Влияние параметров композитных материалов на основе поливинилацетата на их диссипативные свойства

575

Журнал прикладной химии. 2020. Т. 93. Вып. 4

УДК 678.073

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛАЦЕТАТА НА ИХ ДИССИПАТИВНЫЕ СВОЙСТВА

¹ ОАО «Пластполимер»,

195197, г. Санкт-Петербург, Полюстровский пр., д. 32

² Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет),

190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26

E-mail: nauka@plastpolymer.com

Поступила в Редакцию 16 августа 2019 г.

После доработки 17 сентября 2019 г.

Принята к публикации 8 февраля 2020 г.

Методом динамического механического анализа исследованы трехслойные композитные материалы

металл-вязкоупругий полимер-металл, где в качестве вязкоупругого полимерного слоя использовались

термопластичные пластифицированные пленки на основе поливинилацетата. Получены эксперимен-

тальные зависимости значений коэффициентов механических потерь и компонентов комплексного

модуля упругости от температуры для композитов с различными соотношениями толщины армиру-

ющих и вязкоупругого слоев. Полученные результаты сопоставимы с экспериментальными данными,

полученными другими методами на других полимерных материалах, а также с данными расчетов.

Ключевые слова: пластифицированные пленки; поливинилацетат; трехслойные композиты; дисси-

пативные свойства

DOI: 10.31857/S004446182004012X

В машиностроении, авиации, кораблестроении

показано, что эффективность демпфирования много-

широко используются армированные вибропогло-

слойных структур при механических колебательных

щающие покрытия и листовые композитные мате-

возмущениях полностью описывается через три груп-

риалы, содержащие внутренние полимерные слои,

пы параметров: параметры сдвига, геометрический

обладающие высокой способностью к диссипации

фактор и частотный параметр. Эти параметры зависят

энергии. Главным практическим преимуществом та-

от геометрических характеристик (длина стержней,

ких армированных многослойных материалов перед

соотношение толщин вязкоупругого и армирующего

однослойными полимерными покрытиями является

слоев), модуля сдвига вязкоупругого слоя, модуля

их существенно большая эффективность в процессах

упругости армирующего слоя, распределения масс

вибродемпфирования без существенного увеличения

относительно оси симметрии и угловой частоты

массы или толщины демпфируемой конструкции [1,

[3-5]. В то же время расчетные методы базируются

2]. Простейшим вариантом таких слоистых материа-

на ряде допущений, что ограничивает возможность

лов являются трехслойные композиты вида металл-

поиска методов усовершенствования слоистых

полимер-металл, где полимерный слой, обладающий

вибродемпфирующих материалов. Эффективность

способностью к диссипации энергии, располагается

применения упрочненных вязкоупругих материалов,

между двумя металлическими армирующими слоями,

влияние клеевых соединений, обеспечивающих

хотя в настоящее время известно об успешном исполь-

скрепление слоев в композитном материале, на его

зовании материалов, содержащих пять и более слоев.

демпфирующие свойства — все эти практически

Подобные трехслойные структуры в виде со-

важные вопросы могут решаться исключительно на

ставных стержней или пластин с демпфирующими

базе экспериментальных данных.

накладками достаточно подробно анализировались

К числу наиболее эффективных вязкоупругих по-

экспериментальными и расчетными методами. Было лимерных связующих, используемых в качестве вну-

576

Сятковский А. И. и др.

треннего слоя в композитах металл-полимер-металл,

пленок ВПС и внешние металлические слои оди-

относятся пластифицированные полимерные пленки

наковой толщины, готовили следующим образом:

на основе поливинилацетата, ассортимент которых

между двумя металлическими пластинами разме-

выпускается под общим названием ВПС-пленки

ром 30 × 7 мм, поверхности которых предварительно

(ВПС-2,5, ВПНС-4, ВПС-3, ВПНС-1 и др.). Все пле-

обезжиривали ацетоном, размещали образцы раз-

ночные материалы типа ВПС обладают чрезвычайно

личных ВПС-пленок. Полученные образцы компо-

высокими коэффициентами механических потерь в

зитных материалов выдерживали в прессе под дав-

интервале температур -15÷+50°С.

лением 1 кг·см^-2 при температуре +50°С в течение

В работе [6] приведены данные по эксперимен-

2 ч. Металлические слои для образцов композита

тальному исследованию температурно-частотных за-

изготавливали из стальной ленты толщиной 0.12,

висимостей физико-механических характеристик для

0.25, 0.35 и 0.65 мм, ГОСТ 503-81 «Лента стальная

различных видов ВПС-пленок. При этом изучались

холоднокатаная из низкоуглеродистой стали», марка

композитные материалы металл-полимер-металл

08кп. Модуль упругости при изгибе металлических

с различными ВПС-пленками при фиксированных

пластин из этой ленты, определенный при темпера-

геометрических параметрах композита.

