CC BY
87
УДК 668.395:006.354
Д.Н. Муромцев, С.Я. Пичхидзе ОЦЕНКА ВИБРОДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ МАСТИКИ НА ОСНОВЕ ЭТИЛЕНПРОПИЛЕНОВОГО КАУЧУКА
Проведена сравнительная оценка свойств мастичных материалов с разным содержанием этиленпропиленового каучука и бутилкаучука. Изучено влияние эти-
ленпропиленового каучука и вермикулита на основные свойства мастичного материала. Разработан способ прогнозирования демпфирующих свойств материала при помощи тангенса угла механических потерь, полученным на RPA2000.
Вибродемпфирование, тангенс угла механических потерь, мастика, этиленпропиленовый каучук, вермикулит
D.N. Muromtsev, S.Ya. Pichhidze EVALUATION OF VIBRATION DAMPING PROPERTIES BASED ON MASTIC EPDM
The article covers the comparative evaluation of the properties of mastic materials with different content of ethylene-propylene rubber and butyl rubber. It shows the study of the effect of ethylene-propylene rubber and vermiculite on the basic properties of mastic material. The method for predicting the damping properties of the material with the mechanical loss tangent obtained on RPA2000 was developed.
Vibration damping, the tangent of the angle of mechanical losses, mastic, EPDM, vermiculite
Развитие техники, связанное с увеличением скоростей и мощностей машин и механизмов, привело к значительному возрастанию вредных шумов и вибраций, понижающих надежность работы механизмов, ухудшающих условия труда. Одним из основных способов эффективного снижения вредных шумов и вибраций является применение в конструкциях, подверженных воздействию динамических нагрузок, материалов с высокими вибропоглощающими свойствами. Широкое применение находят два основных средства вибропоглощения: вибропоглощающие покрытия и вибропоглощающие конструкционные материалы. Вибропоглощающие покрытия наносят на готовые конструкции для увеличения в них потерь энергии при периодических деформациях. Из вибропоглощающих конструкционных материалов можно изготовлять конструкции, обладающие высокими диссипативными свойствами и при отсутствии специальных покрытий. Эффективность вибропоглощающих средств зависит от демпфирующих свойств применяемых в них материалов. Многолетний опыт борьбы с шумами и вибрациями показал, что наиболее эффективными вибропоглощающими материалами являются полимерные композиционные материалы с дисперсными наполнителями [1].
Цель работы заключалась в прогнозировании демпфирующих свойств композиционных материалов на основе этиленпропиленового каучука при помощи анализатора перерабатываемости резин RPA2000 и создание вибродемпфирующего материала, обладающего улучшенными эксплуатационными характеристиками.
В качестве объекта исследования были взяты полимерные самоклеящиеся материалы (мастики) на основе СКЭПТ-50 (ТУ 2294-022-05766801-2002), БК-1675Н (ТУ 2294-021-48158319-2001) и их комбинации, в том числе с добавлением минерала из группы природных гидрослюд - вермикулита (ГОСТ 12865-67) с размером частиц менее 0,16 мм, имеющих слоистую структуру.
Экспериментальная часть
Изготовление модельных смесей осуществлялось в специальной камере с использованием приводной станции фирмы «Brabender» при скорости вращения роторов 40 об/мин, температуре смешения 130 °С в течение 1,5 часа. Изготовление мастики с добавлением вермикулита осуществлялось при режиме смешения: 70 об/мин, 100 °С, 1 час.
Исследования вибродемпфирующих свойств (определение коэффициента потерь) проводились на образцах толщиной 2 мм с использованием стендовой измерительной установки «Оберст» [2] при частоте 200 Гц и температуре 20 °С.
Для оценки упруго-деформационных свойств исследуемых мастик применялся анализатор перерабатываемости резин RPA2000 [3]. В качестве оценочных показателей были приняты модуль потерь (G”) и тангенс угла механических потерь (tgS), определяемые в области деформации сдвига 5 % (0,36 degrees) при частоте 1 Гц и температуре 30 °С.
Далее проводилось исследование по разработке экспресс-метода прогнозирования вибродемпфирующих свойств мастик, основываясь на результатах определения тангенса угла механических потерь и модуля потерь.
