На правах рукописи

ЛИТУС АННА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ШУМО- ПОНИЖАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ РАЗЛИЧНОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Технология и переработка полимеров и композитов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

2008

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

доктор химических наук, профессор

Ведущая организация

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема создания эффективных звукоизолирующих и вибропоглощающих материалов весьма актуальна, т.к. эксплуатация транспортных средств сопровождается шумом и вибрацией. В последние годы все больше внимания уделяется кардинальному улучшению экологических характеристик автомобилей. Наряду с работой по уменьшению содержания вредных веществ в отработанных газах двигателей автомобилей ведутся исследования по уменьшению акустического загрязнения воздушного бассейна. Требования национальных и международных стандартов к акустическому комфорту в салонах самолетов, автомобилей и других транспортных средств, городских и населенных пунктах регулярно повышаются и производители автомобилей вынуждены постоянно увеличивать количество применяемых шумопонижающих материалов, улучшать их качество. Значение показателей шума для транспортных средств нормируется ГОСТами и международными стандартами.

Одним из приоритетных направлений является создание новых -звуко- и вибропонижающих композиционных материалов с улучшенными свойствами и внедрение этих материалов в производство. Старейшими шумопонижающими материалами являются битумные композиции на основе волокнистых или дисперсных минеральных наполнителей. Многообразие свойств волокнистых наполнителей открывает широкие возможности направленного регулирования физико-механических свойств композиционных материалов - прочности, термостойкости и др. При этом важно, чтобы волокнистые наполнители были экологически чистыми и широко доступными. Именно поэтому отношение к такому наполнителю как асбест становится с каждым годом все более отрицательным и его замена при изготовлении шумопонижающих материалов в автомобильной промышленности весьма актуальна. В последние годы все увереннее вытесняют канцерогенный асбест в разных технологических процессах композитов базальтовые волокна, которые относятся к самым перспективным волокнам для армирования полимерных композиционных материалов (ПКМ).

Шумопонижающие звукоизолирующие и вибропоглощающие материалы, изготавливаемые на основе битумных композиций, предназначены для применения в автомобилестроении для эффективного снижения внешнего и внутреннего шума в салоне транспортного средства. Кроме того, это самые недорогие шумопонижающие материалы, что делает их привлекательными на автомобильном рынке.

Целью настоящей работы является расширение спектра ассортимента и повышение эффективности шумопонижающих материалов на основе битума, повышение их вибропоглощающих, звукоизолирующих и прочностных свойств с одновременным снижением массы материала, исключение из рецептуры канцерогенного асбеста с сохранением высокой термостойкости полимерного композиционного материала.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:

- исследование эффективности использования базальтовых волокон (БВ), базальтовой ваты (отходы теплоизоляции азотно-кислородной станции) в битумных вибропоглощающих материалах;

- исследование эффективности использования базальтовых волокон в битумных звукоизолирующих материалах;

- установление закономерностей и технологических параметров изготовления битумных шумопонижающих материалов на основе базальтовых волокон;

- изучение механизма взаимодействия в системе «базальтовые волокна - битумное связующее» и структуры шумопонижающих материалов;

- определение физико-химических, механических и акустических характеристик шумопонижающих материалов на основе БВ;

- исследование влияния модификации базальтовой ваты на физико-механические и акустические характеристики шумопонижающих материалов;

- сравнительное исследование характеристик разработанных шумопонижающих материалов с серийно-применяемыми материалами.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- доказана целесообразность и эффективность использования базальтовых волокон для производства вибропоглощающих и звукоизолирующих материалов;

- установлен механизм взаимодействия базальтовых волокон и битумного связующего;

- определена оптимальная рецептура битумных звукоизолирующих и вибропоглощающих материалов на основе БВ;

- доказано испытаниями в лабораториях АвтоВАЗа и ОАО «Балаковорезинотехника» повышение акустических и прочностных характеристик разработанных материалов в сравнении со стандартными. Так в диапазоне частот 400-800 Гц способность к звукоизоляции превышает в 1,5-2 раза, в остальном диапазоне преимущественно на 2-5 Дб.

