Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор. Состояние проблемы 10
1.1 Шумопонижающие композиционные материалы и конструкции 10
1.1.1 Общие сведения о методах борьбы с шумом 10
1.1.2 Общие сведения о шумопонижающих композиционных материалах 17
1.1.3 Уровень развития производства шумопонижающих материалов 28
1.2 Битумные шумопонижающие материалы 32
1.2.1 Битумные звукоизолирующие материалы 32
1.2.2 Битумные вибропоглощающие материалы 37
1.3 Базальтовые волокна 43
1.3.1 Состояние проблемы базальтовых волокон 43
1.3.2 Уровень развития базальтовых волокон в России и за рубежом 47
1.3.3 Производство базальтовых волокон 49
1.3.4 Свойства базальтовых волокон 52
1.3.5 Сферы применение базальтовых волокон 60
Глава 2. Объекты, методики и методы исследования 75
2.1 Объекты исследования 75
2.1.1. Характеристики используемых материалов 75
2.2 Методы исследования 78
2.2.1 Методики испытания по ТУ 78
2.2.2 Метод определения морозостойкости резино-битумного слоя при изгибе 83
2.2.3 Метод определения условной прочности при растяжении относительного удлинения в момент разрыва резино-битумного слоя 84
2.2.4 Метод определения способности к звукоизоляции 85
2.2.5 Метод определения коэффициента потерь 86
2.2.6 Метод термогравиметрического анализа 87
2.2.7 Метод инфракрасной спектроскопии 89
2.2.8 Метод рентгенографического анализа 90
Глава 3. Модификация битумных и резино-битумных материалов базальтовыми волокнами с целью повышения комплекса физико-механических и акустических свойств вибропоглощающих шумопонижающих материалов 91
Глава 4. Модификация базальтовой ваты с целью улучшения свойств материала 104
Глава 5. Исследование формирования структуры композиционныхматериалов 108
Глава 6. Математическая обработка результатов исследования 123
Глава 7. Технологическая схема производства битумных материалов 134
7.1 Схема технологического процесса изготовления вибропоглощающих битумных материалов 134
7.2 Схема технологического процесса изготовления резино-битумных материалов 137 Выводы 141
Список литературы 143
Приложения 164
- Битумные шумопонижающие материалы
- Уровень развития базальтовых волокон в России и за рубежом
- Метод определения условной прочности при растяжении относительного удлинения в момент разрыва резино-битумного слоя
- Модификация битумных и резино-битумных материалов базальтовыми волокнами с целью повышения комплекса физико-механических и акустических свойств вибропоглощающих шумопонижающих материалов
Введение к работе
Одной из самых актуальных проблем экологии является проблема
акустического загрязнения атмосферы, которой не всегда уделяется должное
внимание. Широкое внедрение в промышленность новых интенсивных
технологий и появление многочисленных и быстроходных средств наземного,
воздушного и водного транспорта привело к многократному воздействию на
человека вредного шума. Задача снижения шума привлекает внимание
законодателей, предпринимателей, ученых. Степень снижения шума бытового
прибора, автомобиля, промышленной установки - показатель
конкурентоспособности, безопасности и удобства. Акустический комфорт -важный показатель единства человека и среды обитания.
Различают шум внешний, оказывающий воздействие на окружающих, и шум внутренний, оказывающий воздействие на водителя и пассажиров. Влияние на человека шума зависит от его интенсивности, частотного состава и продолжительности действия, а также от местонахождения человека и характера его работы. Воздействие шума на человека подразделяют на два вида: на органы слуха (специфические изменения) и на весь организм (неспецифические изменения). Неспецифическое воздействие - в первую очередь на нервную систему: повышается давление, язвенная болезнь, неврозы. Длительный шум ухудшает работоспособность человека.
Вибрация также оказывает влияние на функциональное состояние человека, вызывая повышение утомляемости, увеличение времени двигательной и зрительной реакций, нарушение деятельности вестибулярного аппарата, и на физиологическое состояние, вызывая нарушение сердечнососудистой деятельности и работы опорно-двигательного аппарата, а также поражение мышечных тканей и суставов.
