UDK 691.17:620.178.3 Strokovni članek ISSN 1580-2949 MATER. TEHNOL. 35(5)303(2001) Č. ŠILAR ET AL.: VIBRACIJSKO DUŠILNE LASTNOSTI BUTILNIH VULKANIZATOV VIBRACIJSKO DUŠILNE LASTNOSTI BUTILNIH VULKANIZATOV VIBRATION DAMPING PROPERTIES OF BUTYL VULCANIZATES Črtomir Šilar, Pavel Munih, Zoran Šušterič Sava, d.d., Razvojno-tehnološki inštitut, Škofjeloška 6, 4502 Kranj, Slovenija Prejem rokopisa - received: 2000-10-10; sprejem za objavo - accepted for publication: 2001-08-16 Za izolacijo zgradb od tal, ki postaja vodilna tehnologija na potresno najbolj obremenjenih območjih, so potrebna visoko dušilna elastomerna ležišča. Z njihovo uporabo dosežemo znižanje lastne frekvence objekta in zmanjšamo prenos potresne energije s tal na objekt. V tem delu smo preučili vibracijsko dušilne sposobnosti butilnega elastomera v kombinaciji z žveplom in sajami, ki bi ga uporabili pri izdelavi protipotresnih ležišč. Ključne besede: dušenje vibracij, butilni kavčuk, protipotresno ležišče Insulating a building from the ground is becoming the most important technology in earthquake regions and requires highly-vibration-damping rubber bearings. Their application lowers the natural frequency of the building and reduces the ground-to-building transmission of the earthquake energy. In this work, the vibration damping properties of butyl elastomer in combination with sulphur and carbon black were studied, in terms of earthquake insulation bearings. Keywords: vibration damping, butyl rubber, earthquake insulation bearings. 1 UVOD Najnovejše rešitve na področju izolativne protipotresne gradnje priporočajo uporabo visoko dušilnih elastomernih ležišč, ki poleg fleksibilnosti vključujejo tudi visoko stopnjo togosti v vertikalni in horizontalni smeriob čim večjistopnjidušenja, s čimer se odpravljajo vsidodatnielementiza dosego navedenih lastnosti. V literaturise na tem področju pojavljajo triskupine elastomernih materialov: vulkanizati naravnega kavčuka (NR), kloroprenskega kavčuka (CR) in butilnega kavčuka (IIR). V naširaziskavismo zaradi širokega območja uporabnostipreučilidušilne lastnostislednjih. Zaradi morebitne kompatibilnosti z drugimi elastomeri smo uporabiliklorbutilnikavčuk (CUR), kispada v skupino halogeniziranih butilnih kavčukov. Izmerili smo dinamične mehanične funkcije, to sta dinamični strižni modul G’ in strižni modul izgub G’’, količini, ki vplivata na dušilne lastnosti protipotresnih ležišč, ter pokazali, kako sta tikoličiniodvisniod vsebnostisaj in žvepla v kavčuku. Namen tega dela je bil najti vulkanizat s čim boljšimi histereznimi lastnostmi (tangens izgub tgS = G’’/G’) ob še sprejemljivih pomembnejših mehanskih lastnostih5. 2 TEORETIČNE OSNOVE Najpomembnejša lastnost dušilnega elementa (ležišča) je njegova transmisivnost T, definirana kot razmerje med preneseno in vsiljeno zunanjo silo, ali ekvivalentno, razmerje med ustreznima pospeškoma oz. amplitudama pomika objekta in tal. Navedene količine MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5 so v naslednjimedsebojnizvezi: F = ma0 = -®2x0, kjer je F sila, a0 amplituda pospeška in x0 amplituda pomika. Transmisivnost kot funkcija frekvence je podana z naslednjo enačbo1: T(co)=š___________l + tg2S(co)___________j (1) |Šl-(o/o0)2G'(o)/G'(co0)] 2 + tg2ô(cu)J kjer je o vsiljena frekvenca, co0 lastna frekvenca nihajočega sistema, G´ dinamični strižni modul elastomera in tgS = G’’/G’ njegov tangens izgub, pri čemer je G’’ strižni modul izgub. Učinkovitost dušenja vibracij narašča s pojemanjem transmisivnosti. Če sta vsiljena in lastna frekvenca podobni, o « o0, se sistem odziva resonančno, kar povzroča najbolj uničujoče učinke potresa. V tem primeru se enačba (1) poenostavi v: T(co)«Šl+tg-2S((ö)]1/2. (2) Očitno je, da če želimo v resonančnih razmerah doseči čim nižjo transmisivnost (čim bliže 1), mora biti tangens izgub vulkanizata čim višji, zato smo v tem delu iskali vulkanizat s tako sestavo, ki omogoča čim višji tgh. Primerna količina za hitro karakterizacijo visko-elastičnih materialov je odbojna elastičnost R, ki je s tangensom izgub v naslednji zvezi2: R « exp(-TttgS). (3) Ta enačba pove, da odbojna elastičnost pojema z naraščajočim tangensom izgub. Butilni vulkanizati se od drugih omenjenih razlikujejo predvsem po visokem 303 Č. ŠILAR ET AL.: VIBRACIJSKO DUŠILNE LASTNOSTI BUTILNIH VULKANIZATOV strižni modul izgub Slika 1: Odvisnost odbojne elastičnosti nekaterih vulkanizatov od temperature3 Figure 1: Dependance of rebound resilience on temperature for various rubbers3 tangensu izgub in posledično nizki odbojni elastičnosti v uporabnem temperaturnem območju (slika 1). To je bil tudiglavnivzrok za uporabo butila v tem delu. 3 EKSPERIMENTALNI DEL Sestavo zmesismo načrtovaliz Box-Hunterjevo statistično shemo4. V nespremenljivem delu receptur smo uporabilitrikomponente: kavčuk (100 phr), ZnO (5 phr) in stearinsko kislino (1 phr), v spreminjajočem delu pa prav tako trikomponente: saje (0-60 phr), žveplo (0-2 phr) in pospeševalo (0-2 phr). Box-Hunterjeva statistična shema predpisuje za tri variable dvajset mešanj, pri čemer je šest sestav enakih, kar omogoča določitev eksperimentalnih napak. Tako dobljene elastomerne zmesi smo vulkanizirali v aparatu Rubber Process Analyser (RPA 2000 - Alpha Technologies). Vulkanizacija je potekala v komori volumna 4,5 cm3 15 minut pritemperaturi150 °C. Pri tako dobljenih vulkanizatih smo z isto aparaturo izmerili tangens izgub pri strižni deformaciji 45 %, frekvenci3Hz in temperaturi40 °C. Rezultate smo statistično obdelali z računalniškim programom, kislonina Box-Hunterjevistatističnishemi. dinamični strižni modul O saje (phr) Slika 2: Odvisnost dinamičnega strižnega modula od vsebnosti žvepla in saj v CIIR- vulkanizatu Figure 2: Dependence of storage modulus on carbon black and sulphur content for CIIR-rubber O saje (phr) Pirš ]PirS 50 600Pirs Slika 3: Odvisnost strižnega modula izgub od vsebnosti žvepla in saj v CIIR - vulkanizatu Figure 3: Dependence of loss modulus on carbon black and sulphur content for CIIR-rubber Ta omogoča določitev lastnosti vulkanizatov pri katerikoli vsebnosti spreminjajočih sestavin v okviru opravljenega eksperimenta. 4 REZULTATI Rezultatimeritev so pokazaliprevladujoč vpliv deleža saj in žvepla v celotnisestavina izbrane merjene lastnosti, medtem ko je bil vpliv pospeševala precej manjši. Na sliki 2 so prikazani dinamični strižni moduli, na sliki 3 strižni moduli izgub in na sliki 4 tangensi izgub v okviru izbranih spremenljivk. Iz dobljenih rezultatov je razvidno, da strižni modul izgub in tangens izgub pojemata z naraščajočo vsebnostjo žvepla, kar gre pripisati večji elastičnosti vulkanizatov. Po drugistranipa pridanivsebnosti žvepla omenjeni količini naraščata z vsebnostjo saj, ker v elastomeru aglomeratisaj delujejo kot energijsko desipacijski centri. Dinamični strižni modul raste z vsebnostjo žvepla zaradiboljše premreženostivulka-nizatov, prav tako pa raste z vsebnostjo saj zaradi interakcij med delci polnila in molekulami elastomera, ki naredijo strukturo vulkanizata trdnejšo in bolj elastično. tangens delta - strižna deformacija tO saje (phr) so a0*** Slika 4: Odvisnost tangensa izgub pri 45 % strižni deformaciji, frekvenci3Hz in temperaturi40 °C od vsebnostižvepla in saj v CIIR - vulkanizatu Figure 4: Dependence of tan? on carbon black and sulphur content at 45% shear strain and a frequency of 3Hz at 40 °C 304 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5 Č. ŠILAR ET AL.: VIBRACIJSKO DUŠILNE LASTNOSTI BUTILNIH VULKANIZATOV 5 SKLEP 6LITERATURA Dobljeni rezultati so pokazali, da je z različnimi sestavami klorobutilnega kavčuka z žveplom in sajami možno ustvariti vulkanizate širokega območja togosti in dušilnih lastnosti. Takšni vulkanizati so zato primerni za izdelavo znatne izbire vibracijsko dušilnih elementov. Ker je bil namen dela poiskati optimalno sestavo vulkanizata, ki bi ustrezal zahtevanim lastnostim, daje v okviru opravljenega dela optimalne rezultate vulkanizat z naslednjo sestavo: 100 phr CIIR, 5 phr ZnO, 1 phr stearinske kisline, 0,4 phr žvepla, 1,6 phr pospeševala in 48,4 phr saj. J. M. Kelly: Earthquake-Resistant Design with Rubber, Springer Verlag, London, 1993, Chaps. 1-3 R. P. Brown: Physical Testing of Rubber, Applied Science Publishers, London, 1979, Chap. 9 Bayer Polysar Technical Centre Antwerp: Butyl and Halobutyl Compounding Guide for Non-Tyre Applications, Bayer AG Business Group, Leverkusen, 1992 G. E. P. Box and J. S. Hunter: Multi-factor experimental design for exploring response surfaces, Ann. Math. Stat., London, 1957 Č. Šilar: Načrtovanje elastomernih protipotresnih materialov, diplomsko delo, FKKT , Ljubljana 1999 MATERIALI IN TEHNOLOGIJE 35 (2001) 5 305