УДК 691

Методы регулирования вибропоглощающих свойств полимерных материалов

Шеянов Дмитрий Александрович – аспирант Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарёва

Аннотация. В промышленности широко применяются полимерные композиции для получения изделий и деталей, подвергающихся воздействию вибрационных, ударных и других нагрузок, циклическим изменениям температуры. Они нашли широкое применение в качестве вставок для снижения передачи вибраций от вентиляционных систем, инженерных коммуникаций, промышленного оборудования на несущие и ограждающие конструкции зданий и т. д. Получение качественных изделий связано с решением сложной технологической задачи с большим количеством факторов, существенно влияющих на результат.

В связи с этим возрастают требования к технологическим характеристикам полимерных композиций и эксплуатационным свойствам готовых вибропоглощающих изделий. Важным является изучение и учет ряда рецептурно-технологических факторов, оказывающих существенное влияние на получение изделий с хорошими вибропоглащающими характеристиками.

Конечный продукт должен удовлетворять следующим требованиям: широкий температурно-частотного диапазон эффективной работы, пенетрация, адгезия к рабочей поверхности, нетоксичность, огнестойкость, стойкость к воздействию агрессивной внешней среды, износостойкость и др.

Ключевые слова: полимерные вибропоглощающие покрытия, вибродемпфирование.

Способы регулирования свойств полимерных материалов

Существует различные способы регулирования свойств полимерных материалов для получения покрытий, удовлетворяющих предъявляемым эксплуатационным требованиям:

Выбор оптимальной структуры полимерной матрицы

Теоретические исследования показывают, что демпфирующие свойства вибропоглощающего покрытия зависят от свойств вязкоупругого слоя. Демпфирующие свойства вязкоупругого слоя, в свою очередь, определяются свойствами полимерной матрицы. Полимерные вяжущие для вязкоупругого слоя должны отличаться рядом особенностей: они должны иметь хорошую адгезию, обеспечивать получение постоянно вязкой мастики. Температура стеклования должна быть в определенном диапазоне рабочих температур материала. Высокая стойкость к агрессивным средам также важна, особенно для отверждаемых материалов, так как это обеспечивает прочность образуемого покрытия.

Подбор эффективного наполнителя

Применение добавок наполнителей широко распространено в промышленности и является наиболее эффективным методом для целенаправленного изменения свойств полимеров. Наполнение полимеров позволяет улучшить показатели их механической прочности, жесткости, химической стойкости, теплостойкости и диэлектрических свойств. Суть наполнения полимеров заключается в сочетании их с другими твердыми или газообразными веществами. Наполнители равномерно распределяются в полимерной матрице и имеют четкую границу с непрерывной полимерной фазой. Для получения наполненных полимерных композиций применяют различные формы наполнителей, такие как сферические частицы (стеклянные микросферы, зола), зернистые (сажа, кремнезем, древесная мука), пластинчатые (тальк, графит, слюда), игольчатые (оксиды, соли, силикаты) и волокнистые (хлопок, стекловолокно, асбест, целлюлоза). Наполнители классифицируются по химическому составу, включая органические (сажа, графит, целлюлоза, древесная мука), минеральные (каолин, кварц, асбест, оксиды металлов, мел, известняк) и металлические (цинковая пыль, железный и медный порошок).

В статье [1] авторы изучали, как наполнитель и его форма влияют на диссипативные свойства мастик. Они установили, что материалы с чешуйчатыми и волокнистыми наполнителями обладают наибольшими вибропоглощающими свойствами. Примеры чешуйчатых наполнителей включают слюду, каолин, графит, стеклянные чешуйки и алюминиевую пудру. Эластомеры и другие полимеры с чешуйками обычно имеют повышенные диссипативные свойства. Это, вероятно, связано с трением между слоями чешуек в процессе деформирования полимерного материала. В случае волокнистых наполнителей, важными параметрами являются плотность и шероховатость поверхности частицы, добавляемых в полимерную матрицу.