Термостойкость образцов осуществляли в сушильном шкафу при температуре 90±3 °С. Для этого испытуемый образец размерами 50*70*2 мм укладывали на металлическую загрунтованную пластину размером 200*250 мм из стали марки 08Ю (ГОСТ 9045-93), затем прикатывали валиком массой 2 кг десятикратно. Далее устанавливали стальную пластину с образцом в сушильный шкаф в вертикальном положении на 24 часа. Затем охлаждали в вертикальном положении при температуре 20±3 °С не менее 1 часа. После термостатирования и охлаждения оценивали смещение образца от контрольной черты (исходного положения).
Для оценки стойкости образцов к низкой температуре при минус (-40±3) °С испытуемые образцы с размерами 50*70*2 мм укладывали на металлическую загрунтованную пластину размером 200*250 мм из стали марки 08Ю. Затем прикатывали валиком массой 2 кг десятикратно, после чего помещали образец в холодильную камеру КМД-0,25 в горизонтальном положении на 24 часа. По истечении заданного времени образец вынимали из камеры и бросали с высоты 0,5 м металлической поверхностью вниз. После удара образец выдерживали при температуре (23±3) °С в течение 1 часа и визуально оценивали наличие или отсутствие отслаивания от пластины, трещин и изломов по ТУ 2549-143-00149289-2008.
Прочность связи прокладок с металлом при отслаивании осуществляли на разрывной машине Zwick, оснащенной приспособлением для закрепления образца под углом (45±2)° и скоростью движения подвижного зажима 50 мм/мин. Испытуемый образец укладывали на металлическую загрунтованную пластину из стали марки 08Ю. Затем прикатывали валиком массой 2 кг десятикратно, после чего образец выдерживали в горизонтальном положении при температуре (23±3) °С в течение 4 часов.
Обсуждение результатов
Как видно из представленных экспериментальных данных в табл. 1, образец мастики №1 на основе БК-1675Н имеет меньшую термостойкость по сравнению с мастикой на основе СКЭПТ-50, образец №2.
Оба образца обладают неудовлетворительной стойкостью к низкой температуре. Мастика на основе СКЭПТ-50 обладает наименьшей прочностью связи с металлом. Исходя из полученных данных, целесообразна дальнейшая проработка опытных образцов мастики на повышение стойкости к низкой и высокой температурам.
Для решения данной задачи были приготовлены мастики со следующими соотношениями бутилка-учука с этиленпропиленовым каучуком: 1: 1 (образец 3); 1:2 (образец 4); 2:1 (образец 5), соответственно.
Как видно из табл. 1, мастики на основе смеси 2 каучуков обладают лучшими свойствами в сравнении с индивидуальными аналогами.
Добавление СКЭПТ-50 к БК-1675Н улучшает стойкость мастики к низкой и высокой температурам. Образец мастики №4 обладает наиболее лучшим комплексом свойств при соотношении ка-учуков 1:2 (БК-1675Н: СКЭПТ-50), что позволяет применять данную мастику в расширенном температурном интервале.
Основным недостатком полученной мастики на основе БК-1675Н и СКЭПТ-50 (в соотношении 1:2) является неудовлетворительная вибродемпфирующая способность, таблица 1. Для устранения этого недостатка на следующем этапе работ была проведена модификация мастики введением в нее наполнителя вермикулита.
Из результатов, представленных в табл. 2, видно, что введение вермикулита в дозировке до 10 мас.ч. позволяет повысить вибродемпфирующие свойства материала в 2 раза без потери таких свойств, как стойкость к низкой температуре, термостойкость, а также сохранить в соответствии с требованиями ТУ прочность связи с металлом (не менее 300 Н/м).
Введение вермикулита в дозировках свыше 15 масс.ч. негативно влияет на комплекс физикомеханических свойств, поэтому применение вермикулита в дозировках свыше 15 масс.ч. нецелесообразно, табл. 2.
Наряду с основными испытаниями мастики, предложен способ оценки вибродемпфирующих свойств через модуль потерь (G”) и тангенс угла механических потерь (tgS), определяемых на приборе RPA2000. Из табл. 2 видно, что изменение коэффициента потерь, определяемого на установке «Оберст», удовлетворительно коррелирует с тангенсом угла механических потерь и модулем потерь, определяемых на RPA2000.
