橡胶阻尼材料研究进展_王如义

王如义等 1 橡胶阻 尼材料研究进展
91
由体积变大, 产生稀释效应, 从而降低材料的阻尼 性能[ 17] ; 二是添加片状填料的橡胶材料受外力作 用发生变形时, 片状填料会发生取向, 从而使填料 与橡胶之间产生摩擦, 起到降噪的作用[ 11] 。 21413 其它助剂
关键词: 橡胶; 阻尼材料; 阻尼性能; 减震 中图分类号: TQ 330; TQ 3361 4+ 2 文献标识码: B 文章编号: 1000-890X( 2003) 02-0088-06
机械运转产生的振动和噪声不仅污染环境, 而且影响机械的加工精度和产品质量, 加速机械 结构的疲劳损坏, 缩短机械的使用寿命。利用增 大机械系统或结构的能量损耗而减轻机械振动和 降低噪声的阻尼研究一直是国内外关注的热点。 现在, 已有许多新材料和新技术不断应用于阻尼 减震, 其中高分子阻尼减震材料以其优异的性能 越来越引起人们的重视。采用橡胶阻尼材料, 不 仅可以最大限度地降 低机械噪声和 减轻机械振 动, 提高工作效率, 而且十分利于提高产品质量。 以汽车工业为例, 减震橡胶材料的使用大幅度提 高了汽车的舒适性、稳定性和安全性。目前, 橡胶 阻尼材料已在很多领域广泛应用, 且其需求量日 益增大[ 1] 。本文简要介 绍了橡胶阻尼 材料的研 究进展。
此外, 交联度对阻尼性能也有影响。试验表 明[ 8] , 交联度增大, 材料的阻尼温度范围变大, 但 并不一定导致 S 增大, 原因是 S 值的大小取决于 材料各组分的分子结构。交联度适当, 有利于提 高材料 的阻尼 性能。曾 威等[ 11] 认为, 交 联度减 小, 橡胶大分子链活动性增强, 大分子链段间、填 料与填料间、大分子链段与填料间的摩擦机会增 多, 有利于振动能转化为热能, 从而提高材料的阻 尼性能。但交联度对 阻尼性能的影 响是较复杂 的, 不同橡胶阻尼材料的适合交联度范围还有待 进一步的研究。 212 使用温度和振动频率
此外, 炭黑种类对橡胶材料的阻尼性能影响 也很大[ 18] 。
表 1 NBR/ PVA 互穿聚合物网络材料的阻尼性能
N BR/ PVA 共混比 100/ 0 95/ 5 90/ 10 85/ 15 85/ 15 80/ 20 70/ 30
互穿网络交 联度/ % ) 2 2 2 5 9 13
阻尼峰值 最大值 1141 0157 0151 0149 0152 0151 0141
2 影响阻尼性能的因素 211 材料的形态结构
形态结构是决定橡胶材料阻尼性能的因素之 一。分子链上侧基体积较大、数量多、极性大以及 分子间氢键多、作用强的橡胶阻尼性能好[ 6] 。因 此, 具有较多侧甲基或极性侧基的 I IR 和 NBR 的 阻尼性能比 NR 好。对于汽车发动机减震器, 振 动倍率小的 NR 和 BR 多用作隔 震材料; 共振性 好的 I IR 多用作减震材料[ 7] 。在分析不同侧基对 阻尼性能的影响时发现[ 8] , 腈基侧基的强极性对 阻尼性能贡献很大, 即 NBR 具有很大的 t an D值。 EPDM 由于具有侧甲 基, 阻尼性 能较好, 同时因 其化学稳定性好, 耐低温、耐热、耐候、耐臭氧、耐 水、耐极性介质等性能优良[ 9] , 引起不少研究者 的注意。硬度 较高的橡胶材料 B较大。但从工 艺性能考虑, 阻尼材料的邵尔 A 型硬度最好低于 75 度。
然而, 由于橡胶类粘弹性体的动态力学性能 受使用温度、振动频率的影响很大, 同时均聚物的 玻璃化转变温度范围( 20~ 30 e ) 很小, 因此橡胶 阻尼材料在工程领域中的应用有很大局限性。橡 胶阻尼材料要有好的阻尼性能和力学性能, 其设 计原则是: 尽量使滞后损失大, 损耗模量高, 储存 模量低; 混用玻璃化转变温度相差较大的聚合物 材料, 使有效阻尼温度范围变宽。
小, 但阻尼峰值对应的温度升高; 当网络交联度为
2% ~ 5% 时, 出现阻尼双峰的原因可能是 NBR 与 PVA 相分离; 当交联度大于 9% 时, NBR 与 PVA
