мас.% от доли полимера.
p
Представленный КПМ прототипа обеспечивает покрытиям, изготовленным из него, высокие значения прочностных показателей, стабильные эксплуатационные свойства и хорошие динамические характеристики. Однако по ряду технических и эксплуатационных свойств он уступает предлагаемому материалу. КПМ-прототип имеет низкое значение показателя, относительное удлинение при разрыве 8р - не более 150% и высокую твердость по Шору А - 97÷98 относительных единиц Шора А. Низкие значения ε и высокие значения твердости по Шору А свидетельствуют о снижении вязкоупругих параметров композиции и в связи с этим - динамической упругости материала. Жесткий КПМ приводит к снижению до предельного уровня эффективности вибро- и звукопоглощения.
В прототипе коэффициент механических потерь в частотном диапазоне 7,8-1000 Гц при механическом смещении 1,0 мкм не превышает 0,3, а в низкочастотной области - 0,1-0,13, тогда как динамический модуль сдвига (изгиба) достигает высоких значений: 19÷30 ГПа. При этом коэффициент механических потерь и его динамический модуль находятся в обратно пропорциональной зависимости. Высокие значения показателя «твердость» КПМ и потеря гибкости сужают области его применения, затрудняя нанесение на технические конструкции сложной формы. КПМ имеет и ряд недостатков эстетического плана: присутствие в составе КПМ 2,2,4-триметил 1,2-дигидрохинолина в дозировках 0,5÷1,5 мас.ч. вызывает неустойчивость окрашивания материала светлых тонов. Проявляется это небольшим изменением первоначального цвета КПМ после вулканизации, что ограничивает выбор цветовой палитры в части светлых тонов. Низкие адгезионные свойства не позволяют осуществлять монтаж покрытия с надежной прочностью крепления, что особенно важно для условий эксплуатации в морской среде.
Задачей предлагаемого изобретения является создание нового КПМ, перерабатываемого формовым способом, предназначенного для вибропоглощающих покрытий, применяемых в судостроении, гражданском и промышленном строительстве и других отраслях, также в изобретение включен способ монтажа покрытий. Это достигается тем, что предлагаемый композиционный материал разнообразной цветовой гаммы на основе бутадиеннитрильного каучука, модифицированного ПВХ, перерабатываемый формовым способом, включает вулканизующие агенты, противостарители, антиоксиданты, пластификаторы, пигменты и наполнители. В качестве полимерной основы используется комбинация бутадиеннитрильного каучука, модифицированного ПВХ и содержащего 35÷41 мас.% нитрила акриловой кислоты. При этом дополнительно включает N,N'-дитиодиморфолин, смолу стирольно-инденовую, гидроксид алюминия, каолин и в качестве антипиренов - комбинацию триоксида сурьмы и хлорпарафина ХП-1100 в соотношении 4,4:13 мас.%, для комплексной защиты от теплового и озонного старения - 2,5-ди-третбутилгидрохинон. Введение в рецептуру КПМ влагопоглотителя в виде пасты кальцийнафт в дозировке 0,5÷2,0 мас.% обеспечивает прочность крепления покрытий при монтаже конструкций не менее 8÷10 кН/м. Способ монтажа покрытия включает в себя подготовку монтажной поверхности и нанесение клеевого состава; для обеспечения адгезионной прочности используют клеевой состав на основе полиуретана.
2
Предлагаемый композиционный полимерный материал представляет собой многокомпонентную систему. Введение в состав предлагаемого материала вышеперечисленных компонентов в перечисленных дозировках позволяет создать в материале прочную структуру при сохранении динамической упругости материала и получить динамический модуль сдвига в пределах 200÷500 кгс/см, а показатель «твердость по Шору А» - в пределах 65÷80 относительных единиц Шора А. При этом величина коэффициента механических потерь на низких частотах (7,8-100 Гц) возрастает до значений 0,25÷0,3, а на высоких частотах (до 1000 Гц) составляет 0,5÷0,6. Таким образом, предлагаемый КПМ обеспечивает более эффективную защиту от низкочастотных вибраций по сравнению с КПМ прототипа. Покрытия из данного материала отличаются стабильной упругостью и сочетают в себе высокую комфортабельность при ходьбе с отличным шумопоглощением - до 25÷35 дБ. Материал технологичен, передает сложные изгибы любой поверхности при монтаже, соответствует требованиям европейского стандарта к напольным покрытиям по износостойкости, долговечности, антистатическим и огнестойким свойствам.
