Результат интеллектуальной деятельности: Вибропоглощающий слоистый композитный металл-полимерный материал с использованием термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида П-Р

Способ относится к области получения слоистых композитных металл-полимерных материалов, без использования адгезионного слоя, предназначенных для вибро- и шумопоглощения при изготовлении конструкций, в частности для машино-, авиа- и автомобилестроения.

Демпфирующие композиционные материалы широко используются в механических конструкциях, транспортных средствах и аэрокосмической промышленности. Они отличаются не только малым весом, но и значительной способностью снижения шума и вибрации, особенно легких и гибких конструкциях.

Технологии пассивного демпфирования, особенно со связанным слоем, используются или предлагаются во многих других отраслях промышленности. Примеры включают в себя: приборостроение − посудомоечные машины, стиральные машины, сушилки, холодильники, осушители, кондиционеры и печи; газонное и силовое оборудование − использование в двигателях, корпусах воздуходувов и крышках шпинделя косилок, панелях небольших двигателей, тракторов, компрессоров и генераторов; промышленность компьютерного оборудования − системы подвески головок, верхних крышках, печатных платах и материалах подложек для дисковых и высокоскоростных дисководов, принтеров и копировальных машин; индустрия отдыха и спорта − яхтах, лыжах, теннисных ракетках, клюшках для гольфа, бейсбольных битах и подковах.

В ряде патентов, например, (США 8450225, КНР 103342034А, США 5225498А, США 0152854, США 0277057А1), авторы указывают в качестве полимерного слоя коммерческие или разработанные композиции блок-сополимеров с высокими значениями тангенса, где сегменты имеют разные температуры стеклования, и образовывают микрофазно разделенные структуры; или укладывают поочередно разные полимерные слои с отличающимися областями стеклования. Такой подход обеспечил эффективное демпфирование в широком температурном и частотном интервалах. Вибропоглощение реализуется от -50 до 60 ºС или от 0 до 100 ºС. Композиционные материалы типа металл/полимер/металл при комнатной температуре, частоте до 100 Гц и толщине материала до 2 мм характеризуются тангенсом механических потерь от 0,05 до 0,18. Недостатком данных патентов является узкий температурный диапазон который либо выше отрицательный температур, либо ниже максимальных температур эксплуатации автомобилей и другой техники.

Noiseless Steel® компании Paragon Manufacturing (США), специально разработанный продукт для снижения шума и вибраций, состоит из двух листов металла с вязкоупругим внутренним слоем, в результате чего получается панель из металла/пластика/металла. Акустически спроектированные панели снижают шум и вибрацию за счет рассеивания структурного шума, изоляции от воздушных шумов и демпфирования вибраций. Производители предлагают симметричные (оба листа металла одинаковой толщины) и асимметричные (листы металла имеют разные толщины) продукты. Симметричные системы металл/полимер/металл обеспечивают демпфирование вибраций выше, чем асимметричные системы с тем же весом, причем существенно пока соотношение асимметрии не превышает 1:4. Производитель сообщает о готовности поставлять материал с заменой стали на алюминий, а также комбинации стали и алюминия. Коэффициент потерь полимера, на основе которого получают композиты, при частоте 200 Гц в диапазоне температур от 5 до 60 ºС составляет не менее 0,1. Недостатком данного продукта является высокая рабочая частота.

Кроме того, известны продукты композиционных материалов типа металл/полимер/металл HYLITE®, VHB®, antiphon®MPM, Smacsonic® Classic ST и Dynalam® компании Roush Enterprise, предназначенные для демпфирования, на основе полипропилена, полиэфиров, сополимера стирола и бутадиена и термопластов, соответственно. В основном, указан диапазон применения от 21 до 40 ºС. Для некоторых продуктов указаны значения тангенса механических потерь, который в указанном диапазоне температур составляет 0,08−0,12, при других температурах – менее 0,05. Недостатком указанных продуктов является низкий коэффициент механических потерь вне узкого температурного диапазона.

Наиболее близким из известных аналогов является патент «Полимерная вибропоглощающая композиция и слоистый вибропоглощающий материал на ее основе» (патент РФ 2285023), где в качестве вибропоглощающего полимера используют полиуретан на основе ароматического диизоцианата, 1,4-бутандиола и полиалкиленэфиргликоля. Указанный полимер содержит углеродный наполнитель, что увеличивает площадь поверхности границ при сдвиговых деформациях. Коэффициент механических потерь полимерной композиции не менее 0,10 в интервале температур от -60 до 60ºС (данные для частоты испытаний 10 Гц). Недостатком данного патента является то, что для получения слоистых материалов на основе указанного полимера используют адгезивный слой поливинилацетата.

Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлен заявляемый способ, является изготовление вибропоглощающего слоистого композитного металл-полимерного материала с использованием термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида П-Р с коэффициентом механических потерь выше 0,15 и без использования дополнительного адгезионного слоя.

Решение указанной технической проблемы достигается за счет синеза термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида П-Р: (Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(ДЭО) 80/20, и изготовления, методом горячего прессования, вибропоглощающего слоистого композитного металл-полимерного материала.

Техническим результатом заявляемого способа, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является изменение демпфирующих и прочностных характеристик вибропоглощающего слоистого композитного металл-полимерного материала на основе алюминиевого сплава Амг6 и термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида П-Р: (Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(ДЭО) 80/20.

Описание фигур

Фиг. 1. – Структура полимера (Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(ДЭО) 80/20

Синтез полимерных слоев проводили по известным в литературе методикам. Означенные структуры имеют условные номера и имеют расшифровку состава, ТДИ – толуилен-2,4-диизоцианат; 2300 – полипропиленгликоль с молекулярной массой 2300 г/моль; Р – резорциновый диангидрид; СОД-п – диамин, 1,4-бис-(4'-аминофенокси)дифенилсульфона; ОДФО – диамин, 1,4-бис- (4'-аминофенокси)дифенил; ДАБК – 3,5-диаминобензойная кислота; ДЭО – 1,2,5,6-диэпоксициклооктаном; Альт – поли(1,6-гександиол/неопентил-альт-адипиновая кислота).

В трёхгорлую колбу, снабженную верхнеприводной мешалкой и трубкой для подачи и вывода аргона, загрузить 4,58 г (0,0019913 моль) поли(пропиленгликоля), терминированного 2,4-толуилендиизоцианатом и 1,6010 г (0,00398261 моль) Р в виде тонко размельченного порошка. В токе аргона реакционную смесь медленно нагреть до температуры 190 °С и выдержать при этой температуре и интенсивном перемешивании до полной гомогенизации полученного расплава и прекращения выделения пузырьков, образующегося в ходе реакции углекислого газа (около 3-ех часов). Для растворения образовавшегося продукта (макромономера с концевыми ангидридными группами) в колбу при перемешивании добавить 3 мл МП. Далее смесь охладить до комнатной температуры и добавить раствор смеси ОДФО и ДАБК (0,5869 г и 0,0606 г, соответственно) в 12 мл МП, далее смесь быстро охлаждали. Концентрация полимера составит 30%.

Раствор полимера имидизовать с помощью насадки Дина-Старка в течение 3,5 часов: смесь нагреть до 120 °С и выдержать час, затем добавить 7 мл толуола, через 30 минут поднять температуру до 160 °С, через 10 минут добавить еще 3 мл толуола, через 30 минут температуру поднять до 180 °С и проводили азеотропную отгонку еще 1,5 часа.

В колбу добавить 8,35 г раствора полимера. Практическая масса полимера в растворе составит 1,6675 г. В качестве сшивающего агента использовать 1,2,5,6-диэпоксициклооктан, в количестве 0,0004927 моль. Раствор полимера с сшивателем перемешивать в течение нескольких минут при комнатной температуре. Далее отлить пленки на гидрофобизированных стеклах и высушить.

Структура полученного полимера приведена на фиг. 1.

В таблице 1 приведены свойства полимера (Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(ДЭО) 80/20 полученные в результате испытаний методами ДМА, испытания на растяжение и ТГА.

Таблица 1 – Свойства полимера (Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(ДЭО) 80/20

Вибропоглощающий слоистый композитный металл-полимерный материал на основе полимера (Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(ДЭО) 80/20 изготавливали по стандартной технологии и без использования адгезионных слоев.

Для изготовления композиционного материала используется полимерная пленка толщиной 100±50 мкм и алюминий марки АМг6, толщиной 500±50 мкм. Поверхность алюминия предварительно обрабатывается химическим травлением, для обеспечения адгезионной прочности с полимером. Для изготовления материала полимерная пленка укладывается между листами алюминия и подвергается горячему прессованию при температуре 110 °C. В таблице 2 приведены свойства композиционного материала, при испытании методом ДМА (частота нагружения 1 Гц).

Таблица 2 – Свойства вибропоглощающего слоистого композитного металл-полимерного материала с использованием термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида (Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(ДЭО) 80/20