туре 23°С на разрывной машине Orientec RTM-1T,

Целью настоящего исследования являлось экс-

составляет 1.7∙10¹² Па.

периментальное изучение влияния геометрических

Измерения механических показателей осущест-

параметров, таких как соотношение толщины арми-

вляли на приборе ДМА 8000 фирмы Perkin Elmer в

рующих слоев и внутреннего вязкоупругого слоя,

режиме трехточечного изгиба в интервале температур

трехслойных композитов на их физико-механические

-50÷+80°С при частоте 1 Гц. Для количественной

показатели методом динамического механическо-

оценки диссипативных свойств полимерных мате-

го анализа (ДМА). Кроме того, нам представлялось

риалов использовался коэффициент механических

необходимым сопоставить полученные эксперимен-

потерь η и модуль механических потерь (Е″). Между

тальные закономерности с выводами, сделанными

этими величинами существует простая взаимосвязь

на основе исследований армированных стержней и

Е″ = Е′η, где Е′ — динамический модуль упруго-

пластин, с целью подтвердить обоснованность ис-

сти полимера. Кроме того, важным параметром яв-

пользования ДМА для анализа такого рода компо-

ляется температура Т_ηmax, при которой достигается

зитных материалов.

максимум коэффициента механических потерь η_max.

В дальнейшем в тексте мы будем использовать сокра-

щенные названия показателей : η — коэффициент по-

Экспериментальная часть

терь, Е′ — модуль упругости, Е″ — модуль потерь и

В качестве объектов исследования были выбраны

Тηmax — температура максимального демпфирования.

пленочные материалы на основе поливинилацета-

Как уже отмечалось, демпфирование в слоистых

та: ВПНС-4 и ВПС-2,5, серийно производимые в

конструкциях, содержащих внутренний полимер-

ОАО «Пластполимер», ТУ 4515-001-00203521-93

ный слой, связано с их способностью диссипировать

«Пленка термопластичная пластифицированная».

энергию при изгибных колебаниях за счет сдвиговых

Пленки являются самоклеящимися, толщина исход-

деформаций в вязкоупругом полимерном слое. В ка-

ных пленок от 0.6 ± 0.1 до 1.8 ± 0.1 мм. Все пере-

честве метода испытаний был выбран «трехточеч-

численные пленочные материалы получаются пу-

ный изгиб», схематически представленный на рис. 1.

тем смешения поливинилацетата с пластификатором

Возмущение с фиксированной частотой прикладыва-

и другими добавками в смесителе с последующим

ется к середине пластины h₁, тогда как концы всего

экструдированием расплавов через шнековую маши-

трехслойного композита остаются незакрепленными.

ну в пленку [7]. Пленки ВПНС-4 и ВПС-2,5 содер-

В работе [6] на примере пленок ВПС-2,5, ВПНС-4

жат низкотемпературный пластификатор из группы

и ВПНС-1 было показано, что физико-механические

сложных эфиров в количестве 40 и 25% соответ-

характеристики трехслойных композитов металл-

ственно. Пленка ВПНС-4, содержащая большее ко-

пленка ВПС-металл, определенные при различных

личество низкотемпературного пластификатора,

частотах возмущения, представляют собой кривые со

обладает максимальными демпфирующими свойства-

сдвигом в область высоких температур ΔТ ≈ 6-7° при

ми в области более низких температур, чем пленка

переходе от частоты 1 Гц к частоте 10 Гц и ΔТ ≈ 8-9°

ВПС-2,5 [6].

при переходе от частоты 10 Гц к частоте 100 Гц.

Трехслойные композитные материалы, содержа-

В предлагаемой работе большинство измерений про-

щие внутренний полимерный слой из различных

водилось при частоте 1 Гц, поскольку при работе в

Влияние параметров композитных материалов на основе поливинилацетата на их диссипативные свойства

577

слоев коэффициент механических потерь композита

растет (рис. 2, а, в). В отличие от однослойных по-

крытий с полимерным демпфирующим слоем, где

увеличение толщины демпфирующего слоя всегда

приводит к возрастанию коэффициента потерь [1, 8],

в трехслойных композитах демпфирование зависит

не только от толщины центрального слоя, но также и

от соотношения толщин всех слоев [9-11]. Наиболее

подробно этот вопрос исследовался в работе [9], где

Рис. 1. Схема испытания композитных материалов при

было показано, что в случае, когда толщина вязко-

деформации «трехточечный изгиб».

упругого слоя меньше толщины армирующих слоев,

h₁, h₃ — толщины армирующих металлических слоев,

коэффициент потерь уменьшается с увеличением

h₂

— толщина вязкоупругого полимерного слоя,

толщины пленки. Когда толщина пленки в 2 раза и

f (Гц) — частота деформации.

более превосходит толщину армирующих слоев (как

и в нашем случае, представленном на рис. 2, а, в), ко-

режиме трехточечного изгиба на низких частотах

эффициент потерь увеличивается с ростом толщины

проще обеспечивать фиксацию образца в датчике

демпфирующего слоя [9].

прибора.

Увеличение толщины внешних металлических

На рис. 2 представлены зависимости коэффициен-

армирующих слоев при сохранении толщины вяз-

тов потерь и модулей упругости от температуры для

коупругого слоя приводит к падению коэффициента

«симметричных» (h₁ = h₃) трехслойных композитов

механических потерь (рис. 2, кривые 1, 4, 5), что

с внутренними вязкоупругими полимерными слоями

также согласуется с экспериментальными и расчет-

из различных пленок ВПС.

ными данными подобных структур [8]. Температура

С увеличением толщины вязкоупругого слоя h₂

максимального демпфирования Т_ηax практически не

при неизменной толщине внешних металлических зависит от соотношения толщины вязкоупругого и

Рис. 2. Зависимость коэффициента потерь (а, в) и модуля упругости (б, г) от температуры при возмущении с частотой

1 Гц для композитов с полимерными пленками ВПС-2,5 (а, б) и ВПНС-4 (в, г) толщиной h₂ = 1.8 (1, 6), 1.3 (2, 7),

0.5 мм (3-5, 8, 9) и металлическими слоями толщиной h₁ = h₃ = 0.12 (1-3, 6-8), 0.25 (4), 0.65 мм (5, 9).

578

Сятковский А. И. и др.

металлических слоев (небольшая тенденция к сдвигу

метричные» композиты с близкими отношениями

Т_ηmax в область низких температур при увеличении

общей толщины металлических слоев к толщине вяз-

толщины армирующих металлических слоев связа-

коупругого слоя (см. таблицу, композиты № 2, 5, 6),

на, по-видимому, с общим увеличением жесткости

можно отметить, что коэффициент потерь больше в

сэндвичевой структуры, что приводит к повышению

случае «симметричных» композитов, тогда как мо-

собственных частот колебаний [12] или, как в на-

дуль упругости больше в случае «асимметричных».

шем случае, к сдвигу в низкотемпературную область.

Этот вывод также хорошо согласуется с результатами

Соотношение толщины полимерного и металличе-

как экспериментов, так и расчетов трехслойных ком-

ских слоев в композите является определяющим в

позитных материалов с промежуточным вязкоупру-

характере зависимостей модулей упругости от тем-

гим слоем [9].

пературы (рис. 2, б, г). Чем больше толщина вязкоу-

При анализе эффективности демпфирования кон-

пругого слоя, тем больше падение модуля упругости

струкций многослойными покрытиями успешно при-

с температурой и тем меньше его значение при тем-

меняется метод «эквивалентных» покрытий. В этом

пературе максимального демпфирования Т_ηmax. При

методе многослойное покрытие рассматривается как

очень большой (по отношению к толщине армирую-

эквивалентная однородная система, чьи «усреднен-

щих металлических слоев) толщине пленки характер

ные» свойства зависят от конкретных конструктив-

температурных зависимостей модулей упругости

ных особенностей реального покрытия. Показано, что

композитных материалов Е′ приближается к таковому

такое эквивалентное покрытие можно рассматривать

для неармированных термопластов [6].

как однослойное и, следовательно, использовать фор-

При расчете трехслойных композитов металл-по-

мулы и подход, применяемые для однослойных демп-

лимер-металл было установлено, что максимальными

фирующих покрытий [13]. Если применить подобный

демпфирующими свойствами обладают «симметрич-

подход к трехслойным композитам металл-пленка

ные» композиты, т. е. такие, где толщина верхнего h₁

ВПС-металл, вибродемпфирующая способность та-

и нижнего h₃ армирующих слоев одинакова [9]. Для

кого «эквивалентного» материала будет определяться

сопоставления с расчетными данными была прове-

модулем потерь Е″. На рис. 3 представлены зависимо-

дена серия экспериментов, в которых варьировалась

сти модуля потерь от температуры для трехслойных

толщина армирующих слоев h₁ и h₃ при постоянной

образцов с ВПС-2,5 и ВПНС-4 при различной толщи-

толщине вязкоупругого слоя (см. таблицу).

