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橡胶阻尼材料的研究进展 |
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作者：西北橡胶塑料研究设计院 张骥忠 雷海军 |
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本文介绍橡胶材料的阻尼机理与橡胶的阻尼性能，指出可能影响橡胶阻尼材料减震性能的因素，包括材料微观形态结构、补强填料、非补强填料等配合剂种类和用量，并简述新阻尼材料的研究现状。
橡胶阻尼材料是一种以聚合物为基质的功能材料，能减少各种机械产生的振动及噪音。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，加速机械结构疲劳损坏，缩短机械使用寿命。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引起人们的高度重视。采用橡胶阻尼材料，不仅可以最大限度降低机械噪声和减轻机械振动，提高工作效率，而且利于提高产品质量。
以铁路交通的发展为例，轨道车辆速度不断提高，高速列车的振动和噪声也随之提高。为保证车辆部件的正常使用，提高乘坐的舒适性以及避免车辆噪声对外部的影响，需要对车辆进行减震降噪处理。其中高分子阻尼材料的减震降噪技术是很普遍的一种处理方法。它通常是将高分子阻尼材料附着在结构件表面，结构件表面振动时，通过耗散结构件的能量达到减震目的，同时起到隔声的作用。这种方法不改变机器的声辐射特征，能有效控制振动水平，减少噪声传播。高分子阻尼材料的减震降噪效果主要取决于高分子阻尼材料与结构件复合材料的阻尼性能。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。
图1 采用橡胶阻尼材料，不仅可以最大限度降低机械噪声和减轻机械振动，提高工作效率，而且利於提高产品质量。
橡胶材料的阻尼机理
橡胶材料在交变应力的作用下，由于所特有的粘弹性，形变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，有一部分功以热或其他形式消耗掉，这样就形成阻尼。在玻璃化温度以下，高聚物在外力作用下的形变主要是由键长键角的改变引起的小形变，即弹性形变，速度很快，几乎完全跟得上应力的变化，因此阻尼小；在高弹态时，由于链段运动比较自由，内耗也小。在玻璃化转变区域向高弹态过渡时，当应力以适中的频率作用于高聚物，由于链段开始运动，体系的粘度还很大，链段受到的摩擦阻力比较大，形变落后于应力变化，阻尼较大。常用形变落后于应力的相位角正切tanδ表征阻尼值的大小。tanδ与模量E的关系如下：
式中，E’为实数模量，又叫存储模量；E”为虚数模量，又叫损耗模量。
橡胶阻尼性能通常用阻尼系数tanδ表征。为了获得较好的减震效果，希望tanδ能满足以下两点要求：第一在制品使用的频率范围和温度区间，tanδ值较大；第二tanδ峰较宽，以保证在较大的范围内，减震效果较好，降低其对温度和频率的敏感性。随着频率增加，动态模量增大，损耗角达到峰值。这个峰值的出现是因为材料变为玻璃态，提高频率可以等效于降低温度。橡胶的阻尼系数是减震橡胶重要指标之一，一般阻尼大—些对减振有益。但阻尼大会导致橡胶在动态下生热多，影响制品的老化性能。因此，阻尼材料要具有良好的减震降噪效果，必须满足以上两个要求。
影响阻尼性能的因素
橡胶材料的微观形态结构
微观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。因此，具有较多侧甲基或极性侧基的IIR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IIR多用作减震材料。在分析不同侧基对阻尼性能的影响时发现，腈基侧基的强极性对阻尼性能贡献很大，即NBR具有很大的tanδ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。
通常一种橡胶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 (DMS) 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。
交联密度对橡胶材料的阻尼性能也有影响。试验表明，交联密度增大，材料的阻尼温度范围变大；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较复杂，不同橡胶阻尼材料的适合交联度范围还有待进一步研究。
胶种对阻尼性能的影响
填料对橡胶阻尼性能的影响
补强剂
白炭黑对橡胶材料阻尼性能的影响不大。炭黑用量对橡胶材料阻尼性能的影响如图2所示。
