阻尼橡膠減震材料的研究進(jìn)展

阻尼橡膠減震材料的研究進(jìn)展

近年來，橡膠緩沖衰減材料在汽車、機(jī)械、橋梁、建筑、航空、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。橡膠減震材料主體包括NR、SBR、順丁橡膠(BR)、(鹵化)IIR、(H)NBR、硅橡膠、EPR、EVM等。由于單一橡膠的阻尼溫域相對較窄,難以滿足工程領(lǐng)域更為嚴(yán)格的應(yīng)用需求。近年來,采用橡膠共混、共聚、填料改性、有機(jī)小分子雜化阻尼、溶液共沉淀和IPN等技術(shù)提高橡膠材料的阻尼性能,特別是拓寬阻尼溫域成為研究熱點。本工作總結(jié)了近年來國內(nèi)外相關(guān)工作進(jìn)展,為進(jìn)一步研究開發(fā)寬溫域高阻尼橡膠材料提供參考依據(jù)。1橡膠緩沖緩沖材料1.1增強(qiáng)非織造材料的力學(xué)性能高福年在汽車發(fā)動機(jī)前后支撐抗震制品以及橡膠/金屬的減震套管膠料配方設(shè)計時,生膠采用NR與BR并用,硫化體系采用中硫高促的半有效體系,補(bǔ)強(qiáng)劑采用爐法炭黑與白炭黑并用,在硅烷偶聯(lián)劑方面,發(fā)動機(jī)前后支撐減震制品膠料選用了KH-550,用量一般是白炭黑的2%～3%,橡膠與金屬減震套管膠料采用Si-69,其用量是白炭黑用量的4%～5%。宋傳江等研究了原位接枝改性白炭黑補(bǔ)強(qiáng)NR的力學(xué)性能及動態(tài)性能,發(fā)現(xiàn)白炭黑填充的NR經(jīng)原位接枝改性后,拉伸強(qiáng)度和定伸應(yīng)力均提高,阻尼因子(tanδ)減小,當(dāng)改性劑用量為9份時,膠料綜合性能最好。ShajiJosephad等研究了油棕微纖增強(qiáng)NR復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)將長纖維加入NR中,儲能模量(E′)增大而tanδ向高溫方向移動。微纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的E′和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)高于長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。Thaijaroen研究了3種增粘劑如石油樹脂、酚醛樹脂和松香對炭黑填充NR的力學(xué)性能和動態(tài)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),3種增粘劑能提高NR在低應(yīng)變區(qū)的E′,并且能顯著提高膠料的tanδ。采用納米Fe3O4填充NR可制備磁性橡膠。未經(jīng)磁性區(qū)域處理的磁性橡膠的tanδ為0.07,磁性橡膠經(jīng)過外部均勻磁性區(qū)域(1.5T)處理后,tanδ可提高到0.15。Sarawut等采用球磨分散制備均勻的白炭黑懸浮物,并將其加入到NR膠乳中制成白炭黑/NR母料。隨著白炭黑用量的增大,未加偶聯(lián)劑Si-69的復(fù)合材料的tanδ不斷減小,當(dāng)加入30份白炭黑時,加入Si-69的復(fù)合材料的tanδ比未加偶聯(lián)劑時更小。隨著白炭黑用量的增大,60℃時的白炭黑/NR復(fù)合材料的tanδ略微增大。1.2阻尼材料的研究王沛等采用自制的乙氧基乙基嗎啉(EOEM)作為結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)劑,正丁基鋰作為引發(fā)劑,制備了高乙烯基含量的溶聚丁苯橡膠(SSBR)。改變調(diào)節(jié)劑的用量以及反應(yīng)溫度,SSBR分子鏈段中乙烯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)73%,苯乙烯嵌段的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%～50%,tanδ高達(dá)0.9,樣品具有良好的力學(xué)性能和阻尼性能。