Исследование ИК-спектров компонентов композиционных материалов показало, что для базальтовой ваты (кондиционной и некондиционной) характерны следующие полосы поглощения: 3409 (3440), 2820 (2920), 2320 (2340), 1640 (1645), 1400 (1400), 1045 (1040), 800, 594,7 и 555,7 см^-1

Относительно интенсивная полоса поглощения с максимумом 3409 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 1045 см^-1 обусловлена валентными колебаниями связи Si-O в цепочном кремнекислородном мотиве: апорит 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 1640 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 2920см^-1, 2340 см^-1, 1400 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 : ассиметричные – 1458 см^-1, симметричные - 1375 см^-1; полосы поглощения конденсированных ароматических соединений – 1602 см^-1, полосу связанной воды в районе 3200 см^-1и узкий слабовыраженный максимум при 1025 см^-1 обусловленный валентными колебаниями связи С=О.

Рис. 5 ИКС-спектры: а) базальтовая вата: 1- кондиционная вата;

2- некондиционная вата; б)1- спектр битумного вибропоглощающего материала; 2-резинобитумный вибропоглощающий материал

На ИК-спектрах битумных композиционных образцов (рис. 5 б) отчетливо идентифицируются полосы:, 3052,56,3025,1, 2923,58, 2852,74, 2512,76, 1797,09, 1727,27 ,1601,34, 1434,64, 1079,3, 1038, 875,71, 797,97, 752,82, 712,22, 699,81 597,12, 577,60, 525,04, 509,97 см^-1.

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 СН_2. – групп, 3052,56 см^-1 – ароматических СН-групп, наличие полос поглощения при 1079,3 см^-1 характеризует деформационные колебания связей Si-O-Si,

О

С-О-С, С=О в группе .

О.

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:

| |

О – ОН + – Si – О О – О – Si – ОН

| |

Битум Базальтовое волокно

О О

// //

C – ОН C – ОН

О – С – ОН + – Si – О – О – С – О – Si – ОН

\\ | \\ |

О О

Таким образом, анализ ИК - спектров образцов материала показывает, что базальтовые волокна упорядочивают структуру, образуя органо-силикатные 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.4), которые свидетельствуют о более полном химическом и физическом взаимодействии функциональных групп битума с базальтовыми волокнами. По данным ТГА (табл.4), битумные композиции на основе кондиционной и некондиционной базальтовой ватой в сравнении со битумными материалами на основе асбеста более термостойки. Так, потери массы при 300⁰С у битумных и резинобитумных материалов с асбестом составляют 16 и 14%, а с базальтовыми волокнами –13 и 11%, то есть на 12,5% меньше, при 800⁰С – с асбестом 80 и 69%, с базальтовыми волокнами 70 и 66% ( на 14,3% меньше).

В целом деструкция предлагаемых образцов смещается в область более высоких температур по сравнению с серийным материалом. Об этом свидетельствуют и более высокие значения энергии активации деструкции предлагаемых материалов (табл.4).

Таблица 4

Сравнение термостойкости битумных и резинобитумных композиций методом термогравиметрического анализа

Термогравиметрический анализ показал, что введение базальтовых волокон повышает термостойкость битумных композиционных материалов в среднем на 14 %.

Хроматографическое исследование паровой фазы показало (Рис. 7) отсутствие токсических веществ фенольного типа. Детальная расшифровка масс-спектров показала, что представленные ионы принадлежат к гомологическим рядам алаканов, алкенов и алкилбензолов. Происходит выделение вещества с временем удерживания 9,47 мин – предположительно сложный эфир фталевой кислоты.

