Звукопоглощаюший материал для звукопоглощающих экранов грузового автомобиля с пониженной горючестью Российский патент 2023 года по МПК B60R13/08 G10K11/162 

Изoбpeтeниe oтнocитcя к oблacти coздaния звyкoпoглoщaющиx и тeплoизoляциoнныx мaтepиaлoв, кoтopыe предназначены для звукопоглощения грузового автомобиля и его деталей в диапазоне частот от 100 до 1600 Гц, например пола, экранов звyкoпoглoщaющиx, где предъявляются требования по эффективному звукопоглощению, особенно где эти требования сопряжены с требованиями по низкой горючести материала.

Звyкoпoглoщaющий материал грузового автомобиля состоит из листового материала на основе пенополиуретана толщиной 12-25 мм и плотностью 50±10 кг/м³ Изделия получают методом смешивания полиола и изоцианата, взятых в соотношении, определяемом заранее заданной необходимой величиной плотности пенополиуретана в присутствии терморасширяемого графита, алюмосиликатных микросфер, сульфата бария активатора и воды, при суммарном количестве графита и алюмосиликатных микросфер, равном 0,5-10,5 масс.ч. реакционной смеси. Терморасширяемый графит и алюмосиликатные микросферы первоначально добавляют к части полиола, в котором содержатся активатор и вода. Размер частиц терморасширяемого графита может быть от 0,2 до 100 мкм. Размер частиц алюмосиликатных микросфер может быть от 0 до 500 микрон.

Детали пола изготавливают цельноформованными и повторяющими поверхность и очертания рельефа кузова из указанного материала. За кабиной над двигателем установлен звукопоглощающий экран, который уменьшает уровень шума двигателя. Низкорамное шасси развозного автомобиля с звукопоглощающими экранами двигателя и коробки передач, расположенными под силовым агрегатом и за кабиной.

Наиболее простой способ снижения горючести пенополиуретанов это применение добавок для повышения огнестойкости (антипиренов).

Наиболее распространенными типами являются галогенизированные соединения, фосфорсодержащие металлогидраты и соли, а также азотсодержащие антипирены и их комбинации с соединениями фосфора. Галогенированные замедлители горения, как правило, очень эффективны и требуют добавления сравнительно небольших их количеств к конечному продукту для получения выдающихся огнезащитных свойств, но они были включены в список особо опасных загрязнителей как особо опасные вредные загрязняющие вещества, и их применение ограничено.

Известно, что терморасширяющий графит и полифосфат аммония являются модификаторами горения со вспучиванием для полиуретановых пен.

Материалы на основе терморасширяющегося графита встречаются довольно часто, свойства этих материалов описаны подробно в публикации [Kang Shen. Recent advances with expandable graphite in intumescent flame retardant technology / Bernd Schilling // Nyacol Nano Technologies, Inc.]. Физико-химические основы процесса терморасширения терморасширяющегося графита обстоятельно рассмотрены в обзоре Хейфеца Л.И [Хейфец Л.И. Математическое моделирование процесса термического расширения интеркалированного графита / Зеленко В.Л.// Методическое руководство. ИГУ им. М.В.Ломоносова. - 2008.].

Способность терморасширяющегося графита к терморасширению обусловлена наличием в нём хорошо упорядоченных пакетов графеновых плоскостей (в достаточном количестве), связанных слабыми межмолекулярными (Ван-дер-Ваальсовыми) связями. Увеличение объема твердых частиц (значительное, до сотен раз) индуцируется терморасширяющимся графитом при нагреве в результате повышения давления газа внутри графитовой матрицы, происходящем вследствие испарения интеркалята либо выделения газообразных продуктов химической реакции с участием интеркалята и его производных. Увеличение объема происходит в основном путём изменения высоты графитовой частицы, т.е. вдоль кристаллографической оси, при этом диаметр частицы практически не изменяется. Результатом терморасширения является иерархическая структура пор в конечном продукте, имеющем ярко выраженную «червеобразную» форму. То есть имеет место изменения плотности упаковки в исходно существующих структурных элементах. В процессе разложения/испарения интеркалята развиваются большие давления (по некоторым оценкам до 15 атм), но далее газы улетучиваются в окружающее пространство. Терморасширенный графит кристаллографически остается обычным графитом.