楊澤榮等在羧基丁苯橡膠(CSBR)中添加受阻酚,制備了一系列CSBR/受阻酚阻尼材料。受阻酚與CSBR二者之間會形成分子間氫鍵,受阻酚與橡膠基體的相容性較好,材料具有良好的阻尼性能,可用作室溫阻尼材料。Patri等制備了SBR/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物,互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物的拉伸強(qiáng)度隨著丙烯酸酯用量的增大而提高,由于互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物內(nèi)部出現(xiàn)微觀相分離,使其阻尼溫域比不含PMMA的SBR硫化膠明顯拓寬。SrinivasanPraveen等研究了納米粘土對芳綸短纖維填充SBR復(fù)合材料阻尼性能的影響。發(fā)現(xiàn)納米粘土能提高復(fù)合材料的阻尼性能,但動態(tài)E′不受納米粘土用量的影響。1.3復(fù)合材料的阻尼性能IIR的分子鏈上含有大量的側(cè)甲基,形成蠕蟲狀結(jié)構(gòu),因而tanδ較大,其Tg附近存在著次級轉(zhuǎn)變,因而其阻尼峰既高且寬,因而IIR減震制品在汽車、機(jī)械、航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。湯振杰等以1mm厚IIR薄片為基體,研究了炭黑、中空玻璃微珠、鋁粉含量對IIR吸聲性能的影響。發(fā)現(xiàn)1mm厚IIR薄片的吸收峰頻率為4000Hz,吸聲效果以中空玻璃微珠最好,炭黑次之;當(dāng)玻璃微珠/IIR為0.5時,材料第二吸收峰頻率為2500Hz,其最高吸聲系數(shù)達(dá)0.15。梅啟林等采用混煉-模壓-極化工藝,制備了壓電陶瓷/炭黑/IIR聚合物基壓電阻尼復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓電陶瓷體積分?jǐn)?shù)為50%、炭黑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時,復(fù)合材料的tanδ峰值達(dá)到最高,有效阻尼溫域最寬;復(fù)合材料的阻尼性能隨著外力的增加而增強(qiáng);當(dāng)外力作用頻率f接近或等于橡膠分子運動單元松弛時間的倒數(shù)1/τ時,復(fù)合材料的損耗模量(E″)和tanδ均出現(xiàn)最大值。廖明義等以IIR為聚合物網(wǎng)絡(luò)I,聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)[P(St-MMA)]為聚合物網(wǎng)絡(luò)II,制備了IIR/聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯)互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)[IIR/P(St-MMA)IPN]。研究發(fā)現(xiàn),添加交聯(lián)劑和單體BMA,可明顯提高IPN的阻尼性能。張梁等利用Haake流變儀的高溫和剪切作用對廢舊IIR進(jìn)行脫硫,研究了廢舊IIR、再生IIR和硫化再生IIR的阻尼性能。研究發(fā)現(xiàn),與廢舊IIR相比,再生IIR和硫化再生IIR的阻尼性能有很大程度提高。王雪等采用溶液共沉淀法制備了SSBR/IIR材料,當(dāng)IIR質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于10%時,樣品的性能變化較小;當(dāng)IIR質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%時,樣品的300%定伸應(yīng)力和拉伸強(qiáng)度降低,Tg由1個變?yōu)?