СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УПРУГОГО И ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩЕГО ПОЛИМЕРНОГО МАТЕРИАЛА С ТЕРМОПЛАСТИЧНЫМИ МИКРОСФЕРАМИ
PRODUCTION OF RESILIENT AND NOISE-ABSORBING POLYMER WITH THERMOPLASTIC MICROSPHERES

Изобретение относится к технологии изготовления упругих, звукопоглощающих и звукоизолирующих композиций на основе полимерного материала и порошкообразного наполнителя. В качестве порошкообразного наполнителя используются вспененные полимерные термопластичные микросферы (далее расширенные микросферы). Под действием гидростатического давления расширенные микросферы в полимерном материале не «схлопываются» полностью, обеспечивая наличие воздуха в композиции при высоких гидростатических давлениях. Благодаря этому образуется акустический слой упругодиссипативной среды, для которого характерна низкая скорость сдвиговых волн и значительное затухание в высокоэластичном материале. Среды с такими скоростями сдвиговых волн обладают хорошими звукопоглощающими и звукоизолирующими свойствами.
Задача получения звукопоглощающих и звукоизолирующих композиций актуальна для их применения в качестве гидроакустических экранов с целью повышения помехозащищенности приемных антенн.
Изобретение может быть применено для:
- чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков давления;
- гидроакустических экранов преобразователей и антенн, предназначенных для формирования характеристик направленности, а также повышения помехозащищенности приемных антенн;
- гидроакустических покрытий, выполняемых из эластомеров, содержащих внутри себя сжимаемые воздушные полости, обеспечивающие интенсивные деформации сдвига вязкоупругого материала покрытия и послойно рассеивающие колебательную энергию корпусных металлоконструкций.
Известные способы изготовления композиций на основе полиуретанов и расширенных микросфер содержат процессы вакуумирования, которые предусматривают расширение воздушных включений, увеличение их плавучести и в результате преодоления сопротивления вязкой среды способствуют их всплытию на открытую поверхность композиции.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран способ изготовления полимерных магнитов по патенту РФ №2057379, который заключается в том, что порошкообразный магнитный наполнитель смешивают под вакуумом с низковязким несшитым полимерным связующим и отвердителем, а затем производят формообразование путем разлива перемешанной массы в пресс-формы под давлением и полимеризации ее при определенной температуре.
Недостатками описанного способа являются сложность смешивания композиций в условиях вакуума и проведение формообразования изделия под давлением при обеспечении высокой температуры при полимеризации.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности очистки композиции от газовых включений, уменьшение эффекта расслоения композиции.
Особенность предлагаемого способа приготовления упругой композиции и удаления газовых включений заключается в послойном разделении неоднородных систем, различающихся по плотности, в процессе вращения при помощи центробежных сил. Такая технология предусматривает выдавливание газовых включений в результате формирования сред с различной плотностью и диаметром микросфер.
При воздействии центробежных сил и температуры одновременно происходит:
- извлечение газовых включений из полимерного материала;
- отделение газа, присоединенного к поверхности микросфер;
- извлечение газовых включений с поверхности заливочной формы;
- полимеризация композиции;
- послойное распределение микросфер в зависимости от их диаметров.
Сущность изобретения заключается в том, что расширенные микросферы, например «EXPACEL» 461 DET 80d25, смешиваются при вращении с полимерным материалом, например двухкомпонентным полиуретановым эластомером СПБ-ХП-80 ТУ 2224-001-20507988-2010, в течение времени, достаточного для смешения композиции, удаления газа и отверждения композиции. Приготовление композиции производится в заливочной форме (например, в виде полого цилиндра), вращающейся вокруг своей оси. Отвержденная композиция из полиуретана и микросфер, полученная при использовании такой заливочной формы, представляет собой упругое кольцо без газовых включений, обладающее упругостью и звукоизоляцией.
Известны способы получения полых изделий «разнообразных форм и размеров из термопластичных материалов, используемых в виде порошков или паст», путем ротационного и центробежного формований. (В.К. Крыжановский и др. Производство изделий из полимерных материалов // Санкт-Петербург, «Профессия», 2004, с. 348-352). В частности, эти методы подразумевают использование вращения вокруг собственной оси различных заливочных форм, включая и цилиндр. Однако данный способ применяется для изготовления полых изделий различной толщины, а не композиций с определенным распределением компонентов.
В предлагаемом способе используются жидкие полиуретаны холодного отверждения, смешение которых с расширенными микросферами позволяет при вращении заливочной формы вокруг горизонтальной оси сформировать композиционный материал, обладающий равномерной по длине изделия жесткостью.
Ниже рассмотрена последовательность действий при осуществлении заявленного способа:
- в каждую из двух емкостей технологической тары (при использовании двухкомпонентного полиуретана) заливают навеску компонента полиуретана, а в одну емкость засыпают навеску порошкообразного наполнителя (с соблюдением правил техники безопасности); оптимальное количество порошкового наполнителя применительно к микросферам «EXPACEL» составляет 1-2% от веса композиции, которое обеспечивает звукопоглощение и упругие свойства;
- смешивают навески полиуретана;
- микросферы «EXPACEL» засыпают в емкость с полиуретаном и смешивают композицию, например, с помощью лабораторной установки типа «Шнек»;
- устанавливают заливочную форму в центрифугу с горизонтальной осью вращения (заливочная форма имеет вид полого цилиндра, закрытого с торцов двумя крышками);
- через отверстие в одной из крышек (отверстие должно быть расположено вблизи от оси вращения формы) помещают смесь полиуретана и наполнителя в заливочную форму;
- вращают на центрифуге заливочную форму со смесью в течение времени, достаточного для смешения композиции, удаления газа и отверждения композиции;
- останавливают центрифугу, разбирают заливочную форму, извлекают деталь из композиционного материала в виде кольца.
Так, например, при вращении барабана центрифуги и находящегося в нем материала возникает центробежная сила С
2
2
2
C=mw/R=Gw/gR=GnR/900;
где: m - масса (кг);
w - окружная скорость, (м/с);
R - внутренний радиус барабана, (м);
2
g - ускорение свободного падения, (м/с);
n - частота вращения барабана, (об/мин).
2
При вращении тела весом G=1 кг, C=n/900 кгс.
р
Одним из основных критериев эффективности работы центрифуги является фактор разделения Ф:
р
2
2
Ф=wR/g=nR/900.
Фактор разделения показывает, во сколько раз центробежное ускорение, развиваемое в данной центрифуге, больше ускорения свободного падения. Чем больше фактор разделения, тем интенсивнее происходит процесс центрифугирования. На работу центрифуги существенно влияет вязкость жидкой фазы, снижающая ее производительность.
Способ разделения сред с помощью центрифуги позволяет:
- удалить газ из композиции;
- получить композиционный материал со стабильными упругими характеристиками. Этот эффект основывается, прежде всего, на том, что плотность полимерного материала в 30-50 раз больше плотности расширенных микросфер «EXPACEL» 461 DET 80 d25 (производства фирмы AkzoNobel).
3
3
2
Так, например, рассматривается полый цилиндр внутренним диаметром 35 мм, вращающийся вокруг горизонтальной оси со скоростью 5000 об/мин. Внутренняя полость цилиндра занята полиуретаном плотностью 1200 кг/м и микросферами плотностью 40 кг/м в количестве 2% к весу полиуретана. Масса полиуретана в цилиндре длиной 100 мм составит 0,120 кг, а вес микросфер - 0,0024 кг. Центробежное давление, действующее на стенку полого цилиндра от полиуретана, составит 0,5 кгс/см, а давление со стороны микросфер - в 50 раз меньше.
-3
Композиция с указанными плотностью и режимом вращения вокруг оси создает на газовом включении диаметром 1 мм радиальную выталкивающую силу (направленную к центру вращения) порядка 4×10 кгс.
-6
Вакуумирование на таком же газовом включении в той же композиции создает выталкивающую силу порядка 1,2×10 кгс (без учета сопротивления вязкой среды).
Таким образом, «центробежный способ» удаления газовых включений из смеси полимерного материала с микросферами по сравнению с технологиями, использующими вакуумирование, позволяет осуществить более глубокую очистку композиционного материала от газа.
Микросферы в состоянии поставки представляют собой взвесь микросфер в некотором объеме воздуха, который неизбежно попадает при вводе микросфер в полиуретан. Для отделения микросфер от воздуха фирмой-поставщиком рекомендуется использование специализированных фильтров из спеченного полиэтилена. Однако данный способ не решает технологический вопрос ввода микросфер в полиуретан без газовых включений.
При воздействии центробежных сил используется комплексная технология:
- извлечения газовых включений из полимерного материала;
- отделения объема газа, присоединенного к микросферам;
- извлечение газовых включений от поверхности заливочной формы, в которой полимеризуется композиция.
Для получения пластин из колец, изготовленных в заливочной форме с горизонтальной осью вращения, композицию полимеризуют в течение 15 минут при температуре 20±2°C, после чего заготовка извлекается из заливочной формы, разрезается по образующей кольца, распределяется между двух жестких пластин, сжимается и отверждается в течение 20 минут при температуре 20±2°C.
Вышеизложенное позволяет осуществить достижение заявленного технического результата - существенно сократить время на очистку композиции от газовых включений, а также осуществить более широкий выбор рецептуры полимерного материала, уменьшить эффект расслоения композиции, отверждая ее в процессе вращения.
3
3
Смешение полиуретановой композиции холодной полимеризации «СПБ-ХП-80», имеющей твердость по шкале Шор А 75-80 ед., прочность при растяжении не менее 10,7 МПа и плотность 1300 кг/м, производится в одноразовой емкости с использованием электропривода и лабораторной насадки типа «шнек» диаметром 25 мм при скорости вращения 250 об/мин. Добавление в полиуретановую смесь наполнителя из расширенных микросфер «EXPACEL» DET 100d25, имеющих размер частиц от 80 до 120 мкм с абсолютной плотностью 25±3 кг/м. Расширенные микросферы были добавлены в полиуретановую композицию в количестве 1-2% от веса композиции.
3
3
Поскольку плотность микросфер гораздо ниже, чем у полиуретана (25 кг/м против 1300 кг/м), необходимо соблюдение очередности смешения компонентов. При смешивании наполнитель подается порционно, исходя из объемов готовой смеси.
Для получения плоских пластин из композиционного материала изготавливают кольцевую деталь, сделанную по упомянутой технологии, разрезают кольцо по образующей, разворачивают кольцо по плоскости и зажимают между двумя параллельными плитами. При этом время полимеризации детали на центрифуге уменьшают до 20% по сравнению с полным временем отверждения полиуретана.