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1、收稿日期:2007-01-15;修订日期:2007-01-29作者简介:楚合磊(1980-),男,山东青岛人,硕士,主要从事高分子功能材料方面的研究工作。基金项目:江西省自然科学基金资助项目(0650131)。第25卷 第2期2007年4月江 西 科 学J I ANGXISCIENCEVol.25 No.2Apr.2007 文章编号:1001-3679(2007)02-0171-04废橡胶、废塑料用于制造新型阻尼材料方面的研究和应用楚合磊,徐泳文,王世芬,李明俊(南昌航空工业学院环境材料室,江西 南昌330063)摘要:总结了国内外废橡胶和废塑料在制造阻尼材料方面的研究和应用的成果。分别介绍了
2、废橡胶作为减震降噪的阻尼材料在工程中和在工业中的研究应用、废胶粉与废塑料共混型阻尼材料、树脂型废胶粉阻尼材料的研究应用,指出废橡胶和废塑料制造阻尼材料用于生产实践,不仅可以起到减震降噪作用,而且能够节约资源,具有显著的环保效益,对于资源的可持续性发展具有重要意义,应得到发展。关键词:废橡胶;废塑料;减震降噪;阻尼材料中图分类号:TB535.1 文献标识码:AResearch and Application of Producing DampingMaterialwithWaste Rubber andWaste PlasticCHU He2lei,XU Yong2wen,WANG Shi2fe
3、n,L IMing2jun(EnvironmentMaterialDivision,Nanchang Institute ofAeronautical Technology,JiangxiNanchang 330063 PRC)Abstract:The results of producing damping materials with waste rubber and waste plastic are sum2marized.The studying on waste rubber used as decreasing vibration and noise material in en
4、gineer2ing field,waste rubber and waste plastic blended damping material,resin waste rubber damping ma2terial is presented.It indicates that producing dampingmaterialswith waste rubber and waste plastichas been used in industry practice,not only for the function of decreasing vibration and noise,but
5、 forsaving resource.The technology should be developed for its environmental benefits and sustainabledevelopment of resource.Key words:Waste rubber,Waste plastic,Decrease vibration and noise,Damping material0 前言我国每年产生的废橡胶和废塑料数量巨大,过去所采用的填埋和焚烧处理方法不仅污染环境,还浪费了资源,已经不符合现代节约型社会发展的要求。目前我国废橡胶应用以再生胶、胶粉和翻胎等项目为
6、主,但是再生胶能耗大,对环境的污染较严重,受环保因素的制约较多,而翻胎产量也受种种因素的影响难有明显增长1,2。废旧塑料回收多种多样,有可回收多种塑料的技术,也有专门回收单一树脂的技术。国内外已有越来越多的人员投入到废橡胶、废塑料的用以制造功能材料的研究中。本文总结了国内外废橡胶和废塑料制造阻尼材料方面的研究和应用35。阻尼减震材料可分为粘弹性阻尼减震材料、复合阻尼减震材料、高阻尼合金材料、陶瓷类耐高温阻尼减震材料、复合阻尼减震材料和智能型压电复合阻尼减震材料等。粘弹性阻尼材料是兼有粘性液体在一定运动状态下损耗能量的特性和弹性固体贮存能量的特性的材料,一般都是高分子材料,包括塑料和橡胶两大类。
