Битумные композиции на основе волокнистых или дисперсных минеральных наполнителей как одни из наиболее распространенных шумопонижающих материалов. Определение эффективности использования базальтовых волокон в битумных вибропоглощающих материалах.
Аннотация к работе
При применении же некондиционной ваты полученная смесь технологична, пластична, волокна равномерно распределены по всему объему замеса, материал легко каландруется, а физико-механические показатели резинобитумных материалов на основе не ухудшаются (табл.1). Первая композиция наиболее интересна, так как при наименьшей плотности 1406 кг/м3 материал обладает практически максимальной способностью к звукоизоляции. Из рисунка видно, что коэффициент потерь материала с 10% базальтовой ваты превышает коэффициент потерь материала с 6% базальтовой ваты как при 20, так и при 40?С и остается практически постоянным в течение установленного ТУ максимального срока хранения до монтажа, составляющего 8 недель. Серийный производственный материал (6% асбеста) Материал, содержащий 6% Материал, содержащий 10% неконд. базал. ваты конд. базал. ваты неконд. базал. ваты конд. базал. ваты Серийный производственный материал (4% асбеста) Материал, содержащий 5% Материал, содержащий 8% некондиц. базальтовой ваты кондиц. базальтовой ваты некондиц. базальтовой ваты кондиц. базальтовой ватыДоказана эффективность замены канцерогенного асбеста некондиционной базальтовой ватой в разработанных битумных и резинобитумных вибропоглощающих и звукоизолирующих материалах, что является решением важнейшей экологической проблемы. Доказано, что при меньшей массе резинобитумный 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. Методами определения коэффициента потерь и способности к звукоизоляции изучены вибро-и звукоизолирующие свойства разработанных материалов, что позволило сравнивать их 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.
Введение
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).
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 являются 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 серийноприменяемыми 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.
На защиту выносятся следующие основные положения: - результаты исследования эффективности использования базальтовой ваты для замены асбеста и регулирования свойств получаемых вибропоглощающих и звукоизолирующих материалов;
- эффективность влияния физических способов 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 в 2 докладах на Международной конференции «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология» (Саратов, 2007 г.).
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 подтверждены необходимость замены канцерогенного асбеста в составе шумопонижающих материалов и актуальность создания новых эффективных материалов с высокими эксплуатационными свойствами.
2. Объекты и методы исследования битумный дисперсный вибропоглощающий базальтовый
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 бутадиенстирольный 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 «Сара-товоргсинтез»; битум нефтяной «Пластбит II» по ТУ 38 101580-75; асбест хризотиловый по ГОСТ 12871-93.
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.
3. Модификация битумных и резинобитумных 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. Асбест входит в состав резинобитумных композиций в количестве 2-3%, битумных - 4-5%.
В исследованиях использовалась как кондиционная, так и некондиционная базальтовая вата. 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 резинобитумных 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).
При использовании кондиционной базальтовой ваты для изготовления битумных композиций не достигается ее равномерного распределения 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 ее разволокнения. При применении же некондиционной ваты полученная смесь технологична, пластична, волокна равномерно распределены по всему объему замеса, материал легко каландруется, а физико-механические показатели резинобитумных материалов на основе не ухудшаются (табл.1). В дальнейших исследованиях использовались составы, содержащие от 5 до 8% масс. некондиционной базальтовой ваты (табл.2), и оценивалась их способность к звукоизоляции при частотах 400-6300 Гц (табл.3).
Таблица 1. 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 направл. в поперечном направл.
Из табл. 3 видно, что из шести разработанных композиций наиболее соответствуют требованиям ТУ по способности к звукоизоляции первые три. 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.
Установлено, что условная прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве в продольном и поперечном направлениях для резинобитумных материалов зависят от содержания базальтовой ваты в составе композиций. При нормах условной прочности при растяжении не менее 3,0 и 2,0 кгс/см? и относительного удлинения при разрыве - не менее 60 и 65% соответственно в продольном и поперечном направлениях, разработанные материалы обладают условной прочностью, соответственно, 3,0 -3,8 и 2,0-2,8 кгс/см?, относительным удлинением 70-89 и 76-91% (рис. 1 и 2).