Наиболее эффективным средством снижения шума двигателя любого транспортного средства является разработка и создание шумопонижающей
оболочки, покрывающей все силовое пространство. Большая роль при этом
отводится применению эффективных современных шумопонижающих
материалов, которые условно могут быть разделены на группы:
звукопоглощающие, звукоизолирующие, вибропоглощающие. Деление на звукоизолирующие и вибропоглощающие материалы достаточно условно, т. к. звукоизолирующие материалы поглощают энергию колебаний панелей, а вибропоглощающие вносят дополнительный звукоизолирующий эффект. Применение этих типов материалов взаимосвязано.
Нормативы для легковых автомобилей: требования Евростандарта по внешнему шуму - не более 74 дБ, ГОСТ Р51616-2000 по внутреннему и внешнему шуму - не более 77 дБ. За рубежом нормативы пересматриваются каждые 2-3 года, причем требования к снижению шума довольно жесткие — на 2-3 дБ. Снижение шума на 3 дБ субъективно воспринимается человеком как снижение звукового давления примерно в 2 раза.
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. Значение показателей шума для транспортных средств нормируется ГОСТами и международными стандартами. 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.
Одним из приоритетных направлений является создание новых звуко- и вибропонижающих композиционных материалов с улучшенными свойствами и внедрение этих материалов в производство. Наиболее распространенными шумопонижающими материалами являются битумные композиции на основе волокнистых или дисперсных минеральных наполнителей. Многообразие свойств волокнистых наполнителей позволяет направленно регулировать физико-механические свойства композиционных материалов - прочность, термостойкость и др. При этом важно, чтобы волокнистые наполнители были экологически чистыми и доступными. Именно поэтому отношение к такому наполнителю как асбест становится с каждым годом все отрицательнее 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). Разработаны технологии переработки базальта в высококачественные минеральные волокна, нити, ровинги, нетканые холсты, ткани и др. Количество предприятий, выпускающих базальтовые волокна и продукцию на их основе, постоянно растет. Базальтовые волокна выпускают в г. Красноярске, Брянске, Дубне. Базальтовую вату выпускают 12 предприятий России.
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,
базальтовой ваты (отходы теплоизоляции азотно-кислородной станции) 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: — установлено взаимодействие силикатных групп базальтового волокна с гидроксильными группами битумного связующего. Предложена схема их взаимодействия;
— доказана взаимосвязь состава и плотности резинобитумных композиций с
их звукоизолирующей способностью. Отмечено существенное влияние на
звукоизолирующие и вибропоглощающие свойства структуры и состава
резинобитумных композиций;
— показана возможность регулирования деформационно-прочностных,
звукоизолирующих и вибропоглощающих свойств введением в состав
дополнительных компонентов и изменением их соотношения;
— доказана возможность изменения деформационно-прочностных свойств
разработанного материала модификацией наполнителя физическими методами;
— разработан состав композиции, обеспечивающий при нагреве отсутствие в
газовой фазе токсических веществ фенольного типа.
Практическая значимость работы состоит в том, что
— разработана технология производства эффективных вибропоглощающих и звукоизолирующих композиционных материалов с применением базальтовой ваты, обладающих более высоким комплексом свойств по сравнению с серийными. Так, в диапазоне частот 400-800 Гц способность к звукоизоляции повышается в 1,5-2 раза, в остальном диапазоне - преимущественно на 2-5 дБ. В производственных условиях доказано сохранение высоких термостойких свойств материала в отсутствии канцерогенного асбеста;
— определена оптимальная рецептура битумных звукоизолирующих и
вибропоглощающих материалов на основе БВ;
—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.
Битумные шумопонижающие материалы
Шумопонижающие материалы, изготавливаемые на основе битумных композиций, предназначены для применения в автомобилестроении для эффективного снижения внешнего и внутреннего шума в салоне транспортного средства. Широко применяемые виброшумопоглощающие звукоизолирующие листовые материалы на основе битумных композиций способствуют значительной изоляции салона транспортных средств от вибрации и шума — это, как правило, термошумоизоляция салона (пола и щитка передка), состоящая из ворсового ковра, тяжелого изолирующего слоя (на российских автомобилях - битумный септум ) и пористого слоя, например нетканое хлопковое полотно - «порозо».
Битум состоит в основном из трех групп веществ: масел, в том числе ароматической и парафино-нафтеновой природы, смол и асфальтенов. Битум -сложная дисперсная система, в которой дисперсионной средой являются мальтены, а дисперсной фазой - асфальтены. Асфальтены, обладая наибольшей молекулярной массой по сравнению со смолами и маслами, определяют вязкость битума, определяют его температуру размягчения и температурный интервал пластического состояния [32]. Трещиностойкость, теплостойкость и долговечность битума зависит от соотношения долей мальтены / асфальтены и степени их родства. Масла и смолы пептизируют асфальтены, поддерживая их в виде коллоидного раствора. В состав смол входит до 2% поверхностно-активных веществ, которые увеличивают адгезионное сцепление смол с минеральной поверхностью, которые в зависимости от концентрации асфальтенов и температуры в битумах могут находиться как в дисперсной фазе, так и в дисперсионной среде системы и обуславливать текучесть и эластичность битумов [33].
В высокоокисленных битумах содержание асфальтенов велико, т.е. их температура размягчения выше менее окисленных битумов. При окислении дисперсионная среда битумов убывает и обогащается парафино-нафтеновыми и тяжелыми ароматическими соединениями (табл. 9).
Элементарный состав битумов колеблется в пределах: углерод - 70-80%, сера - 2-9%, кислород - 1-2%. Эти элементы находятся в битуме в виде углеводородов и их соединений с серой, кислородом и азотом. Композиционным материалам на основе битума характерны гидрофобность, атмосферостойкость, повышенная деформативность, способность размягчаться при нагревании, химическая стойкость в агрессивных средах.
Для придания эластичности в битумную композицию добавляют различные каучуки [34] и термоэластопласты (ТЭП), например бутадиен-стирольный [35]. При введении в битум бутадиен-стирольного ТЭП последний адсорбирует ароматические мальтены битума, набухая в них. Наполняя дисперсную среду, полимеры активно влияют на свойства самого битума, понижая его температуру хрупкости и пенетрацию и повышая его температуру размягчения. Полимер «армирует» битум. При высоких концентрациях полимера (около 12 вес. %) полимер из наполнителя переходит в наполняемый материал, а битум — в наполнитель. Система «битум-полимер» напоминает свойства полимера: относительное удлинение при разрыве увеличивается в десятки - сотни раз, резко уменьшается остаточное удлинение, улучшаются усталостные свойства. Но необходимо учитывать, что при введении полимера типа бутадиен-стирольного ТЭП молекулы последнего «конкурируют» с асфальтенами за мальтены битума. При достаточно высоком содержании полимера количество мальтенов становится недостаточным для пептизации асфальтенов и последние коагулируют в виде твердой фазы, битум разрушается.
Для достижения наилучшей совместимости компонентов возможно немного добавить пластификатор в виде масла. Необходимо учитывать, что избыток масла приведет к разрушению материала. Свойства битумных композиций зависят не только от вида и концентрации полимера, марки битума, а также от технологии смешения компонентов.
В процессе атмосферного старения материалов имеет место изменение компонентного состава битумов, аналогичное изменениям при искусственном окислении битумов - содержание масел постоянно убывает, а асфальтенов — увеличивается. Этот процесс в значительной мере тормозят полимерные компоненты и размещение на поверхности битумного композиционного материала других материалов, например, пористого материала из волокон. Дополнительные слои повышают также гидро- и звукоизолирующие свойства композиционного материала [36].
Для термостойкости битумных шумопонижающих композиционных материалов используют асбест. Он используется в комбинации с резиновой крошкой, маслами и различными наполнителями. [37]. Материал может содержать активные модификаторы, например, соединение из ряда парабановых кислот, способных регулировать процесс деструкции и сшивки частиц резины в битуме без заметной сегрегации за счет генерирования химически активных частиц в составе образуемых при распаде активного модификатора изолированных газовых микровключений [38].
Для повышения звукоизолирующих и прочностных характеристик можно добавить в резинобитумную композицию наряду с каучуком синтетическим бутадиен-стирольным, сополимером этилена с винилацетатом, дибутилфталатом, мелом и некондиционную базальтовую вату. Использование некондиционной базальтовой ваты позволяет снизить массу деталей [39]. Данный звукоизолирующий листовой материал может использоваться самостоятельно и являться слоем звукоизолирующей звукопоглощающей сэндвичевой панели, включающей дополнительно слой пористого материала на основе хлопчатобумажных и синтетических волокон, пенополиуретана, полипропилена, базальтовых и других волокон. На поверхности пористого материала может быть нанесен слой декоративного материала. [40-42]
Различные волокна добавляют в битумные композиции для: увеличения прочности при растяжении и относительного удлинения; увеличение трещиностойкости; улучшения тиксотропных свойств и фиксирующей способности; увеличения износостойкости; повышения морозостойкости.
Эффективность волокон в битумных композициях возрастает с увеличением их длины. При этом ухудшается перерабатываемость и технологичность [43].
В качестве дисперсных наполнителей могут быть использованы мел, баритовый концентрат, доломит, гранит и др.
Уровень развития базальтовых волокон в России и за рубежом
Первые опыты получения волокна из базальта были начаты в Чехословакии в 50-тые годы XX века с целью замены асбеста. Аналогичные исследования в 60-тые годы проводились в ряде Европейских стран, США и Канаде.
Возможность получения волокна из базальта без добавок способом вертикального раздува струи воздухом в СССР была установлена Я.А.Школьниковым и др. [82]. В дальнейшем эти работы были продолжены в Украинском филиале ВНИИ стеклопластиков и стекловолокна [70,80,83] и Киевской научно-исследовательской лаборатории базальтовых волокон и изделий [84,85].
К началу 80-х годов были разработаны и освоены промышленные технологии производства базальтовых штапельных тонких, утолщенных, микроультра-супертонких, стекломикрокристаллических волокон, широкий ассортимент теплоизоляционных, звукопоглощающих и других базальтоволокнистых изделий. В этот же период были разработаны технологии получения базальтового непрерывного волокна [86].
После того как в 1991 году патент по производству базальтовых непрерывных волокон (БНВ) был зарегистрирован, сведения о волокне появляются в открытой печати. Тогда и выяснилось, что его комплексные характеристики могли удовлетворить технологические запросы абсолютного большинства потребителей стекловолокна. Конечно, утверждает соавтор патента, «если взять только одну характеристику, например устойчивость к высоким температурам, или химическую стойкость в кислотах, или химическую стойкость к щелочам, то всегда найдется тип стекловолокна, который гораздо лучше БЫВ. Можно найти стекло, которое превзойдет базальт и по совокупности двух параметров, но оно будет и более дорогим. Комбинация же из трех свойств почти всегда лучше у базальта, - такое же по качеству стекло- или углеволокно будет дороже его в разы» [65].
В настоящее время производство базальтовых волокон различного ассортимента в России осуществляется в более 12 регионах: г.Судогде (Владимирской обл.), в пос. Ивот (Брянской обл.), г. Волгограде и др. Успешно развивается это направление и на Украине и в Грузии . Быстро развивается производство штапельного базальтового волокна (ваты) с переработкой его в прошивные теплоизоляционные и фильтрационные маты. Мощность действующих установок 25-50 и 80 тыс. м2 прошивных матов в год. Однако большая часть продукции, особенно базальтовые нити (БН), производимой в г.Судогде и Беличевске экспортируется в Канаду, США, Германию и др. государства по стоимости 2-2,5 $/кг. Зарубежный спрос в несколько раз превышает предложения на отечественном рынке [65]. Производство базальтовых волокон может быть организовано на различных предприятиях стекольной промышленности.