не вязкоупругого слоя. Из рис. 3 видно, что во всем

Из результатов измерений коэффициентов потерь

исследованном интервале температур модуль потерь

и динамических модулей упругости для «асимме-

Е″ для композитов с толщиной вязкоупругого слоя

тричных» композитов (h₁ > h₃ или h₁ < h₃) следует,

h₂ = 0.5 мм больше, чем для композитов с более тол-

что эти показатели не зависят от того, к какому из ар-

стым слоем ВПС-пленок (h₂ = 1.3 мм и h₂ = 1.8 мм).

мирующих слоев прикладывается возмущение. Таким

Этот довольно неожиданный результат объясняется

образом, в исследуемых условиях трехслойные ком-

тем, что падение модуля упругости композита с уве-

позиты ведут себя как своего рода единый материал,

личением содержания полимерной компоненты не

характеристики которого определяются конкретными

компенсируется увеличением коэффициента потерь.

соотношениями полимерных и металлических слоев

Если принять во внимание, что для большинства

в его составе. Сравнивая «симметричные» и «асим-

вибропоглощающих покрытий толщина армирующе-

Влияние толщины армирующих слоев металла на диссипативные свойства трехслойных композитов

металл-пленка ВПС-2,5-металл (f =1 Гц , h₂ = 0.5 мм)

Толщина металлического слоя, мм

Температура максимального

Коэффициент

Модуль упругости

№ композита

демпфирования Т_ηmax,°С

потерь η_max

Е′∙10^-11, Па

h₁

h₃

0.12

1.0

1.17

1.11

0.25

2.1

0.72

1.54

0.25

0.12

5.3

0.88

1.32

0.12

0.25

7.2

0.89

1.51

0.35

0.12

1.4

0.48

2.1

0.12

0.35

2.6

0.54

2.0

Влияние параметров композитных материалов на основе поливинилацетата на их диссипативные свойства

579

трехточечного изгиба при анализе композитов типа

металл-вязкоупругий полимерный слой-металл. Для

«симметричных» композитов с одинаковой толщи-

ной обоих металлических армирующих слоев при

увеличении толщины вязкоупругого слоя коэффи-

циент механических потерь растет, тогда как модуль

упругости уменьшается для обеих вязкоупругих пле-

нок ВПС-2,5 и ВПНС-4. При сохранении толщины

вязкоупругого слоя коэффициент механических по-

терь в «симметричных» композитах уменьшается с

увеличением толщины металлических армирующих

Рис. 3. Зависимость модуля потерь от температуры при

слоев, при этом модуль упругости композитов уве-

динамическом возмущении методом трехточечного из-

личивается. При одинаковом соотношении металл/

гиба с частотой 1 Гц для композитных слоистых мате-

полимер в структуре композитного материала ко-

риалов с металлическими слоями толщиной h₁ = h₃ =

= 0.12 мм и с полимерными пленками ВПС-2,5 (1-3) и

эффициент механических потерь для «симметрич-

ВПНС-4 (4-6) толщиной h₂ = 1.8 (1, 4), 1.3 (2, 5), 0.5 мм

ных» композитов больше, чем для «асимметричных».

(3, 6).

Эффективное демпфирование достигается при строго

определенных соотношениях толщины вязкоупругого

го слоя существенно меньше толщины демпфируемо-

и армирующих слоев, увеличение толщины только

го слоя, то полученные результаты свидетельствуют

одного вязкоупругого слоя из-за снижения модуля

о том, что эффективность демпфирующих покрытий

упругости всего композита приводит к снижению

с вязкоупругой полимерной прокладкой и металли-

модуля механических потерь и, следовательно, к сни-

ческим армирующим слоем не пропорциональна

жению вибропоглощения.

толщине диссипативного слоя. Действительно, вы-

сокоэффективные демпфирующие покрытия могут

Конфликт интересов

быть изготовлены на базе сравнительно тонких ВПС-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

пленок и сравнительно тонких металлических арми-

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

рующих слоев. В работе [14] показано, что при демп-

фировании металлического листа толщиной 3 мм

покрытием с пленкой ВПС-2,5 толщиной 0.4 мм и

Информация об авторах

армирующим листом толщиной 0.6 мм значительный

Сятковский Александр Иорданович, к.х.н.,

эффект 20-30 децибелл достигается в интервале ча-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4866-6819

стот 10-6000 Гц, причем изменение толщины вязко-

Скуратова Татьяна Борисовна,

упругого слоя в интервале 0.2-1.5 мм мало сказыва-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9041-4762

ется на эффективности демпфирования.

