1. Теория вязкоупругих материалов.
2. Новая серия эластомеров. Заключение.
(Окончание. Начало в ПМ № 7 2024 г.)
Новая серия эластомеров
Чтобы обеспечить баланс между высоким значением фактора потерь h (≥0,45) и долговечностью, был разработан ППУ марки Sylodamp, который является результатом процесса его комплексной оптимизации, учитывающей все требования к эластомеру, а не результатом максимизации какого-либо отдельного свойства (например, только демпфирующей способности).
Свойства
Серия Sylodamp включает шесть марок различного цвета и жесткости, предназначенных для эффективной эксплуатации в диапазоне статических нагрузок от 0,005 до 0,5 Н/мм² (рис. 5). В зависимости от типа, этот ППУ может также выдерживать пиковые нагрузки, которые в 10–50 раз превосходят верхний предел статических нагрузок. При этом остаточная деформация испытуемых образцов через 30 мин после их сжатия до 25%-ной деформации (при 23 °С в течение 72 ч) не превышает 5 %.
В случае классических эластомеров практически вся область их стеклования находится при температуре ниже комнатной, при которой, соответственно, мала величина h, составляющая от 0,1 до 0,2. Напротив, у материалов серии Sylodamp оаа превышает 0,45, поскольку у них максимум кривой h(T) близок к комнатной температуре и, следовательно, находится в рабочем температурном диапазоне (рис. 6, а). В то же время ширина пика h(T) и потому область стеклования настолько велики, что демпфирующие свойства материала в условиях эксплуатации не слишком сильно зависят от температуры. Так, упругость отскока при соответствующем испытании, составляющая от 13 до 16 %, и динамический модуль упругости, относительно большой для комнатной температуры (рис. 6, б), отражают выраженную демпфирующую способность Sylodamp.
Примеры применения
ППУ серии Sylodamp защищают изделия, чувствительную электронику или, наконец, людей от шума и опасного механического воздействия, уменьшая эффект резонансных явлений при циклических ударных нагрузках, способствуя шумоизоляции и более быстрому затуханию вибраций (рис. 7). Производители могут оптимизировать желаемый эффект (изоляция вибрации, демпфирование вибрации, снижение максимального усилия), последовательно или параллельно комбинируя ППУ Sylodamp между собой или с какими-либо пружинными элементами (см. рис. 7, а).
Профиль свойств ППУ марочной серии Sylodamp обеспечивает требуемый баланс демпфирующей способностью и долговечностью, что позволяет оптимизировать продукцию для многих областей применения без экстремальных технических требований.
Однако, если, как, например, в железнодорожной отрасли, требуемая долговечность особенно велика, подход к рецептуре материала, реализуемый с помощью ППУ Sylodamp, должен быть изменен. В этом случае фактор долговечности приобретает больший вес в процессе оптимизации, и должен использоваться эластомер с соответствующими целевыми характеристиками. Специальные железнодорожные изделия из ППУ с высокой степенью демпфирования обладают большим потенциалом, поскольку они могут продлить срок службы верхнего строения железнодорожного пути (шпалы, рельсы) [4] и, кроме того, снизить уровень шума на железной дороге. Последний фактор приобретает все более важное значение из–за увеличения нагрузки на железнодорожные пути и, как следствие, негативного воздействия шума на людей.
В верхнем строении железнодорожного пути источниками шума являются рельсы и шпалы, вибрирующие под действием проходящего поезда (см. рис. 8 и титульное фото).
![Рис. 8. При движении поезда по железнодорожному пути (а) шум вызывает вибрация колес, рельсов и шпал, возникающая в результате взаимодействия между ними (б) [5]
Rad = Колесо
Schiene = Рельс
Schwekke = Шпала
Schwingungen = Вибрации
Luftschall… = Звуковая волна](https://polymerbranch.com/wp-content/uploads/2024/08/8-1024x318.webp)
В этом случае способствовать снижению уровня шума могут вкладыши материала с высокой демпфирующей способностью в виде упругих элементов между рельсами и шпалами. Они приводят к тому, что нагрузка поезда распределяется на большее количество шпал, что позволяет сэкономить на верхней части конструкции железнодорожного пути и снизить потребность в техническом обслуживании. Обычные вкладыши из эластомеров с малой величиной фактора потерь очень хорошо выполняют эту функцию, но практически не уменьшают вибрацию рельсов и шпал и уровень связанного с этим шума. Напротив, вкладыши из вязкоупругих эластомеров с высокой демпфирующей способностью, каковыми являются ППУ Sylodamp, могут уменьшить амплитуду колебаний рельсов и шпал и, как следствие, уровень испускаемого шума (рис. 9).
Заключение
Эластомеры с высокой демпфирующей способностью представляют собой вязкоупругие материалы, которые из-за выраженного межмолекулярного трения между участками полимерных цепей поглощают энергию деформирования материала. Поэтому подобные эластомеры используются для уменьшения пиковых нагрузок при ударах и для ограничения резонансных явлений при циклических нагружениях. Таковыми являются шесть ППУ серии Sylodamp с высокой демпфирующей способностью при комнатной температуре, у которых значение фактора потерь h превышает 0,45.
Чтобы достичь такого высокого значения h, доля вязкоупругой деформации должна быть очень большой. Из этих соображений химическая структура Sylodamp построена таким образом, чтобы область стеклования соответствовала комнатной температуре или другой температуре эксплуатации материала. В этом случае полимерные цепи деформируются примерно в такт с циклической нагрузкой, тогда как свободный объем в эластомере, ограничивающий эти деформации, невелик. И то, и другое приводит к микроскопическому молекулярному трению и, как следстиве, к рассеиванию механической энергии.
Профиль свойств Sylodamp является результатом процесса оптимизации химического состава материала, который обеспечивает как высокое значение фактора потерь, так и долговечность материала. Таким образом, он подходит для множества различных областей применения, где люди, чувствительная электроника или другие объекты должны быть защищены от воздействия слишком больших циклических нагрузок.
Кроме того, эластомеры из ППУ с высокой демпфирующей способностью эффективно защищают от шума. Например, демпфирующие вкладыши в конструкции железнодорожных путей могут снизить вибрацию колес, рельсов и шпал и, следовательно, уровень шума, возникающего при прохождении поезда. Но в этом случае, учитывая высокий уровень механических нагрузок, рецептуру эластомера модифицируют с учетом более высокой значимости долговечности материала.
Литература
- Ehrenstein G. W. Polymer-Werkstoffe. Struktur, Eigenschaften, Anwendung. – Carl Hanser Verlag, München, 2011.
- Cohen M. H., Turnbull D. Molecular transport in liquids and glasses // J. Chem. Phys. – 1959. – Vol. 31. – P. 1164.
- Ediger M. D., Angell C. A., Nagel S. R. Supercooled liquids and glasses // J. Phys. Chem. – 1996. – Vol. 100. – P. 13200.
- Loy H., Augustin A. Pushing the limits of ballasted heavy-haul railway track by means of high-strength under-sleeper pads made of a specially developed PUR // Rail Engineering International Edition. – 2015. – Vol. 4. – P. 3.
- Thompson D. J., Jones C. J. C. A review of the modelling of wheel and rail noise generation // J. Sound Vib. – 2000. – Vol. 231. – P. 519.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 8 (303) 2024 г., с. 58-60.
