Применение полимерных волокон для регулирования вибро-поглощающих свойств композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ЛИТЕРАТУРА

1. Полежаев Ю.В., Юревич Ф.Б. Тепловая защита. М.: Энергия. 1976. 392 с.

2. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия. 1978. 480 с.

3. Папков В.С., Слонимский Г.Л. // Высокомолекулярные соединения. 1966. № 1. С. 80.

4. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме. М.: Энергия. 1973. 186 с.

5. Коптелов А.А., Карязов С.В. //Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2002. № 3. С. 62.

6. Коптелов А.А. // Конверсия в машиностроении. 2002. № 4. С. 74.

7. Зеленев Ю.В., Коптелов А.А., Шленский О.Ф. // Пластические массы. 2000. № 10. С. 22.

8. Свойства материалов на основе углерода в интервале температур 50 - 3500 К: Справочник /Под ред. Ануфриева Ю.П. М.: НИИГРАФИТ. 1971. 200 с.

УДК 678.033.2

Н.А.МИЛОНОВА*, Л.Н. МИЗЕРОВСКИЙ**, М.Д. ВОСКУН*, И.А. ОРЛОВА*

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ВОЛОКОН ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВИБРОПОГЛОЩАЮ-ЩИХ СВОЙСТВ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

(*группа компаний «Стандартпласт» г.Иваново, ** Институт химии растворов РАН)

Приводятся данные о влиянии природы (характера поверхности частиц и плотности) и содержания наполнителя на эффективность вибропоглощения и его составляющие композиционных материалов на примере покрытий на основе нефтебитума и волокнистых наполнителей.

Вибропоглощающие материалы представляют собой сложные полимерные структуры, характеризующиеся высокими релаксационными потерями. Потери колебательной энергии за счет процессов релаксации в специально создаваемых вибропоглощающих материалах во много раз превышают потери в обычных материалах. Именно это свойство материалов обеспечивает эффект вибропоглощения, заключающийся в повышении коэффициента потерь исходной конструкции при нанесении на нее вибропоглощающего покрытия. Достигаемое при этом уменьшение амплитуды механических колебаний и, как следствие, излучаемого конструкцией шума, зависит как от динамических характеристик вибропоглощающего покрытия, так и от характеристик самой демпфируемой конструкции. Одним из перспективных направлений в создании высокоэффективных вибро-поглощающих композиционных материалов является введение в них наполнителей. Известно, что с введением наполнителей в полимерную композицию свойства ее изменяются. При этом существенное значение имеют природа наполнителя, форма и размеры его частиц. В этой связи представляло интерес исследование влияния волокнистых наполнителей различной химической природы на вибропоглощающую способность компози-

ционных материалов на основе нефтебитума.

В качестве объекта исследования были выбраны композиции на основе нефтебитума БН 90/10 с температурой максимального вибропоглощения в области 261К, а в качестве наполнителей полиэфирные, полиамидные, углеродные и льняные волокна в виде кнопов длиной 3-4 мм, отличающиеся степенью шероховатости поверхности и плотностью. Нефтебитумы - коллоидная смесь масел, смол и асфальтенов, в которой часть ас-фальтенов находится в виде сетки-каркаса, а часть растворена в смолах и маслах [1, 2]. Кнопы из полиэфирных и полиамидных волокон представляют собой тонкие гладкие волоконца, углеродные (уг-лен) - тонкие волоконца с шершавой поверхностью, а кнопы льна имеют сложную разветвленную структуру. Плотность полиамидных волокон составляет 1,14г/см3, полиэфирных - 1,32г/см3, льняных - 1,5г/см3, углеродных - 1,75 г/см3.

Совмещение компонентов осуществляли в расплаве нефтебитума при 443+10К и постоянном перемешивании. Содержание наполнителя варьировали от 0 до 35 масс.частей (м.ч.) на 100 м.ч. нефтебитума. Полученную массу калибровали на валковой паре в виде пленки толщиной 2+0,1 мм. Для оценки эффективности вибропоглощения определяли коэффициент механических потерь со-

ставного образца (стальная пластина толщиной 1 мм с материалом) при частоте 200+2Гц и температуре 293+2К (погрешность измерения не более 5%).

Из литературы [3, 4] известно, что коэффициент механических потерь составного образца (П12) зависит от свойств материала и демпфируемой пластины:

П12 = П

аХ

3 + 6х + 4х2 +ах3 +а 2Х4

1 + аХ Х 1 + 2ах(2 + 3Х + 2Х2 )+а2х4

(1.1)

>

у

/ и — Е- -

___ <*.- -

т

15 25 35

содержание кнопа на 100 м.ч. нефтебитума

где П12 - коэффициент механических потерь составного образца; ц2 - коэффициент механических потерь материала; а = Е 2 / Е1, где Е2, Е1 - динамические модули вибропоглощающего слоя и демпфируемой пластины соответственно; х= Ь1, где Ь2, Ь1 - толщины материала и демпфируемой пластины, соответственно.

Если учесть, что в нашем случае соотношение толщин материала и демпфируемой пластины является величиной постоянной, равной 2, а динамические модули стали (демпфируемой пластины) и вибропоглощающего слоя имеют порядок 1011 и 108 Па соответственно, то выражение 1.1 упрощается до соотношения:

П12=62П2 Е2 ЕД (1.2)

из которого видно, что при одинаковой толщине материала его эффективность прямопропорцио-нальна произведению коэффициента потерь(п2) на динамический модуль (Е2). Причем динамический модуль характеризует возможность композиции воспринимать колебательную энергию и передавать ее по объему материала, а коэффициент механических потерь показывает сколько энергии система может рассеить (перевести колебательную энергию в тепловую).