Рис. 1. Зависимость условной прочности при растяжении от состава
Рис. 2. Зависимость относительного удлинения при разрыве от состава
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.4) и определены их физико-механические характеристики (табл.5). Более высокими показателями обладают композиции 4-7 (табл.4). Данные образцы обладают высокой термостойкостью. Масса 1 м2 материалов находится в интервале 3,2-3,5 кг, а коэффициент потерь колебательной энергии на частоте (200±5) Гц при Т= 20 и 40?С 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. 6-7). Для таких составов на 25% сокращается время изготовления битумной смеси, сохранются термостойкость и коэффициент потерь материала при значительно меньшей массе 1 м? - 2,7-3,2 кг. Содержание некондиционной базальтовой ваты в данной композиции составляет 5-7%.
Сравнительные результаты физико-механических показателей битумных вибропоглощающих материалов (табл. 8) и резинобитумных звукоизолирующих материалов (табл. 9) 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.
При меньшей массе битумный вибропоглощающий материал (табл. 8) на основе некондиционной и кондиционной базальтовой ваты обладает высокими термо-, огне-, биостойкостью, что важно для процесса монтажа и эксплуатации готовых изделий в автомобилях. При этом мера эффективности вибропоглощающих покрытий и конструкций - коэффициент потерь колебательной энергии не уступает серийно изготавливаемой продукции и не изменяется при хранении (рис. 3). Из рисунка видно, что коэффициент потерь материала с 10% базальтовой ваты превышает коэффициент потерь материала с 6% базальтовой ваты как при 20, так и при 40?С и остается практически постоянным в течение установленного ТУ максимального срока хранения до монтажа, составляющего 8 недель.
Рис. 3. Изменение коэффициента потерь колебательной энергии вибропоглощающего материала в течение установленного ТУ максимального срока хранения до монтажа. 1 - 10% при 20С, 2 - 6% при 20С, 3 - норма при 20С, 4 - 10% при 40С, 5 - норма при 40С, 6 - 6% при 40С
Из табл. 9 видно, что при меньшей плотности резинобитумный материал на основе кондиционной и некондиционной базальтовой ваты (содержание 8%) не только соответствует требованиям ТУ 38.305-57-077-93, но и обладает более высокой условной прочностью при растяжении и более высоким относительным удлинением при разрыве, чем серийный материал, что важно для процесса формования многослойных шумоизоляционных готовых изделий для автомобилей. При этом способность к звукоизоляции разработанных материалов значительно выше уровня серийного материала (рис. 4).
Термостойкость при температуре (180±2)?С Материал должен плотно прилегать к металлу. На поверхности образцов не должно быть пузырей, подтеков Не соответ. Несоответ. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ.
Стабильность в размерах, % В пределах ±5 3 1 0 0 0 0 0 0 0
Коэффициент потерь на частоте (200±5) Гц , при Т=40?С при Т=20?С Не менее 0,1 0,17 0,06 0,1 0,09 0,15 0,1 0,16 0,1 0,17 0,1 0,18 0,11 0,18 0,1 0,18 0,09 0,17 0,09 0,16
Термостойкость при температуре (180±2)?С Материал должен плотно прилегать к металлу Соответ. Соответ.. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ. Соответ. .Соответ.