- доказана эффективность замены асбеста на базальтовые волокна в разработанных вибропоглощающих и звукоизолирующих материалах. При этом в производственных условиях доказано сохранение высоких термостойких свойств материала в отсутствии канцерогенного асбеста;

- установлено, что при меньшей массе резино-битумный материал на основе базальтовых волокон обладает более высокой прочностью при растяжении и более высоким относительным удлинением при разрыве, что положительно влияет на процесс формования многослойных шумоизолирующих изделий для автомобилей;

Практическая значимость работы состоит в том, что

- разработаны технология производства эффективных вибропоглощающих и звукоизолирующих композиционных материалов с применением базальтовой ваты;

- доказано, что отходы базальтовой ваты являются ценным компонентом для изготовления шумопонижающих материалов.

- выпущены опытно-промышленные партии композиционных материалов на ЗАО «Химформ», которые соответствуют требованиям, предъявляемым к вибропоглощающим и звукоизолирующим материалам.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- результаты исследования эффективности использования базальтовой ваты для замены асбеста и регулирования свойств получаемых вибропоглощающих и звукоизолирующих материалов;

- эффективность модификации базальтовой ваты на свойства звукоизолирующих и вибропоглощающих материалов;

- результаты комплексных исследований по влиянию базальтовой ваты на структуру и свойства шумопонижающих материалов.

Апробация результатов работы. Результаты работы доложены на Международной конференции «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология.» (Саратов, 2007г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 патент, 1 положительное решение, 1 статья в центральной печати, ОТРЕДАКТИРОВАТЬ!!!

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, методической части 6 глав, выводов, списка библиографических источников. Работа изложена на __ страницах, включает __ рисунков, __ таблиц и __ приложений.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту кандидату технических наук, доценту Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ Синицыной И.Н. за участие в исследованиях и помощь в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, цели и задачи исследований, научную новизну и практическую значимость работы.

Глава 1. Литературный обзор

Содержит анализ современного состояния проблемы использования базальтовых наполнителей и полимерных композиционных материалов на их основе. Проведен анализ литературы, отражающий развитие и современное состояние проблемы создания шумопонижающих материалов. Проанализированы литературные данные об используемых компонентах и средствах достижения эффективности шумопонижения. На основании проведенного анализа подтверждена необходимость замены канцерогенного асбеста в составе шумопонижающих материалов и актуальность создания новых эффективных материалов с высокими эксплуатационными свойствами

Глава 2. Объекты и методы исследования

При выполнении исследований использовались следующие материалы со следующим химическим составом: смола «Политер» по ТУ 2451-012-00149452-99; ди-(2-этилгексил)-фталата по ГОСТ 8728-88; мел МТД-Б по ТУ 5743-114-00149289-2000 микросферы полые по ТУ 5717-37-00284351-20002; смола стирольно-инденовая по ТУ 14-6-89-73; слюда марки СДФ по ГОСТ 19571-74; слюда флогопит молотая для металлургической промышленности СМФФ-160 по ТУ 21-25-241-80; микроволластонит фракционированный (МИВОЛЛ) м. 03-97 по ТУ 5777-006-40705684-2003; каучук синтетический бутадиен-стирольный СКС-30АРКМ-15 по ГОСТ 11138-78; сополимер этилена с винилацетатом «Сэвилен» по ТУ 6-05-1636-97; кондиционная базальтовая вата ТУ 21-23-247-88; некондиционная базальтовая вата, длительно использовавшаяся в качестве теплоизоляции реакторов азотно-кислородной станции ОАО «Саратоворгсинтез»; битум нефтяной «Пластбит II» по ТУ 38 101580-75; асбест хризотиловый по ГОСТ 12871-93.

Исследования проводились с применением комплекса современных независимых и взаимодополняющих методов: ИК-спектроскопии, рентгенографического анализа (РГА), термогравиметрического анализа (ТГА), газовой хроматографии (ГХ), стандартных методов испытаний технологических параметров и физико-механических свойств разрабатываемых ПКМ.