В другой статье [2] авторы сообщают о своих исследованиях, в которых они обнаружили, что гладкие волокна, такие как полиамид и полиэфир, несущественно повышают модуль упругости и коэффициент потерь полимерных композиционных материалов. Более эффективными оказываются волокна с шершавой поверхностью, такие как углеродные и льняные, особенно если они имеют низкую плотность. Они значительно укрепляют композит и улучшают его демпфирующие свойства

Подбор оптимального количества наполнителя

В зависимости от наполнителя полимерные композиционные материалы можно подразделить на малонаполненные и высоконаполненные. В первом случае частицы наполнителя находятся на некотором расстоянии друг от друга и не влияют друг на друга. В таких материалах наполнители слабо воздействуют на свойства материала (содержание наполнителя 0–0,35 об. %). При увеличении содержания наполнителя отдельные частицы начинают приближаться друг к другу, и их поверхностные слои начинают взаимодействовать друг с другом, формируя пленочную структуру матрицы в зазорах, что приводит к увеличению прочности по сравнению со структурой объемной матрицы. Это происходит за счет уменьшения подвижности полимера вокруг частицы наполнителя [7].

Выбор наполнителя по степени активности

В зависимости от их воздействия на свойства полимеров, наполнители условно классифицируются как активные или инертные (неактивные) [8, 9, 10]. Оценку активности наполнителя можно проводить ориентировочно по удельной поверхности (Sуд) [10]:

  • Sуд < 10 м2/г – наполнитель инертный;
  • 10 м2/г < Sуд < 60 м2/г – наполнитель полуактивный;
  • Sуд > 60 м2/г – наполнитель активный.

Минеральные наполнители, за счет своего сложного химического состава, в том числе поверхности, оказывают влияние на взаимодействие с полимером. Используется комплексная оценка с учетом pH водной вытяжки наполнителя [9], так как определить степень влияния каждого активного центра поверхности довольно сложно.

Однако окончательную оценку активности наполнителей в конкретной области можно сделать только экспериментально. Активность наполнителя следует учитывать при создании вибропоглощающих композитов, поскольку активная поверхность изменяет полимерную матрицу, ответственную за основные виброакустические характеристики. При использовании инертных наполнителей характеристики композиционных материалов в области виброакустики будут определяться только свойствами исходного полимера.

Однако основное влияние наполнителя при его введении в полимер заключается в том, что из-за высокой степени адгезии к полимеру часть полимера переходит в фейзонные слои, прямо взаимодействующие с поверхностью частиц наполнителя. В результате образуется квазитвердотельная фаза с пленочной матрицей, у которой свойства отличаются от свойств полимерной матрицы в целом [7].

Использование комбинированного слоистого материала, состоящего из различных слоев

В исследованиях Б. К. Накра, А. Нашифа и других [3, 5, 6] было установлено, что использование демпфирующих материалов, содержащих различные полимерные слои, расширяет диапазон температуры для их применения и повышает эффективность вибропоглощения при использовании слоистых структур.

Кроме того, можно отметить, что комбинация материалов не только из полимера с полимером, но также металла с полимером позволяет создать вибропоглощающие материалы, которые имеют высокий потенциал применения в промышленности.

Определение эффективной толщины межфазного слоя

Поверхностный слой полимера обладает более высокой жесткостью, кристалличностью и плотностью по сравнению с объемной фазой. Согласно работе И. М. Лифшица [11], его можно рассматривать как "кристаллоподобный", в то время как полимерную матрицу в массиве можно охарактеризовать как "жидкоподобную". Этот слой полимера, адсорбированный на твердой поверхности, обычно называют граничным или межфазным, и его влияние настолько существенно, что материал рассматривается как система из трех компонентов: полимерная матрица, наполнитель, граничный или межфазный слой [12].