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。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。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。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。对 BR／NBR共混体系进行研究发现，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。此外，炭黑种类对橡胶材料的阻尼性能影响也很大。
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人会导致材料的自由体积变大，产生稀释效应，从而降低材料的阻尼性能 ；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。
使用不同填料制得的CIIR阻尼材料的DTMA曲线如图3所示。由图3可见，使用云母粉的阻尼材料tanδ相对较大，这主要得益于云母粉特殊的片层结构。此外，随着云母粉粒径的增大，阻尼峰值减小，而高温段玻璃化转变温域变宽，各曲线低温段近似。分析认为，在低温段决定Tg的是橡胶本身的Tg，而高温段的Tg 受无机填料影响，填料的加入使材料对温度敏感度降低，且云母粉粒径越大，片层云母对热量的隔离效果越好，材料高温段玻璃化转变温域随云母粉粒径增大变宽。Tg由低到高依次为碳酸钙、粒径28μm的云母粉、粒径150μm的云母粉、粒径250μm的云母粉。
石油树脂对阻尼性能的影响
石油树脂是石油裂解产物聚合而成的热塑性树脂，相对分子质量300~3000。使用不同石油树脂的CIIR阻尼材料的DTMA曲线如图4所示。Koresin树脂、C5~C9树脂和C5树脂的软化点分别为90℃、110℃和120℃。由图4可见，随着所用石油树脂软化点的提高，阻尼材料的Tg提高。石油树脂的加入有可能减弱橡胶中链段之间的缠结，从而使阻尼材料的tanδ有不同程度减小，但加入石油树脂可在一定程度上改善共混体系的相容性，因此加入石油树脂后，阻尼材料在较宽的温度范围内有较好的阻尼性能。从图4还可以看出，加入C5石油树脂的阻尼材料Tg处在常温段，即材料的最高阻尼性能出现在材料的使用温度范围内，优于其它两种石油树脂。
橡胶阻尼性能的评价
测定橡胶阻尼性能常用的实验方法有：自由振动、强迫共振、强迫非共振、声波传播，其中以强迫非共振法最为常用，它能直接给出E”-T、tanδ-T的关系曲线，而这些曲线能说明玻璃化转变行为的一些重要特性，分析这些曲线的变化情况能得到许多与阻尼性能有关的信息。曲线越平缓、tanδ值越高、阻尼温度范围越宽，则高分子材料的阻尼性能越好。
新型阻尼材料
目前出现了一些新型阻尼材料，如电粘弹性高聚物、形状记忆高分子材料、液晶高分子材料等。与传统阻尼材料相比，阻尼性能稳定性较好，具有可控性。电粘弹性材料是一种施加电压时出现结构变化的聚合物材料。BiggerstaffI等合成了施加电压时刚性和阻尼性能发生较大变化的材料。它是由20%重量的CuC12、FeC13掺杂的聚P-亚苯 (PPP) 粒子、64%重量的Dow Sylgard 527硅凝胶、16%重量的Dow Corning Sylgard 182硅橡胶弹性体组成。测试表明，该材料在1500V电压下刚性增大6倍，阻尼因子减小3倍。
形状记忆高分子材料作为主动和被动阻尼材料正引起越来越多兴趣。形状记忆高分子材料是由软段的可逆相和硬段的固定相组成。高温时施加应力，迅速降至低温，由于材料的粘弹性，应力被冻结，当再度升温时，应变会恢复到初始状态。研究比较广泛的形状记忆高分子材料是聚氨酯，这种材料在控制噪声方面具有独特性能，寿命也得到提高。Roger Fosdic研究了具有形状记忆功能的粘弹性高分子材料，与传统高分子阻尼材料相比，由于材料的松弛时间和松弛模量通过温度或电场具有可控性，从而阻尼性也具有可控性，可用作智能阻尼材料。
聚降冰片烯是一种独特的聚合物，其单体是由乙烯及环戊二烯经 Diels Alder反应产生。聚降冰片烯则由降冰片烯以开环聚合方式获得。聚合物的分子量约为300万（克/摩尔），大约是NBR分子量的30倍。聚合物内同时有顺式及反式基团的分布所以能避免结晶。此聚合物是非结晶体、玻璃转化温度约为37℃，非极性。该聚合物与碳氢化合物具有高度亲和性，且可吸收其本身重量10倍的油份。聚降冰片烯橡胶，无论是在任何频带（0-100万Hz）的振动，皆能被损耗因子在1（邵尔A硬度90的混炼胶）与3.2（邵尔A硬度60的混炼胶）区间的聚降冰片烯橡胶有效吸收，在低频的效能表现上，能达到95%~98%的水平。因此，聚降冰片烯橡胶是高效阻尼的材料之一。
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(1/8/2014) |
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