Экспериментальная часть работы

Глава 3. Модификация битумных и резино-битумных материалов базальтовыми волокнами с целью повышения комплекса физико-механических и акустических свойств вибропоглощающих шумопонижающих материалов

3.1 Исследование влияния базальтовых волокон на свойства битумных вибропоглощающих и резино-битумных звукоизолирующих композиций

Основными задачами при решении проблемы создания битумных композиционных материалов на основе базальтовых волокон являются улучшение их вибропоглощающих, звукоизолирующих и прочностных свойств с одновременным снижением массы, и исключение из рецептуры канцерогенного асбеста с сохранением высоких термостойких свойств материала. В качестве контрольных образцов использовались широко применяемые серийные резинобитумная и битумная смеси, в состав которых входят битум, сэвилен, микросферы, диоктифталат, мел, асбест и др. компоненты (табл 1). Асбест входит в состав резинобитумных композиций в количестве 2-3%, битумных - 4-5%.

Свойства композиции определяются как количественным соотношением, так и свойствами отдельных составляющих. Базальтовая вата используется в качестве теплоизоляционного материала в азотно-кислородных установках, атомных станциях, магистральных теплопроводах и др. После истечения срока эксплуатации некондиционная (отработанная) вата вывозится на свалку. Поэтому использование такой ваты, наряду с кондиционной, при разработке вибропоглощающих битумных и звукоизолирующих резино-битумных материалов является перспективным направлением.

С этой целью изготовлены и исследованы образцы звукоизолирующей резино-битумной композиции по ТУ 38.105.1619-87 с различным процентным содержанием некондиционной базальтовой ваты, заменяющей асбест (табл.1, 2).

Таблица1

Составы резино-битумных звукоизолирующих композиций

По внешнему виду полученная смесь технологична, пластична, волокна равномерно распределены по всему объему замеса, материал легко каландруется. При использовании кондиционной базальтовой ваты для изготовления битумных композиций не достигается равномерное распределение в объеме смеси и в результате получается неоднородный материал. Для достижения равномерности распределения волокон в смеси необходимо увеличивать продолжительность перемешивания и проводить дополнительную подготовку кондиционной ваты путем её разволокнения. При этом, как видно из таблицы 2, физико-механические показатели резинобитумных материалов на основе некондиционной ваты не ухудшаются. Это ранее было доказано и для базальтопластиков.

Таблица 2

Физико-механические свойства резинобитумных материалов на основе кондиционной и некондиционной базальтовой ваты

Примечание: содержание базальтовой ваты: 8%.

Из табл. 3 видно, что из шести отработанных композиций наиболее соответствуют требованиям ТУ по способности к звукоизоляции первые три, содержание некондиционной базальтовой ваты в которых составляет 5-8%. Первая композиция наиболее интересна, так как при наименьшей плотности 1406 кг/м³ материал обладает практически максимальной способностью к звукоизоляции. Серийные материалы при плотности материала менее 1550 кг/мі не обеспечивают требуемой звукоизоляции, поэтому в технических условиях требование к плотности материала одно из самых определяющих.

Таблица 3

Физико-механические характеристики резино-битумных звукоизолирующих композиций на основе некондиционных базальтовых волокон.

Преимущество первых трех композиций доказывает и зависимость условной прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве в продольном и поперечном направлениях для испытанных составов резинобитумных материалов. При нормах условной прочности при растяжении не менее 3,0 и 2,0 кгс/смІ и относительного удлинения при разрыве - не менее 60 и 65% в продольном и поперечном направлениях, разработанные материалы обладают условной прочностью 3,0 -3,8 и 2,0-2,8 кгс/смІ, относительным удлинением 70-89 и 76-91%.

Рис. 1.Зависимость условной Рис. 2. Зависимость относительного

прочности при растяжении удлинения при разрыве

Анализируя полученные результаты определено оптимальное содержание некондиционной базальтовой ваты при изготовлении композиций для резинобитумных звукоизолирующих материалов - 5-8%.

В качестве битумного вибропоглощающего материала по ТУ38.105-15-40-84 изготовлены и исследованы образцы на основе некондиционной базальтовой ваты вместо асбеста (табл. 3,4). Анализируя физико-механические характеристики разработанных материалов видно, что лучшими характеристиками обладают композиции 4-7, содержание некондиционной базальтовой ваты в которых 6-10%. Данные образцы обладают высокой термостойкостью в отсутствии асбеста, масса 1 мІ материалов находится в интервале 3,2-3,5 кг, а коэффициент потерь колебательной энергии на частоте (200±5) Гц при Т= 20 и 40єС не уступает серийно изготавливаемой продукции 0,1 и 0,18.

