С чем связаны различия виброзащитных полимерных материалов?

На российском рынке стройматериалов конкурируют три основных вида виброзащитных материалов. Это вспененные полиуретановые продукты, вибродемпфирующие эластомеры и бюджетные изделия из резиновой крошки. На последних останавливаться не станем, поскольку их эксплуатационные характеристики весьма посредственны. Рассмотрим лидеров рынка.

Начнем с самых раскрученных виброизоляционных материалов - вспененных полиуретанов. Пару десятков лет назад первую роль играли продукты австрийской Getzner - Sylomer и Sylodyn. Используя свое монопольное положение их дилеры держали максимальные цены, при этом обеспечивая клиентов качественным сервисом.

Перспективность рынка таких продуктов привела вскоре конкурентов, которые предлагать аналоги - вначале Vibrafoam от немецкой Kraiburg, а затем и отечественные фирмы с Gener и Vibrorez Pro. Это были вспененные полиуретаны с комбинированной структурой пор преимущественно открытых. Более совершенные продукты, такие как Sylodyn, Vibradyn и Gener получили закрытые поры, что повысило эффективность виброизоляции.  

Пористая структура вспененных полиуретанов обеспечивает сочетание упругих и вибропоглощающих свойств изделий. Рабочий диапазон, в частности Sylomer, начинается от 100 Гц. Температурный диапазон эксплуатации пенополиуретанов от -30°C до +70°C у Sylomer и Vibrafon и от -50°C до +50°C у Gener.

Отметим высокую несущую способность вспененных полиуретановых материалов с высокой плотностью, т.е. с пониженным числом пор. Но уменьшение пористости ведет к снижению способности материала к поглощению вибрации. Так для Sylomer SR11 статическая нагрузка 0,011Н/кв.мм, коэффициент механических потерь, который отражает количество поглощенной энергии вибрации - 0,25, у Sylomer SR450  статическая нагрузка 0,450 Н/кв.мм, коэффициент механических потерь 0,11, у Sylomer SR1200 статическая нагрузка 1,2 Н/кв.мм, коэффициент механических потерь всего 0,09. При этом важно отметить, что цена вспененных полиуретановых материалх тем выше, чем меньше пористость, поскольку больше материалоёмкость изделия, т.е. больше достаточно недешевого полиуретана.

Материалы типа Sylomer, Vibrafoam и Vibrorez Pro характеризуются большим количеством открытых пор, т.е. фактически это усовершенствованный и химически модифицированный поролон, который, как мы помним, был разработан в Германии еще в начале 40-х годов прошлого века. Способность такого пенополиуретана к поглощению воды известна, любому, кто хоть раз пользовался поролоновой губкой. Поглощение воды, к примеру, для пенополиуретаном Sylomer SR55 составляет порядка 300% за 3 часа. Если помнить, что виброизолирующие полиуретановые материалы обычно размещают под фундаментами, т.е. либо в землю, либо в ниши, которые недостаточно вентилируются, и лежат, как правило, ниже уровня пола. То есть неизбежно воздействие на виброзащитный материал воды с проникновение воды в поры.

В зависимости от количества и размера пор в массиве вспененного полиуретанового материала и количества воды, оказавшейся внутри массива, эксплуатационные характеристики виброизоляционного материала могут различаться. При этом вода - практически несжимаемый материал, и ее наличие внутри массива серьезно изменяет динамические характеристики изделия. При отрицательных температурах вода, находящаяся в внутри пор, за счет увеличения своего объема, может приводить к локальным разрушениям структуры материала. Важно помнить также о низкой стойкости полиуретановых полимеров к гидролизу, влияние которого становится сильнее при наличии растворенных в воде солей. А так как гидролитического действия воды и растворов солей полимер трудно избежать в условиях эксплуатации, такой комплекс негативных факторов ведет к снижению эффективности системы виброзащиты.

В отличии от вспененных полиуретанов, вибродемпфирующие материалы на базе синтетического нитрильного каучука, такие как виброгасящие пластины ТУ 2534-002-61734928-2013, материалы Новелле и демпфирующие пластины ПД-С-Ф ТУ 22.19.20-133-75233153-2022, монолитные эластомерные материалы, характеризующиеся минимумом упругих свойств и максимумом демпфирующих, т.е. направленных на поглощение энергии колебаний. Указанные нитрильные эластомерные материалы практически несжимаемы, что делает прогнозируемым поведение конструкций в эксплуатации, особенно в сравнении с пенополиуретановым Sylomer и аналогами, которые имеют тенденцию к постоянному сжатию на протяжении более чем 10 лет.

Исследованный рабочий диапазон демпфирующих эластомерных пластин начинается от 32 Гц, в отличии от вспененных полиуретанов – выше 100 Гц. То есть в области низких и сверхнизких частот применение монолитных эластомеров на основе нитрильных каучуков выглядит рациональнее.

Поскольку монолитный материал на основе синтетических каучуков гидрофобный и неподвержен гидролизу, пластины ПД-С-Ф и аналоги предпочтительнее для использования в фундаментах зданий и сооружений.

Рабочая статическая осевая нагрузка для вибродемпфирующих эластомерных пластин – 6,5 Н/кв.мм, а пиковая 19,5. Тогда как для даже топовой версии Sylomer SR1200 – 1,2 и 6,0 соответственно. Прочностные характеристики каучуковых эластомеров превосходят средние показатели для вспененных полиуретановых изделий примерно на порядок, а коэффициент механических потерь материалов из нитрильного каучука - на уровне бюджетного варианта Gener VX11 и значительно превосходит остальные изделия данной продуктовой линейки. Исходя из этих характеристик, применение пористого полиуретана в фундаментах зданий часто сомнительно.

Температурный диапазон эксплуатации вибродемпфирующих эластомеров от -40°C до +100°C, а у пластин ПД-С-Ф - до +120°C.

С чем связаны такие различия рассматриваемых типов виброзащитных полимерных материалов? Самым распространенным механизмом поглощения вибрационных колебаний является вязкоупругое демпфирование с использованием в системе виброизоляции материалов, которые обладают как эластической, так и пластической составляющими поведения. Эластическая - это упругость, которая накапливает энергию в процессе нагружения и целиком возвращает её после того, как нагрузка снята. Пластичность же не возвращает энергию, поскольку потеря энергии происходит в виде «чистого затухания” как только снимается нагрузка . В вязкоупругом материале сохраняется часть энергии колебаний в процессе действия нагрузки , а затем большая часть её преобразуется в тепловую. Причем чем больше энергии будет потеряно (преобразовано), тем о большем демпфировании нужно говорить.

Обычно, при применении вибродемпфирующих материалов энергия возмущения поглощается демпфирующим материалом, т.е преобразуется в некоторое количество тепловой энергии. Такой процесс именуется «поглощением энергии», хотя на самом деле речь идет о ее преобразовании в соответствии с Законом сохранения энергии.

Во вспененных полиуретановых материалах в процессах виброизоляции превалирует эластическая составляющая, тогда как в вибродемпфирующих эластомерах - пластическая.

На основе такой информации потребитель должен принимать решение об использовании того или иного типа виброзащитного материала - либо вспененного полиуретана, либо эластомера на основе нитрильного каучука, либо искать другие решения.