個,60℃時tanδ顯著增加,樣品的阻尼性能提高。1.4復(fù)合材料的阻尼性能鹵化IIR是IIR的衍生膠種,其不僅具有IIR優(yōu)良的阻尼性能,而且硫化速度比IIR更快,與其他橡膠的相容性更好。孫志勇等研究了高耐磨爐黑對氯化丁基橡膠(CIIR)硫化膠阻尼性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著高耐磨爐黑用量的增大,CIIR硫化膠的tanδ值減小,且損耗峰逐漸向高溫區(qū)移動。采用CIIR與丙烯酸酯共聚物(Pac)共混制得的減震橡膠具有較大的tanδ值,同時在-20～+60℃內(nèi),tanδ值的變化小于0.5,使共混物不僅具有優(yōu)良的減震性能,還具有良好的減震穩(wěn)定性。Li等制備了具有高阻尼性能的CIIR/石油樹脂共混物,CIIR與石油樹脂的相容性良好。隨著石油樹脂Tg的升高,共混物tanδ峰值向高溫區(qū)移動,復(fù)合材料有效阻尼區(qū)域的溫度范圍大于74℃。Liu等制備了CIIR/聚丙烯酸乙酯(PEA)/壓電陶瓷(PZT)/炭黑復(fù)合減震材料。在CIIR中添加體積分?jǐn)?shù)為0.10～0.30的PZT和炭黑,利用PZT的壓電效應(yīng),將外部傳來的振動能轉(zhuǎn)換成電能,再通過炭黑形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),根據(jù)焦耳效應(yīng),將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒊鋈?以獲得更好的減震效果。Qu等和Wu等分別制備了CIIR/PF和CIIR/PEA共混物,這兩種共混物均具有較好的高溫阻尼性能,可作為新型阻尼材料使用。Dai等研究了CIIR/聚丁基甲基丙烯酸酯連續(xù)互穿網(wǎng)絡(luò)(IPNs),發(fā)現(xiàn)IPNs能夠拓寬阻尼溫域。含有44%聚丁基甲基丙烯酸酯的IPNs的tanδ(>0.3)的溫度范圍是-49～104℃。丁國芳等采用機(jī)械共混改性方法制備了CIIR阻尼減震復(fù)合材料。研究氯化聚乙烯(CPE)、PF用量以及硫化體系等對復(fù)合材料力學(xué)性能和阻尼性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),隨著CPE用量的增加,tanδ下降;當(dāng)CPE用量為45份時,復(fù)合材料的Tg向高溫方向移動了近35℃;隨著PF用量的增加,復(fù)合材料的阻尼t(yī)anδ降低;當(dāng)PF用量為55份時,復(fù)合材料的Tg向高溫方向移動了近25℃;采用PF/DCP復(fù)合硫化劑制得的復(fù)合材料,具有更好的綜合阻尼性能。秦巖等通過聚氯乙烯(PVC)糊樹脂共混改性CIIR,制備了一種在60～120℃阻尼性能良好的共混物。采用鄰苯二甲酸二丁酯處理PVC糊樹脂形成塑溶膠再共混CIIR可以拓寬阻尼溫域,60～120℃共混材料的tanδ>0.15。譚亮紅研究發(fā)現(xiàn),CIIR阻尼材料的阻尼性能優(yōu)于IIR、NBR和NR。以云母粉作填料的CIIR阻尼材料的阻尼性能比以碳酸鈣作填料的更好,且阻尼材料的阻尼溫域隨著云母粉粒徑的增大而變寬。劉燦培以溴化IIR為基體,添加乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷改性的竹加工破碎邊角料,再加入苯乙烯-異戊二烯嵌段共聚物,在過氧化二異丙苯(DCP)引發(fā)劑的作用下,制成交聯(lián)型橡膠吸振復(fù)合材料。當(dāng)竹粉和DCP用量分別為45份和0.8份時,復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能、較寬的Tg范圍和較大的tanδ,減震性能較好,使用溫度上限為150℃。