Реферат: Исследование и разработка технологии шумопонижающих материалов различного функционального назначения
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.
--PAGE_BREAK--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
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
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
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
продолжение--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
42,3
42,1
45,2
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--при Т=40ºС
при Т=20ºС
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--щий
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
16
21
--PAGE_BREAK--800
Битумный материал (асбест 5%)
4
8
16
31
58
66
70
80
358,1
Резинобитумный материал (асбест2%)
3,0
5,0
14
28
45
57
59
69
344,2
Битумный материал (некон. базальтовая вата 10%)
3
5
13
26
50
61
62,5
70
560,0
Битумный материал (кон. базальтовая вата 10%)
3,1
4,8
12,8
25
49,6
60
61
68,2
557,0
Резинобитумный материал (некон. базальтовая вата 8%)
2,9
3,5
11,0
23
39
51
53
66
404
Резинобитумный материал (кон. базальтовая вата 8%)
2,7
3,4
10,4
22,6
38,4
50,1
51,8
64,2
402
Термогравиметрический анализ показал, что введение базальтовых волокон повышает термостойкость битумных композиционных материалов в среднем на 14 %.
Хроматографическое исследование паровой фазы показало (Рис. 7) отсутствие токсических веществ фенольного типа. Детальная расшифровка масс-спектров показала, что представленные ионы принадлежат к гомологическим рядам алаканов, алкенов и алкилбензолов. Происходит выделение вещества с временем удерживания 9,47 мин – предположительно сложный эфир фталевой кислоты.
/>/>
а б
Рис.7 Хроматограмма резинобитумного материала
а – серийный; б – с базальтовой ватой
Рентгенографический анализ композиционной материала показал (Рис.8), что наличие низкоосновных гидросиликатов C-S-H (линии с межплоскостным расстоянием 2,085) Широкое основание пика 3,06 указывает на присутствие гидросиликатов. Образование гидроалюминатных фаз подтверждается пиком 2,48 характерным для четырехкальциевого монокарбонатного гидроалюмината С3CaСO3/>12 Н2O..Анализ рентгенограмм образцов композиционных материалов показал, что они имеют четкие максимумы при углах отражения, которые являются основанием для утверждения, что образовавшиеся фазы являются кристаллическими образованиями. Частицы наполнителей являются центрами кристаллизаций выделяющихся фаз при образовании композиционного материала.
/>
Рис. 8 Рентгенографический анализ битумного материала
Глава 6.Технология и апробация битумных материалов
продолжение--PAGE_BREAK--
Способ получения разработанного резинобитумного звукоизолирующего листового материала включает приготовление битумной композиции в смесителе, куда в разогретый до 150-170ºС битум вводят частями остальные инградиенты, перемешивание в течение 30 минут и каландрование на вальцах в лист.
Предложенный звукоизолирующий листовой материал может использоваться самостоятельно и является звукоизолирующим слоем шумопонижающей слоистой панели, включающей дополнительно слой пористого материала на основе хлопчатобумажных и синтетических волокон, пенополиуретана, полипропилена, базальтовых и других волокон. На поверхность пористого материала может быть нанесен слой декоративного материала.
Способ получения разработанного вибропоглощающего битумного листового материала включает приготовление битумной композиции в смесителе, куда в разогретый до 120 ºС битум вводят частями остальные инградиенты, перемешивание в течение 30 минут и каландрование на вальцах в лист, который совмещают с силиконизированной бумагой .
Предлагаемый битумный вибропоглощающий материал дополнительно может включать лицевой слой из алюминиевой фольги, например марки А-5М (ГОСТ 745), АД 1М (ГОСТ 618) толщиной 100 мкм. Для монтажа на месте применения используется клеевой монтажный слой с постоянной липкостью, например на основе водной акриловой дисперсии, защищенный силиконизированной бумагой или термореактивный клеевой слой на основе, например, сополимера метилакрилата, бутилакрилата и метакриловой кислоты.