Новизна технических решений в предлагаемом изобретении заключается в том, что в результате ее реализации решается поставленная техническая задача, а именно - создание композиционного полимерного материала с улучшенными динамическими показателями, высокой эластичностью и уменьшенной изнашиваемостью при трении. Это достигается значительным сокращением содержания высокодисперсного наполнителя, что приводит к увеличению герметизирующей способности и эксплуатационной жизни материала. КПМ обладает улучшенными особенностями обработки, сохраняя низкий показатель абсолютной остаточной деформации при вдавливании. Кроме того, структура данного КПМ и введение в его состав влагопоглотителя обеспечивает высокую прочность крепления покрытия из КПМ при монтаже. Применение для комплексной защиты 2,5-ди-третбутилгидрохинона позволяет существенно улучшить цветоустойчивость, а по совокупности предлагаемых решений увеличивает ресурс работы покрытий.
Техническая сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется экспериментальными данными. В таблице 1 приведены примеры составов композиционных полимерных материалов - прототипа и заявляемой композиции. В таблице 2 приведены физико-механические и эксплуатационные характеристики прототипа и предлагаемых композиционных полимерных материалов. В таблице 3 приведены адгезионные характеристики КПМ, полученные на лабораторных образцах, изготовленных с применением клеевых материалов.
Таблица 1
Составы композиционного полимерного материала - прототипа и варианты заявляемой композиции
Компоненты композиционного полимерного материала
Содержание в составе, масс.ч.
Прототип
Примеры конкретного выполнения предлагаемого материала
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
Бутадиеннитрильный каучук СКН-26 ПВХ-30
100,0
-
-
-
-
-
Бутадиеннитрильный каучук СКН-40 ПВХ-30
-
80,0
80,0
80,0
80,0
80,0
Цис-изопреновый каучук СКИ-3
-
20,0
20,0
20,0
20,0
20,0
Тиурам
1,0
0,6
1,1
1,55
2,0
2,5
Альтакс
1,0
-
-
-
-
-
Оксид цинка
5,7
5,0
8,75
12,5
16,25
20
Стеариновая кислота
1,0
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Сера
1,5
-
-
-
-
-
Сульфенамид Ц
1,5
2,0
1,625.
1,25
0,875
0,5
N-циклогексил-тиофталимид
0,5
ОД
0,2
0,3
0,4
0,5
Полимеризован-ный 2,2,4-триметил 1,2-дигидрохинолин
1,0
-
-
-
-
-
Продолжение таблицы 1
1
2
3
4
5
6
7
Диоксид кремния БС-100
100,0
40,0
45
50
55
60
Диоксид титана
10,0
20,0
16,425
12,85
9,3
5,7
Мел гидрофобный
15,0
-
-
-
-
-
Олигоэфиракрилат ТГМ-3
12,5
-
-
-
-
-
Триоксид сурьмы
15,0
5,0
7,5
10,0
12,5
15
Борат цинка
10,0
-
-
-
-
-
Пастакальцийнафт
-
3,1
3,4
3,7
4,0
4,3
2,5-Ди-третбутилгидрохинон (дибуг)
-
0,5
0,875
1,25
1,625
2,0
Смоластирольно-инденовая
-
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Каолин обогащенный
-
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
Хлорпарафин ХП1100
-
10,0
11,25
12,5
13,75
15,0
Гидроксид алюминия
-
30
25,0
20,0
15,0
10,0
N,N'-Дитиодиморфолин
-
2,0
1,725
1,45
1,175
0,9
Таблица 2
Физико-механические и эксплуатационные характеристики предлагаемых композиционных полимерных материалов в сравнении с прототипом
Показатели композиционных полимерных материалов после переработки по формовой технологии (145±5)°C×(40±1) мин
Составы из таблицы 1 по примерам
Прототип
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
Температурный диапазон эксплуатации, °C
-20÷50
Условная прочность при растяжении, МПа при температуре (20±5) °C
14,5
10,2
10,5
10,8
11,1
13,0
Продолжение таблицы 2
1
2
3
4
5
6
7
Относительное удлинение при разрыве, %, при температуре (20±5)°С
130
330
320
350
390
300
Твердость по Шору А, ед.Шор А
96÷98
65
70
72
74
78
Сопротивление раздиру, кгс/см
65,8
52,5
57,3
60,0
58,4
65,1
Набухание (до равновесного) в среде, %
бензин «галоша», 1 сут.
