КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПАЛУБНЫХ И НАПОЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ
COMPOSITE POLYMER MATERIAL FOR DECK AND FLOOR COATINGS

Изобретение относится к наполненным композиционным полимерным материалам, предназначенным для получения озоностойких акустических покрытий с антистатическими, огнестойкими и вибропоглощающими свойствами, и может быть использовано в производстве элементов судового палубного и напольного покрытия для судостроительной промышленности, строительства и других областей техники.
Композиционные полимерные материалы широко используются для ослабления звуковой вибрации судовых корпусных конструкций и механизмов. Применение полимерных материалов для защиты судового оборудования от вибрации основано на том, что они из-за своей высокой эластичности обладают максимальными механическими потерями.
Известны различные технические решения по созданию композиционных полимерных материалов (далее - КПМ), предназначенных для традиционных напольных покрытий и соответствующих самым высоким требованиям по качественным характеристикам и функциональности.
КПМ (патенты РФ №2281962, №02156266, №02051933, №02148497, №99124375), традиционно используемые для напольных покрытий - линолеумы. В качестве полимерной основы указанных материалов применяется поливинилхлорид, являющийся полимером с линейным строением и жесткой структурой пространственной сетки, которая определяет низкое акустическое сопротивление и низкую динамическую упругость композиционного материала. 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 резиновые смеси на основе высокомолекулярных полимеров - каучуков. Наиболее близкой к заявляемой композиции по составу, способу изготовления и уровню технических параметров является «Резиновая смесь для изготовления акустического слоя покрытия» (патент РФ №2258718) - прототип, содержащая цис-изопреновый каучук СКИ-3, вулканизующую систему из тиурама, альтакса, каптакса и дополнительно - противостаритель нафтам-2, оксид цинка, стеариновую кислоту и технический углерод марки Т900.
Представленный в виде резиновой смеси КПМ обеспечивает вулканизатам и изделиям, изготовленным из него, высокие прочностные характеристики и эксплуатационные свойства. Однако для данного полимерного материала характерен низкий уровень динамических характеристик, являющихся критериями оценки звуко- и вибропоглощения.
Динамические характеристики включают: модуль сдвига (изгиба), коэффициент механических потерь, модуль потерь.
Полимерный материал прототипа уступает предлагаемому материалу по ряду технических, эксплуатационных свойств и не обеспечивает защиту от вибрации.
Задачей предлагаемого изобретения является создание высокопрочного КПМ, перерабатываемого по формовой технологии, для получения бензо-, масло- и озоностойких напольных покрытий с антистатическими, огнестойкими и вибропоглощающими свойствами.
Это достигается тем, что известный КПМ, предназначенный для получения палубных и напольных покрытий, представляет собой резиновую смесь, перерабатываемую по формовой технологии, включающую полимерную матрицу, вулканизующую систему, состоящую из тиурама, альтакса, оксида цинка и стеариновой кислоты, и наполнитель. В качестве полимерной матрицы использован выпускаемый отечественной промышленностью бензо-, масло- и озоностойкий полимер, который модифицирован поливинилхлоридом и содержит 26÷34% мас. нитрила акриловой кислоты, при этом в него дополнительно введены сера, сульфенамид и полимеризованный 2,2,4-триметил 1,2-дигидрохинолин, а наполнитель состоит из диоксида кремния марки БС-100, диоксида титана пигментного, природного гидрофобного мела при их массовом соотношении 35÷115:4÷20:5÷50 мас. частей соответственно и технологических добавок в виде пластификатора олигоэфиракрилата ТГМ-3 и антипиренов, включающих триоксид сурьмы и борат цинка в соотношении 3÷20:5÷25, N-циклогексилтиофталимида.
Кроме того, в состав КПМ введены красители, органические или пигменты в количестве 3-50% мас. на долю полимера, а также непылящие красители в виде гранул, паст и пластин.
