На правах рукописиЛИТУС АННА АЛЕКСАНДРОВНА
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ШУМО- ПОНИЖАЮЩИХМАТЕРИАЛОВ 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 можноознакомиться в научно-технической библиотеке Саратовского государственноготехнического университета.
Автореферат разослан
Ученый секретарь
диссертационного совета
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальностьтемы. Проблема создания эффективных звукоизолирующих и вибропоглощающихматериалов весьма актуальна, т.к. эксплуатация транспортных средствсопровождается шумом и вибрацией. В последние годы все больше вниманияуделяется кардинальному улучшению экологических характеристик автомобилей.Наряду с работой по уменьшению содержания вредных веществ в отработанных газахдвигателей автомобилей ведутся исследования по уменьшению акустического загрязнениявоздушного бассейна. Требования национальных и международных стандартов какустическому комфорту в салонах самолетов, автомобилей и других транспортныхсредств, городских и населенных пунктах регулярно повышаются и производителиавтомобилей вынуждены постоянно увеличивать количество применяемыхшумопонижающих материалов, улучшать их качество. Значение показателей шума длятранспортных средств нормируется ГОСТами и международными стандартами.
Одним из приоритетных направленийявляется создание новых –звуко- и вибропонижающих композиционных материалов сулучшенными свойствами и внедрение этих материалов в производство. Старейшимишумопонижающими материалами являются битумные композиции на основе волокнистыхили дисперсных минеральных наполнителей. Многообразие свойств волокнистыхнаполнителей открывает широкие возможности направленного регулированияфизико-механических свойств композиционных материалов — прочности,термостойкости и др. При этом важно, чтобы волокнистые наполнители былиэкологически чистыми и широко доступными. Именно поэтому отношение к такомунаполнителю как асбест становится с каждым годом все более отрицательным и егозамена при изготовлении шумопонижающих материалов в автомобильнойпромышленности весьма актуальна. В последние годы все увереннее вытесняютканцерогенный асбест в разных технологических процессах композитов базальтовыеволокна, которые относятся к самым перспективным волокнам для армированияполимерных композиционных материалов (ПКМ).
Шумопонижающиезвукоизолирующие и вибропоглощающие материалы, изготавливаемые на основебитумных композиций, предназначены для применения в автомобилестроении для эффективногоснижения внешнего и внутреннего шума в салоне транспортного средства. Крометого, это самые недорогие шумопонижающие материалы, что делает ихпривлекательными на автомобильном рынке.
Цельюнастоящей работыявляется расширение спектра ассортимента и повышение эффективности шумопонижающихматериалов на основе битума, повышение их вибропоглощающих, звукоизолирующих ипрочностных свойств с одновременным снижением массы материала, исключение изрецептуры канцерогенного асбеста с сохранением высокой термостойкостиполимерного композиционного материала.
Длядостижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:
- исследованиеэффективности использования базальтовых волокон (БВ), базальтовой ваты (отходытеплоизоляции азотно-кислородной станции) в битумных вибропоглощающих материалах;
- исследованиеэффективности использования базальтовых волокон в битумных звукоизолирующих материалах;
- установлениезакономерностей и технологических параметров изготовления битумныхшумопонижающих материалов на основе базальтовых волокон;
- изучениемеханизма взаимодействия в системе «базальтовые волокна – битумное связующее» иструктуры шумопонижающих материалов;
- определениефизико-химических, механических и акустических характеристик шумопонижающихматериалов на основе БВ;
- исследованиевлияния модификации базальтовой ваты на физико-механические и акустическиехарактеристики шумопонижающих материалов;
- сравнительноеисследование характеристик разработанных шумопонижающих материалов ссерийно-применяемыми материалами.
Научнаяновизна работы заключаетсяв том, что впервые:
— доказанацелесообразность и эффективность использования базальтовых волокон дляпроизводства вибропоглощающих и звукоизолирующих материалов;
- установленмеханизм взаимодействия базальтовых волокон и битумного связующего;
- определенаоптимальная рецептура битумных звукоизолирующих и вибропоглощающих материаловна основе БВ;
- доказаноиспытаниями в лабораториях АвтоВАЗа и ОАО «Балаковорезинотехника» повышениеакустических и прочностных характеристик разработанных материалов в сравнениисо стандартными. Так в диапазоне частот 400-800 Гц способность к звукоизоляциипревышает в 1,5-2 раза, в остальном диапазоне преимущественно на 2-5 Дб.
- доказанаэффективность замены асбеста на базальтовые волокна в разработанныхвибропоглощающих и звукоизолирующих материалах. При этом в производственныхусловиях доказано сохранение высоких термостойких свойств материала вотсутствии канцерогенного асбеста;
- установлено, чтопри меньшей массе резино-битумный материал на основе базальтовых волоконобладает более высокой прочностью при растяжении и более высоким относительнымудлинением при разрыве, что положительно влияет на процесс формованиямногослойных шумоизолирующих изделий для автомобилей;
Практическаязначимость работысостоит в том, что
- разработанытехнология производства эффективных вибропоглощающих и звукоизолирующихкомпозиционных материалов с применением базальтовой ваты;
- доказано, чтоотходы базальтовой ваты являются ценным компонентом для изготовления шумопонижающихматериалов.
- выпущеныопытно-промышленные партии композиционных материалов на ЗАО «Химформ», которыесоответствуют требованиям, предъявляемым к вибропоглощающим и звукоизолирующимматериалам.
На защиту выносятся следующиеосновные положения:
- результатыисследования эффективности использования базальтовой ваты для замены асбеста ирегулирования свойств получаемых вибропоглощающих и звукоизолирующих материалов;
- эффективность модификациибазальтовой ваты на свойства звукоизолирующих и вибропоглощающих материалов;
- результатыкомплексных исследований по влиянию базальтовой ваты на структуру и свойствашумопонижающих материалов.
Апробациярезультатов 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, 1положительное решение, 1 статья в центральной печати, ОТРЕДАКТИРОВАТЬ!!!
Структураи объем диссертации.Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, методическойчасти 6 глав, выводов, списка библиографических источников. Работа изложена на__ страницах, включает __ рисунков, __ таблиц и __ приложений.
Авторвыражает глубокую благодарность научному консультанту кандидату техническихнаук, доценту Балаковского института техники, технологии и управления СГТУСиницыной И.Н. за участие в исследованиях и помощь в работе над диссертацией.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введениесодержит обоснование актуальности темы, цели и задачи исследований, научнуюновизну и практическую значимость работы.Глава 1. Литературный обзор
Содержитанализ современного состояния проблемы использования базальтовых наполнителей иполимерных композиционных материалов на их основе. Проведен анализ литературы,отражающий развитие и современное состояние проблемы создания шумопонижающихматериалов. Проанализированы литературные данные об используемых компонентах исредствах достижения эффективности шумопонижения. На основании проведенногоанализа подтверждена необходимость замены канцерогенного асбеста в составешумопонижающих материалов и актуальность создания новых эффективных материаловс высокими эксплуатационными свойствами
Глава 2. Объекты и методы исследования
Привыполнении исследований использовались следующие материалы со следующимхимическим составом: смола «Политер» по ТУ 2451-012-00149452-99;ди-(2-этилгексил)-фталата по ГОСТ 8728-88; мел МТД-Б по ТУ5743-114-00149289-2000 микросферы полые по ТУ 5717-37-00284351-20002; смоластирольно-инденовая по ТУ 14-6-89-73; слюда марки СДФ по ГОСТ 19571-74; слюдафлогопит молотая для металлургической промышленности СМФФ-160 по ТУ21-25-241-80; микроволластонит фракционированный (МИВОЛЛ) м. 03-97 по ТУ5777-006-40705684-2003; каучук синтетический бутадиен-стирольный СКС-30АРКМ-15по ГОСТ 11138-78; сополимер этилена с винилацетатом «Сэвилен» по ТУ6-05-1636-97; кондиционная базальтовая вата ТУ 21-23-247-88; некондиционнаябазальтовая вата, длительно использовавшаяся в качестве теплоизоляции реакторовазотно-кислородной станции ОАО «Саратоворгсинтез»; битум нефтяной «Пластбит II» по ТУ 38 101580-75; асбест хризотиловый по ГОСТ 12871-93.
Исследованияпроводились с применением комплекса современных независимых и взаимодополняющихметодов: ИК-спектроскопии, рентгенографического анализа (РГА), термогравиметрическогоанализа (ТГА), газовой хроматографии (ГХ), стандартных методов испытанийтехнологических параметров и физико-механических свойств разрабатываемых ПКМ.
Экспериментальнаячасть работы
Глава 3. Модификация битумных и резино-битумных материалов базальтовымиволокнами с целью повышения комплекса физико-механических и акустическихсвойств вибропоглощающих шумопонижающих материалов
3.1 Исследование влияния базальтовых волокон на свойствабитумных вибропоглощающих и резино-битумных звукоизолирующих композиций
Основнымизадачами при решении проблемы создания битумных композиционных материалов наоснове базальтовых волокон являются улучшение их вибропоглощающих,звукоизолирующих и прочностных свойств с одновременным снижением массы, и исключениеиз рецептуры канцерогенного асбеста с сохранением высоких термостойких свойствматериала. В качестве контрольных образцов использовались широко применяемыесерийные 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%.
Свойствакомпозиции определяются как количественным соотношением, так и свойствамиотдельных составляющих. Базальтовая вата используется в качестветеплоизоляционного материала в азотно-кислородных установках, атомных станциях,магистральных теплопроводах и др. После истечения срока эксплуатациинекондиционная (отработанная) вата вывозится на свалку. Поэтому использованиетакой ваты, наряду с кондиционной, при разработке вибропоглощающих битумных извукоизолирующих резино-битумных материалов является перспективнымнаправлением.
С этой целью изготовленыи исследованы образцы звукоизолирующей резино-битумной композиции по ТУ38.105.1619-87 с различным процентным содержанием некондиционной базальтовойваты, заменяющей асбест (табл.1, 2).
Таблица1
Составырезино-битумных звукоизолирующих композиций
Наименование
компонента 1 2 3 4 5 6 Массовые доли, %
Битум (марка
«Пластбит2») 17,0 19,0 20,0 20,0 21,0 23,0 Сэвилен м. 11306-075 1,0 1,0 1,0 1,0 2,0 1,0 Дибутилфталат 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Мел (марка МТД-Б) 65,0 64,0 63,0 65,0 63,0 62,0 Бутадиен-сти-рольный каучук 8,0 8,0 10,0 8,0 8,0 8,0 Вата базальтовая (некондиц) 8,0 7,0 5,0 5,0 5,0 5,0
Повнешнему виду полученная смесь технологична, пластична, волокна равномернораспределены по всему объему замеса, материал легко каландруется. Прииспользовании кондиционной базальтовой ваты для изготовления битумныхкомпозиций не достигается равномерное распределение в объеме смеси и врезультате получается неоднородный материал. Для достижения равномерностираспределения волокон в смеси необходимо увеличивать продолжительностьперемешивания и проводить дополнительную подготовку кондиционной ваты путем еёразволокнения. При этом, как видно из таблицы 2, физико-механические показателирезинобитумных материалов на основе некондиционной ваты не ухудшаются. Это ранеебыло доказано и для базальтопластиков.
Таблица2
Физико-механическиесвойства резинобитумных материалов на основе кондиционной и некондиционной базальтовойваты
Базальтовая
вата
Условная прочность при растяжении, кгс/см2 Относительное удлинение при разрыве, %
Плотность, кг/м3 в продольном направлении в поперечном направлении в продольном направлении в поперечном направлении Кондиционная 3,50 2,9 71,0 77,0 1415 Некондиционная 3,65 2,7 70,0 76,0 1406
Примечание:содержание базальтовой ваты: 8%.
Изтабл. 3 видно, что из шести отработанных композиций наиболее соответствуюттребованиям ТУ по способности к звукоизоляции первые три, содержаниенекондиционной базальтовой ваты в которых составляет 5-8%. Первая композициянаиболее интересна, так как при наименьшей плотности 1406 кг/м3 материалобладает практически максимальной способностью к звукоизоляции. Серийныематериалы при плотности материала менее 1550 кг/м³ не обеспечиваюттребуемой звукоизоляции, поэтому в технических условиях требование к плотностиматериала одно из самых определяющих.
Таблица3Физико-механическиехарактеристики резино-битумных звукоизолирующих композиций на основенекондиционных базальтовых волокон.
Физико-механические
показатели
Технические условия, ТУ
38.105.1619-87 Состав 1 2 3 4 5 6
Плотность, кг/м3, не менее 1550 1406 1489 1550 1580,0 1548,0 1536,0
Способность к звукоизоляции, Дб, не менее, при частоте Гц
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
5
6
10
12
16
18
22
30
29
29
35
40
48
8,2
12,4
17,8
23,0
24,5
29,3
36,7
43,8
36,7
34,2
41,5
43,5
48,6
8,4
12,5
17,9
23,1
24,3
29,3
35,8
42,9
36,8
33,6
41,3
43,4
46,6
9,6
13,3
18,5
23,5
24,2
29,4
34,9
42,9
34,1
33,7
41,4
41,9
48,4
9,7
13,2
18,6
23,6
24,8
29,6
34,3
43,1
34,2
33,2
42,3
42,1
45,2
9,2
12,8
17,2
21,3
22,2
23,6
31,2
38,6
36,9
29,8
34,5
34,6
36,1
6,6
12,1
15,4
19,4
20,3
20,9
29,4
33,6
31,4
28,5
29,6
29,9
30,2
Преимущество первых трех композиций доказывает и зависимость условнойпрочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве в продольном ипоперечном направлениях для испытанных составов резинобитумных материалов. Принормах условной прочности при растяжении не менее 3,0 и 2,0 кгс/см² иотносительного удлинения при разрыве – не менее 60 и 65% в продольном ипоперечном направлениях, разработанные материалы обладают условной прочностью3,0 –3,8 и 2,0-2,8 кгс/см², относительным удлинением 70-89 и 76-91%.
/> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Рис.1.Зависимость условной Рис. 2. Зависимость относительного
прочностипри растяжении удлинения при разрыве
Анализируяполученные результаты определено оптимальное содержание некондиционнойбазальтовой ваты при изготовлении композиций для резинобитумныхзвукоизолирующих материалов – 5-8%.
Вкачестве битумного вибропоглощающего материала по ТУ38.105-15-40-84 изготовленыи исследованы образцы на основе некондиционной базальтовой ваты вместо асбеста(табл. 3,4). Анализируя физико-механические характеристики разработанныхматериалов видно, что лучшими характеристиками обладают композиции 4-7,содержание некондиционной базальтовой ваты в которых 6-10%. Данные образцыобладают высокой термостойкостью в отсутствии асбеста, масса 1 м² материалов находится в интервале 3,2-3,5 кг, а коэффициент потерь колебательной энергии на частоте (200±5) Гц при Т= 20 и40ºС не уступаетсерийно изготавливаемой продукции 0,1 и 0,18.
Данныетабл. 3-4 свидетельствуют, что для решения задач улучшения вибропоглощающих итехнологических характеристик, снижения массы разрабатываемых материалов,сокращения времени изготовления битумной смеси и в конечном итоге времениизготовления готового материала была отработана другая битумнаявибропоглощающая композиция (Таблица 5,6), в состав которой дополнительно быливведены слюда марки СДФпо ГОСТ 19571-74; слюда флогопит молотая для металлургической промышленностиСМФФ-160 по ТУ 21-25-241-80; микроволластонит фракционированный (МИВОЛЛ) м.03-97 по ТУ 5777-006-40705684-2003. Это позволило сократить на 25% времяизготовления битумной смеси, сохранить термостойкость и коэффициент потерьматериала при значительно меньшей массе 1 м² — 2,7-3,2 кг. Оптимальное содержание некондиционной базальтовой ваты в даннойкомпозиции составляет 5-7%. Таблица 3
Составыбитумных вибропоглощающих композиций
Наименование
компонента 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Битум (марка
«Пластбит II») 22,0 23,0 24,0 24,0 24,0 24,0 24,0 26,0 27,0 28,0 Смола (марка «Политер» ) 6,0 8,0 9,0 9,0 9,0 9,0 9,0 10,0 10,0 11,0 Ди-(2-этилгексил)-фталат 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 Мел (марка МТД-Б) 48.0 45,0 44,0 42,0 40,0 38,0 40,0 36,0 35,0 34,0 Микросферы 20,0 19,0 18,0 17,0 17,0 17,0 15,0 16,0 16,0 15,0 Некондиц. базальтов. ваты 2,0 3,0 3,0 6,0 8,0 10,0 10,0 10,0 10,0 10,0