Основной характеристикой межфазного слоя является его толщина. Увеличение толщины межфазного слоя до определенной степени практически не влияет на коэффициент потерь, модуль упругости и прочность композитного материала [13]. Дальнейшее увеличение толщины межфазного слоя может привести к резкому увеличению коэффициента потерь и снижению модуля упругости и прочности материала [13]. Поэтому толщину межфазного слоя следует определять с учетом эффективности поглощения вибрации и достаточной прочности композиционного материала.

Подбор компонентов для оптимального вязкоупругого поведения материала в зависимости от требуемой температуры и частоты напряжения

Полимеры отличаются от других материалов своей способностью проявлять выраженное вязкоупругое поведение, что позволяет им эффективно поглощать и рассеивать энергию вибраций. В работах А. Нашифа [3] и Л. Нильсена [4] молекулярный механизм поглощения и распространения колебаний в полимерах объясняется с помощью существующей теории релаксации. Релаксация материала происходит вследствие изменений в молекулярной структуре. В релаксирующей среде, подвергнутой постоянной деформации, напряжение постепенно снижается, что приводит к его рассеиванию в виде тепла. Основой этого процесса является переход системы к состоянию термодинамического равновесия после снятия внешней нагрузки. Однако способность к релаксации, а следовательно, и к вибропоглощению, сильно различается у разных полимеров.

Заключение

Автором был произведен анализ методов регулирования вибропоглащающих свойств полимерных материалов. Выявлены критерии, оказывающие непосредственное влияние на регулирование этих свойств.

Список литературы

  1. Г. М. Авилов [и др.] Новые вибропоглощающие мастики для автомобильной промышленности // Колебания, излучение и демпфирование упругих структур. М. : Наука – 1973. – С. 223–228.
  2. Н. А. Милонова [и др.] Применение полимерных волокон для регулирования вибропоглощающих свойств композиционных материалов / // Известия вузов. Химия и химическая технология. – 2003. – Т. 46, вып. 1. – С. 74–76.
  3. Дж. Хендерсон, А. Нашиф, Д. Джоунс. Демпфирование колебаний. М.: Мир, 1989. — 448 с.
  4. Нильсон Лоуренс Е. Механические свойства полимеров и полимерных композиций. Москва, Химия, 1978. - 310 с.
  5. Nakra, B. C. Vibration control in machines and structures using viscoelastic damping // Journal of Sound and Vibration. – 1998. – Vol. 211. – P. 449 – 465.
  6. E. Sarlin, Y. Liu, M. Vippola et al. Vibration damping properties of steel/rubber/composite hybrid structures // Composite structures. – 2012.
  7. В. И. Соломатов, А. Н. Бобрышев, К. Г. Химмлер. Под ред. В. И. Соломатова. Полимерные композиционные материалы в строительстве / – М. : Стройиздат, 1988. – 312 с.
  8. Брык, М. Т. Деструкция наполненных полимеров. – М. : Химия, 1989. – 190 с.
  9. Соломко, В. П. Наполненные кристаллизующиеся полимеры. – Киев: Наук. думка, 1980. – 265 с.
  10. L. Nushak, P. Lytin, В. Bachiany. Light filler for polymer // Gumml-Asbast-Kunstoffe. – 1984. – Vol. 42. (N. 11). – P. 584–592, Vol. 94 – P. 3327–3335.
  11. И. М. Лифшиц, А. Ю. Гросберг, А. Р. Хохлов. Объемные взаимодействия в статистической физике полимерной макромолекулы / // УФН. – 1979. – №3. – С. 353–375.
  12. Липатов, Ю. С. Физическая химия наполненных полимеров. – М.: Химия, 1977. – 304 с.
  13. Черкасов, В. Д. Строительные композиты с повышенными вибропоглощающими свойствами : дис. д-ра техн. наук : 05.23.05 – М., 1995. – 332 с.
  14. Авдонин, В. В. Вибропоглощающие композитные покрытия : дис. на соиск. ученой ст. к.т.н. – Саранск, 2015. – 123 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими: