РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ОТХОДОВ РИСОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования влияние технологических факторов на механические характеристики образцов композиционных полимерных материалов и разработана оптимизация звукопоглощающих композитов на основе отхода рисового производства. Установлено, что повышение относительной влажности воздуха окружающей среды при нормальной постоянной температуре модуль упругости композитов монотонно снижается, а тангенс угла механически потерь возрастает. Разработаны рецептуры акустических композитов, содержащих в качестве основного по объему природного наполнителя рисовую шелуху и наномодифицированную эпоксидную смолу в качестве связующего, полимеризованного нетоксичным отвердителем аминного типа при нормальных условиях. Показало, что нанодобавки разных типов (силикатные и углеродные) оказывают различное влияние на частотные характеристики звукопоглощения и звукоизоляции. В совокупности с применяемыми математическими моделями трехкомпонентных смесей позволили определить составы композита, обеспечивающие оптимальный баланс по основным ключевым критериям ослабления звуковой энергии.

ABSTRACT

The article presents the results of a study of the influence of technological factors on the mechanical characteristics of composite polymer materials samples and the development of optimization of sound-absorbing composites based on rice production waste. It has been established that an increase in the relative humidity of the ambient air at a normal constant temperature causes a monotonic decrease in the modulus of elasticity of the composites, while the tangent of the mechanical loss angle increases. The authors have developed formulations for acoustic composites that contain rice husk as the main natural filler and a nanomodified epoxy resin as the binder, which is polymerized using a non-toxic amine-type hardener under normal conditions. It has been shown that different types of nanodispensers (silicate and carbon) have different effects on the frequency characteristics of sound absorption and sound insulation. In combination with the mathematical models of three-component mixtures, these studies allowed us to determine the compositions of the composite that provide the optimal balance for the main key criteria of sound energy attenuation.

Ключевые слова: композиция, биокомпозит, механические свойства, трехкомпонентных систем, матрица, математический модель, состав, оптимизация, звукопоглощающие композиты.

Keywords: composition, biocomposite, mechanical properties, three-component systems, matrix, mathematical model, composition, optimization, sound-absorbing composites.

Введение. Анализ научной и патентно-технической информации в области звукопоглощающих композиционных материалов и шумопонижающих конструкций, применяемых, прежде всего, в автомобильной промышленности, показал, что постоянно растущие требования к экологической безопасности привело к значительному расширению использования натуральных волокон, древесных опилок и другого сырья, полученного из биомассы.  К числу таких компонент относятся растительные волокна и различные биодеградируемые натуральные линейные и разветвленные высокомолекулярные соединения (натуральный каучук, целлюлоза, полимеризующиеся смолы, крахмал, жидкость скорлупы орехов кешью, и т.д.). Результаты предшествующих исследований авторов [1-20] проекта показали, что обеспечение высокого уровня акустических и эксплуатационных характеристик композитов, созданных на основе высокомолекулярных соединений природного происхождения и растительных волокон (биокомпозитов), возможно за счет сложного композиционного состава материалов.

Объект исследования. Объектами исследования является эпоксидная смола – ЭД-20, рисовая шелуха, полиэтиленполиамин (ПЭПА), Этал-45М, поливинилбутирал (ПВБ), монтмориллонит (КСФ) и базальтовое волокно.  

Результаты исследования и их обсуждение. Результаты исследования влияния технологических факторов на механические характеристики образцов композитов приведены на рисунке 1. Результаты измерений представлены для амплитуды колебаний 20 мкм и частоты 100 Гц. Исходная толщина непрессованных образцов составляла 10±2 мм.

По результатам динамического механического анализа определены оптимальные технологические параметры получения композитов с высокими механическими свойствами: время нагрева 23±3 мин.; температура 180±5 °С, прессование до толщин 2-6 мм, время прессования: 5±2 мин.

С учетом полученных данных изготовлены экспериментальные образцы звукопоглощающих композитов для разработки оптимальных шумопонижающих многослойных конструкций и проведения их испытаний по определению нормального коэффициента звукопоглощения.

Проведена экспериментальная оптимизация акустических композитов, содержащих в качестве основного (по объемному содержанию) натурального компонента – рисовую шелуху (РШ), в качестве связующего полимера – эпоксидную смолу (ЭС), в качестве модифицирующих компонент – два различных типа силикатных и углеродных нанодобавок: монтмориллонит (МР) и углеродные трубки (УНТ).

1 – композит на основе ГШ и комбинированного полимерного связующего ПП+ПЭ; 2 – композит на основе ГШ+ПП; 3 – композит РШ+ПП; 4 – зарубежный аналог (пр-во Германия); 5 – композит РШ+ПП;  6 – зарубежный аналог (пр-во Италия); 7 – композит ГШ+ПЭ

Рисунок 1. Результаты динамического механического анализа звукопоглощающих композитов, содержащих компоненты природного (растительного) происхождения

Используемая методология проведения экспериментальной оптимизации основана на исследовании трехкомпонентных систем при помощи метода экстремальных вершинных точек (extreme vertices) для двух серий образцов, отличающихся типом модифицирующих нанодобавок.

В экспериментах со смесями факторами являются компоненты (ингредиенты) смеси и, следовательно, их уровни не являются независимыми. Например, если x₁, x₂, … , x_p обозначают пропорции p-компонентной смеси, тогда

0 ≤ x_i ≤ 1        i = 1, 2, … , p    и      x₁+x₂+… +x_p = 1 (т.е. 100%).

Эти ограничения для двухкомпонентной (p=2) и трехкомпонентной (p=3) смесей иллюстрирует рисунок 2.

Рисунок 2. Ограниченное факторное пространство для двухкомпонентной (а) и трехкомпонентной (б) смесей

Для двухкомпонентной смеси факторное пространство включает все значения этих двух компонентов, которые лежат на линейном сегменте x₁+x₂ = 1, где содержание каждого компонента ограничено диапазоном от 0 до 1. Для трехкомпонентной смеси факторное пространство представляет собой треугольник с вершинами, соответствующими составам чистой смеси (100% одного компонента).

Для трехкомпонентной смеси ограниченную экспериментальную область удобно представить в трилинейной системе координат, как показано на рисунке 3.

Каждая из трех сторон треугольника соответствует смеси, не содержащей третьего компонента, обозначенного на противоположной вершине. Градуированные линии от противоположных сторон к вершинам показывают содержание соответствующего этой вершине компонента.

Рисунок 3. Ограниченное факторное пространство для трехкомпонентной смесей

Простые (симплексные) планы экспериментов используются для исследования влияния состава смеси на соответствующие свойства. A {p, m} симплекс-решетчатый план для p компонентов состоит из точек, определяемых следующими координатами:

x_i = 0, , , … , 1             i = 1, 2, … , p                                                 (1)

т.е. содержание каждого из компонентов, принимает m + 1 равноотстоящих значений от 0 до 1.

Для примера рассмотрим вариант p=3 и m=2.  Тогда

x_i = 0,  , 1             i = 1, 2, 3.

Соответствующий симплекс-решетчатый план будет состоять из шести вариантов смесей:

(x₁, x₂, x₃) = (1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1), (, , 0), (, 0,  ), (0,  ,  ).

В настоящей работе для исследования тройной системы построены диаграммы составов при помощи метода симплексных решеток с использованием квадратичной математической модели. В матрицы планирования включены экстремальные вершинные точки (extreme vertices) и центроиды ограниченной области.

Результаты экспериментальных исследований включены в таблицe 1 и с использованием этих данных получены оптимизационные математические модели для коэффициента звукопоглощения в виде:

y = 0,11•·x₁ + 0,76•x₂ –  68x₃ – 1,18•x₁•x₂ + 76•x₁•x₃ + 75•x₂•x₃             

где x₁ – ЭС; x₂ –РШ; x₃ – МР;

и для показателя звукоизоляции в виде:

y = 48,9•x₁ – 20•x₂ + 15174•x₃ + 259•x₁•x₂ – 16698•x₁•x₃ – 16807•x₂•x₃  

где x₁ – ЭС; x₂ –РШ; x₃ – УНТ.

В таблице 1 приведены составы оптимальных звукопоглощающих композиционных полимерных материалов на основе отходов рисового производства.

Таблица 1.

Составы оптимальных звукопоглощающих композитов на основе отхода рисового производства

Разработаны матрицы планирования экспериментов (табл.1), изготовлены две группы образцов (по 9 образцов в каждой группе) толщиной 10 мм, диаметром 29 и 100 мм  (рис.4) и проведены лабораторные исследования их основных акустических характеристик в диапазоне частот 500-6400 Гц: коэффициента звукопоглощения по стандарту ISO 10534-2 и показателя звукоизоляции (потерь при передаче звука) по стандарту ASTM E2611-19.

Рисунок 4. Образцы полученных акустических композитов

Графическая интерпретация оптимизационных моделей трехкомпонентных композитов, наглядно демонстрирует влияние рецептурного состава на основные акустические характеристики композитов. Использованный математический подход позволил сократить объем экспериментов для оптимизации содержания наномодификаторов в полимерной матрице акустических композитов на основе критериев максимального звукопоглощения и звукоизоляции.

Заключение. Таким образом, разработаны рецептуры акустических композитов, содержащих в качестве основного по объему природного наполнителя рисовую шелуху и наномодифицированную эпоксидную смолу в качестве связующего, полимеризованного нетоксичным отвердителем аминного типа при нормальных условиях.

Список литературы:

1.  Румянцев Б.М., Жуков А.Д. Эксперимент и моделирование при создании новых изоляционных и отделочных материалов. М.: Изд-во МИСИ–МГСУ, 2013. 156 с.
2. Liu Sh., Chen W., Zhang Y. Design optimization of porous fibrous materials for maximizing absorption of sound under set frequency bands // Applied Acoustics. 2014.
3. Sound absorbing and sound insulating materials. Ed. By E.Ya.Yudin. Moscow: Stroiizdat, 1966. 248 p.
4. Abed N.А., Iankov R. Alexiev A.R., Bukharov S.N. Promising Acoustic Materials to Reduce Noise and Improve the Environmental Situation in Production Facilities and Transportation // J. Acoustics. – Vol. 25.  – 2023. – P. 5-13.
5. Мясников А.М., Князев В.И., Панчев А.М. Возможности акустического метода исследований W-Cu композитов // Современные научные исследования и инновации. 2023. № 1 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2023/01/99764 .
6. Krock R.H. Effect of Composition and Dispersed-phase Particle Size Distribution on the static Module of W-Cu Composite Materials. Proc. Am. Soc. Test. Mater. ASTM STP-63, v.63, 1963, p.605-612.
7. Брандт Н.Б., Кульбачинский В.А. Квазичастицы в физике конденсированного состояния. М., Физматлит, 2007, 632с.
8. Steverding B. A relation between surface Energy, velocity of sound, and density. Mater. Sci. and Eng., v.6, 1970, p.390.
9. Демин А.И. Парадигма дуализма. Пространство-время, информация-энергия. М., изд. ЛКИ, 2007, 320с.
10. Князев В.И., Букатов В.Г., Кутырев Д.Р. Способ акустического определения физических характеристик спекаемого материала. Патент СССР №1217017, А1. G01N29/00, 1993, Б.И. №19.
11. Князев В.И., Рысцов В.Н., Шевченко А.С. Способ контроля состава двухфазных композитов. Патент России, RU №2280251, С1, G01N29/07, 2006, Б.И.№20.
12. Князев В.И. Акустический контроль физико-механических свойств композитов. Свидетельство России о гос регистрации  в Реестре программ для ЭВМ №2008615672 от 27.11.2008; сайт http://www.dr-knyazevslava. narod.ru/index/0-4/.
13. Крок Р. Неорганические порошковые композиты. В кн. «Современные композиционные материалы» под ред. А.Браутмана и Р.Крока,  пер. с англ. под. ред. И.Л. Светлова, М., «Мир», 1970. 555с.
14. Krock R.H. Some Comparisons between fiber-reinforced and continuous sceleton W-Cu composite materials. J. of Materials. v.1, n.2,1966, p.278.
15. McDanels D.L., Jech R.W., Weeton J.W. Analysis of stress-strain Behavior of W-fiber-reinforced Copper Composites. Transactions of the Met. Soc. of AIME, v.233, n.4, 1965, p.636.
16. Woo E.M., Seferis J.C. Thermal sonic Analysis of polymer Matrices and Composites. J. of Composite Materials. v.21, 1987, p.262.
17. Карпинос Д.М., Тучинский Л.И., Сапожникова А.Б. и др. Композиционные материалы в технике. Киев. Техника,1985, 152с.
18. Чоба А.В., Пасичный В,В, Пилиповский Ю.Л. и др. Расчет теплофизических свойств  W-Cu псевдосплавов. Порошковая металлургия (Киев), №8, 1984, с.50-54.
19. Ledbetter H., Datta S. Elastic Constants of a Tungsten – Particle Copper – Matrices Composite. J.S.M.E. Int. J. Ser.1, v.34, n.2, 1991, p.194-197.
20. Ledbetter H.M., Naimon E.R. Elastic Properties of Metals and Alloys. II Copper. J. of Physics and Chem. Reference Data. v.3, n.4, 1984, p.897-935.