Недостатком терморасширенной структуры, формирующейся из терморасширяющегося графита, является ее низкие прочностные характеристики. Такая структура не способна длительно выдерживать воздействие тепловых газовых потоках, образующихся при любом пожаре. Терморасширяющийся графит используют совместно с другими добавками. Он может быть использован для усиления эффектов интумесцентных композиций. Обычно в качестве такого рода наполнителей используют вермикулит, пенобетон, алюмосиликаты, пемзу, лаву и т.д. Перечисленные наполнители оказывают ряд дополнительных эффектов улучшающих процессы вспучивания. Примером может быть вермикулит, который имеет более высокую температуру “срабатывания”, чем графит, это дает диссипацию энергии при высоких температурах.

В качестве алюмосиликатных микросфер предпочтительно использовать стеклокристаллические алюмосиликатные шарики, которые образуются при высокотемпературном сжигании угля. Например, размер частиц алюмосиликатных микросфер может быть от 0 до 500 микрон. Химический состав алюмосиликатных микросфер может быть оксид кремния 58-70%, оксид алюминия 15-38%, оксид железа 1-7%, оксид кальция 1-4%, оксид магния 0,5-2%, суммарное содержание оксидов калия и натрия 1,5%. Алюмосиликотные микросферы снижают усадку и вязкость композиций.

Задача настоящего изобретения заключается в улучшения огнестойкости звукопоглощаюших материалов, применяемых для звукопоглощающих экранов грузовых автомобилей.

Известен патент РФ 2714917 в котором приведен состав для огнестойкого пенополиуретана применяемого в качестве теплоизоляционного материала для утеплителя жилых зданий и сооружений, а также для изготовления декоративных элементов внутренней отделки зданий. Указанный состав содержит 11,0-13,5 мас.% полиэфирполиола, 31,0-36,2 мас.% полиизоционата, 0,9-1,3 мас.% аминного активатора - триэтаноламина, 12,5-15,0 мас.% расширенного графита, воду, 10,0-15,0 мас.% фосфата меламина, 12,0-15,0 мас.% модифицирующей добавки - гидроксид карбонат цинка и/или борат цинка и/или оксид цинка, 8,6-10,5 мас.% дистиллированного талового масла, 2,0-2,7 мас.% катализатора уретанообразования - 30% ацетат калия в этиленгликоле, 0,9-1,4 мас.% пенорегулятора - Пента 483. Согласно данному изобретению полученные материалы позволяют получать пенополиуретаны с высокой огнестойкостью, с сохранением теплоизоляционных свойств, с повышенными показателями прочности и низкими значениями водопоглощения.

Известен патент РФ 2560146 в котором приведен состав, пригодный для получения полиуретана, содержащий одну смесь для формирования полиуретана, один фосфатный компонент, выбранный из группы, состоящий из полифосфата аммония (АРР) и меламинфосфатов и их смесей и их смесей, и один тип частиц оксида металла или металлоида с максимальным размером частиц менее 300 мкм.

Известен патент РФ 2556212 в котором приведен состав, пригодный для композиции для получения огнестойкого пенополиуретана, содержащую смесь полиолов, полиизоцината и огнезащитных добавок, отличающиеся тем, что в качестве добавок используются смесь полифосфатов аммония и сульфамата аммония в количестве от 10 до 40 мас.% от общего количества компонентов, при этом соотношение полифосфата аммония к сульфамату аммония в смеси составляет соответственно от 1:2 до 7:1 мас.ч.

Известен патент РФ 2232148 в котором приведен звyкoпoглoщaющий мaтepиaл, включaющий пoлыe микpocфepы и фocфaтнoe cвязyющee, oтличaющийcя тeм, чтo oн дoпoлнитeльнo coдepжит микpoпopoшoк нa ocнoвe элeктpoкopyндa, a в кaчecтвe пoлыx микpocфep иcпoльзyют зoльныe микpocфepы пpи cooтнoшeнии кoмпoнeнтoв, мac.%: зoльныe микpocфepы 20-35; фocфaтнoe cвязyющee 32,5-40; микpoпopoшoк нa ocнoвe элeктpoкopyндa 32,5-40.