Учитывая, что динамический модуль упругости и коэффициент механических потерь определяется составом материала, были изучены их зависимости от содержания и природы волокнистого наполнителя. Данные представлены на рисунках 1 и 2.

Из рисунка 1 видно, что введение гладких полиамидных и полиэфирных волокон до 5 м.ч. не влияет на динамический модуль упругости материала. Увеличение их дозировки до 25 м.ч. сопровождается ростом модуля в 3-4 раза, а далее он остается практичеки постоянным. Наполнение нефтебитума кнопом волокон с шероховатой поверхностью сопровождается непрерывным увеличением модуля упругости композиции до уровня порядка 4-108Па в случае льна и 7,7-108Па в случае волокна углен.

|_углен & лен К' полиамид_* полиэфир |

Рис. 1. Зависимость модуля упругости композиционных материалов на основе нефтебитума БН 90/10 от природы и содержания кнопа.

к *

/ г * \

' -V. % Ч >

ч > ч 1- —VI к-

\ N 1-- - — 1 > ь- — К ' ;

■е-■е-

0 5 15 25 35

содержание кнопа на 100 м.ч. нефтебитума

Р ■ углен ' лен ~ полиамид * полиэфир |

Рис.2. Зависимость коэффициента потерь материала композиционных систем на основе нефтебитума БН 90/10 от природы и содержания кнопа при 293К

Характер изменения динамического модуля упругости свидетельствует о создании в композициях различных структур. В частности, можно полагать, что при введении в нефтебитум кнопов полиамидного или полиэфирного волокна до 5 м.ч. система представляет собой дисперсию волокнистого наполнителя в жидкой фазе. Введение же в систему оптимального количества таких волокон или волокнистых наполнителей с шероховатой поверхностью приводит к обращению фаз и образованию структуры типа жидкая фаза в сетке твердого вещества (наполнителя).

Влияние содержания и природы кнопов на коэффициент механических потерь материала показывает рисунок 2. Видно, что зависимость данного показателя от степени шероховатости поверхности частиц и плотности наполнителя по существу антибатна приведенной на рисунке 1. В частности, введение 5 м. ч. гладких полиэфирных и полиамидных кнопов повышает коэффициент механических потерь материала на 15 и 60% соответственно. Причем, чем меньше плотность наполнителя, тем значительнее повышение данного показателя. Увеличение содержания кнопов полиэфирного и полиамидного волокна в интервале от

7

6

4

2

0

0

5 до 25 м.ч. приводит к снижению коэффициента механических потерь в 2-2,5 раза, но дальнейший рост их концентрации не влияет на данный показатель композиции.

Введение наполнителей с шероховатой поверхностью в количестве до 5 м.ч. сопровождается снижением коэффициента механических потерь для композиций, содержащих льняной кноп на 10%, а углеродный - в 2 раза. При увеличении дозировки указанных наполнителей до 25 м.ч. коэффициент механических потерь материалов остается неизменным, а затем вновь начинает возрастать.

Из приведенных данных следует, что использование наполнителя меньшей плотности как с гладкой, так и с шероховатой поверхностью частиц позволяет получить композицию с большим коэффициентом механических потерь.

Различный характер изменения коэффициента механических потерь для систем, содержащих гладкие волокна и волокна с шероховатой поверхностью, подтверждает выдвинутое выше предположение об образовании в их присутствии композиций с различной структурной организацией.

Сложное влияние концентрации, плотности и характера поверхности волокон на коэффициент механических потерь и модуль упругости материала суммируется в коэффициенте механических потерь составного образца, отражающем эффект вибропоглощения. Полученные зависимости приведены на рисунке 3.

Видно, что в области концентраций волокнистого наполнителя в нефтебитуме от 0 до 35 м.ч. зависимость П12=/(с) для всех исследованных волокон описывается уравнением:

П12= П12°+к-с,

а константа к закономерно возрастает в ряду: полиэфир (гладкое волокно, р= 1,32г/см3) < полиамид (гладкое волокно, р=1,14г/см3) << углен (тонкое шершавое волокно, р=1,75г/см3) < лен (волокно со сложной разветвленной поверхностью, р=1,5г/см3)

таким образом, что композиция, содержащая 35 м. ч. льняного кнопа, имеет эффективность виброзащиты в 5 раз превосходящую битумную пленку аналогичной толщины.

- углен —■— лен---полиамид ---- полиэфир

Рис. 3. Зависимость коэффициента механических потерь составного образца композиционных материалов на основе нефтебитума БН 90/10 от природы и содержания кнопа.

Таким образом, приведенные данные позволяют считать установленным факт антибатного изменения динамического модуля и коэффициента механических потерь нефтебитума при наполнении его короткими волокнами различной химической природы и характера внешней поверхности. На основании результатов исследования можно высказать предположение, что для эффективного повышения виброзащитных свойств таких материалов их следует наполнять волокнами относительно низкой плотности с «шершавой» поверхностью.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Гончаров И.В., Бабичева Т. А., Бодак А.Н. / Некоторые закономерности в составе асфальтенов и смол нефти западной Сибири. Нефтехимия. 1985. №3. С.412-416.

2. Печеный Б.Г. Битумы и битумные композиции. М.: Химия. 1990. 256 с.

3. Иванов Н.И., Никифоров А.С. Основы виброакустики. СПб.: Политехника. 2000. 482 с.

4. Ионов А.В. Средства снижения вибрации и шума на судах. СПб. 2000. 226 с.