Эффективная толщина листа, изготавливаемого из разработанных композиции, составляет 2,0-3,5 мм.
Для использования в производстве битумных и резино-битумных материалов базальтовой ваты необходимо в действующую технологическую схему ввести узел подготовки базальтовой ваты. Соответствует этому назначению имеющаяся на производстве лоскуто-раздирочная машина, которая позволит распушить волокнистую массу и способствовать тем самым равномерному их распределению в смеси.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
Доказана эффективнсть замены канцерогенного асбеста с использованием базальтовой ваты волокон в разработанных битумных и резинобитумныхвибропоглощающих и звукоизолирующих материалах, что является решением важнейшей экологической проблемы.
Разработаны оптимальные рецептура и технологические режимы изготовления битумных звукоизолирующих и вибропоглощающих материалов на основе БВ. Доказано, что при меньшей массе резино-битумный материал на основе базальтовой ваты обладает более высокой прочностью при растяжении и более высоким относительным удлинением при разрыве, что является важным требованием для процесса формования многослойных шумоизолирующих готовых изделий для автомобилей, самолетов и других транспортных средств.
Различными современными методами (ИК-спектроскопия, дифференциально-термический, рентгенографический, хроматографический) анализа установлен механизм взаимодействия базальтовых волокон и битумной смеси, структура и свойства разработанных ПКМ
Методами определения коэффициента потерь и способности к звукоизоляции изучены вибро- и звукоизолирующие свойства разработанных материалов, что позволило сравнивать их с с серийно выпускаемыми промышленностью в настоящее время. Доказано испытаниями в лабораториях АвтоВАЗа и ОАО «Балаковорезинотехника» улучшение акустических и прочностных характеристик материала; 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.
Доказано в производственных условиях сохранение высокой термостойкости разработанных материалов, армированных базальтовыми волокнами без применения канцерогенного асбеста.
Разработаны технологии получения звукоизолирующих и вибропоглощающих ПКМ. Из предложенных композиций на ЗАО «Химформ» выпущены опытные партии звукоизолируюших и вибропоглощающих материалов, которые по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам соответствуют современным требованиям, предъявляемым к данному классу материалов.
Проведено сравнение разработанных шумопонижающих материалов на основе базальтовой ваты с отечественными аналогами с использованием асбеста в количестве 2-5%. Показано, что конждиционная и некондиционная базальтовая вата является эффективным заменителем асбеста, который не только сохраняет термостойкие свойства материалов, но и значительно улучшает их эксплуатационные характеристики.
Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
Литус А.А… Термошумоизолирующий композиционный материал с использованием базальтовых волокон / А.А. Литус, С.Е.Артеменко И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Проблемы прочвности строительных конструкций, математическое моделирование и проектирование. Межвуз. сб. науч. трудов, СГТУ — 2005. — С.210-213.
Литус А.А. Композиционные материалы для автомобильной промышленности / А.А. Литус, С.Е.Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Проблемы прочности, надежности и эффективности. Сборник науч. трудов, посвященный 50-летию БИТТУ. Г. Балаково. — 2007. -С.265-271.
Литус А.А. Исследование физико-механических свойств резинобитумных композитов на основе базальтовой ваты / А.А. Литус, С.Е.Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Композит-2007: Докл. Междунар. конф., г. Саратов. –2007. – С.150-152.
Литус А.А. Композиционные шумопонижающиематериалы с применением базальтовой ваты / А.А. Литус, С.Е.Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Композит-2007: Докл. Междунар. конф., г. Саратов. –2007. – С.281-284.
Литус А.А. Шумопоглощающие и звукоизоляционные материалы на основе базальтовых волокон / А.А. Литус, С.Е.Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Пластические массы. – 2008. — №1. – С.25-27.
Патент 2326142 РФ 2008г. / Виброшумопоглощающий листовой материал // А.А. Литус, С.Е. Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский.
Положительное решение по заявке на патент № 2007105489 / Виброшумопоглощающий звукоизолирующий материал // А.А. Литус, С.Е. Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский.