橡膠阻尼材料的研究進展

tags:    時間:2014-03-11 12:12:55
橡膠阻尼材料的研究進展簡介
    本文介紹橡膠材料的阻尼機理與橡膠的阻尼性能,指出可能影響橡膠阻尼材料減震性能的因素,包括材料微觀形態結構、補強填料、非補強填料等配合劑種類和用量,並簡述……
橡膠阻尼材料的研究進展正文
    本文介紹橡膠材料的阻尼機理與橡膠的阻尼性能,指出可能影響橡膠阻尼材料減震性能的因素,包括材料微觀形態結構、補強填料、非補強填料等配合劑種類和用量,並簡述新阻尼材料的研究現狀。

橡膠阻尼材料是一種以聚合物為基質的功能材料,能減少各種機械產生的振動及噪音。機械運轉產生的振動和雜訊不僅污染環境,而且影響機械的加工精度和產品質量,加速機械結構疲勞損壞,縮短機械使用壽命。利用增大機械系統或結構的能量損耗而減輕機械振動和降低雜訊的阻尼研究一直是國內外關注的熱點。現在,已有許多新材料和新技術應用於阻尼減震,其中高分子阻尼減震材料以其優異的性能引起人們的高度重視。採用橡膠阻尼材料,不僅可以最大限度降低機械雜訊和減輕機械振動,提高工作效率,而且利於提高產品質量。

以鐵路交通的發展為例,軌道車輛速度不斷提高,高速列車的振動和雜訊也隨之提高。為保證車輛部件的正常使用,提高乘坐的舒適性以及避免車輛雜訊對外部的影響,需要對車輛進行減震降噪處理。其中高分子阻尼材料的減震降噪技術是很普遍的一種處理方法。它通常是將高分子阻尼材料附著在結構件表面,結構件表面振動時,通過耗散結構件的能量達到減震目的,同時起到隔聲的作用。這種方法不改變機器的聲輻射特徵,能有效控制振動水平,減少雜訊傳播。高分子阻尼材料的減震降噪效果主要取決於高分子阻尼材料與結構件複合材料的阻尼性能。目前,橡膠阻尼材料已在很多領域廣泛應用,且其需求量日益增大。
圖1採用橡膠阻尼材料,不僅可以最大限度降低機械雜訊和減輕機械振動,提高工作效率,而且利於提高產品質量。橡膠材料的阻尼機理

橡膠材料在交變應力的作用下,由於所特有的粘彈性,形變的變化落後於應力的變化,發生滯后現象,有一部分功以熱或其他形式消耗掉,這樣就形成阻尼。在玻璃化溫度以下,高聚物在外力作用下的形變主要是由鍵長鍵角的改變引起的小形變,即彈性形變,速度很快,幾乎完全跟得上應力的變化,因此阻尼小;在高彈態時,由於鏈段運動比較自由,內耗也小。在玻璃化轉變區域向高彈態過渡時,當應力以適中的頻率作用於高聚物,由於鏈段開始運動,體系的粘度還很大,鏈段受到的摩擦阻力比較大,形變落後於應力變化,阻尼較大。常用形變落後於應力的相位角正切tanδ表徵阻尼值的大小。tanδ與模量E的關係如下:式中,E』為實數模量,又叫存儲模量;E」為虛數模量,又叫損耗模量。

橡膠阻尼性能通常用阻尼係數tanδ表徵。為了獲得較好的減震效果,希望tanδ能滿足以下兩點要求:第一在制品使用的頻率範圍和溫度區間,tanδ值較大;第二tanδ峰較寬,以保證在較大的範圍內,減震效果較好,降低其對溫度和頻率的敏感性。隨著頻率增加,動態模量增大,損耗角達到峰值。這個峰值的出現是因為材料變為玻璃態,提高頻率可以等效於降低溫度。橡膠的阻尼係數是減震橡膠重要指標之一,一般阻尼大—些對減振有益。但阻尼大會導致橡膠在動態下生熱多,影響製品的老化性能。因此,阻尼材料要具有良好的減震降噪效果,必須滿足以上兩個要求。

