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1、专论 综述合成橡胶工业,2006-09-15,29(5):388391CHI NASYNTHETICRUBBERI NDUSTRY橡胶阻尼材料的研究进展涂春潮1,2,周文英2,米志安1,苏正涛1(11北京航空材料研究院,北京100096;21西北工业大学 理学院 应用化学系,陕西 西安710072)摘要:分析了橡胶材料的阻尼机理,重点讨论了丙烯酸酯橡胶、聚氨酯、丁基橡胶、丁腈橡胶和聚乙酸乙烯酯橡胶经过改性制备橡胶阻尼材料的研究进展,指出了橡胶阻尼材料的发展方向。关键词:橡胶;阻尼材料;丙烯酸酯橡胶;聚氨酯;丁基橡胶;丁腈橡胶;聚乙酸乙烯酯;综述 中图分类号:TQ 33614+2 文献标识码:A
2、 文章编号:1000-1255(2006)05-0388-04 机械运转产生的震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,利用增大机械系统的能量损耗来减轻机械震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,其中高分子材料,尤其是橡胶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,可以最大限度地降低机械噪声和减轻机械震动,提高工作效率,提高产品质量1。橡胶作为阻尼材料广泛应用于各种机动车辆、设备仪器、自动化办公设施和家用电器中。目前已在拓宽橡胶阻尼材料的使用温度、振动频率以
3、及阻尼机理研究方面取得了一些进展。本文简要介绍了橡胶的阻尼机理,并重点讨论了目前几种常用的橡胶阻尼材料,如丙烯酸酯橡胶、聚氨酯、丁基橡胶、聚乙酸乙烯酯以及丁腈橡胶等。1 橡胶材料的阻尼机理橡胶材料的阻尼作用机理直接与其动态力学弛豫性质相关。橡胶材料的阻尼作用依赖于其滞后现象。正是由于滞后现象,橡胶的拉伸-回缩循环变化均需克服链段间的内摩擦阻力而产生内耗2。橡胶在玻璃态时模量很高,分子链段几乎不能运动,不能以机械能转变成热能的方式进行耗散,只能作为位能贮存;橡胶在高弹态时分子链段运动比较容易,不能吸收足够的机械能;只有在很窄的玻璃态转变区域内,其模量大幅度下降,具有足够高的损耗因子(tan),在
4、一定的振动频率范围内分子基团之间能够相互耦合,并在应变响应中伴随缓慢的相转变,如果施加的应力在此频率范围内,振动能量可以得到耗散。在玻璃态转变区域内的tan 的大小直接与能够吸收应力的分子基团的数量有关,并与应力和应变之间发生的相变有关3。另外,不少学者对橡胶材料的阻尼机理进行了定量研究。如Fradlin等4 最先讨论了分子结构与阻尼性能之间的定量关系,并提出互穿聚合物网络具有协同效应,它可以使聚合物之间相互交联,使之达到分子水平的混合,从而具有宽广的阻尼峰。Thomas等5 指出聚合物中各个分子基团对阻尼的贡献不仅与其分子结构有关,而且还与其在聚合物分子中所处的位置有关,进而提出了基团贡献分
5、子理论。2 阻尼行为的评价衡量高分子材料阻尼特性的方法一般有LA法和TA法6,分别为损耗模量-温度曲线下包括的面积和tan-温度曲线下包括的面积。211LA法LA法是与分子特性有关的量,该量取决于体系中单个组分的分子结构,分子主链及直接与主链相连的基团对损耗模量贡献较大。Thomas收稿日期:2005-03-22;修订日期:2006-06-18。作者简介:涂春潮(1978),男,硕士。等5 就此之间的定量关系提出基团贡献分子理论。212TA法橡胶材料的阻尼行为可以用tan来表征。tan 主要受玻璃化转变温度范围及第二级弛豫转变温度范围的影响,两温度范围越宽,tan越大。因为、弛豫分别来自聚合物
6、主链和侧链基团的运动,对于同时呈现 、弛豫的聚合物,弛豫过程要受弛豫过程的影响,例如,侧链长度增加,由于空间体积效应的缘故,减少了侧链与主链之间的运动阻碍,侧基的旋转运动促使增塑效应增加,而增塑效应的增加又使得tan 变小。3 橡胶阻尼材料311 丙烯酸酯橡胶丙烯酸酯橡胶阻尼材料在室温附近的阻尼性能优越,同时具有良好的黏接性能和力学性能以及耐热、耐老化等优点,在减震和吸声等领域逐渐受到关注7。丙烯酸酯橡胶作为综合性能优良的阻尼材料,在航空航天、航海和民用等领域有广阔的应用前景,但是,丙烯酸酯橡胶的玻璃化转变区只有2030,有效阻尼功能区狭窄,不能完全满足工程应用的需要,因此必须对其进行改性。苗
