阻尼橡膠材料的研究進展

劉瓊瓊

摘 要：文章針對阻尼橡膠材料的設(shè)計原則，闡述了影響橡膠阻尼性能的因素，包括橡膠結(jié)構(gòu)的影響以及與橡膠配合使用的組分（共混基體、填料、有機小分子、增塑軟化體系）的影響，并展望了橡膠阻尼技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：阻尼；橡膠；填料；共混；有機小分子；增塑軟化

引言

日常生活和生產(chǎn)中的振動和噪聲給人們帶來了嚴重的危害，必須采用有效的手段加以控制。阻尼橡膠材料利用橡膠的動態(tài)黏彈行為，將振動能以熱的形式耗散，可廣泛應(yīng)用于降低機械噪聲、減輕機械振動、吸聲、隔聲，提高工作效率，同時還可以改善產(chǎn)品質(zhì)量。阻尼橡膠材料通常用耗散因子tanδ表示阻尼特性。對于阻尼橡膠材料的設(shè)計原則包括：提高材料的阻尼因子，即tanδ高；拓寬阻尼溫度范圍。

1 橡膠結(jié)構(gòu)影響

影響橡膠阻尼性能的因素很多，其中聚合物自身的結(jié)構(gòu)對阻尼性能有直接影響。內(nèi)耗大的橡膠阻尼效果好，內(nèi)耗大的橡膠應(yīng)該是具有足夠高的分子量和分子量分布的多分散性，分子鏈間應(yīng)存在較強的相互作用，如離子鍵、氫鍵、極性基團等，分子鏈中引入側(cè)基來增加分子間的內(nèi)摩擦。在常用橡膠中，丁基橡膠和丁腈橡膠的內(nèi)耗較高，氯丁橡膠、聚氨酯橡膠、三元乙丙橡膠、硅橡膠居中，丁苯橡膠和天然橡膠較低。另外，通過共聚形成具有特定鏈段結(jié)構(gòu)的聚合物也可影響橡膠的阻尼性能。當通過接枝共聚或嵌段共聚在聚合物側(cè)鏈生成鏈段或形成具有不同鏈段的嵌段結(jié)構(gòu)后，可以增大內(nèi)聚能、增加聚合物鏈段的運動和相互摩擦，從而提高聚合物的阻尼性能。除了上述影響因素外，本文主要從共混基體、填料、有機小分子、軟化增塑體系這幾個方面闡述了其對橡膠阻尼性能的影響。

2 與橡膠配合的組分影響

2.1 共混基體

將相容性較差的多種聚合物混合，可以產(chǎn)生具有微觀相分離結(jié)構(gòu)特征的復(fù)合材料。上述結(jié)構(gòu)特征使各聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域發(fā)生疊加，進而可以有效拓寬阻尼區(qū)域。為了提高橡膠的阻尼性能，常常將具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的聚合物進行共混后，在不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg間獲得較寬的阻尼峰，常用的混合方式包括不同類型橡膠的共混以及橡膠與塑料的并用。

黃瑞麗[1]等采用飽和非極性三元乙丙橡膠EPDM和不飽和極性環(huán)氧化天然橡膠ENR-50制備出二元共混阻尼材料。通過在兩相中硫化劑的遷移，導(dǎo)致二元共混物中ENR-50交聯(lián)密度比單獨硫化時高、阻尼內(nèi)耗峰向高溫方向外擴，EPDM相的交聯(lián)密度比單獨硫化時低、阻尼內(nèi)耗峰向低溫方向外擴，最終得到了溫度范圍從-72.3℃到52.9℃的寬溫域阻尼材料。另外，硅橡膠具有寬廣的使用溫度，能在-60℃至250℃下長期使用，通常人們也常采用硅橡膠為基體，配合丁基橡膠或三元乙丙橡膠等制備阻尼材料。

橡膠和塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度相差較大，前者在室溫下處于彈性態(tài)而后者處于玻璃態(tài)。因此有較多研究通過橡塑共混來改善橡膠的阻尼性能，包括采用氯化丁基橡膠、丁腈橡膠、丙烯酸酯橡膠等與聚氯乙烯共混。鄭詩建[2]等制備了丙烯酸橡膠與聚氯乙烯的共混物，結(jié)果表明，當丙烯酸酯橡膠用量為100份、聚氯乙烯用量為40-80份時，共混物在-10到100℃區(qū)間內(nèi)都能起到很好的阻尼作用。