В патенте РФ 2268899, выбранном в качестве прототипа, приведены сведения об огнестойком пенополиуретане на основе композиции, включающей полиэфирполиол, полиизоцианат, расширенный графит, аминный активатор, стабилизатор и вспениватель, отличающийся тем, что композиция дополнительно содержит цианурат меламина и модифицирующую добавку – многоатомные спирты, в качестве вспенивателя композиция содержит воду или фреон, полиэфирполиол перед взаимодействием с полиизоцианатом предварительно смешивают с аминным активатором, стабилизатором, модифицирующей добавкой и вспенивателем, а затем добавляют расширенный графит и цианурат меламина при соотношении 1-2:1 и суммарном количестве 15-30 мас.% от общего количества компонентов.

Недостатком существующих звукопоглощаюших материалов для звукопоглощающих экранов грузового автомобиля с пониженной горючестью является применение только одного компонента для снижения горючести. Для увеличения синергетического эффекта для снижения горючести необходимо использование комбинации компонентов, снижающих горючесть.

В рамках данного изобретения решается задача понижения горючести звукопоглощающих материалов на основе пенополиуретана.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что для получения звукопоглощающего материалов пониженной горючести на основе пористого пенополиуретана используют пористый пенополиуретан (ППУ) толщиной от 5 до 20 мм и плотностью 50±10 кг/м³ с размером ячеек от 0,05-0,80 мм с коэффициентом формы ячеек 1,0-1,8, полученный при взаимодействии по меньшей мере полиола и изоцианата, взятых в соотношении, определяемом заранее заданной необходимой величиной плотности пенополиуретана на установке «машина высокого давления с плунжерными насосами» фирмы KraussMaffei Германия.

В качестве полиола используют полиэфирный компонент Spesflex NS 759, изоционата изоционатный компонент Spesflex NE 138 в массовом соотношении 2:1.

Увеличение звукопопоголощения достигается с применением наполнителей, поскольку тонкодиспергированные неорганические наполнители часто добавляют в пену. В качестве наполнителей используют сульфат бария и карбонат кальция различного качества. Поскольку данные наполнители тяжелые, то без постоянного перемешивания они отстаиваются из полиольной смеси. Некоторые наполнители оказывают значительное влияние на реакции образования пены и неизбежно приводят к разбалансировке газо- и гелеобразующих реакций. Поэтому предпочтительно использовать сульфат бария в количестве равном 0-1 масс.ч. реакционной смеси.

Снижение горючести звукопоглощяющего материала достигается за счет использования терморасширяющегося графита, алюмосиликатных микросфер при суммарном количестве графита и алюмосиликатных микросфер, равном 0,5-10,5 масс.ч. реакционной смеси. Терморасширяемый графит и алюмосиликатные микросферы первоначально добавляют к части полиола, а во вторую часть полиола вводят аминный активатор, стабилизатор и воду. Размер частиц терморасширяемого графита может быть от 0,2 до 100 мм.

В качестве алюмосиликатных микросфер предпочтительно использовать стеклокристаллические алюмосиликатные шарики, которые образуются при высокотемпературном сжигании угля. Например, размер частиц алюмосиликатных микросфер может быть от 0 до 500 микрон. Химический состав алюмосиликатных микросфер может быть оксид кремния - 58-70%, оксид алюминия 15-38%, оксид железа 1-7, оксид кальция - 1-4%, оксид магния 0,5-2%, суммарное содержание оксидов калия и натрия 1,5%.

Алюмосиликатные микросферы снижают усадку и вязкость композиций.

