Вибродемпфирующий эластомерный материал высокой плотности
VIBRO-DAMPING ELASTOMERIC MATERIAL OF HIGH DENSITY

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 также 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 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.
Широкое применение кремнийорганических эластомеров, среди которых ведущее значение имеют силоксановые эластомеры (каучуки), обусловлено их уникальными свойствами: высокая термостойкость, высокие эластические свойства, морозостойкость, диэлектрические свойства, озоно- и радиостойкость, стойкость к растворителям.
Из монографии "Химия и технология кремнийорганических эластомеров". Л.: Химия, 1973, под ред. В.О. Рейхофельда, с. 141-153; известна резиновая смесь на основе высокомолекулярного метилвинилсилоксанового каучука, включающая такие функциональные добавки, как аэросил, пылевидный кварц, органическую перекись (например, перекись дикумила), стабилизатор (антиструктурирующая добавка), например дифенилсиландил, алкоксисилоксаны, силанолы, эфиры угольной кислоты, элементсилоксаны. Для повышения теплостойкости таких вулканизатов, содержащих кремнеземные наполнители (аэросил, кварц), следует вводить специальные добавки, такие как окись железа, двуокись титана, соединения церия, силикаты тяжелых металлов, печную сажу, что в целом приводит к удорожанию их и усложнению технологии их приготовления. Такие вулканизаты на основе винилсилоксановых каучуков могут эксплуатироваться в широком интервале температур от -55 до 300°С и кратковременно до 330°С; обладают высокой термостойкостью, низким накоплением остаточной деформации при длительном сжатии и одновременном воздействии высоких температур.
Известен композиционный материал, полученный из резиновой смеси на основе высокомолекулярного метилвинилсилоксанового каучука, включающей аэросил, пылевидный кварц, органическую перекись и антиструктурирующий агент - кремнийорганическое соединение, в которую дополнительно вводят низкомолекулярный метилвинилсилоксановый каучук, антиструктурирующий агент α,ω-дигидроксиполидиметилсилоксан и повышенное количество пылевидного кварца (RU 2224774, опубл. 27.02.2004). Недостатком известного изобретения являются: трудоемкий, энергоемкий и дорогостоящий процесс вулканизации в две стадии, требующий дополнительного оборудования и производственных площадей, вулканизаты имеют достаточно высокие значения относительной остаточной деформации при сжатии (35-40%).
Наиболее близким техническим решением является вибродемпфирующий эластомерный материал, известный из RU2572409, опубл. 10.01.2016. Однако материал имеет низкий коэффициент вибродемпфирования, низкую атмосферостойкость и температурный интервал эксплуатации, износостойкость, деформационно-прочностные характеристики, что снижает ресурс их работы.
Задачей изобретения является создание вибродемпфирующего материала на основе силоксанового каучука с улучшенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами: рабочая нагрузка, срок эксплуатации, изоляция от ударного шума, поглощение энергии вибрации в широком диапазоне частот, высокая стойкость изделий к воздействиям разбавленных растворов щелочей и кислот (в зависимости от исполнения также возможно получение относительно маслостойкого материала), стойкость к гидролизу и озону, высокие электроизоляционные характеристики и сохранение работоспособности как при низких (до минус 60°С), так и при повышенных температурах (до плюс 210°С).
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 до 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 зависимости от исполнения также возможно получение относительно маслостойкого материала), стойкость к гидролизу и озону, а также высокие электроизоляционные характеристики и сохранение работоспособности как при низких (до минус 60°С), так и при повышенных температурах (до плюс 210°С).
Указанный технический результат достигается за счет использования вибродемпфирующего эластомерного материала на основе силоксанового каучука, обладающего повышенной плотностью относительно ранее применявшихся подобных материалов, что позволяет значительно улучшить акустическое затухание конструкции.
Указанный технический результат достигается в вибродемпфирующем эластомерном материале высокой плотности, включающем силоксановый каучук, органический пероксид и наполнители: смесь усиливающего наполнителя - белую сажу в количестве 1,5-5,0 масс. %, и инертного наполнителя - литопон или сульфат бария или мел, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
силоксановый каучук
25-65
органический пероксид
0,5-2,0
усиливающий наполнитель
1,5-5,0
инертный наполнитель
остальное
В качестве силоксанового каучука используют высокомолекулярный метилвинилсилоксановый каучук. Количество инертного наполнителя в композиции предлагаемого материала предпочтительно 30-73 масс. %.
Предпочтительно в качестве органических пероксидов используют 2,5-диметил-2,5-ди(трет-бутилперокси)гексан, или пероксид 2,4-дихлорбензоила, или пероксид дикумила, или ди(трет-бутилпероксиизопропил)бензол пероксид, или пероксид бензоила в количестве 0,5-2,0 масс. % в пересчете на чистое вещество.
Вибродемпфирующие эластомерные материалы в своем составе содержат следующие ингредиенты.
Силоксановый каучук - высокомолекулярный метилвинилсилоксановый каучук с содержанием винильных групп (мольная доля) от 0,1 до 3% и его аналоги российского или зарубежного производства, а также метилсилоксановый каучук и их сополимеры с метилфенилсилоксановым каучуком, например, СКТВ-1, СКТ.
Белая сажа (коллоидная кремнекислота, аэросил) - тонкодисперсный гидратированный оксид кремния, аморфный дисперсный кремнезем марки ГОСТ 14922-77. В резиновых смесях на основе карбоцепных каучуков белая сажа улучшает механические характеристики, повышает теплостойкость и огнестойкость, маслостойкость и придает высокое сопротивление скольжению. В резиновых смесях на основе силоксановых каучуков применяется в качестве усиливающего наполнителя.
Органические пероксиды - применяются в резиновой промышленности как вулканизующие агенты для насыщенных карбоцепных, силоксановых и некоторых типов фторкаучков.
Литопон - смесь природного происхождения сульфида цинка и сульфата бария. Используется в качестве неактивного наполнителя в резиновых смесях.
Сульфат бария - является инертным наполнителем для резиновых смесей.
Карбонат кальция (мел) - применяют в резиновых смесях на основе практически всех каучуков общего назначения в качестве дешевого инертного наполнителя. Он хорошо диспергируется в каучуках различных типов. Резиновые смеси, наполненные мелом, отличаются высокой пластичностью и хорошими рабочими свойствами, легко каландрируются, шприцуются и заполняют пресс-форму.
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 неконцентрированным растворам неорганических кислот и щелочей, стойкость к озону и к гидролизу, высокие электроизоляционные характеристики, высокую атмосферостойкость - сохранение эксплуатационных характеристик от -60 до +200°С.
В составе композиции 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:
- смешение синтетических 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 110-180°С.
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 эластомерного материала 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 примеры заявляемой композиции вибродемпфирующего материала.
В таблице 2 приведены физико-механические и эксплуатационные характеристики прототипа и предлагаемых вибродемпфирующих эластомерных материалов по изобретению.
Вибродемпфирующий эластомерный материал представляет собой лист шириной 250-1000 мм, длиной 250-1000 мм, толщиной 2-50 мм или рулонный материал шириной до 1500 мм и толщиной 2-10 мм.
Физико-механические и эксплуатационные характеристики предлагаемых эластомерных материалов в сравнении с прототипом.