Стабильность в размерах, % В пределах ±5 2 2 1 0 0 0 0 0 1 1
Коэффициент потерь на частоте (200±5) Гц , при Т=40?С при Т=20?С Не менее 0,1 0,17 0,1 0,11 0,09 0,12 0,1 0,16 0,1 0,17 0,11 0,18 0,11 0,18 0,1 0,18 0,1 0,17 0,1 0,18 0,1 0,18
Таблица 8. Сравнительные физико-механические характеристики разработанных битумных вибропоглощающих материалов с серийно выпускаемыми в промышленности аналогами
1 Условная прочность при растяжении, кгс/см2, не менее - в продольном направлении - в поперечном направлении 3,0 2,0 3,1 2,3 2,3 1,33 2,5 1,50 3,65 2,7 3,50 2,9
2 Относительное удлинение при разрыве, %, не менее - в продольном направлении - в поперечном направлении 60,0 65,0 65,0 67,0 92,0 97,0 90,0 98,0 70,0 76,0 71,0 77,0
3 Плотность, кг/м3, не менее 1550 1520 1550 1540 1406 1415
На рис.4 представлены результаты определения способности к звукоизоляции опытных образцов резинобитумных материалов, содержащих 5% (образец №1) и 8% (образец №2) некондиционной базальтовой ваты, в сравнении с серийно применяемым образцом №3. Способность к звукоизоляции значительно выше уровня серийного материала. Так, в диапазоне частот 400-800 Гц способность к звукоизоляции повышается в 1,5-2 раза, в остальном диапазоне преимущественно на 2-5 ДБ.
Рис. 4. Способность к звукоизоляции композиционных материалов с разным содержанием БВ в сравнении с серийным на основе асбеста
Полученные результаты исследования доказывают, что применение кондиционной и некондиционной базальтовой ваты позволит: исключить из битумных композиций асбест, сохранив термостойкость материала; уменьшить массу изделий и, следовательно, снизить массу автомобиля; значительно улучшить в нем акустический комфорт. Важно также, что для этих материалов применяется и базальтовая вата, которая является отходом производства и в настоящее время не используется.
4. Модификация базальтовой ваты с целью улучшения свойств материала
Для активации поверхности БВ были использованы следующие методы модификации: термообработка (?=1 ч, Т=3000С) и СВЧ-обработка (?=3 мин, N=750 Вт). Эти методы по-разному влияют на параметры пористой структуры базальтовой ваты.
При производстве базальтовой ваты в качестве аппрета используется фенолформальдегидная смола в количестве ~ 3%. Нанесение смолы закрывает поры, дефекты и трещины на поверхности волокон, что снижает возможность взаимодействия базальтовых волокон с битумным вяжущим. С целью повышения активности взаимодействия между компонентами битумной композиции и проводили термообработку базальтовой ваты.
Сравнительные результаты испытаний вибропоглощающих материалов на основе нетермообработанной и термообработанной некондиционной базальтовой ваты доказывают (табл.10), что на основе термообработанной ваты формируются композиционные материалы, коэффициент потерь колебательной энергии которых (0,21 при 20?С) превосходит композиционные материалы на основе обычной некондиционной базальтовой ваты (0,18 при 40?С).
Анализ полученных результатов показывает (табл.11), что в 2 раза повышается условная прочность при растяжении как в продольном, так и в поперечном направлениях, на 16 % повышается относительное удлинение в продольном направлении и на 4% - в поперечном. Кроме этого, на 2-3 ДБ повышается способность к звукоизоляции в широком диапазоне частот (400-5000 Гц).
Таблица 10. Сравнительные физико-механические характеристики вибропоглощающих битумных материалов на основе термообработанной и нетермообработанной некондиционной базальтовой ваты
Наименование показателя Норма по ТУ 38.105-15-40-84 Характеристики образцов, изготовленных из некондиц. базальтовой ваты 10% модиф. некондиц. базальтовой ваты 10%
Термостойкость при температуре (180 ±2)?С в течение 30 мин Материал должен плотно прилегать к металлу. На поверхности образцов не должно быть пузырей, подтеков Соответств. Соответств.
Стабильность в размерах ,%, в пределах ±5 0 0
Коэффициент потерь колебательной энергии на частоте (200±5) Гц,%, не менее, при Т=40?С, Т=20?С 0,10 0,17 0,11 0,18 0,13 0,21
Применение термообработанной базальтовой ваты позволит увеличить долговечность изделий на ее основе, стабилизировать изготовление сложных формованных изделий разнообразной геометрической формы, значительно облегчив при этом готовое изделие.
Использование модификации при помощи СВЧ значимых результатов не дает.
