Вибропоглощающий слоистый композитный металл-полимерный материал с использованием термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида ган-р
Владельцы патента RU 2781064:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") (RU)
Изобретение относится к области получения слоистых композитных металл-полимерных материалов, без использования дополнительного адгезионного слоя, предназначенных для вибро- и шумопоглощения при изготовлении конструкций, в частности для машино-, авиа- и автомобилестроения. Решение указанной технической проблемы достигается путем стандартной технологии горячего прессования с предварительной подготовкой слоев с использованием алюминиевого сплава Амг6, причем в качестве полимера используется сополиуретанимид ГАН-Р, (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20, синтез которого осуществляется на основе следующей пропорции основных компонентов: 3,61 г (0,00156957 моль) поли(пропиленгликоля), терминированного 2,4-толуилендиизоцианатом; 1,2619 г (0,00313913 моль) резорцинового диангидрида; 1,4126 г (0,00156957 моль) поли(1,6-гександиол/неопентил-альт-адипиновая кислота); 0,5462 г (0,00313913 моль) толуилен-2,4-диизоцианата; 1,2619 г (0,00313913 моль) резорцинового диангидрида; 0,9253 г диамин-1,4-бис-(4'-аминофенокси)дифенила; 0,0955 3,5-диаминобензойной кислоты. Техническим результатом заявляемого изобретения является изготовление вибропоглощающего слоистого композитного металл-полимерного материала с использованием термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида ГАН-Р с коэффициентом механических потерь выше 0,15 и без использования дополнительного адгезионного слоя. 1 ил., 2 табл.
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, 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 °С или от 0 до 100 °С. 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 °С 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 °С. 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 60 °С (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 ГАН-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 ГАН-Р: (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 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 ГАН-Р: (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20.
Описание фигур
Фиг. 1. – Структура полимера (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20
Синтез полимерных слоев проведен 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).
Методика синтеза полимера.
В двухгорлую колбу (колба 2), снабженную верхнеприводной мешалкой и трубкой для подачи и вывода аргона, загрузить 3,61 г (0,00156957 моль) поли(пропиленгликоля), терминированного 2,4-толуилендиизоцианатом и 1,2619 г (0,00313913 моль) Р в виде тонко размельченного порошка. В токе аргона реакционную смесь медленно нагреть до температуры 120°С и выдерживать при этой температуре 30 минут, затем темпераутру поднимали до 180°С и интенсивном перемешивании до полной гомогенизации полученного расплава и прекращения выделения пузырьков, образующегося в ходе реакции углекислого газа (1,5 часа). Для растворения образовавшегося продукта (макромономера с концевыми ангидридными группами) в колбу при перемешивании и нагревании до 120°С добавить 5 мл МП.
Параллельно в трехгорлую колбу (колба 1), снабженную верхнеприводной мешалкой и трубкой для подачи и вывода аргона, загрузить 1,4126 г (0,00156957 моль) Alt и 0,5462 г (0,00313913 моль) ТДИ, смесь при интенсивном перемешивании и температуре 80°С выдержать 1 часа. Затем в колбу добавить 1,2619 г (0,00313913 моль) РА в виде тонко размельченного порошка и выдержать при интенсивном перемешивании и температуре 180°С до полной гомогенизации полученного расплава и прекращения выделения пузырьков, образующегося в ходе реакции углекислого газа (около 2 часов). Затем раствор полимера из колбы 2 добавить в колбу 1, для промыва использовать 3 мл МП. Далее смесь охладить до комнатной температуры и добавить раствор смеси ОДФО и ДАБК (0,9253 г и 0,0955 г, соответственно) в 9 мл МП через капельную воронку при интенсивном перемешивании, для промыва воронки использовать 3 мл МП. 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 2 мл толуола, через 30 минут поднять температуру до 160°С, через 10 минут добавить еще 5 мл толуола, через 30 минут температуру поднять до 180°С и проводить азеотропную отгонку еще 1,5 часа. Раствор полимера отливать на гидрофобизированные стекла и высушивать при стандартном режиме.
Структура полученного полимера приведена на фиг. 1.
В таблице 1 приведены свойства полимера (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20 полученные в результате испытаний методами ДМА, испытания на растяжение и ТГА.
Таблица 1 – Свойства полимера (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20
| Испытание методом ДМА | Испытание на растяжение | Испытание ТГА | ||||
| Tg | tan δ, при Tg | Температурный диапазон с tan δ>0,1 (°С) |
σр, МПа | εр, % | E, МПа | τ5, °С |
| -11,77 67,57 |
0,27 | -33 ~ 123 | 46,75 | 405,41 | 157,54 | 349 |
Вибропоглощающий слоистый композитный металл-полимерный материал на основе полимера (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20 изготавливается по стандартной технологии, 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 170 °C. В таблице 2 приведены свойства полученного 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 ГАН-Р: (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20
| E', ГПа | tan δ | E'*tan δ |
| 16,01 | 0,096 | 1,536 |
Способ изготовления вибропоглощающего слоистого композитного металл-полимерного материала с использованием связанного слоя из термопластичного эластомера на основе сополиуретанимида ГАН-Р, включающий стандартную технологию горячего прессования с предварительной подготовкой слоев на основе алюминиевого сплава Амг6, отличающийся тем, что в качестве полимера используется сополиуретанимид ГАН-Р, (ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-2300-ТДИ-Р)(ОДФО:ДАБК)(Р-ТДИ-Альт-ТДИ-Р) 80/20, синтез которого осуществляется на основе следующей пропорции основных компонентов: 3,61 г (0,00156957 моль) поли(пропиленгликоля), терминированного 2,4-толуилендиизоцианатом; 1,2619 г (0,00313913 моль) резорцинового диангидрида; 1,4126 г (0,00156957 моль) поли(1,6-гександиол/неопентил-альт-адипиновая кислота); 0,5462 г (0,00313913 моль) толуилен-2,4-диизоцианата; 1,2619 г (0,00313913 моль) резорцинового диангидрида; 0,9253 г диамин-1,4-бис-(4'-аминофенокси)дифенила; 0,0955 3,5-диаминобензойной кислоты, изготовление композиционного материала происходит без использования дополнительного адгезионного слоя.