相混合良好, 只出现一个阻尼峰。
214 配合剂 21411 补强剂
白炭黑对橡胶材料阻尼性能的影响不大[ 8] 。
炭黑用量对橡胶材料阻尼 性能的影响如图 2 所 示[ 16] 。从图 2 可以看出, 随着炭黑用量增大, 在 相同的分散度下, 橡胶材料的阻尼性能提高。
90
橡胶工业
2003 年第 50 卷
加入小分子物质 3, 9- 双{ 1, 1- 二甲基- 2[ B( 3- 叔丁 基- 4- 羟基- 5- 甲基 苯基) 丙烯酸酯基] 乙基}- 2, 4, 8, 10- 四环 氧螺 ( 5, 5) 十 一烷 ( AO- 80) 来生 成氢 键, 以提高 ACM 和 CPP 的相容性, 从而达到提高 材料阻尼性能的目的。
上所做的功 W 为[ 2, 3] :
W = E02( 2Ec+ PEd)
( 1)
式中, E0 为最大应变, Ec为储存模量或弹性模量, Ed为损耗模量或粘性模量, 2EcE02 为一个周期内
的储存能量, PEdE02 为一个周期内的损耗能量。
作者简介: 王如义( 1976- ) , 男, 山东青岛人, 西安 交通大学 环 境与化学工程学院在读硕士研究生, 主要从事聚合物基阻尼材 料 的研究。
通过化学或物理方法将两种或两种以上聚合 物网络互相贯穿并缠结而形成互穿聚合物网络也 是聚合物共混的一种独特方法[ 14] 。互穿聚合物 网络的相容性直接影响材料的阻尼性能。互穿聚 合物网络材料有两个阻尼峰, 在阻尼峰之间的温 度范围内阻尼效果差; 具有半相容性的互穿聚合 物网络由于聚合物间的热力学不相容和物理缠绕 强迫相容两种作用, 形成了微相分离结构, 通过调 整微相分离程度, 可以得到具有较宽阻尼峰的优 良阻尼材料[ 15] 。互穿聚合物网络的强迫互容效 应, 可使阻尼材料具有一个 宽的玻璃化转变峰。 Pat ri M 等[ 8] 用 N BR / 聚乙烯醇( PVA ) 互穿聚合 物网络作主体材料、过氧化二苯甲酰作引发剂制 备的阻尼材料性能见表 1。
能, 即 S 越 大, 橡 胶材料 的阻尼 性能 越好, S 越
小, 橡胶材料的阻尼性能越差。由式( 2) 可知, 橡
胶材料受周期性应力作用时, 释放出的热量与 Ed
和 tanD( 又称阻尼因子 B) 成正比。因此, 橡胶材
料的阻尼行为可用 Ed和 B定性描述。
1 阻尼机理
橡胶为粘弹性材料, 周期应力在其单位面积
使用条件不同, 阻尼材料的适合振动频率范 围不同。振动频率对弹性体的影响与温度相似。 低频与较高温度、高频与较低温度对弹性体动态 力学性能的影响一致[ 5] 。
实际工程中, 阻尼材料分为低频高阻尼材料 和高频高阻尼材料。对于不同的使用环境, 可采 用适合不同振动频率的高阻尼橡胶材料。 213 聚合物共混比
炭黑在橡胶中的分散度是影响橡胶材料物理 性能的重要因素之一[ 17] 。炭黑分散度越高, 材料 的储存模量越高, 而损耗模量越低和滞后损失越 小, 如图 3 所示。因此, 为得到高阻尼橡胶材料, 炭黑的分散度不能太高。但分散度过低, 在受外 力时, 材料及结构会出现局部过热现象, 从而导致 材料及结构过早破坏。对于共混体系, 由于各聚 合物组分的极性和流动性不同, 因此炭黑在胶料 中的 分布 不 均 匀。 Chakrit Sirisinha 等[ 17] 曾 对 BR/ NBR 共混体 系进行了 研究, 结果发现, 在低 粘度的非极性 BR 相中, 各种粒径的炭黑分散性 均好; 而在极性 NBR 相中, 粒径越小的炭黑分散 性越好。显然, 要得到阻尼性能好的橡胶材料, 宜 采用极性和粘度相差较大的聚合物共混。
第2期
王如义等 1 橡胶阻 尼材料研究进展
89
弱的内旋转, 主链几乎处于被冻结的状态, 因此机 械能不能转化为热能耗散掉, 只能作为位能储存, 材料的 B很小, 即阻尼性能差。 º 弹性态。大分 子链段易运动, 大分子链易适应外力作用而伸展 或卷曲, 但不能吸收足够的机械能, 因此橡胶材料 的阻尼性能未达到最佳。 » 玻璃态向弹性态转变 的形态。由于大分子链段的内摩擦及链段的协同 作用, 材料阻尼性能好, 能够吸收大量的振动能 量[ 5] , 即 B 大。
