Вибродемпфирующий эластомерный материал низкой твердости
VIBRATION DAMPING ELASTOMERIC MATERIALS OF LOW HARDNESS

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 так же 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 разработаны 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; увеличение сроков службы оборудования и строительных конструкций, а также их межремонтных интервалов, сокращение эксплуатационных расходов; увеличение надежности систем; простоту монтажа, использования и демонтажа. Кроме того, применение подобных материалов позволяет минимизировать негативное влияние на окружающую среду и организм человека, ввиду отсутствия выделения в атмосферу помещений пыли, частиц волокон и т.п. вредных продуктов.
Области применения вибродемпфирующих эластомерных материалов:
- виброзащита фундаментов зданий и сооружений;
- основания и/или элементы фундамента 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.
Вибродемпфирующие эластомерные материалы, как правило, производят в виде пластин. 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. 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.
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, и полимеров, обладающих более высокой атмосферостойкостью.
Сегодня на рынке вибродемпфирующих эластомерных материалов известны такие импортные материалы как Sylomer и Sylodyn производства австрийской фирмы Getzner Werkstoffe GmbH это 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.
Однако эти материалы не обладают хорошими вибропоглощающими свойствами.
Известен эластомерный материал для изготовления уплотнительных деталей, используемых в подвижных узлах механизмов на основе бутадиен-нитрильного каучука с содержанием нитрила акриловой кислоты 17-23 мас. %, включающий 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 (патент РФ №2232172, опубл. 10.07.2004) 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.
Наиболее близким заявленному техническому решению является вибродемпфирующий эластомерный материал по патенту РФ №2572409, опубл. 10.01.2016, содержащий сополимер бутадиен-нитрильного каучука с содержанием нитрила акриловой кислоты 23-30% и поливинилхлорида, бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрила акриловой кислоты 32-49%, вулканизующую систему, наполнитель - смесь мела и белой сажи, мягчитель - смесь фактиса и канифоли и технологические добавки.
Однако изделия из этих смесей характеризуются низкими звукопоглощающими и деформационно-прочностными характеристиками в некоторых частотных диапазонах, что сужает область применения этих материалов.
Раскрытие изобретения
2
2
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в улучшении его физико-механических и эксплуатационных свойств: рабочая нагрузка до 700 т/м (пиковая нагрузка до 2500 т/м), срок эксплуатации превышает 50 лет, изоляция от ударного шума до 22 дБ, поглощение до 85% энергии вибрации в диапазоне частот от 2 до 10000 Гц, высокая стойкость изделий к воздействиям разбавленных растворов щелочей и кислот, в том числе высокая масло- и бензостойкость, стойкость к гидролизу, а также высокие электроизоляционные характеристики при температурном диапазоне работоспособности от минус 40°C до плюс 120°C.
Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в расширении арсенала вибродемпфирующих эластомерных материалов, обладающих улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами, а именно вибродемпфирующими.
Указанный технический результат достигается за счет использования вибродемпфирующего эластомерного материала, обладающего низкой плотностью и твердостью относительно ранее применявшихся подобных материалов, что позволит улучшить акустическое и вибрационное затухание конструкции особенно в диапазоне низких частот колебаний.
Для достижения указанного технического результата был разработан вибродемпфирующий эластомерный материал на основе бутадиен-нитрильного каучука.
Указанный технический результат достигается в вибродемпфирующем эластомерном материале, включающем бутадиен-нитрильный каучук с содержанием нитрила акриловой кислоты 32-40%, вулканизующую систему, в качестве наполнителя смесь мела и белой сажи, в качестве мягчителя смесь фактиса и канифоли и технологические добавки, при следующем соотношении компонентов в мас. %:
бутадиен-нитрильный каучук
41-75
вулканизующая система
7-11
мел
4-9
белая сажа
5-14
фактис
4-6
канифоль
1-2
технологические добавки
2-3
Вулканизующая система включает серу, ускоритель вулканизации тиазольного типа, оксид цинка, стеариновую кислоту или комплекс синтетических жирных кислот.
Предпочтительно, серу используют в количестве 1,0-2,0 мас. %, оксид цинка в количестве 3,0-4,0 мас. %, ускоритель вулканизации тиазольного типа в количестве 1,5-2,5 мас. %, стеариновую кислоту или комплекс синтетических жирных кислот в количестве 1,5-2,5 мас. %.
Предпочтительно, в качестве ускорителя вулканизации тиазольного типа используют смесь ускорителей 2-меркаптобензотиазола и ди-(2-бензтиазолил)-дисульфида.
Предпочтительно, в качестве мягчителя используют смесь фактиса и канифоли. Предпочтительно фактис используют в количестве 4-6 мас. %, а канифоль 1-2 мас. %.
В качестве наполнителя в материале используют смесь инертных наполнителей белой сажи и мела. Предпочтительно белую сажу используют в количестве 5-14 мас. %, а мел - в количестве 4-9 мас. %.
В качестве технологических добавок используют антиоксиданты фенольного или аминного типа, и пигменты в количестве 1,0-3,0 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 0,5-1,5 мас. %, а в качестве антиоксидантов аминного типа используют фенил-β-нафтиламин, n-оксифенил-β-нафтиламин, N-фенил-N'-изопропил-n-фенилендиамин в том же количестве.
Вибродемпфирующие эластомерные материалы в своем составе содержат следующие ингредиенты:
Каучук - полимер, являющийся основой резиновой смеси. В композиции используется бутадиен-нитрильный каучук марки СКН-40, БНКС-40 или его 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 (Каптакас), ди-(2-бензтиазолил)-дисульфид (Альтакс) - применяется в качестве ускорителей 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 С-С.
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.
Белая сажа (коллоидная кремнекислота) - 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.
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.
Аитиоксиданты - 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 проведенным исследованиям, использование в рецептурах других ингредиентов или аналогов вышеописанных ингредиентов возможно, однако не будет обеспечивать всей полноты эксплуатационных характеристик конечных изделий, обеспечиваемых применением оригинальных рецептур.
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 резиновых смесей, изготовленных на основе синтетических каучуков и вышеописанных ингредиентов. Такая технология позволяет получать изделия различных конфигураций и конструкций, в том числе с варьированием эксплуатационных и поглощающих характеристик.
По сравнению с традиционными материалами (стекловата, вспененный полиуретан и др.), вибродемпфирующие эластомеры, изготовленные по рецептурам вышеописанных композиций, обладают более широким спектром эксплуатационных характеристик. Для решения задач, аналогичных традиционным материалам, вибродемпфирующие эластомеры могут применяться в виде изделий с меньшой 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 вибродемпфирующих материалов показали, что срок их эксплуатации составляет порядка 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
2
Рабочая нагрузка для вибродемпфирующего материала - до 700 т/м, что почти в 10 раз больше, чем показатели стекловат и вспененных полиуретанов. Испытанная пиковая нагрузка на материал составляет до 2000 т/м.
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 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°C.
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 эластомерных материалов 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. Поскольку для вибродемпфирующих материалов низкой плотности прототипа в явном виде не существует, в его качестве представлен стандартный вибродемпфирующий материал.
Физико-механические и эксплуатационные характеристики предлагаемых эластомерных материалов в сравнении с прототипом.