Из результатов, представленных на рис. 1 и 2, видно, что наиболее лучшую взаимосвязь результатов показывает пара: коэффициент потерь и тангенс угла механических потерь. Также по тан-
генсу потерь механических потерь ^5) удобнее проводить корреляцию состава, т.к. он более чувствителен, диапазон изменений шире более чем в 2 раза по сравнению с модулем потерь (О”).
Таблица 1
Результаты испытаний опытных образцов мастики
№ п/п Наименование показателей Образцы мастики
№1 №2 №3 №4 №5
1 Термостойкость при (90±3) °С в течение 24 часа смещение 3 мм смещений нет смещение 1 мм смещений нет смещение 2 мм
2 Прочность связи прокладок с металлом при отслаивании при (23±3) °С в течение 4 часов, Н/м 480 410 460 450 470
3 Стойкость к низкой температуре при минус (40±3) °С в течение 24 часов частичное отслоение от панели отслоение от панели частичное отслоение от панели соответствует частичное отслоение от панели
4 Коэффициент потерь при температуре 20 °С и частоте 200 Гц 0,03 0,04 0,04 0,04 0,05
5 Модуль потерь (при t=30 °С и частоте 1 Г ц), О”, кПа 153,74 153,79 155,56 154,07 156,74
6 Тангенс угла механических потерь (при t=30 °С и частоте 1 Гц), tg5 0,638 0,641 0,640 0,639 0,641
Таблица 2
Результаты основных свойств опытных образцов мастики с добавлением вермикулита
№ Наименование показателей Содержание вермикулита (мас.ч.)
п/п 0 5 10 15 20
1 Термостойкость при (90±3) °С в течение 24 часа смещений нет смещений нет смещений нет смещение 2 мм смещение 3 мм
2 Прочность связи прокладок с металлом при отслаивании при (23±3) °С в течение 4 часов, Н/м 450 450 430 410 400
3 Стойкость к низкой температуре при минус (40±3)°С в течение 24 часов соотв-ет соотв-ет соотв-ет частичное отслоение от панели частичное отслоение от панели
4 Коэффициент потерь при температуре 20 °С и частоте 200 Г ц 0,06 0,09 0,12 0,16 0,19
5 Модуль потерь (при t=30 °С и частоте 1 Гц), О”, кПа 190,07 192,43 194,01 195,33 205,15
6 Тангенс угла механических потерь (при t=30 °С и частоте 1 Гц), tg5 0,643 0,789 0,987 1,301 1,617
Выводы
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Установлено влияние этиленпропиленового каучука на свойства получаемого самоклеющегося мастичного материала. Получены образцы мастики с расширенным температурным интервалом применения и улучшенными вибродемпфирующими свойствами.
2. Разработан метод прогнозирования вибродемпфирующих свойств на КРА2000. Показана взаимосвязь тангенса угла механических потерь, полученного на КРА2000, с коэффициентом потерь, определяемым на установке «Оберст».
Тангенс угла механических потерь !дб, усл.ед.
Рис. 1. Взаимосвязь коэффициента потерь и тангенса угла механических потерь ^дб)
Модуль потерь О”, кПа
Рис. 2. Взаимосвязь коэффициента потерь и модуля потерь (О”, кПа)
ЛИТЕРАТУРА
1. Bares R.A. Relationship between geometric and physical structure and properties of granular composites / R.A. Bares // J. Mater. Sci. 1985. Vol. 20. № 2. P. 471-481.
2. ASTM E756-04 «Standard Test Method for Measuring Vibration-Damping Properties of Materials».
3. ASTM D6204-04 «Standard Test Method for Rubber-Measurement of Unvulcanized Rheological Properties Using Rotorless Shear Rheometers».
4. Чернышев В.М. Демпфирование колебаний механических систем покрытиями из полимерных материалов / В.М. Чернышев; под ред. А.А. Гусарова. М.: Наука, 2004. 288 с.
Пичхидзе Сергей Яковлевич -
кандидат химических наук, доцент кафедры «Биотехнические и медицинские аппараты и системы» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Муромцев Денис Николаевич -
ведущий инженер-технолог
ОАО «Балаковорезинотехника», г. Балаково
Sergei Ya. Pichhidze -
Ph. D., Associate Professor
Senior Researcher: Department of Biotechnical
and Medical Devices and Systems,
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Denis N. Muromtsev -
Leading Engineer
JSC «Balakovorezinotehknika», Balakovo
Статья поступила в редакцию 15.03.13, принята к опубликованию 20.05.13