由于仅用一种橡胶的阻尼材料的阻尼温度范 围常常不能满足工程需要, 因此往往采用多种橡 胶共混体系制备阻尼材料。橡胶共混体系各组分 的相容性直接影响材料的阻尼性能。高阻尼共混 橡胶材料的各组分界面间应有适当的过渡层。在 动态力学谱图上, 曲线两峰之间的部分实际上是
共混体系过渡层作用的反映。共混体系各组分相 容性好, 曲线只有单阻尼峰, 有效阻尼温度范围较 小; 各组分相容性差, 曲线有双阻尼峰, 在两峰之 间的温度范围内材料阻尼性能不好。聚氨酯弹性 体存 在着软段和硬段相区, 是一种多相聚合物。 其硬段的动态力学性能只有在高温下才能表现出 来, 因此在常温动态力学谱( DM S) 上通常只有软 段的转变峰。软段为聚氨酯提供了低温性能和高 弹性。预聚体大分子多元醇的分子量、结晶性、玻 璃化转变温度等对聚 氨酯材料阻尼 性能影响很 大[ 10] 。
为保证阻尼材料具有较好的力学性能和阻尼 性能及较宽的玻璃化转变温度范围, 其聚合物的 共混 比 应 适 当。 Yamada N 等[ 12] 对 聚 氯 乙 烯 ( PVC) / 氯 化 聚 乙 烯 ( CPE ) / 环 氧 化 天 然 橡 胶 ( ENR) 共 混体系进行了研究, 结果表明, 非结晶 性 CPE 和 ENR 的加入使阻尼材料获得了良好的 力学和阻尼性能; P VC/ CPE/ ENR 的适合共混比 为 25/ 25/ 50, 该共混 体系适 合用作 高频 阻尼材 料。Chif ei Wu 等[ 13] 在并用比为 70/ 30 的聚丙烯 酸酯橡胶( ACM ) / 氯化聚丙烯( CP P) 共混体系中
假设损耗能量全部转化为热能, 则一个周期
产生的热量 Q 为:
Q = W = PEdE02= PEcE02t an D
( 2)
式中 t an D为损耗因子。
橡胶材料的周期性应力 R 与应变 E呈磁滞曲
线关系, 如 图 1 所示。图 中, 曲线内部 的面积 S
( Loss Area) 为损耗能量, 表征1 0
+ 121 5; + 281 6 + 111 2; + 251 9 + 111 1; + 271 1 + 111 2; + 271 5
+ 151 6 + 201 5
从表 1 可以看出, 当 NBR/ PVA 的并用比为
100/ 0 时, 材料的阻尼峰值( tanDmax) 很高。随着 互穿聚合物网络中 PVA 用量增大, 阻尼峰值减
图 1 橡胶的 R- E 关系
橡胶材料的阻尼行为是材料受外力作用时, 大分子链段产生相对运动, 将机械能转化为热能 的过程。其中, 大分子链段的运动实质上是一个 松弛过程[ 4] 。橡胶材料随温度变化出现的 3 种力 学形态为: ¹ 玻璃态。大分子链段运动能量很低, 储存模量很高, 分子单键只能在外力作用下做较
88
橡胶工业
2003 年第 50 卷
橡胶阻尼材料研究进展
王如义, 郑元锁
( 西安交通大学 高聚物复合材料研究所, 陕西 西安 710049)
摘要: 介绍了近几年橡胶阻尼材料的研究进展。橡胶阻尼材料的设计原则是: 尽量使滞后损失大, 损耗模量高, 储 存模量低, 有效阻尼温度范围宽。影响橡胶阻尼材料减震性能的因素有: 材料形态结构、使用温度和振动频率、聚合物 共混体系并用比及配合剂种类和用量。橡胶与橡胶、塑料、纤维共混, 橡胶接 枝和嵌段共聚 以及材料结构改 进是目前 提高橡胶阻尼材料减震性能的主要方法。利用填料压电、压磁等性能制备新型减震材料是阻尼材料的发展方向。
图 2 炭黑用量对橡胶材料阻尼性能的影响 炭黑用量: 1 ) 10 份; 2 ) 20 份; 3 ) 30 份; 4 ) 40 份; 5 ) 50 份。
图 3 炭黑分散度与 tanD 的关系
21412 非补强填料 非补强填料对橡胶材料阻尼性能的影响有两
个方面。一是非补强填料的加入会导致材料的自
第2期