Предлагаемый КПМ представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из полимерной матрицы и целевых добавок. Введение в его состав вышеперечисленных компонентов в определенных дозировках позволяет создать в материале прочную структуру с высокой плотностью энергии когезии и получить высокие значения физико-механических показателей (прочность при растяжении и разрыве, твердость) и динамических характеристик (модуль сдвига, изгиба, упругости и коэффициент механических потерь), которые и обеспечивают решение поставленной задачи. Высокий уровень антистатических свойств, огнестойкость и озоностойкость достигаются правильным выбором и оптимальным соотношением наполнителей, антипиренов и антиоксидантов, а использование малосерной вулканизующей системы, включающей тиурам в количестве 1,0÷1,5% мас. на долю каучука, гарантирует КПМ грибостойкость. При этом материал обладает повышенной устойчивостью к термоокислительной деструкции. Определяющим фактором достижения высокого уровня прочностных и динамических свойств готового изделия является создание прочной сетчатой структуры КПМ, в том числе, за счет использования в качестве мягчителя олигоэфиракрилата ТГМ-3, который представляет собой олигомерный эфир триэтиленгликоля метакриловой кислоты. В этом случае ТГМ-3 служит «реакционным» пластификатором, обеспечивающим переработку КПМ и способным в процессе формирования изделия превращаться в сетчатый полимер, химически и физически связанный с полимером (матрицей). Обеспечение высоких значений физико-механических и динамических характеристик реализуется экспериментальным подбором соотношений компонентов и технологией изготовления полимерного материала. Бензо-, масло- и озоностойкость композиционного материала обеспечиваются выбором полимерной основы. Правильность выбора подтверждается результатами ускоренного теплового и озонного старения КПМ, а также показателями равновесного весового набухания в бензине и масле АИ-20.
Антистатические свойства и огнестойкость КПМ получены оптимальным соотношением комбинированного наполнителя и антипиренов, не приводящим к ухудшению технологических параметров. Для устранения преждевременной вулканизации композиционного полимерного материала в его состав введен N-циклогексилтиофталимид, особенно эффективный в составах, содержащих сульфенамидные ускорители, и обладающий хорошей диспергируемостью в выбранном полимере. Для получения разнообразных цветовых решений в композиционный полимерный материал вводят органические красители или пигменты. Дозировки красителей устанавливаются экспериментально по требуемой глубине окраски в количестве 0,5÷50,0% мас. на долю полимера.
Новизна технических решений, изложенных в заявке данного изобретения, заключается в том, что в результате ее реализации достигается решение поставленной технической задачи, а именно - создание озоностойкого композиционного материала с антистатическими, огнестойкими и шумо-, вибропоглощающими свойствами, высоким уровнем прочностных характеристик, которые обеспечивают изделиям повышенные эксплуатационные свойства.
Техническая сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется экспериментальными данными. В таблице 1 приведены составы композиционного полимерного материала прототипа и варианты заявляемой композиции. В таблице 2 приведены физико-механические и эксплуатационные характеристики прототипа и предлагаемых композиционных полимерных материалов.
Таблица 1
Составы композиционного полимерного материала прототипа и варианты заявляемой композиции
Компоненты композиционного полимерного материала
Содержание в составе, мас.ч.
прототип
Примеры конкретного выполнения предлагаемого материала
1
2
3
4
5
Цис-изопреновый каучук СКИ-3
100
-
-
-
-
-
Бутадиеннитрильный каучук СКН-26 ПВХ-30
100
100
100
100
100
Тиурам
1,5÷2,0
1,0
1,125
1,25
1,375
1,5
Альтакс
1,5÷2,0
0,8
0,9
1,0
1,1
1,2
Каптакс
1,2÷1,5
-
-
-
-
-
Нафтам-2
1,2÷1,5
-
-
-
-
-
Оксид цинка
10÷12
5,0
5,7
6,4
7,1
7,8
Стеариновая кислота
1,5÷2,0
1,0
1,25
1,5
1,75
2,0
Технический углерод Т900
12÷20
-
-
-
-
-
Сера
-
0,4
0,675
0,95
1,225
1,5
Сульфенамид
-
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
N-циклогексилтиофталимид
-
0,5
0,625
0,75
0,875
1,0
Полимеризованный 2,2,4-триметил 1,2-дигидрохинолин
0,5
0,75
1,0
1,25
1,5
Диоксид кремния БС-100
-
95
100
105
110
115
Диоксид титана
-
4,5
6,0
7,5
9,0
10,5
Мел гидрофобный
30
25
20
15
10
Олигоэфиракрилат ТГМ-3
-
10
11,25
12,5
13,75
15
Триоксид сурьмы
-
15
13,75
12,5
11,25
10
Борат цинка
-
25
20
15
10
5
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)ºС×(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, ºС
-20+50 (кратковременно до 100)
Условная прочность при растяжении, МПа при температуре (20±5)ºС
18,3
15,6
16,0
14,9
13,0
12,9
Относительное удлинение при разрыве, %, при температуре (20±5)ºС
890
152
120
110
140
130
Твердость по Шору А, ед. Шор А
30
96-97
97-98
97-98
97
97-98
Сопротивление раздиру, кгс/см
40
71,5
72,1
67,7
58,4
59,4
Набухание (до равновесного) в среде, %
бензин «галоша», 1 сут
2,0
0,84
вода пресная, 30 сут
5,8
3,21
вода морская (10% NaCl), 30 сут.
7,0
3,25
масло АИ-20, 30 сут
11
0,69
вода дезинфицирующая (10% ПВА), 30 сут
-
3,89
Удельное объемное электрическое сопротивление, Ом·м
10<sup>15</sup>
≤5×10<sup>10</sup>
Огнестойкость: индекс распространения пламени по поверхности
>20
≤20
показатель горючести
K>1
K≤1
ОзоностойкостьКонцентрация О<sub>3</sub>~0,1%, растяжение 20% (время до появления трещин), мин
25
240
1
2
3
4
5
6
7
условная прочность при растяжении, МПа
16
9,2
8,8
9,6
10,5
9,8
относительное удлинение, %
850
110
90
130
120
100
твердость по Шору А, ед. Шор А
30÷40
93
94÷95
94÷95
93÷96
93÷96
После старения в озонной камере, 300 ч
Динамические свойства
Динамический модуль сдвига, МПа
14÷17
1100÷1400
1100÷1500
300÷700
1100÷1550
1350÷1800
Динамический модуль изгиба, МПа
40
19000÷25000
22800÷23500
28000÷30000
17500÷23800
27000÷29000
Динамический модуль упругости, МПа
42
25200
27500
16800÷21000
24000
28000
Коэффициент механических потерь, tgδ в частотном диапазоне 7,8-1000 Гц при механическом смещении
1,0 мкм
0,08÷0,24
0,10÷0,30
0,12÷0,62
0,12÷0,25
0,10÷0,28
0,20÷0,22
0,1 мкм
0,35
0,50
1,0
0,45
0,42
1,0
модуль динамических потерь, МПа
3,5÷10
8000
7000
17400
7000
6500
Для сравнения аналогичные динамические испытания приведены для вариантов композиции и прототипа. В заявленных составах достигаются высокие прочностные показатели: сопротивление раздиру, твердость, антистатические и озоностойкие свойства, и стойкость к указанным средам (таблица 2). Вулканизаты композиционного полимерного материала являются трудногорючими и токсикологически безопасными, обладают высокими динамическими характеристиками, обеспечивающими по сравнению с прототипом не только шумопоглощающие, но и вибропоглощающие свойства за счет создания новой структуры композиционного полимерного материала заявленных составов и высоких значений модулей потерь. Композиционные полимерные материалы составов 1-5 обеспечивают решение поставленной задачи.
Введение в состав композиционного полимерного материала красителей (органических, пигментов), а также в виде гранул, паст и пластин в количестве 0,5÷50% мас. на долю полимера не приводит к существенному изменению свойств композиционного полимерного материала и позволяет повысить качественные характеристики изготавливаемых из него покрытий и их функциональность, а также получить многообразие всевозможных цветовых акцентов.