Данные табл. 3-4 свидетельствуют, что для решения задач улучшения вибропоглощающих и технологических характеристик, снижения массы разрабатываемых материалов, сокращения времени изготовления битумной смеси и в конечном итоге времени изготовления готового материала была отработана другая битумная вибропоглощающая композиция (Таблица 5,6), в состав которой дополнительно были введены слюда марки СДФ по ГОСТ 19571-74; слюда флогопит молотая для металлургической промышленности СМФФ-160 по ТУ 21-25-241-80; микроволластонит фракционированный (МИВОЛЛ) м. 03-97 по ТУ 5777-006-40705684-2003. Это позволило сократить на 25% время изготовления битумной смеси, сохранить термостойкость и коэффициент потерь материала при значительно меньшей массе 1 мІ - 2,7-3,2 кг. Оптимальное содержание некондиционной базальтовой ваты в данной композиции составляет 5-7%.

Таблица 3

Составы битумных вибропоглощающих композиций

Таблица 4

Физико-механические характеристики битумных вибропоглощающих композиций

Таблица 5

Составы битумных вибропоглощающих композиций

Таблица 6

Физико-механические характеристики битумных вибропоглощающих композиций.

Сравнительные результаты физико-механических показателей битумных вибропоглощающих материалов (Табл. 7) и резинобитумных звукоизолирующих материалов (Табл. 8) с серийными материалами показывают, что на основе некондиционной и кондиционной базальтовой ваты формируются композиционные шумопонижающие материалы, физико-механические показатели которых значительно превышают требования технических условий и характеристики серийно используемых материалов.

При меньшей массе битумный вибропоглощающий материал (Табл. 7) на основе некондиционной и кондиционной базальтовой ваты обладает высокими термо-, огне-, био-стойкостью, что важно для процесса монтажа и эксплуатации готовых изделий в автомобилях . При этом мера эффективности вибропоглощающих покрытий и конструкций - коэффициент потерь колебательной энергии не уступает серийно изготавливаемой продукции и не изменяется при хранении (рис. 3). Из рисунка видно, что коэффициент потерь материала с 10% некондиционной базальтовой ваты превышает коэффициент потерь материала с 6% базальтовой ваты как при 20, так и при 40єС и остается практически постоянным в течение гарантийного срока хранения.

Таблица 7

Сравнительные физико-механические характеристики разработанных битумных вибропоглощающих материалов с серийно-выпускаемыми в промышленности аналогами

Рис.3. Изменение коэффициента потерь колебательной энергии вибропоглощающего материала в течение гарантийного срока

Из таблицы 8 видно, что при меньшей плотности резинобитумный материал на основе кондиционной и некондиционной базальтовой ваты (содержание 8%) не только соответствует требованиям ТУ 38.305-57-077-93, но и обладает более высокой условной прочностью при растяжении и более высоким относительным удлинением при разрыве чем серийный материал, что важно для процесса формования многослойных шумоизоляционных готовых изделий для автомобилей. При этом способность к звукоизоляции разработанных материалов значительно выше уровня серийного материала, что демонстрирует рис. 4.

Таблица 8

Сравнительные физико-механические характеристики

разработанных резинобитумных материалов с серийно выпускаемыми в промышленности аналогами

На рис.4 представлены результаты определения способности к звукоизоляции опытных образцов резинобитумных материалов, содержащих 5% (образец №1) и 8% (образец №2) некондиционной базальтовой ваты в сравнении с серийно применяемым образцом №3. Способность к звукоизоляции значительно выше уровня серийного материала. Так в диапазоне частот 400-800 Гц способность к звукоизоляции превышает в 1,5-2 раза, в остальном диапазоне преимущественно на 2-5 Дб.

Рис.4 Способность к звукоизоляции композиционных материалов с разным содержанием БВ в сравнении с серийным на основе асбеста.

Полученные результаты исследования доказывают, что применение кондиционной и некондиционной базальтовой ваты позволит: исключить из битумных композиций асбест, сохранив термостойкость материала; уменьшить массу изделий, и, следовательно, снизить массу автомобиля; значительно улучшить в нем акустический ком форт. Важно также, что для этих материалов применяется и базальтовая вата, которая является отходом производства и в настоящее время не используется.

Глава 4. Модификация базальтовой ваты с целью улучшения свойств материала