Таким образом, наличие богатых природных месторождений базальта в нашей стране и меньшие затраты на получение волокон на его основе по сравнению со стеклянными должны послужить стимулом для организации промышленного производства БВ. Пониженная стоимость базальтовых волокон обусловлена отсутствием затрат на приобретение, хранение и совмещение большого числа отдельных компонентов, используемых в производстве стеклянных волокон.
С 2000 года наметился значительный рост объемов производства БНВ, выпуск которых удваивается ежегодно [87]. Из-за своих уникальных свойств БВ нашли широкое применение за рубежом. Уже сейчас более высококачественная продукция из Швеции, Финляндии, Германии и других стран Европы завоевывает наш рынок.
В настоящее время все более широкое применение в самых различных отраслях народного хозяйства находят непрерывные волокна. Промышленностью освоено производство СВ, существенным недостатком которого следует считать необходимость использования таких дефицитных материалов, как борная кислота, сода, глинозем и др. [55, 89].
Базальтовые волокна из горных пород имеют определенные преимущества перед стеклянными: они изготавливаются из недефицитных горных пород, которые широко распространены и их запасы практически неограниченны; химический состав их характеризуется достаточной однородностью и стабильностью.
Однако при производстве волокон из горных пород возникают определенные трудности, связанные прежде всего с их специфическими особенностями.
Повышенная кристаллизационная способность расплавов горных пород в сравнении со стеклом предъявляет более высокие требования к температурному режиму процесса выработки волокна и к конструкции волокнообразующих узлов и элементов, в частности к фильерному сосуду [90,91]. Установка для получения непрерывной базальтовой нити (БН) состоит из следующих основных узлов и механизмов: а) ванной плавильной печи (температура плавления базальта 1400-1500С); б) узлов формования волокна; в) механизмов вытяжки и намотки; г) узла приготовления и подачи замасливателя. В результате проведенных исследований [89,91-94] разработана конструкция ванной плавильной печи, струйного питателя и фильерного сосуда. Разогрев и плавление исходного сырья происходит путем прямого электрического нагрева, сжигания газового или мазутного жидкого топлива [79]. Механизмы вытяжки, намотки нити и узлы приготовления и подачи замасливателя приняты типовые, используемые в производстве СВ. Производство базальтовых тонких волокон значительно дешевле по сравнению с базальтовым супертонким волокном из-за отсутствия дорогостоящих платинородиевых питателей и применения высокопроизводительной технологии раздува или разбивки мощных струй расплава [95]. На заводах-изготовителях базальтового тонкого волокна для придания большей текучести в расплав добавляют от 10 до 35% известняка или заменяющего его материала (шихты), что делает волокно ослабленным к воздействию агрессивных сред и высоких температур. Такое волокно уже нельзя называть базальтовым, и его зачастую называют минеральным волокном или минватой. Волокно получается короче и толще, что дает возможность скреплять его в плиты или картоны, применяя для связки большое количество фенолформальдегидных или других органических смол.
Метод определения условной прочности при растяжении относительного удлинения в момент разрыва резино-битумного слоя
Методика М57.063-2002 устанавливает метод определения условной прочности при растяжении и относительного удлинения в момент разрыва резино-битумного слоя. Сущность метода заключается в растяжении образцов на разрывной машине с постоянной скоростью до разрыва и измерении силы и удлинения образца в момент разрыва. Испытание проводят на шести образцах размерами (100±2) х (25±1) мм толщиной не менее 2,7 мм, вырезанных из резино-битумного слоя. Три образца вырезают в продольном направлении (направление продольной оси должно совпадать с направлением каландрования), а три других — в направлении перпендикулярном по отношению к первому (поперечное направление). Направление определяется визуально. Измеряют толщину образцов на рабочем участке не менее, чем в трех точках. За результат измерения принимают среднее арифметическое всех измерений, округленное до сотых долей после запятой. В средней части образца наносят метки, ограничивающие рабочий участок длиной (50±1) мм. Устанавливают между зажимами расстояние (50±1) мм и закрепляют по очереди в зажимах образцы по нанесенным меткам, так чтобы ось образца совпадала с направлением растяжения. Приводят в действие механизм растяжения со скоростью (50±5) мм/мин и в момент разрыва фиксируют силу и длину рабочего участка. Условную прочность при растяжении F, МПа (кгс/см2) вычисляют по формуле: где Р - сила, вызывающая разрыв образца, Н (кгс); h - среднее значение толщины образца, м (см); b - ширина образца, м (см). Относительное удлинение при разрыве образца Е,%, вычисляют по формуле: За величину показателя условной прочности при растяжении и относительного удлинения в момент разрыва принимают среднее арифметическое значение результатов испытаний трех образцов раздельно для каждого направления, округленное до сотых долей после запятой.