Трофимов Дмитрий Николаевич,

В заключение следует отметить, что все полу-

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6328-1901

ченные экспериментальные результаты находятся

Мазур Андрей Семенович, д.т.н., проф.,

в хорошем соответствии с расчетными и экспери-

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-3973-0046

ментальными данными, полученными другими

методами, что, по-нашему мнению, подтверждает

правомерность использования метода трехточечного

Список литературы

изгиба при моделировании сдвиговых деформаций в

[1] Mohan D. Rao. Recent application of viscoelastic

трехслойных композитах.

damping for noise control in automobiles and

commercial airplanes // J. Sound Vibration. 2003.

Выводы

V. 262. P. 457-474.

https//doi.org/10.1016/S0022-460X(03)00106-8

В условиях деформации трехточечного изгиба

[2] Nakra B. C. Vibration сontrol in machines and structures

исследованные композитные материалы ведут себя

using viscoelastic damping // J. Sound Vibration. 1998.

как однородный материал с «усредненными» физи-

V. 211. N 3. P. 449-465.

ко-механическими характеристиками. Полученные

[3] Grootenhuis P. The control of vibration with

экспериментальные результаты подтверждают пра-

viscoelastic materials // J. Sound Vibration. 1970. V. 11.

вомерность использования метода ДМА в режиме

N 4. P. 421-433.

580

Сятковский А. И. и др.

[4] Won S. G., Bae S. H., Cho J. R., Bae S. R., Jeong W. B.

[9] Boubaker K., Ross A. Transient and harmonic response

Thee-layered damped beam element for forced

of a sandwich with partial constrained layer damping:

vibration analysis of symmetric sandwich structures

A parametric study // Composites. Part B. 2016. V. 91.

with viscoelastic core // Finit Elements in Analysis and

P. 44-55.

Design. 2013. V 68. P. 39-51.

http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2015.12.037

https://doi.org/10.1016/j.finel.2013.01.004

[10]

Chen Y. C., Huang S. C. An optimal placement of CLD

[5] Zhon X. Q. , Yu D. Y. , Shao X. Y., Zhang S. Q., Wang S.

treatment for vibration suppression of plates // Int. J.

Research and applications of viscoelastic vibration

Mech. Sci. 2002. V. 44. P. 1801-1821.

damping materials: A Review // Composite Structures.

[11]

Hujare P. P., Sahasrabudhe A. D. Effect of thickness

2016. V. 136. P. 460-480.

of damping material on vibration control of structural

http://dx.doi.org/10.1016/j.compstruct.2015.10.014

vibration in constrained layer damping treatment //

[6] Скуратова Т. Б., Кириллов С. Е., Сятковский А. И.

App. Mech. and Mater. 2014. V. 592-594. P. 2031-

Диссипативные свойства полимерных пленок и ком-

2035. http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/

позитных материалов на основе поливинилацетата

AMM.592-594.2031

// ЖПХ. 2019. Т. 92. № 7. С. 881-887.

[12]

Ahmed J. K. Parametric study of dynamic analysis of

https//doi.org/10.1134/S0044461819070090

composite laminated plate // Int. J. Civil Environment

[Skuratova T. B., Kirillov S. E., Syatkovskii A. I.

Eng. 2017. V. 11. N 7. P. 905-909.

Dissipative properties of polymer films and composite

[13]

Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демп-

materials based on polyvinyl acetate // Russ. J. Appl.

фирование колебаний // Пер. с англ. под ред.

Chem. 2019. V. 92. N 7. P. 952-957.

Э. И. Григолюка. М.: Мир, 1988. C. 308-315 [Nashif

https//doi.org/10.1134/S1070427219070115].

Ahid D., Johnes David I. G., Henderson John P.

[7] Розенберг М. Э. Полимеры на основе винилацетата.

Vibration Damping. John Wiley & Sons, 1985].

Л.: Химия, 1983. С. 144-145.

[14]

Kirpichnikov V., Syatkovskiy A. Effectiveness research

[8] Corcaro R. D., Sperling L. H. Sound and vibration

of polymer film-based vibration absorbers // Akustika.

damping with polymers. //ACS Symp. Ser.; Am. Chem.

2019. V. 32. N 3. P. 36-38.

Soc. Washington, DC, 1990. P. 317-345.