1.5增塑劑、改性膠及性能研究有機(jī)小分子雜化阻尼是一種阻尼改性新方法,它是通過有機(jī)小分子如受阻酚AO-80、AO-60、AO-2246等與聚合物基體形成強(qiáng)的分子間作用力,從而使復(fù)合材料具有很高的阻尼性能。張國榮,趙秀英等制備了受阻酚AO-80/NBR復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)隨著AO-80用量的增加,tanδ峰的位置向高溫方向移動,tanδ峰高也逐漸增大。NBR/AO-80/CB復(fù)合材料具有較好的阻尼性能,其tanδ峰的峰值高于1.22,有效阻尼溫域(tanδ≥0.3)大于38℃。趙云峰等研究發(fā)現(xiàn)在NBR/PVC/PR/受阻酚AO-60共混體系中,添加不超過50份的AO-60,共混硫化膠tanδ-溫度曲線為單峰。隨著AO-60用量的增加,硫化膠的Tg提高,阻尼峰值增大,動態(tài)模量先增高后降低。隨著PR用量的增加,硫化膠的tanδ峰值溫度升高,而阻尼峰值則先升高后降低。加入增塑劑,硫化膠的力學(xué)性能、E′及Tg都有所下降。荀國立等設(shè)計合成了一種新型的超支化結(jié)構(gòu)的受阻酚,將這種受阻酚作為助劑加入NBR中,其硫化膠的阻尼性能較好。與小分子受阻酚相比,這種大分子受阻酚在橡膠材料中不易遷移,可長期儲存和使用。劉其霞等將羧基丁腈橡膠(XNBR)和受阻酚2,2′-亞甲基雙-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)(AO-2246)混合,制備出擠壓和未擠壓AO-2246/XNBR復(fù)合材料。研究表明,在未擠壓樣品中,大部分AO-2246分子以晶體顆粒的形式存在,體系的tanδ比純XNBR基體低;而在擠壓樣品中,體系的阻尼性能顯著提高。AO-2246質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的雜化體系的tanδ峰峰值高達(dá)3.5,同時該峰位置由低溫向高溫方向移動至室溫附近。Liu采用5份膨脹石墨等量替代炭黑填充NBR,可使硫化膠具有較高的E′和較寬范圍的阻尼峰。ShajiJoseph等研究了油棕微纖維增強(qiáng)NBR復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)隨著油棕微纖維用量的增加,復(fù)合材料的E′增大,tanδ減小。與全NBR硫化膠相比,GF(玻璃纖維)/Pb/NBR復(fù)合減震膠料的力學(xué)強(qiáng)度和阻尼性能均明顯提高,這為高性能復(fù)合減震材料提出了一種新結(jié)構(gòu)。石琢等以鄰苯二甲酸二正辛酯(DOP)為增塑劑,利用常壓澆注法制備了不同質(zhì)量比的PVC/粉末丁腈橡膠(PNBR)橡塑合金,發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVC/PNBR/DOP質(zhì)量比為70∶30∶130時,材料具有較大的阻尼性能和較好的力學(xué)性能,而且在250,1000,2000Hz下吸聲性能較好。Cao等發(fā)現(xiàn)AO-80能顯著提高HNBR復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能,隨著AO-80用量的增大,tanδ峰值逐漸向室溫方向移動。氫化羧基丁腈橡膠(HXNBR)和低粘度的HNBR進(jìn)行共混,改變共混物中羧基含量,也能獲得減震性能良好的膠料。王珍等研究發(fā)現(xiàn)丙烯腈含量對HNBR的tanδ峰值影響不大,但材料的阻尼峰會隨著丙烯腈含量的增大而向高溫區(qū)移動。1.6聚硅氧烷/聚丙烯酸酯接枝硅系統(tǒng)優(yōu)化劑硅橡膠具有良好的耐高低溫和耐老化性,使用溫度范圍寬(-60～200℃),力學(xué)性能穩(wěn)定,適合作為高低溫交變環(huán)境下使用的阻尼材料。但是硅橡膠的tanδ不高,必須通過適當(dāng)改性才能滿足工程應(yīng)用要求。