2.2 填料

填料在橡膠體系中主要起到補強和降低成本的作用，但同時由于橡膠分子運動時會在分子鏈段與填料之間、分子鏈段之間或者填料與填料之間產(chǎn)生相互摩擦，從而增大阻尼能力。當填料的粒徑減小、比表面積增大后，填料與橡膠的接觸面積也會相應(yīng)增大，從而產(chǎn)生更大的摩擦和改善的阻尼性能，片狀填料如石墨、云母等在阻尼材料中的應(yīng)用較多。另外，納米無機填料由于自身的表面和界面效應(yīng)，也被廣泛應(yīng)用于阻尼材料中。Aleksandra Ivanoska-Dacikj[3]等在天然橡膠（NR）基體中添加了2份多壁碳納米管（MWCNT）和不同用量（2-20份）的膨脹有機改性蒙脫土（EOMt），制備方法包括首先制備NR/MWCNT母膠，然后將其與EOMt及其他組分混合制備NR/EOMt/MWCNT納米復(fù)合材料。該復(fù)合材料具有優(yōu)異的機械性能，可用作阻尼減震材料。

2.3 有機小分子

聚合物/小分子雜化阻尼材料通過極性聚合物與有機小分子在成型過程中產(chǎn)生的雜化效應(yīng)，通常認為聚合物基體與有機小分子間產(chǎn)生氫鍵，而氫鍵的斷裂與重組耗散了大量能量，從而提高了阻尼性能。有機小分子一般作為硫化劑、穩(wěn)定劑、增塑劑等添加到聚合物中。左孔成[4]制備了丁腈橡膠/受阻酚AO-2246二元共混物，發(fā)現(xiàn)其阻尼機理是聚合物基體內(nèi)耗、氫鍵效應(yīng)以及非晶態(tài)小分子高阻尼特性共同作用的結(jié)果。當AO-2246含量低時，氫鍵效應(yīng)貢獻較大。當其含量超過臨界值（氫鍵數(shù)量飽和值時）時，非晶態(tài)小分子的高阻尼能力逐漸占主導(dǎo)，而聚合物內(nèi)耗決定了共混物的基本阻尼能力。Zhao X. Y.等[5]通過丁腈橡膠/受阻酚AO-80制備了阻尼材料。研究表明，受阻酚從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變成無定形態(tài)，在丁腈橡膠基體中形成了富集區(qū)，復(fù)合材料中形成了大量氫鍵，并且還存在由于體系中分子間氫鍵的解離而產(chǎn)生的兩次松弛過程中，使得復(fù)合材料具有很高的損耗性能，是良好的阻尼材料。

2.4 軟化增塑體系

軟化增塑體系用于減弱分子間的相互作用力、增強鏈段活動性，將其添加到橡膠組合物中可改善加工性，同時也會降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg和損耗因子峰值，但應(yīng)當選擇合適的增塑劑類型以及用量。增塑劑應(yīng)選擇在橡膠中的溶解度較低或能與橡膠形成分相結(jié)構(gòu)的類型，以有效拓寬阻尼溫度范圍。同時增塑劑的用量不能太高，否則會降低橡膠的力學(xué)性能、儲能模量和損耗模量，增加應(yīng)力松弛等。

3 結(jié)束語

隨著技術(shù)的發(fā)展，阻尼橡膠材料在解決由各種振動、噪聲危害方面將發(fā)揮越來越重要的作用。阻尼橡膠材料一方面需要滿足實際使用過程中對物理機械性能的需求，另一方面需要具有足夠高的阻尼性能，能滿足不同頻率下對阻尼性能的要求。同時，對于阻尼橡膠材料的阻尼機理的研究還有待完善。因此探討其阻尼機理將有助于指導(dǎo)未來對阻尼橡膠材料的設(shè)計。

參考文獻

[1]黃瑞麗，盧 ，龍娟，等.EPDM/ENR寬溫域阻尼材料的制備及阻尼機理[J].高分子材料科學(xué)與工程，2016，32（10）：119-124.

[2]鄭詩健，王聚淵，馬恩第.丙烯酸酯橡膠和聚氯乙烯共混體系阻尼特性的研究[J].特種橡膠制品，2000，21（2）：8-10.

[3]Aleksandra I.D.， Gordana B.G.， Sandip R. et al. Fine tuning of the dynamic mechanical properties of natural rubber/carbon nanotube nanocomposites by organically modified montmorllonite： A first step in obtaining high-performance damping material suitable for seismic application[J].Applied Clay Science，2015，118：99-106.

[4]左孔成.丁腈橡膠雜化阻尼材料的性能與表征[D].西南交通大學(xué).

[5]Zhao X. Y.， Xiang P.， Tian M.， et al. Nitrile butadiene rubber/hindered phenol nanocomposites with improved strength and high damping performance[J]. Polymer，2007，48：6056-6063.