阻尼橡膠材料的研究進(jìn)展

劉瓊瓊

摘 要：文章針對(duì)阻尼橡膠材料的設(shè)計(jì)原則，闡述了影響橡膠阻尼性能的因素，包括橡膠結(jié)構(gòu)的影響以及與橡膠配合使用的組分（共混基體、填料、有機(jī)小分子、增塑軟化體系）的影響，并展望了橡膠阻尼技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：阻尼；橡膠；填料；共混；有機(jī)小分子；增塑軟化

引言

日常生活和生產(chǎn)中的振動(dòng)和噪聲給人們帶來了嚴(yán)重的危害，必須采用有效的手段加以控制。阻尼橡膠材料利用橡膠的動(dòng)態(tài)黏彈行為，將振動(dòng)能以熱的形式耗散，可廣泛應(yīng)用于降低機(jī)械噪聲、減輕機(jī)械振動(dòng)、吸聲、隔聲，提高工作效率，同時(shí)還可以改善產(chǎn)品質(zhì)量。阻尼橡膠材料通常用耗散因子tanδ表示阻尼特性。對(duì)于阻尼橡膠材料的設(shè)計(jì)原則包括：提高材料的阻尼因子，即tanδ高；拓寬阻尼溫度范圍。

1 橡膠結(jié)構(gòu)影響

影響橡膠阻尼性能的因素很多，其中聚合物自身的結(jié)構(gòu)對(duì)阻尼性能有直接影響。內(nèi)耗大的橡膠阻尼效果好，內(nèi)耗大的橡膠應(yīng)該是具有足夠高的分子量和分子量分布的多分散性，分子鏈間應(yīng)存在較強(qiáng)的相互作用，如離子鍵、氫鍵、極性基團(tuán)等，分子鏈中引入側(cè)基來增加分子間的內(nèi)摩擦。在常用橡膠中，丁基橡膠和丁腈橡膠的內(nèi)耗較高，氯丁橡膠、聚氨酯橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠居中，丁苯橡膠和天然橡膠較低。另外，通過共聚形成具有特定鏈段結(jié)構(gòu)的聚合物也可影響橡膠的阻尼性能。當(dāng)通過接枝共聚或嵌段共聚在聚合物側(cè)鏈生成鏈段或形成具有不同鏈段的嵌段結(jié)構(gòu)后，可以增大內(nèi)聚能、增加聚合物鏈段的運(yùn)動(dòng)和相互摩擦，從而提高聚合物的阻尼性能。除了上述影響因素外，本文主要從共混基體、填料、有機(jī)小分子、軟化增塑體系這幾個(gè)方面闡述了其對(duì)橡膠阻尼性能的影響。

2 與橡膠配合的組分影響

2.1 共混基體

將相容性較差的多種聚合物混合，可以產(chǎn)生具有微觀相分離結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合材料。上述結(jié)構(gòu)特征使各聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域發(fā)生疊加，進(jìn)而可以有效拓寬阻尼區(qū)域。為了提高橡膠的阻尼性能，常常將具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的聚合物進(jìn)行共混后，在不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg間獲得較寬的阻尼峰，常用的混合方式包括不同類型橡膠的共混以及橡膠與塑料的并用。

黃瑞麗[1]等采用飽和非極性三元乙丙橡膠EPDM和不飽和極性環(huán)氧化天然橡膠ENR-50制備出二元共混阻尼材料。通過在兩相中硫化劑的遷移，導(dǎo)致二元共混物中ENR-50交聯(lián)密度比單獨(dú)硫化時(shí)高、阻尼內(nèi)耗峰向高溫方向外擴(kuò)，EPDM相的交聯(lián)密度比單獨(dú)硫化時(shí)低、阻尼內(nèi)耗峰向低溫方向外擴(kuò)，最終得到了溫度范圍從-72.3℃到52.9℃的寬溫域阻尼材料。另外，硅橡膠具有寬廣的使用溫度，能在-60℃至250℃下長期使用，通常人們也常采用硅橡膠為基體，配合丁基橡膠或三元乙丙橡膠等制備阻尼材料。

橡膠和塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度相差較大，前者在室溫下處于彈性態(tài)而后者處于玻璃態(tài)。因此有較多研究通過橡塑共混來改善橡膠的阻尼性能，包括采用氯化丁基橡膠、丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠等與聚氯乙烯共混。鄭詩建[2]等制備了丙烯酸橡膠與聚氯乙烯的共混物，結(jié)果表明，當(dāng)丙烯酸酯橡膠用量為100份、聚氯乙烯用量為40-80份時(shí)，共混物在-10到100℃區(qū)間內(nèi)都能起到很好的阻尼作用。

2.2 填料

填料在橡膠體系中主要起到補(bǔ)強(qiáng)和降低成本的作用，但同時(shí)由于橡膠分子運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在分子鏈段與填料之間、分子鏈段之間或者填料與填料之間產(chǎn)生相互摩擦，從而增大阻尼能力。當(dāng)填料的粒徑減小、比表面積增大后，填料與橡膠的接觸面積也會(huì)相應(yīng)增大，從而產(chǎn)生更大的摩擦和改善的阻尼性能，片狀填料如石墨、云母等在阻尼材料中的應(yīng)用較多。另外，納米無機(jī)填料由于自身的表面和界面效應(yīng)，也被廣泛應(yīng)用于阻尼材料中。Aleksandra Ivanoska-Dacikj[3]等在天然橡膠（NR）基體中添加了2份多壁碳納米管（MWCNT）和不同用量（2-20份）的膨脹有機(jī)改性蒙脫土（EOMt），制備方法包括首先制備NR/MWCNT母膠，然后將其與EOMt及其他組分混合制備NR/EOMt/MWCNT納米復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可用作阻尼減震材料。

2.3 有機(jī)小分子

聚合物/小分子雜化阻尼材料通過極性聚合物與有機(jī)小分子在成型過程中產(chǎn)生的雜化效應(yīng)，通常認(rèn)為聚合物基體與有機(jī)小分子間產(chǎn)生氫鍵，而氫鍵的斷裂與重組耗散了大量能量，從而提高了阻尼性能。有機(jī)小分子一般作為硫化劑、穩(wěn)定劑、增塑劑等添加到聚合物中。左孔成[4]制備了丁腈橡膠/受阻酚AO-2246二元共混物，發(fā)現(xiàn)其阻尼機(jī)理是聚合物基體內(nèi)耗、氫鍵效應(yīng)以及非晶態(tài)小分子高阻尼特性共同作用的結(jié)果。當(dāng)AO-2246含量低時(shí)，氫鍵效應(yīng)貢獻(xiàn)較大。當(dāng)其含量超過臨界值（氫鍵數(shù)量飽和值時(shí)）時(shí)，非晶態(tài)小分子的高阻尼能力逐漸占主導(dǎo)，而聚合物內(nèi)耗決定了共混物的基本阻尼能力。Zhao X. Y.等[5]通過丁腈橡膠/受阻酚AO-80制備了阻尼材料。研究表明，受阻酚從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變成無定形態(tài)，在丁腈橡膠基體中形成了富集區(qū)，復(fù)合材料中形成了大量氫鍵，并且還存在由于體系中分子間氫鍵的解離而產(chǎn)生的兩次松弛過程中，使得復(fù)合材料具有很高的損耗性能，是良好的阻尼材料。

2.4 軟化增塑體系

軟化增塑體系用于減弱分子間的相互作用力、增強(qiáng)鏈段活動(dòng)性，將其添加到橡膠組合物中可改善加工性，同時(shí)也會(huì)降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和損耗因子峰值，但應(yīng)當(dāng)選擇合適的增塑劑類型以及用量。增塑劑應(yīng)選擇在橡膠中的溶解度較低或能與橡膠形成分相結(jié)構(gòu)的類型，以有效拓寬阻尼溫度范圍。同時(shí)增塑劑的用量不能太高，否則會(huì)降低橡膠的力學(xué)性能、儲(chǔ)能模量和損耗模量，增加應(yīng)力松弛等。

3 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，阻尼橡膠材料在解決由各種振動(dòng)、噪聲危害方面將發(fā)揮越來越重要的作用。阻尼橡膠材料一方面需要滿足實(shí)際使用過程中對(duì)物理機(jī)械性能的需求，另一方面需要具有足夠高的阻尼性能，能滿足不同頻率下對(duì)阻尼性能的要求。同時(shí)，對(duì)于阻尼橡膠材料的阻尼機(jī)理的研究還有待完善。因此探討其阻尼機(jī)理將有助于指導(dǎo)未來對(duì)阻尼橡膠材料的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃瑞麗，盧 ，龍娟，等.EPDM/ENR寬溫域阻尼材料的制備及阻尼機(jī)理[J].高分子材料科學(xué)與工程，2016，32（10）：119-124.

[2]鄭詩健，王聚淵，馬恩第.丙烯酸酯橡膠和聚氯乙烯共混體系阻尼特性的研究[J].特種橡膠制品，2000，21（2）：8-10.

[3]Aleksandra I.D.， Gordana B.G.， Sandip R. et al. Fine tuning of the dynamic mechanical properties of natural rubber/carbon nanotube nanocomposites by organically modified montmorllonite： A first step in obtaining high-performance damping material suitable for seismic application[J].Applied Clay Science，2015，118：99-106.

[4]左孔成.丁腈橡膠雜化阻尼材料的性能與表征[D].西南交通大學(xué).

[5]Zhao X. Y.， Xiang P.， Tian M.， et al. Nitrile butadiene rubber/hindered phenol nanocomposites with improved strength and high damping performance[J]. Polymer，2007，48：6056-6063.