7、粘弹性高聚物阻尼材料,当受交变力时形变随时间以非线性变化,产生力学松弛,形成滞后和力学损耗。这种滞后和力学损耗可以产生能量损失,将震动产生的能量转化为热能散发掉。由于粘弹性阻尼材料的刚度、强度和抗蠕变性差,不能作为结构材料使用,所以只有与其它结构材料复合形成一定的阻尼结构后才能发挥作用6。1 废胶粉作为减震降噪的阻尼材料在工程中的研究应用1.1 改性沥青铺设公路起减震降噪效果由于胶粉本身的弹性性能,沥青混合料中掺加胶粉后,混合料的弹性明显增加,表现为回弹变形增大,模量减小,改善了沥青混合料应力扩散和应力吸收性能,而且胶粉沥青混凝土具有良好的降噪效果。这是因为胶粉颗粒和其它混料通过改性被熔融的沥
8、青粘结为一体,在交变力作用下沥青基中缠绕的分子链段运动滞后于应力的变化而产生内耗,将吸收的机械能和声能部分地转变为热能,同时混料中的无机料之间的相互摩擦以及和高分子间的摩擦作用,也能限制大分子运动,增加应力应变之间的相位滞后,加强了材料损耗能量的能力。胶粉沥青混凝土包括干法和湿法两种方法生产的混凝土。湿法指胶粉或颗粒与沥青混炼或混合制成橡胶沥青,橡胶沥青作为粘结剂再与矿料拌和的工艺。干法则是指橡胶粉与集料先行拌和共混后再喷入沥青拌制混合料的工艺。1981年,比利时科学家在布鲁塞尔首先证明了橡胶沥青混凝土的减噪效果。随后世界各国相继开展了这方面的研究,修筑了大量的试验路。检测结果表明随着车速的升
9、高,降噪效果更加显著。胶粉沥青混凝土的行车噪音明显小于SBS改性沥青混凝土,且随着车速的增加,这种差异越来越明显,在80 km/h时,两者相差2.5 dB,当车速达到120km/h时,相差5.4 dB79。1.2 废胶粉用于水泥浆和砂浆添加剂将废胶粉作为一种质轻的基料掺入到水泥浆、砂浆中,由于胶粉本身所具有的高弹性,能够提高水泥浆和砂浆的韧性,有效改善其抗冲击性和抗震性能。但是从现有的研究结果发现,胶粉表面表现为憎水性,因为废橡胶在粉碎过程中经受强烈的剪切作用和氧化作用,胶粉表面会生成酸性基团,即胶粉表面带有一定的酸性,当它和水泥浆、砂浆混合后,不易形成化学吸附,分子间的作用力只有范德华力的物
10、理吸附,而且是可逆的,因此这种物理吸附产生的粘附力要比化学吸附弱的多。正是由于水泥和砂浆中界面间不能形成有效的润滑,使砂浆的流动性下降;其次憎水性胶粉颗粒分布在亲水性的无机浆料中形成了不连续的相,导致砂浆强度下降。因此,对胶粉表面改性来提高它和无机浆料的结合力度就显得尤为重要。Segre N、Joekes I等人将轮胎胶粉在NaOH饱和溶液中表面处理20 min,采用表面改性的方法来提高胶粉与水泥浆、砂浆的黏附性,取得了良好的效果10,11。1.3 废旧轮胎用于声屏障声屏降噪原理是通过声屏材料对声波进行吸收、反射、透射和衍射等一系列物理效应来实现的,采用声屏障材料来消减道路噪声是应用比较广泛的
11、降噪措施之一。该方法节约土地,降噪效果明显,但是由于声屏障要根据实际情况选用特定的材料,所以有的声屏障造价比较昂贵。段金明等人利用废旧轮胎与水泥混凝土加压穿孔板两种主体材料,研发出一种新型的复合吸声屏障,并通过试验证明该种声屏障在中、低频段吸声良好,平均吸声系数达0.62,不但可以满足公路交通噪声降噪需要,而且还可以大大降低成本12。2 废胶粉作为减震降噪的阻尼材料在工业中的研究应用用废胶粉、沥青、树脂等原料制造的阻尼板材,性能优良,已经用于工厂实际。产品应用于一汽集团、东风汽车、长安汽车等十多家汽车制造厂的载重车和轿车中。制造方法是将胶粉、树脂加入到熔融的石油沥青中,进行加热改性,然后在捏合
12、机中加入碳酸钙和云母粉等填料,混合均匀后于开炼机中塑炼,后经压延出片制成阻尼板材。这种阻尼板材不但能够吸收汽车运行中所产生震动和噪声,而且性质稳定,成本低廉,大大提高产品竞争力13。271江 西 科 学2007年第25卷3 废胶粉和废塑料共混型阻尼材料的研究应用3.1 制造互穿聚合物网络(IPN)阻尼材料20世纪60年代,IPN研究领域代表性人物Frish H L就利用简化的理论模型,揭示了IPN永久缠结表现出惊人的非线性弹性回复力,这与理想的橡胶弹性理论计算出的化学交联所产生的回复力不相同,正是由于这种非线性的弹性回复力表现为材料的高阻尼性能。互穿聚合物网络是制备宽温频的阻尼材料的最有效方法
13、,由于IPN网络的互穿限制了相分离,造成强迫互容,提高了组分的相容性,可以得到高性能宽温域阻尼材料,越来越多的科研工作者投入到IPN阻尼材料和弹性体的研究中,在研究利用废胶粉制造IPN阻尼材料方面也取得了一些进展,如合成聚酯型聚氨酯/聚苯乙烯/胶粉共轭三组分IPN材料、顺丁橡胶/公共网络混合物/废胶粉共轭三组分互穿聚合物网络弹性体等。邱清华、贾德民等人运用互穿聚合物网络(IPN)和半凝胶法,合成聚酯型聚氨酯/聚苯乙烯/胶粉共轭三组分IPN材料,通过试验证明NCO/OH为2.8、PU/PS质量比为60/40,其共轭三组分IPN材料性能最佳,PS在共轭三组分中作为公共网络,和另外两种聚合物网络分别
14、互穿缠结,使整个三组分聚合物体系成为一个网络穿过界面的体系,简称IPN7;游长江、李晓勇等人将顺丁橡胶、废胶粉与用作公共网络的单体混合物经硫化制备出了顺丁橡胶/公共网络混合物/废胶粉共轭三组分互穿聚合物网络弹性体。通过试验得出,当顺丁橡胶100份、公共网络混合物9份、炭黑45份、废橡胶(粒径80目)40份时,弹性体的力学性能最佳14。3.2 制造弹性体合金减震材料废胶粉与某些废塑料共混不仅可以制得耐冲击的复合材料,而且可以制成热塑性弹性体以循环利用,这些产品体系综合力学性能好,耐冲击,可以用于缓冲机械碰撞,消减机器工作所产生的振动。目前的研究有:废胶粉/聚氯乙烯热塑性弹性体、丁苯橡胶/废胶粉弹
15、性体合金、超细全硫化胶粉/PA66共混体系、高密度聚乙烯/废胶粉共混体系、废橡胶胶粉/HDPE/POE热塑性弹性体等。采用NBR或其混炼胶作增容剂,在常温下预先将NBR或其混炼胶与胶粉混炼均匀得改性胶粉,然后在150 下将PVC预混料塑炼均匀,加入改性胶粉、CPE和交联剂,一定时间后压延出片。冯予星、田明等人,对材料的配合、制备工艺及力学性能进行了研究,通过对反应加工时间、增容剂的运用、聚氯乙烯/废胶粉质量比等因素的控制,制备出材料综合性能优良的热塑性弹性体;游长江、李晓勇等人利用反应性增容方法制备了丁苯橡胶/废胶粉弹性体合金,通过试验证明制备的弹性体性能优异;超细全硫化胶粉/PA66共混体系
16、、高密度聚乙烯/废胶粉共混体系耐冲击,韧性效果好1518。4 树脂型废胶粉阻尼材料的研究应用 树脂型废胶粉阻尼材料都是以树脂为基体,橡胶颗粒分散在树脂材料中,通过橡胶颗粒与树脂和填料之间良好的粘结性、延伸性和回弹性,提高材料阻尼性能。胶粉颗粒在这种材料中提供足够的弹性。当受到交变力作用时,树脂基中缠绕的分子链段运动滞后于应力的变化而产生内耗,将吸收的机械能和声能部分地转变为热能,从材料的宏观上看,起到了降噪减震的作用。目前的研究有利用树脂型胶粘剂粘结胶粉制作的微孔吸声材料、酚醛树脂型胶粉阻尼材料。英国和捷克的SwiftM J.、Bris P等人利用树脂型胶粘剂粘结胶粉制作的微孔吸声材料,它是利
17、用微孔中的粘滞阻力消耗入射声能,在较宽的频带范围内具有较高的吸声能力。经过研究发现通过控制制作过程的预载力、胶粉目数、吸声板的厚度,可以对噪声达到最大的吸声量18;酚醛树脂型胶粉阻尼材料是酚醛树脂和硫化胶粉形成的互穿聚合物网络(IPN),这两种网络因为界面互穿而强迫相容,双相连续,有利于材料的阻尼能力。曾海泉等人将废胶粉和间苯二酚、甲醛、胶乳在开炼机上混炼,间苯二酚和甲醛能够在特定的条件下发生化学反应,生成酚醛树脂,加入硫化剂后在平板硫化机中硫化,制得具有良好阻尼性能的阻尼材料。通过测试该材料在很宽的温度范围内,保持较强的阻尼能力,并且所制材料的高阻尼区位于阻尼材料通常使用的温度范围内1921
18、。5 总结从国内外废橡胶、废塑料在制造阻尼材料中371第2期 楚合磊等:废橡胶、废塑料用于制造新型阻尼材料方面的研究和应用的研究应用的成果和经验可以看出,废橡胶、废塑料在制造阻尼材料中运用,不但可以减小噪声、震动和冲击对人类环境和工程界造成的不利影响,又能变“废”为宝,制得具有较高阻尼性能的环境功能材料,具有显著的环保效益。今后,应该着力于此种阻尼材料制造工艺的简化以及更广阔领域的使用的研究。笔者认为,在我国能源资源相对短缺的今天,废橡胶和废塑料制造阻尼材料用于生产实践,符合建设节约型社会的理念,对于资源的可持续发展具有重要意义。参考文献:1 杨志峰,李美江,王旭东.废旧橡胶粉在道路工程中应用
19、的历史和现状 J.公路交通科技,2005,22(7):19-22.2解建光,钱春香,傅大放,等.表面活化处理的废胶粉用于改性热拌沥青混合料J.公路,2004,4(4):101-104.3Yamamoto R,Wang T translate.Environment materialsM.Beijing:Chemistry Industry Publishing House,1997.4陈文威.废塑料处理技术发展方向探讨J.环境卫生工程,2006,14(3):53-55.5任淑霞.用废塑料薄膜作沥青改性材料的试验研究J.混凝土,2002,(2):61-62.6过梅丽.高聚物与复合材料的动态力学热
20、分析M.北京:化学工业出版社,2002.7MyhreM.Rubber recycling J.RubberChemistry andTechnology,2002,75(2):429-489.8王旭东.低噪声沥青路面结构设计研究J.公路交通科技,2003,20(1):33-36.9邱清华,贾德民.废胶粉利用研究进展J.橡胶工业,1997,44(11):691-695.10王亚明,刘 岚,傅伟文,等.废胶粉的改性及其在砂浆中的应用 J.化工进展,2006,25(7):820-836.11黄家湛.胶粉的含氧基团及其测定J.橡胶工业,1997,44(8):481-484.12王武祥,余海燕.交通路网
21、声屏障用吸声材料的研究及其进展J.混凝土与水泥制品,2005,(2):46-52.13方正东.胶粉在阻尼板材中的应用J.特种橡胶制品,2004,25(1):21-23.14游长江,李晓勇,谢铌铌,等.丁苯橡胶/废胶粉弹性体合金的结构与性能J.高分子材料科学与工程,2006,22(3):141-143.15郑诗建,王聚渊,马恩第.丙烯酸酯橡胶和聚氯乙烯共混体系阻尼特性的研究 J.特种橡胶制品,2000,21(2):8-10.16尚贵才,周彦豪,童速玲,等.废聚丙烯/废轮胎胶粉/废尼龙短纤维复合材料 配方J.合成橡胶工业,2004,27(2):87-91.17尚贵才,周彦豪,童速玲,等.废聚丙烯/
22、废轮胎胶粉/废尼龙短纤维复合材料 工艺条件J.合成橡胶工业,2004,27(4):234-235.18冯予星,田 明.聚氯乙烯/废胶粉热塑性弹性体的性能研究 J.合成橡胶工业,2002,25(4):235-238.19于占昌.高分子减震材料的最新进展(二)J.世界橡胶工业,2006,33(4):43-50.20曾海泉.改性废胶粉阻尼性能的研究J.沈阳化工学院学报,2002,16(2):112-114.21 CongLi,et al.Dynamic mechanical properties of chlo2rinated butyl rubber blends J.European PolymerJournal,2006,(10):1016.(上接第167页)58-60.4何京良,卢兴强,贾玉磊,等.BBO四倍频全固态NdYVO4紫外激光器J.物理学报,2000,49(10):2106-2108.5周 城,叶子青,郑 权,等.CrYAG被动调Q四倍频全固态紫外激光器的研究J.激光技术,2003,27(4):339-341.6谭成桥,郑 权,薛庆华,等.LD端泵NdYAG/CrYAG腔外变频产生高功率紫外J.激光与红外,2005,35(7):490-492.471江 西 科 学2007年第25卷