Способность образцов материалов к звукоизоляции определялась в соответствии с И 3173.37.101.011-99 «Определение образцов материалов к звукоизоляции». При определении способности материала к звукоизоляции использовалась стендовая установка АО «АВТОВАЗ» «Башня Пиза» (изготовлена по т.д.ф. «Ритер» Италия) с применением аппаратуры: - частотный анализатор, тип 3550 (Брюль-Къер, Дания); - блок фильтров, тип 01014 (Роботрон, Германия); - усилитель мощности, тип2706 (Брюль-Къер, Дания); - двухканальный источник питания, тип 2806 (Брюль-Къер, Дания); - компьютер со специальным программным обеспечением (Брюль-Къер, Дания), осуществляющим управление процедурой измерения и расчет звукоизолирующих характеристик. Суть используемого метода заключается в определении разницы (в дБ) между уровнями звукового давления в измерительной камере стенда при установке стальной подложки толщиной 1 мм без исследуемого звукоизолирующего образца материала и установке стальной подложки с исследуемым звукоизолирующим образцом материала. Определение коэффициента потерь образцов вибропоглощающего материала проводят на частоте (200±5) Гц в соответствии с инструкцией И 3137.37.101.018 на стальной пластинке толщиной (1±0,02) мм. Инструкция устанавливает метод определения приведенного коэффициента потерь вибродемпфирующих материалов на стендовой исследовательской установке «Оберет». Подготовка образцов осуществляется наплавлением битумного материала на стальную пластину при температуре (180±5) С в течение (30±5) мин. Коэффициент потерь колебательной системы п — отношение энергии, рассеянной за цикл колебания к потенциальной энергии системы: Коэффициент потерь характеризует степень демпфирования колебательной системы, за счет преобразования колебательной энергии в тепловую благодаря необратимым потерям вибрационной энергии в вибропоглощающих материалах. Механическая система имеет собственные частоты колебаний.
При совпадении частоты вынужденной и собственной частот возникает явление резонанса, при этом происходит резкое увеличение амплитуды колебаний на резонансной частоте и вблизи нее и на амплитудно-частотной характеристике появляется резонансный пик (рис), ширина которого зависит от механического сопротивления механической системы. В положении резонанса определяют резонансную частоту (f рез) и максимальную амплитуду (Арез). Затем определяют частоты , соответствующие 0,7 АрЄз (fi и f2). Изменяя длину образца от 265 до 150 мм находят несколько резонансов и определяют коэффициент механических потерь составного стержня (л) по формуле
Затем строят график зависимости г от fpe3. По графику методом интерполяции определяют т на частоте 200 Гц. Изменение массы, скорости изменения массы и величин тепловых эффектов при нагреве образцов волокон изучалось методом термогравиметрического анализа с использованием дериватографа системы "Паулик - Паулик - Эрдей" фирмы MOM марки Q-1500D. Для изучения взаимодействия базальтового наполнителя с битумными материалами применяли суспензионный метод ИК - спектроскопии с использованием спектрофотометра «Specord» М-80 и модельных образцов (соотношение наполнителя и связующего 1:1) в области 400 - - 4000 см"1. Исследуемые образцы битумных материалов измельчали в вибрационной шаровой мельнице до тонкодисперсного состояния, добавляли несколько капель иммерсионной жидкости, тщательно растирали в агатовой ступке и далее полученную пасту помещали между двумя пластинами (одна - из NaCl, другая из КВг). Для записи высококачественных спектров поглощения в качестве иммерсионной жидкости в области 4000 + 2000 и 1500 - 1300 см"1 использовали гексахлорбутадиен; в области 2000 -т- 1500 и 1300 +- 400 см"1 -вазелиновое масло. Время интегрирования равно 1 сек.
Модификация битумных и резино-битумных материалов базальтовыми волокнами с целью повышения комплекса физико-механических и акустических свойств вибропоглощающих шумопонижающих материалов
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 22). 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. 22, 24).
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 табл. 23, физико-механические показатели резинобитумных материалов на основе некондиционной ваты не ухудшаются. Это ранее было доказано и для базальтопластиков [166,186].
Из табл. 24 видно, что из шести отработанных композиций наиболее соответствуют требованиям ТУ по способности к звукоизоляции первые три, содержание некондиционной базальтовой ваты в которых составляет 5-8%. Первая композиция наиболее интересна, так как при наименьшей плотности 1406 кг/м3 материал обладает практически максимальной способностью к звукоизоляции. Серийные материалы при плотности материала менее 1550 кг/м не обеспечивают требуемой звукоизоляции, поэтому в технических условиях требование к плотности материала одно из самых определяющих.
Зависимость условной прочности при растяжении, и относительного удлинения при разрыве в продольном и поперечном направлениях для испытанных составов резинобитумных материалов доказывает преимущество первых трех композиций. При нормах условной прочности, при растяжении не менее 3,0 и 2,0 кгс/смі и относительного удлинения, при разрыве - не менее 60 и 65% в продольном и поперечном направлениях, разработанные материалы обладают условной прочностью 3,0 -3,8 и 2,0-2,8 кгс/см2, относительным удлинением 70-89 и 76-91% (рис. 7,8).
Анализ полученных результатов позволил определить оптимальное содержание некондиционной базальтовой ваты при изготовлении композиций для резинобитумных звукоизолирующих материалов - 5-8%). Меньшее их содержание не обеспечивает необходимой условной прочности при растяжении, а большее - требуемой способности к деформированию.
При создании вибропоглощающих материалов на основе некондиционной базальтовой ваты разработаны составы (табл.25) и определены их физико-механические характеристики (табл.26). Более высокими показателями обладают композиции 4-7 (табл.25). Данные образцы обладают высокой термостойкостью. Масса 1 м" материалов находится в интервале 3,2-3,5 кг, а коэффициент потерь колебательной энергии на частоте (200±5) Гц при Т= 20 и 40С не уступает серийно изготавливаемой продукции.
Вместе с тем для улучшения вибропоглощающих и технологических характеристик, снижения массы разрабатываемых материалов, сокращения времени изготовления битумной смеси и в конечном итоге времени изготовления готового материала в состав разработанной композиии дополнительно введены слюда марки СДФ по ГОСТ 19571-74; слюда флогопит молотая для металлургической промышленности СМФФ-160 по ТУ 21-25-241-80; микроволластонит фракционированный (МИВОЛЛ) (табл. 27,28). Для таких составов на 25% сокращается время изготовления битумной смеси, сохраняется термостойкость и коэффициент потерь материала при значительно меньшей массе 1м2- 2,7-3,2 кг. Оптимальное содержание некондиционной базальтовой ваты для данной композиции составляет 5-7%.
Сравнительные результаты физико-механических показателей битумных вибропоглощающих материалов (табл. 29) и резинобитумных звукоизолирующих материалов (табл. 30) с серийными материалами показывают, что на основе некондиционной и кондиционной базальтовой ваты формируются композиционные шумопонижающие материалы, физико-механические показатели которых значительно превышают требования технических условий и характеристики серийно используемых материалов.