Wang等以PF為硫化劑,采用混煉-模壓工藝制備的甲基乙烯基硅橡膠(PMVS)/IIR復(fù)合材料,當(dāng)PMVS/IIR質(zhì)量比為100/100、PF用量為IIR用量的4%時,復(fù)合材料的tanδ值最大,可達(dá)0.69,tanδ值大于0.3的溫度區(qū)間為-50～+100℃。唐小斗等研究發(fā)現(xiàn),硅橡膠減震材料的交聯(lián)密度降低,相當(dāng)于材料微觀網(wǎng)絡(luò)中鏈段運動自由度增大,從而可以使材料獲得更好的阻尼性能。蔣篤孝等在對聚硅氧烷和丙烯酸酯互穿網(wǎng)絡(luò)阻尼材料的研究中發(fā)現(xiàn),當(dāng)聚硅氧烷和聚甲基丙烯酸酯(PBMA)共混比為20/80、聚硅氧烷的特征粘度為54.5mPa·s、交聯(lián)劑二乙二醇二丙烯酸酯(DMG-DA)的用量為8%時,材料的tanδ達(dá)到最大1.4。王艷艷等采用溶液聚合法制備聚丙烯酸酯接枝硅橡膠,發(fā)現(xiàn)聚丙烯酸酯可拓寬硅橡膠的有效阻尼溫域,改善其高低溫阻尼性能。復(fù)合聚丙烯酸酯(聚丙烯酸乙酯與聚丙烯酸丁酯的混合物)接枝硅橡膠的有效阻尼溫域?qū)拸V,具有良好的高低溫阻尼性能。郭建華等研究了氟橡膠/硅橡膠共混物的阻尼性能。發(fā)現(xiàn)氟橡膠/硅橡膠共混物的阻尼曲線在5℃和-40℃左右,分別顯示氟橡膠和硅橡膠的阻尼峰,隨著氟橡膠/硅橡膠的共混比由20/80增大至80/20時,氟橡膠相的tanδ峰值由0.256增至1.078,而硅橡膠的tanδ峰值由0.232減小至0.108。Cai等采用嵌段共聚法制備烯丙基縮水甘油醚(AGE)改性硅橡膠,采用納米SiO2進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。采用AGE改性的硅橡膠比未改性時,具有更好的動態(tài)力學(xué)性能,其Tg更低,為-56℃,而tanδ更高,為0.26。Zhang等采用EPDM和硅橡膠共混制備阻尼材料。當(dāng)在硅橡膠中添加EPDM橡膠時,tanδ(35～200℃)升高,共混物的拉斷伸長率提高,但拉伸強(qiáng)度和耐熱性下降。1.7材料阻尼性能EPR具有良好的耐熱、耐臭氧和電絕緣性,適合作為汽車軸襯用的減震橡膠制品,以滿足制品的動倍率低、耐臭氧性好、絕緣性高等性能要求。陳兵勇等研究樹脂共混改性EPDM橡膠材料的阻尼性能。將EPDM與改性石油樹脂共混,獲得了較好的減震性能。共混物出現(xiàn)2個阻尼峰,第2個阻尼峰正好是材料的工作溫度,因而具有優(yōu)異的阻尼減震性能。采用碳五石油樹脂改善EPDM的阻尼性能。隨著碳五石油樹脂用量增至30份,碳五石油樹脂/EPDM復(fù)合材料的Tg向高溫方向大幅度移動,阻尼溫域拓寬,損耗峰面積(TA值)大幅度提高。劉璐研究了發(fā)泡劑、填充劑對EPDM發(fā)泡材料阻尼性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),EPDM發(fā)泡材料的阻尼性能隨溫度和頻率的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢,材料的玻璃化溫度在-30～-40℃之間,損耗正切峰值為0.8～1.0,具有優(yōu)異的低溫阻尼性能。1.8evm和epda共混體系的阻尼性能EVM700中乙烯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%,分子側(cè)鏈結(jié)構(gòu)中含有大量的極性酯基,其tanδ峰值可達(dá)0.93,Tg范圍在-5～30℃之間,非常適合作為阻尼材料。史新妍等選用雙叔丁基過氧化異丙基苯(BIPB)作為硫化劑,研究EVM和EPDM共混物的阻尼性能。發(fā)現(xiàn)不同共混比的EVM700和EPDM4640共混時,出現(xiàn)有“谷底”的雙tanδ峰,不能有效拓寬阻尼溫域,而EVM900使EVM700/EPDM4640共混物的總有