7、传威等8 将丙烯酸酯单体和苯乙烯等单体分别进行乳液聚合,将所得乳液聚合物共混,制得了具有良好阻尼性能的丙烯酸酯阻尼橡胶,并研究了共混材料的阻尼性能,结果表明,通过将具有梯度玻璃化转变温度的乳液聚合物共混,可以制得性能优良的阻尼材料。Suresh等9在研究丁基丙烯酸酯-丙烯腈共聚物的阻尼性能时发现,随着丁基丙烯酸酯用量的增加,共聚物的tan相应提高。Chu等10 报道了乙烯基乙酸酯-丁基丙烯酸酯共聚物的tan可以控制在11761180,阻尼温域也比较宽,且体系的tan随着乙烯基乙酸酯含量的增加而提高。Huang等11 将丙烯酸酯橡胶和硅橡胶共混,制备了使用温度和频率范围均较宽的有机硅/丙烯酸酯复
8、合橡胶阻尼材料,其阻尼温域可以拓宽到140150,在1 Hz的测试振动频率下,tan 可以控制在017111,且该共混复合物的阻尼温域的宽窄和tan 的高低可根据需要进行调整。鲁德平等12 用丙烯酰胺系列高分子乳化剂、常用的低分子乳化剂及其复配体系分别制备了丙烯酸酯共聚物乳液,表征结果显示,其损耗峰高,并且为双峰分布,是具有良好阻尼性能的阻尼材料。312 聚氨酯聚氨酯材料自身具有大量氢键,表现出一定的微观相分离结构,有较高的tan,是适合用于消声、减震场所的阻尼材料,但单一成分的聚氨酯阻尼材料玻璃化转变温度单一,阻尼温域狭窄。目前常用聚氨酯和其他材料合成具有互穿聚合物网络结构的阻尼材料,该材料
9、具有阻尼温域宽、种类多等特点13。钟发春等14 用液化(4,4,-二苯基甲烷异腈酸酯)聚醚氨酯和含少量苯基的聚二甲基硅氧烷合成了一系列聚氨酯/聚硅氧烷互穿聚合物网络阻尼弹性体材料,研究结果表明,当聚氨酯与聚硅氧烷的质量比为90/10时,互穿聚合物网络弹性体材料的拉伸强度达到41157 MPa,扯断伸长率为376%,并具有良好的阻尼性能,玻璃化转变温度范围大于80。Qin等15 采用动态力学性能分析法研究了热流学、动力学因素以及组成对聚氨酯/乙烯基树脂互穿聚合物网络材料阻尼性能的影响。研究发现,引入丙烯酸酯类单体作为乙烯基酯树脂共聚单体,改善了以苯乙烯为共聚单体的聚氨酯/乙烯基树脂互穿聚合物网络
10、材料的阻尼性能,含较长酯基的体系具有更优异的阻尼性能,并且认为通过调整两网络的相对聚合速率及组成比,可加宽材料的阻尼温域。陈晔等16 采用两步法,以部分交联的聚氨酯和双酚A型苯并噁嗪合成了聚氨酯/苯并噁嗪互穿聚合物网络材料,动态力学性能分析结果表明,当聚氨酯与苯并噁嗪质量比为115/110时,该材料在宽温域内具有最佳的阻尼性能;低的聚氨酯交联度有利于阻尼作用的发挥;适当地延长固化时间可提高体系的tan,但会使阻尼温度范围变窄。313 丁基橡胶丁基橡胶的玻璃化转变温度为-70,其损耗峰可以从-70 一直持续到20,是一种有效功能区相当宽的阻尼材料。并且硫化丁基橡胶具有低透气性和高减震性以及良好的
11、耐热性能、耐臭氧性能和耐化学品性能17。但丁基橡胶的玻璃化转变温度太低,决定了其高温阻尼性能不983 第5期 涂春潮等 1橡胶阻尼材料的研究进展好,因此随着橡胶阻尼材料在军事领域和民用产品上的广泛应用,世界各国对拓展丁基橡胶材料的阻尼特性及其有效阻尼功能区进行了大量的研究工作。Kimura等18 采用对丁基橡胶和聚酰胺均有反应活性的甲基酚醛树脂合成了既含有丁基橡胶段又含有聚酰胺段的嵌段共聚物,分别制得含有10份该嵌段共聚物和不含该嵌段共聚物的丁基橡胶和聚酰胺的共混物,2种共混物中丁基橡胶和聚酰胺的质量比均为70/30。结果表明,含有该嵌段共聚物的丁基橡胶的加入使丁基橡胶高温区域的阻尼性能有较大
12、幅度的提高,该共混物同时具有高气密性和高阻尼性,能很好地应用于空调器制冷剂的循环管道。赵云峰19研究了以丁基橡胶和硅橡胶为基础的共混型ZN系列黏弹性阻尼材料的性能。丁基橡胶、硅橡胶及某些树脂组成的共混体系混容性较好,且共混体系的玻璃化转变温度和树脂用量之间有定量关系,所以通过调整配方可以得到一系列的黏弹性阻尼材料。ZN系列阻尼材料具有优良的耐老化性能,在室内自然贮存条件下,经50个月后测试,其性能无明显变化。314 丁腈橡胶阻尼材料在实际应用中经常会遇到油污,为了提高阻尼材料的耐油性,可选用耐油性好的丁腈橡胶来制备阻尼材料。为了使材料得到更高阻尼性能和更宽的阻尼温域,必须对丁腈橡胶进行改性才能
13、制得满足实际应用要求的阻尼材料。Varqhese等20 研究了共混比、交联体系、振动频率对未硫化、硫化(以过氧化二异丙苯、硫或其复合物为硫化体系)丁腈橡胶和乙烯-乙酸乙烯酯共聚物的共混物的动态力学性能,结果发现,共混比、硫化特性和振动频率对该共混物的玻璃化转变行为有很大的影响,共混物的阻尼性能随着丁腈橡胶用量的增加而增强,tan 随着共混物的微观形态均一性的提高而增大。3种硫化体系中以过氧化二异丙苯硫化体系对共混物中丁腈橡胶的tan 影响为最大。Amiri21 通过动态力学性能和扫描电镜分析研究了硫化抑止剂的属性对甲基丙烯酸甲酯-交联丁腈橡胶嵌段共聚物形态的影响。结果发现,当使用金属铁抑止剂时
14、,所得的聚合物在各个组分的玻璃化转变温度左右具有显著的阻尼性能。另一方面,对甲基丙烯酸甲酯-交联丁腈橡胶嵌段共聚物使用无机玻璃抑止剂时,甲基丙烯酸甲酯和丁腈橡胶发生分层。315 聚乙酸乙烯酯聚乙酸乙烯酯具有玻璃化转变温度适中、tan高等特点,是制备高阻尼性能的阻尼材料的理想组分。但是单组分的聚乙酸乙烯酯材料只有单一的阻尼峰,不能满足不同温度范围的阻尼要求,近年来国内外对改性聚乙酸乙烯酯阻尼材料进行了大量的研究。晏欣等22 用种子乳液聚合的方法合成了一系列聚乙酸乙烯酯/聚丙烯酸正丁酯的胶乳互穿聚合物网络材料。动态力学性能分析表明,胶乳双向互穿以及丙烯酸正丁酯同丙烯腈共聚可极大地改善该胶乳互穿聚合
15、物网络材料的相容性和阻尼性能,其tan 大于013的温域为7595。Jaehwan等23 用二甲基亚砜和聚乙酸乙烯酯制备了非离子型极性电镀聚合物,并将铝电极置于极性电镀聚合物的两边,研究了极性电镀聚合物对波的传播和阻尼行为。结果发现,极性电镀聚合物对中波段声波具有优良的被动阻尼行为,当试样在一定的电场下,随着试样厚度的变化,极性电镀聚合物的共振效应下降。4 结束语橡胶阻尼材料的研究开发已经取得了很大的进展,研制开发了许多品种的橡胶阻尼材料,在实际应用中解决了很多阻尼、减震问题。通常橡胶阻尼材料大多只具有单一的阻尼峰,但随着振动频率和振幅的增加,由于阻尼性能使得橡胶材料的内部生热问题严重,橡胶的
16、工作温度逐渐升高,这就要求橡胶阻尼材料必须具备多阻尼峰、宽阻尼温域来满足不同温度下的阻尼要求。另外,随着不同使用环境对阻尼材料的要求,研制具有诸如导电、导热等性能的多功能橡胶阻尼材料也是今后橡胶阻尼材料的发展方向之一。参考文献:1 黄其柏 1噪声控制工程学M 1武汉:华中理工大学出版社,19991912 万里鹰,肖凌 1高聚物力学阻尼材料的研究进展J 1高分子材料科学与工程,1999,15(2):153 王勇,周祖福,梅启林,等 1新型高分子阻尼材料的研究J 1武汉工业大学学报,2000,22(4):22244Fradlin D G,Foster J N1Quantitive determin
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26、dampingmechanis m of rubberma2terialswere analyzed,and the progress in dampingmodified rubbermaterials,such as acrylate rubber,polyurethane,butyl rubber,nitrile rubber,poly(vi2nyl acetate)were reviewed with 23 references1Thefuture direction of damping rubbermaterialswas alsopointed out1Keywords:rubber;damping material;acrylaterubber;polyurethane;butyl rubber;nitrile rubber;poly(vinyl acetate);review193 第5期 涂春潮等 1橡胶阻尼材料的研究进展