а б

Рис.7 Хроматограмма резинобитумного материала

а – серийный; б – с базальтовой ватой

Рентгенографический анализ композиционной материала показал (Рис.8), что наличие низкоосновных гидросиликатов C-S-H (линии с межплоскостным расстоянием 2,085) Широкое основание пика 3,06 указывает на присутствие гидросиликатов. Образование гидроалюминатных фаз подтверждается пиком 2,48 характерным для четырехкальциевого монокарбонатного гидроалюмината С₃ CaСO₃ 12 Н₂O_..Анализ рентгенограмм образцов композиционных материалов показал, что они имеют четкие максимумы при углах отражения, которые являются основанием для утверждения, что образовавшиеся фазы являются кристаллическими образованиями. Частицы наполнителей являются центрами кристаллизаций выделяющихся фаз при образовании композиционного материала.

Рис. 8 Рентгенографический анализ битумного материала

Глава 6.Технология и апробация битумных материалов

Способ получения разработанного резинобитумного звукоизолирующего листового материала включает приготовление битумной композиции в смесителе, куда в разогретый до 150-170ºС битум вводят частями остальные инградиенты, перемешивание в течение 30 минут и каландрование на вальцах в лист.

Предложенный звукоизолирующий листовой материал может использоваться самостоятельно и является звукоизолирующим слоем шумопонижающей слоистой панели, включающей дополнительно слой пористого материала на основе хлопчатобумажных и синтетических волокон, пенополиуретана, полипропилена, базальтовых и других волокон. На поверхность пористого материала может быть нанесен слой декоративного материала.

Способ получения разработанного вибропоглощающего битумного листового материала включает приготовление битумной композиции в смесителе, куда в разогретый до 120 ºС битум вводят частями остальные инградиенты, перемешивание в течение 30 минут и каландрование на вальцах в лист, который совмещают с силиконизированной бумагой .

Предлагаемый битумный вибропоглощающий материал дополнительно может включать лицевой слой из алюминиевой фольги, например марки А-5М (ГОСТ 745), АД 1М (ГОСТ 618) толщиной 100 мкм. Для монтажа на месте применения используется клеевой монтажный слой с постоянной липкостью, например на основе водной акриловой дисперсии, защищенный силиконизированной бумагой или термореактивный клеевой слой на основе, например, сополимера метилакрилата, бутилакрилата и метакриловой кислоты.

Эффективная толщина листа, изготавливаемого из разработанных композиции, составляет 2,0-3,5 мм.

Для использования в производстве битумных и резино-битумных материалов базальтовой ваты необходимо в действующую технологическую схему ввести узел подготовки базальтовой ваты. Соответствует этому назначению имеющаяся на производстве лоскуто-раздирочная машина, которая позволит распушить волокнистую массу и способствовать тем самым равномерному их распределению в смеси.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Доказана эффективнсть замены канцерогенного асбеста с использованием базальтовой ваты волокон в разработанных битумных и резинобитумныхвибропоглощающих 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 резино-битумный 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 установлен 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 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 превышает 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 звукоизолируюших 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 конждиционная и некондиционная базальтовая вата является эффективным заменителем асбеста, который не только сохраняет термостойкие свойства материалов, но и значительно улучшает их эксплуатационные характеристики.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Литус А.А.. Термошумоизолирующий композиционный материал с использованием базальтовых волокон / А.А. Литус, С.Е.Артеменко И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Проблемы прочвности строительных конструкций, математическое моделирование и проектирование. Межвуз. сб. науч. трудов, СГТУ - 2005. - С.210-213.

2. 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. Сборник науч. трудов, посвященный 50-летию БИТТУ. Г. Балаково. - 2007. -С.265-271.

3. 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., г. Саратов. –2007. – С.150-152.

4. Литус А.А. Композиционные шумопонижающиематериалы с применением базальтовой ваты / А.А. Литус, С.Е.Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский // Композит-2007: Докл. Междунар. конф., г. Саратов. –2007. – С.281-284.

5. 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.

6. Патент 2326142 РФ 2008г. / Виброшумопоглощающий листовой материал // А.А. Литус, С.Е. Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский.

7. Положительное решение по заявке на патент № 2007105489 / Виброшумопоглощающий звукоизолирующий материал // А.А. Литус, С.Е. Артеменко, И.Н. Синицина, А.А. Землянский.