Вспененный полимерный материал может иметь лицевой слой, который соединяют со слоем пенополиполиуретана. В качестве лицевого слоя можно использовать металлизированную полиэтилентерефталатную (ПЭТФ) пленку толщиной от 12 до 20 мкм на термопластичной полимерной основе толщиной 30 мкм. Термопластичная полимерная основа представляет собой слой полиэтилена, который при ламинировании расплавляется и соединяет пенополиэтилен и металлизированную полиэтилентерефталатную пленку.

Сущность данного изобретения заключается в том, что по первому варианту в качестве основных компонентов уретанообразующей смеси применялись полиольный компонент «А» марки Spesflex NS 759 и изоцианатный компонент «Б» марки Spesflex NE 138 в соотношении на 100 масс.ч. полиола на 50 масс.ч. изоцианата. Полиольный компонент «А» вводили в изоцианатный компонент «Б» и смешивали до начала реакции взаимодействия; заливали полученную композицию в предварительно разогретую оснастку, смыкали формообразующие элементы и выдерживали в течение 6 минут.

Вариант 2. Пенополиуретан, изготовленный по способу, описанному в варианте 1, полученный при добавлении 0,5 масс.ч. терморасширяющегося графита марки METOPAC EG 350-50 (80), производства «ГК Химические Системы», 0,5 масс.ч. алюмосиликатных микросфер и 1 масс.ч. сульфата бария. Смешивание компонентов проводили вручную в следующей последовательности: добавляли терморасширяющийся графит, алюмосиликатные микросферы и сульфат бария в полиольный компонент «А» и тщательно перемешивали в течении 5 минут; вводили в полученную смесь изоцианатный компонент «Б» и смешивали до начала реакции взаимодействия.

Вариант 3. Пенополиуретан, изготовленный по способу, описанному в варианте 2, полученный при добавлении 1,5 масс.ч. терморасширяющегося графита марки METOPAC EG 350-50 (80), производства «ГК Химические Системы», 0,5 масс.ч. алюмосиликатных микросфер и 1 масс.ч. сульфата бария.

Вариант 4. Пенополиуретан, изготовленный по способу, описанному в варианте 2, полученный при добавлении 3,5 масс.ч. терморасширяющегося графита марки METOPAC EG 350-50 (80), производства «ГК Химические Системы», 0,5 масс.ч. алюмосиликатных микросфер и 1 масс.ч. сульфата бария.

Вариант 5. Пенополиуретан, изготовленный по способу, описанному в варианте 1, полученный при добавлении 7 масс.ч. терморасширяющегося графита марки METOPAC EG 350-50 (80), производства «ГК Химические Системы», 0,5 масс.ч. алюмосиликатных микросфер и 1 масс.ч. сульфата бария.

Вариант 6. Пенополиуретан, изготовленный по способу, описанному в варианте 1, полученный при добавлении 10 масс.ч. терморасширяющегося графита марки METOPAC EG 350-50 (80), производства «ГК Химические Системы», 0,5 масс.ч. алюмосиликатных микросфер и 1 масс.ч. сульфата бария.

Физико-механические показатели материалов, полученных по вариантам 1 - 6, приведены в таблицах 1-3.

В таблице 1 представлены результаты исследования влияния терморасширяющегося графита на нормальный коэффициент звукопоглощения.

Таблица 1

Нормальный коэффициент звукопоглощения ППУ от 100 до 6300 Гц*

Частота Состав 1 2 3 4 5 6 100 0,003 0,001 0,002 0,009 0,008 0,058 200 0,000 0,000 0,000 0,004 0,000 0,064 250 0,008 0,004 0,007 0,012 0,009 0,075 315 0,014 0,007 0,014 0,016 0,012 0,099 400 0,021 0,015 0,025 0,023 0,020 0,135 500 0,026 0,020 0,028 0,027 0,024 0,187 630 0,031 0,024 0,029 0,034 0,028 0,257 800 0,032 0,032 0,025 0,035 0,028 0,219 1000 0,051 0,038 0,041 0,046 0,039 0,355 1250 0,075 0,048 0,054 0,054 0,045 0,373 1600 0,109 0,065 0,082 0,068 0,052 0,410 2000 0,140 0,140 0,111 0,095 0,057 0,591 2500 0,168 0,108 0,084 0,127 0,064 0,733 3150 0,059 0,057 0,041 0,055 0,048 0,834 4000 0,068 0,066 0,046 0,062 0,055 0,643 5000 0,083 0,085 0,058 0,076 0,068 0,482 6300 0,111 0,121 0,082 0,106 0,095 0,397