影響阻尼性能的因素

橡膠材料的微觀形態結構

微觀結構是決定橡膠材料阻尼性能的因素之一。分子鏈上側基體積較大、數量多、極性大以及分子間氫鍵多、作用強的橡膠阻尼性能好。因此,具有較多側甲基或極性側基的IIR和NBR的阻尼性能比NR好。對於汽車發動機減震器,振動倍率小的NR和BR多用作隔震材料;共振性好的IIR多用作減震材料。在分析不同側基對阻尼性能的影響時發現,腈基側基的強極性對阻尼性能貢獻很大,即NBR具有很大的tanδ值。EPDM由於具有側甲基,阻尼性能較好,同時因其化學穩定性好,耐低溫、耐熱、耐候、耐臭氧、耐水、耐極性介質等性能優良。

通常一種橡膠阻尼材料的阻尼溫度範圍常常不能滿足工程需要,因此往往採用多種橡膠共混體系製備阻尼材料。橡膠共混體系各組分的相容性直接影響材料的阻尼性能。高阻尼共混橡膠材料的各組分界面間應有適當的過渡層。在動態力學譜圖上,曲線兩峰之間的部分實際上是共混體系過渡層作用的反映。共混體系各組分相容性好,曲線只有單阻尼峰,有效阻尼溫度範圍較小;各組分相容性差,曲線有雙阻尼峰,在兩峰之間的溫度範圍內材料阻尼性能不好。聚氨酯彈性體存在軟段和硬段相區,是一種多相聚合物。其硬段的動態力學性能只有在高溫下才能表現出來,因此在常溫動態力學譜(DMS)上通常只有軟段的轉變峰。軟段為聚氨酯提供了低溫性能和高彈性。預聚體大分子多元醇的分子量、結晶性、玻璃化轉變溫度等對聚氨酯材料阻尼性能影響很大。

交聯密度對橡膠材料的阻尼性能也有影響。試驗表明,交聯密度增大,材料的阻尼溫度範圍變大;交聯度減小,橡膠大分子鏈活動性增強,大分子鏈段間、填料與填料間、大分子鏈段與填料間的摩擦機會增多,有利於振動能轉化為熱能,從而提高材料的阻尼性能。但交聯度對阻尼性能的影響較複雜,不同橡膠阻尼材料的適合交聯度範圍還有待進一步研究。

膠種對阻尼性能的影響

填料對橡膠阻尼性能的影響

補強劑

白炭黑對橡膠材料阻尼性能的影響不大。炭黑用量對橡膠材料阻尼性能的影響如圖2所示。從圖2可以看出,隨著炭黑用量增大,在相同的分散度下,橡膠材料的阻尼性能提高。炭黑在橡膠中的分散度是影響橡膠材料物理性能的重要因素之一。炭黑分散度越高,材料的儲存模量越高,而損耗模量越低和滯后損失越小。因此,為得到高阻尼橡膠材料,炭黑的分散度不能太高。但分散度過低,在受外力時,材料及結構會出現局部過熱現象,從而導致材料及結構過早破壞。對於共混體系,由於各聚合物組分的極性和流動性不同,因此炭黑在膠料中的分佈不均勻。對BR/NBR共混體系進行研究發現,在低粘度的非極性BR相中,各種粒徑的炭黑分散性均好;而在極性NBR相中,粒徑越小的炭黑分散性越好。顯然,要得到阻尼性能好的橡膠材料,宜採用極性和粘度相差較大的聚合物共混。此外,炭黑種類對橡膠材料的阻尼性能影響也很大。

非補強填料

非補強填料對橡膠材料阻尼性能的影響有兩個方面。一是非補強填料的加人會導致材料的自由體積變大,產生稀釋效應,從而降低材料的阻尼性能;二是添加片狀填料的橡膠材料受外力作用發生變形時,片狀填料會發生取向,從而使填料與橡膠之間產生摩擦,起到降噪的作用。

使用不同填料製得的CIIR阻尼材料的DTMA曲線如圖3所示。由圖3可見,使用雲母粉的阻尼材料tanδ相對較大,這主要得益於雲母粉特殊的片層結構。此外,隨著雲母粉粒徑的增大,阻尼峰值減小,而高溫段玻璃化轉變溫域變寬,各曲線低溫段近似。分析認為,在低溫段決定Tg的是橡膠本身的Tg,而高溫段的Tg受無機填料影響,填料的加入使材料對溫度敏感度降低,且雲母粉粒徑越大,片層雲母對熱量的隔離效果越好,材料高溫段玻璃化轉變溫域隨雲母粉粒徑增大變寬。Tg由低到高依次為碳酸鈣、粒徑28μm的雲母粉、粒徑150μm的雲母粉、粒徑250μm的雲母粉。石油樹脂對阻尼性能的影響

石油樹脂是石油裂解產物聚合而成的熱塑性樹脂,相對分子質量300~3000。使用不同石油樹脂的CIIR阻尼材料的DTMA曲線如圖4所示。Koresin樹脂、C5~C9樹脂和C5樹脂的軟化點分別為90℃、110℃和120℃。由圖4可見,隨著所用石油樹脂軟化點的提高,阻尼材料的Tg提高。石油樹脂的加入有可能減弱橡膠中鏈段之間的纏結,從而使阻尼材料的tanδ有不同程度減小,但加入石油樹脂可在一定程度上改善共混體系的相容性,因此加入石油樹脂后,阻尼材料在較寬的溫度範圍內有較好的阻尼性能。從圖4還可以看出,加入C5石油樹脂的阻尼材料Tg處在常溫段,即材料的最高阻尼性能出現在材料的使用溫度範圍內,優於其它兩種石油樹脂。橡膠阻尼性能的評價

測定橡膠阻尼性能常用的實驗方法有:自由振動、強迫共振、強迫非共振、聲波傳播,其中以強迫非共振法最為常用,它能直接給出E」-T、tanδ-T的關係曲線,而這些曲線能說明玻璃化轉變行為的一些重要特性,分析這些曲線的變化情況能得到許多與阻尼性能有關的信息。曲線越平緩、tanδ值越高、阻尼溫度範圍越寬,則高分子材料的阻尼性能越好。

新型阻尼材料

目前出現了一些新型阻尼材料,如電粘彈性高聚物、形狀記憶高分子材料、液晶高分子材料等。與傳統阻尼材料相比,阻尼性能穩定性較好,具有可控性。電粘彈性材料是一種施加電壓時出現結構變化的聚合物材料。BiggerstaffI等合成了施加電壓時剛性和阻尼性能發生較大變化的材料。它是由20%重量的CuC12、FeC13摻雜的聚P-亞苯(PPP)粒子、64%重量的DowSylgard527硅凝膠、16%重量的DowCorningSylgard182硅橡膠彈性體組成。測試表明,該材料在1500V電壓下剛性增大6倍,阻尼因子減小3倍。

形狀記憶高分子材料作為主動和被動阻尼材料正引起越來越多興趣。形狀記憶高分子材料是由軟段的可逆相和硬段的固定相組成。高溫時施加應力,迅速降至低溫,由於材料的粘彈性,應力被凍結,當再度升溫時,應變會恢復到初始狀態。研究比較廣泛的形狀記憶高分子材料是聚氨酯,這種材料在控制雜訊方面具有獨特性能,壽命也得到提高。RogerFosdic研究了具有形狀記憶功能的粘彈性高分子材料,與傳統高分子阻尼材料相比,由於材料的鬆弛時間和鬆弛模量通過溫度或電場具有可控性,從而阻尼性也具有可控性,可用作智能阻尼材料。

聚降冰片烯是一種獨特的聚合物,其單體是由乙烯及環戊二烯經DielsAlder反應產生。聚降冰片烯則由降冰片烯以開環聚合方式獲得。聚合物的分子量約為300萬(克/摩爾),大約是NBR分子量的30倍。聚合物內同時有順式及反式基團的分佈所以能避免結晶。此聚合物是非結晶體、玻璃轉化溫度約為37℃,非極性。該聚合物與碳氫化合物具有高度親和性,且可吸收其本身重量10倍的油份。聚降冰片烯橡膠,無論是在任何頻帶(0-100萬Hz)的振動,皆能被損耗因子在1(邵爾A硬度90的混煉膠)與3.2(邵爾A硬度60的混煉膠)區間的聚降冰片烯橡膠有效吸收,在低頻的效能表現上,能達到95%~98%的水平。因此,聚降冰片烯橡膠是高效阻尼的材料之一。
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