Таблица 11. Сравнительные физико-механические характеристики звукоизолирующих разработанных резинобитумных материалов на основе термообработанной и нетермообработанной некондиционной базальтовой ваты
№ п/п Наименование показателя Норма по ТУ 38.305-57-077-93 Характеристики образцов, изготовленных из некондиц. базальтовой ваты модиф. некондиц. базальтовой ваты
1 Условная прочность при растяжении, кгс/см2, не менее - в продольном направлении - в поперечном направлении 3,0 2,0 3,65 2,7 7,7 6,5
2 Относительное удлинение при разрыве, %, не менее - в продольном направлении - в поперечном направлении 60,0 65,0 70,0 76,0 86 80
5. Исследование формирования структуры композиционных материалов
Изучение взаимодействия между компонентами композиции проводили методом инфракрасной спектроскопии.
Исследование ИК-спектров компонентов композиционных материалов показало, что для базальтовой ваты характерны следующие полосы поглощения: 3417,1, 2922,3, 2852,4, 1145,8, 1627,1 1750, 1429,6, 800, 594,7 и 555,7 см-1.
Относительно интенсивная полоса поглощения с максимумом 3417 см-1 обусловлена валентными колебаниями в базальтовых волокнах молекул воды. Полоса сравнительно широкая вследствие того, что поверхность базальтовой ваты химически и энергетически неоднородна.
Широкая интенсивная полоса с максимумом 1145,8 см-1 обусловлена валентными колебаниями связи Si-O в цепочном кремнекислородном мостике: апорита и твердого раствора между ними - бетонита. По числу тетраэдров [SIO4]4-, составляющих период повторяемости в цепочке [SIO3] различают цепи с одним, двумя, тремя, четырьмя, пятью, семью тетраэдрами. Основными активными группами являются связи Si-O-Si , Al-O и кремнийкислородные мостики Si-O- Si и О- Si-О. В состав базальта в качестве примеси входит ортосиликат оливин 2MGO SIO2 -2FEO SIO2, структурной единицей которого является изолированный тетраэдр [SIO4]4-. Вследствие неоднородности распределения связи Si-O и других связей в структуре базальта полоса поглощения широкая. Очень слабый максимум 800 см-1 - валентные колебания связи Si-O в изолированных тетраэдрах. Очень слабый максимум при 1750 см-1 обусловлен валентными колебаниями ионов гидроксония H3O .
Общий анализ спектров показывает, что некондиционная вата более гидратирована и обладает большей реакционной способностью (острые максимумы при 2920 см-1, 2340 см-1, 1090 см-1). Очевидно, это связано с разрыхленностью ее структуры, а следовательно, большей удельной поверхностью, способной к физико-химическому взаимодействию с реакционными группами битума.
На ИК-спектрах битума присутствуют полосы поглощения СН2: валентные асимметричные - 2923 см-1, симметричные - 2853 см-1; деформационные СН2: ножничные - 1458 см-1, маятниковые - 722 см-1, деформационные СН3 : асимметричные - 1458 см-1, симметричные - 1375 см-1; полосы поглощения конденсированных ароматических соединений - 1602 см-1, полосы связанной воды в районе 3200 см-1и узкий слабовыраженный максимум при 1025 см-1, обусловленный валентными колебаниями связи С=О.
Полосы поглощения в области 2512,76, 1797,09, 1601,34, 1434,64, 1079,3, 875,71, 752,82 см-1 относятся к карбонату кальция. Полосы поглощения 3509,7, 3468,98, 3426,45 см-1 связаны с симметричными и асимметричными колебаниями ОН- - групп, 2923,58, 2852,74 см-1 относятся к валентным асимметричным колебаниям СН2. - групп, 3052,56 см-1 - ароматических СН-групп, наличие полос поглощения при 1079,3 см-1 характеризует деформационные колебания связей Si-O-Si.
Наблюдается смещение полосы поглощения валентных колебаний связи Si-O, что обусловлено взаимодействием активных групп поверхности Si-O с макромолекулами битума. Основная полоса валентных колебаний связи 1090 см-1 расщепляется на два максимума 1079,3 см-1и 1038 см-1. Это подтверждает, что группа участвует в образовании химических связей с функциональными группами компонентов композиций, в том числе с гидроксильной группой ароматических соединений и карбоновых кислот битума.