* - представлены значения среднеарифметических испытаний трех образцов

Таблица 2

Коэффициент теплопроводности ППУ

Параметр Состав 1 2 3 4 5 6 (Вт/(м*K)) 0,061 0,062 0,066 0,055 0,058 0,056

Таблица 3

Данные, полученные при ТГА исследовании образцов на воздухе

Состав T_5% (°C) T_max (°C) Скорость потери массы при T_max (масс%/мин) 1 222 302 10,7 2 223 302 10,2 3 238 306 8,5 4 190 294 7,9 5 202 299 7,5 6 218 300 7,3

Термические исследования в атмосфере воздуха показали, что введение 0,5 масс.ч. терморасширяющегося графита не изменило основные характеристики разложения пенополиуретана. Введение 1,5 масс.ч. терморасширяющегося графита в композицию пенополиуретана приводит к повышению термостабильности в окислительной среде, такие показатели, как T_5% и T_max повышаются. Так, T_5% увеличивается на 16°С и составляет 238°С, а T_max=306°С, при этом скорость потери массы снижается до 8,5 масс%/мин. При увеличении содержания терморасширяющегося графита с 3,5 масс.ч. до 10 масс.ч. заметно снижаются такие показатели, как T_5% примерно на 23-48°С и T_max примерно на 5-12°C. Пониженные значения T_5% и T_max были отнесены к влиянию остаточной кислоты внутри слоев терморасширяемого графита, что и приводит к ускоренному разложению пенополиуретана.

Таким образом, в композиции пенополиуретана с содержанием терморасширяющегося графита до 10 масс.ч. формируются более плотные вспененные частицы, снижающие скорость потери массы, и соответственно улучшается термостабильность и снижают горючесть.

Наиболее высокими физико-механическими характеристиками обладают составы по вариантам 3-6 пенополиуретана, позволяющие по сравнению с исходным пенополиуретаном: увеличить в среднем в 1,5-3 раза нормальный коэффициент звукопоглощения в частотном диапазоне от 100 до 1600 Гц; снизить коэффициент теплопроводности на 6-8%; снизить скорость потери массы при максимальной температуре разложения до 7,3 масс.%/мин.

Материалы, описанные выше, можно использовать для изготовления звукопоглощающих деталей грузового автомобиля, в частности звукопоглощающего экрана и монтировать их в местах с повышенной пожароопасностью.

Изoбpeтeниe oтнocитcя к oблacти coздaния звyкoпoглoщaющиx и тeплoизoляциoнныx мaтepиaлoв, кoтopыe предназначены для звукопоглощения грузового автомобиля и его деталей в диапазоне частот от 100 до 1600 Гц, например пола, экранов звyкoпoглoщaющиx, где предъявляются требования по эффективному звукопоглощению, особенно где эти требования сопряжены с требованиями по низкой горючести материала. Звукопоглощающий материал, включающий полиольный и изоцианатный компоненты уретанообразующей смеси, терморасширяющийся графит дополнительно содержит алюмосиликатные микросферы и сульфат бария при соотношении компонентов, мас.ч: полиольный компонент – 100, изоцианатный компоненты – 50, терморасширяющийся графит – 1,5-10, алюмосиликатные микросферы – 0,5, сульфат бария – 1. Обеспечивается снижение горючести. 3 табл.

Звукопоглощающий материал, включающий полиольный и изоцианатный компоненты уретанообразующей смеси, терморасширяющийся графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюмосиликатные микросферы и сульфат бария при соотношении компонентов, мас.ч:

Полиольный компонент – 100,

Изоцианатный компоненты – 50,

Терморасширяющийся графит – 1,5-10,

Алюмосиликатные микросферы – 0,5,

Сульфат бария – 1.