0,84
0,8÷0,83
вода пресная, 30 сут.
3,21
3,0
вода морская (10% NaCl), 30 сут.
3,25
3,1
масло АИ-20, 30 сут.
0,69
0,51
вода дезинфицирующая (10% ПВА), 30 сут.
3,89
2,8
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·м
Менее 5×10<sup>10</sup>
Огнестойкость:
индекс распространения пламени
<20
<17
по поверхности
показатель горючести
K≤1
K<1
Озоностойкость
244
Концентрация O<sub>3</sub>~0,1%,
(трещин нет)
растяжение 20% (время до
появления трещин), мин
Водопоглощение, г/см<sup>2</sup>
0,0031
0,0033
Истираемость, м<sup>3</sup>/ТДж
138,9÷
58,6÷85,0
68,5
Динамические свойства
Динамический модуль
1000÷
210÷
250÷
280÷
400÷
100÷
сдвига, МПа
1400
400
550
500
700
350
Коэффициент механических
0,128÷
0,3÷
0,25÷
0,31÷
0,26÷
0,33÷
потерь, tgδ в частотном
0,334
0,58
0,55
0,51
0,54
0,6
диапазоне 7,8-1000 Гц при механическом смещении 1,0 мкм
Таблица 3
Адгезионные характеристики предлагаемых композиционных полимерных материалов в сравнении с прототипом
Показатели композиционных полимерных материалов после переработки по формовой технологии (145±5)°C×(40±1) мин
Составы из таблицы 1 по примерам
Прототип
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
Прочность связи КПМ с металлом при отслаивании с использованием полиуретанового клея UK 8103
3,5-5,0
9,8
9,6
10,3
10,2
10,3
Прочность связи КПМ с металлом при отрыве с использованием полиуретанового клея UK 8103
1,8-3,0
Более 5,0
Более 5,0
Более 5,0
Более 5,0
Более 5,0
Прочность связи КПМ с металлом при сдвиге с использованием полиуретанового клея UK 8103
2,5-3.5
4,4
5.3
4.2
4.5
5,2
В заявленных составах достигаются прочностные показатели: прочность при растяжении, сопротивление раздиру, твердость и другие (таблица 2), соответствующие уровню требований европейского стандарта к напольным покрытиям. Заявленный КПМ является трудновоспламеняемым, обеспечивает шумо- и виброзащиту в составе различных конструкций 25÷35 дБ. При этом адгезионные характеристики соединения покрытия на основе заявленного КПМ с металлом превышают аналогичные характеристики прототипа.
КПМ составов 1-5 соответствуют уровню требований для решения поставленной задачи.
Создание новой структуры КПМ с целью улучшения адгезии материала к поверхности конструкции и монтажным составам позволяет повысить прочность крепления покрытия на объект до 8-10 кН/м при отслаивании (таблица 3). Покрытия, изготовленные из предлагаемых КПМ обладают высокой износостойкостью и, соответственно, долговечностью, составляющей не менее 10 лет.