Таким образом, анализ ИК - спектров образцов материала показывает, что базальтовые волокна упорядочивают структуру, образуя органосиликатные соединения, упрочняющие структуру композиционного материала.
Доказательством формирования более плотной структуры в битумных композициях на основе базальтовой ваты по сравнению с серийными служат результаты термогравиметрического анализа (табл.11). По данным ТГА (табл. 11), битумные композиции на основе кондиционной и некондиционной базальтовой ваты в сравнении с битумными материалами на основе асбеста более термостойки. Так, начальная температура деструкции увеличивается с 255 до 265С, а потери массы при 300С у битумных и резинобитумных материалов с базальтовой ватой снижаются на 12-15%. В целом деструкция предлагаемых образцов смещается в область более высоких температур по сравнению с серийным материалом.
Таблица 12. Сравнение термостойкости битумных и резинобитумных композиций методом термогравиметрического анализа
Хроматографическое исследование серийного материала и расшифровка масс-спектров показала, что выделяющиеся при нагревании соединения принадлежат к гомологическим рядам алканов, алкенов и алкилбензолов (рис. 7а). Исследование разработанных составов показало отсутствие в паровой фазе токсических веществ фенольного типа.. Происходит выделение вещества с временем удерживания 9,47 мин - предположительно это сложный эфир фталевой кислоты (рис. 7б).
Рис. 6. Хроматограмма резинобитумного материала: а - серийный; б - с базальтовой ватой
Анализ дифрактограммы битумного материала с асбестом (рис. 7) показал, что в композиционном материале в качестве доминирующего компонента присутствует пирофиллит Al2Si4O10(OH)2, который диагностируется по дифракционным максимумам при d/n=3.100, 4.130, 4.506, 5.450 и 9.309?, вторичный кальцит (САСО3) с аналитическими линиями при d/n=2.085, 2.281, 2.489, 2.823, 3.028A и тоберморит Ca5(Si6O18H2)*8H2O, для которого характерны максимумы d/n= 2.823, 3.028, 3.100, 5.540 и 14.029 A. Дифракционные максимумы при d/n=3.028, 3.100, 3.339, 4.130, 4.230, 4.647, 8.425A говорят о некотором присутствии в образце кордиерита Mg2Al2Si5O18, максимумы при d/n= 2.450, 3.339, 4.230 A - о присутствии ?-кварца SIO2, максимумы при d/n= 2.010, 2.610, 3.339, 10.048A - о присутствии в составе композиционного материала флогопита KMG3[Si3ALO10]·[F,OH] или К2O·6MGO·Al2O3·6SIO2·2H2O.
Рис. 7. Дифрактограмма вибропоглощающего КМ состава битум асбест
Анализ дифрактограммы битумного материала с базальтовой ватой (рис. 8) показал, что в композиционном материале в качестве доминирующего компонента присутствует кальцит (САСО3), который диагностируется по дифракционным максимумам при d/n=1.910, 2.095, 2.276, 2.491, 2.830, 3.020 и 3.818?, каолинит Al2Si2O5(OH)4 с аналитическими линиями при d/n=1.973, 2.366, 2.550, 3.562, 4.440 и 7.080A. Также в составе композиции присутствует пирофиллит Al2Si4O10(OH)2, который диагностируется по дифракционным максимумам при d/n=3.080, 4.440, 9.309? и дикальциевый гидроалюминат (DCHA) Ca2Al2O5*8H2O, для которого характерны максимумы d/n= 1.973, 2.095, 2.151, 2.368, 2.550, 2.683, 2.880, 3.440, 3.818, 4.035, 5.340 и 9.869A.
В небольшом количестве, возможно, присутствует пирит FES, для которого характерны максимумы d/n= 2.683 и 3.140A.
В результате анализа данных РСА и ИКС установлено, что при замене традиционного наполнителя - асбеста, в состав которого входят гидроалюминаты и гидроалюмосиликаты, на базальтовую вату, в составе которой преобладают двуокись кремния и гидросиликаты, происходит взаимодействие гидроксильных групп ароматических соединений и карбоновых кислот битума с соединениями кремния с образованием органосиликатных соединений, упорядочивающих структуру композиционного материала и приводящих к оптимальному сочетанию кристаллической и аморфной структур, повышающему как физико-механические характеристики, так и звукоизолирующие и вибропоглощающие свойства. Так, например, механическая прочность возрастает на 10 %, вибропоглощение повышается на 1 %, а звукоизолирующие свойства - на 5-8%.
Рис. 8. Дифрактограмма вибропоглощающего КМ состава битум базальтовая вата
6. Технология и апробация битумных материалов
Способ получения разработанного резинобитумного звукоизолирующего листового материала включает приготовление битумной композиции в смесителе. В нем битум разогревается до 150-1700С и в него частями вводят остальные ингредиенты, перемешивается в течение 30 минут и затем состав на каландре вальцуется в лист.
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.
Вывод
1. Доказана эффективность замены канцерогенного асбеста некондиционной базальтовой ватой в разработанных битумных и резинобитумных вибропоглощающих и звукоизолирующих материалах, что является решением важнейшей экологической проблемы.
2. Разработаны оптимальные рецептура и технологические режимы изготовления битумных звукоизолирующих и вибропоглощающих материалов на основе БВ. Доказано, что при меньшей массе резинобитумный 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.
3. Различными современными методами (ИК-спектроскопия, дифференциально-термический, рентгенографический, хроматографический) анализа установлены механизм взаимодействия базальтовых волокон и битумной смеси, структура и свойства разработанных ПКМ.
4. Методами определения коэффициента потерь и способности к звукоизоляции изучены вибро- и звукоизолирующие свойства разработанных материалов, что позволило сравнивать их 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 повышается в 1,5-2 раза, в остальном диапазоне -преимущественно на 2-5 ДБ.
5. Доказано в производственных условиях сохранение высокой термостойкости разработанных материалов, армированных базальтовыми волокнами без применения канцерогенного асбеста.
6. Разработаны технологии получения звукоизолирующих и вибропоглощающих ПКМ. Из предложенных композиций на ЗАО «Химформ» выпущены опытные партии звукоизолирующих и вибропоглощающих материалов, которые по своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам соответствуют современным требованиям, предъявляемым к данному классу материалов.
7. Проведено сравнение разработанных шумопонижающих материалов на основе базальтовой ваты с отечественными аналогами с использованием асбеста в количестве 2-5%. Показано, что кондиционная и некондиционная базальтовая вата является эффективным заменителем асбеста, который не только сохраняет термостойкие свойства материалов, но и значительно улучшает их эксплуатационные характеристики.
Список литературы
1. 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.
2. Литус А.А. Эффективные вибропоглощающие материалы с использованием отходов базальтовой ваты / А.А. Литус, И.Н. Синицына, С.Е. Артеменко, А.А. Землянский // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та: межвуз. сб. науч. ст. №1(49) / ВОЛГГТУ. - Волгоград, 2009. (Сер. Реология, процессы и аппараты химической технологии. Вып. 2). С. 47-49.
3. Литус А.А. Термошумоизолирующий композиционный материал с использованием базальтовых волокон / А.А. Литус, С.Е. Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Проблемы прочности строительных конструкций, математическое моделирование и проектирование: межвуз. сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. - С. 210-213.
4. 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: сб. науч. тр., посвящ. 50-летию БИТТУ. Балаково, 2007. - С. 265-271.
5. 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. Саратов: СГТУ, 2007. - С. 150-152.
6. Литус А.А. Композиционные шумопонижающие материалы с применением базальтовой ваты / А.А. Литус, С.Е. Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Композит-2007: докл. Междунар. конф. Саратов: СГТУ, 2007. - С. 281-284.
7. Патент RU 2326142 C1 2007 г. / Виброшумопоглощающий листовой материал // А.А. Литус, С.Е. Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский.