CN104829877B - 一种高阻尼支座用橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高阻尼支座用橡胶复合材料及其制备方法。本发明以天然橡胶为连续相、丁基橡胶为分散相，通过添加相容剂和特定的制备工艺，制备了界面高度相容的高强度橡胶复合材料，其具有优良力学性能和阻尼性能。该橡胶复合材料具有隔震支座所需的高强度、高弹性和柔性，可作为桥梁用隔震支座材料使用。

Description

一种高阻尼支座用橡胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高阻尼支座用橡胶复合材料及其制备方法，制备的新型橡胶复合材料适用于桥梁、建筑等领域高阻尼隔震支座的制备。
背景技术
我国是一个强震多发国家，地震发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡多、灾害严重，经济损失巨大。近几十年以来世界对地震灾害发生和救灾、灾后重建工作表明，提高建筑、桥梁的抗震性能是减轻地震损失、加强区域安全的基本措施之一。以桥梁为例，在桥梁梁体与墩台的连接处安装具有减隔震功能的支座，将桥梁上部结构与可能引起破坏的地面运动分离开来，减小传递到上部结构的地震力和能量，可以很大程度上提高桥梁抵御地震灾害的能力。据不完全统计：全世界约有25个国家对桥梁采用了隔震装置，其中，日本、新西兰等多震国家在隔震技术的理论和应用研究中已取得了令人瞩目的成果，技术处于世界领先水平。自上世纪70-80年代，我国科研工作者开始关注隔震技术，并进行了橡胶隔震支座研制、结构分析和设计、性能检验、施工技术等***研究，形成了橡胶支座隔震建筑或桥梁的成套技术。
叠层橡胶支座是最重要的隔震支座类型，由多层薄橡胶板和薄钢板交互重叠模压硫化而成，由于橡胶支座中橡胶层与夹层钢板紧密粘结，当橡胶支座受上部结构自重荷载时，薄钢板约束了橡胶的横向伸展，保证支座具有足够的竖向刚度和承载能力，同时钢板又不影响橡胶板的剪切变形，保持了橡胶固有的柔韧性，使其具有比竖向刚度小很多的水平刚度，从而具备了竖向支撑与水平隔震的双重功能。为了进一步降低地震的破坏力，支座需要有高的减震能力，因此需要其所用橡胶材料具有高阻尼性能。在地震发生时，橡胶层由于自身的黏弹滞后特性呈现高度耗能减震的优势，能有效吸收地震波能量，降低地震的破坏能力。
隔震支座较为常用的橡胶材料是天然橡胶和氯丁橡胶。天然橡胶综合性能优异，具有高弹性、高柔性和高强度，在橡胶支座中应用最广泛，但天然橡胶分子链柔顺，变形时分子间摩擦力小，所以其阻尼性能差，不能有效的衰减地震波和削弱地震能量。与之相比，氯丁橡胶的阻尼性能好，但其弹性、柔性等不能满足需求。
为了改善天然橡胶隔震支座的阻尼性能，现在普遍采用在橡胶支座的中心部位或中心周围部位灌注铅芯的技术，借助铅芯的剪切变形来实现吸收耗散振动能量的功能。然而铅芯的加入降低了隔震体系的自恢复能力，且隔震频带较窄。制备高阻尼橡胶复合材料代替现有的天然橡胶，有效提高橡胶支座的综合防震能力，取代铅芯技术，是当今隔震支座领域的发展趋势。
橡胶的阻尼性能源于橡胶大分子的黏弹滞后性能，大分子的形态结构对其阻尼性能有决定性的影响。一般来说，分子间作用力强、分子间内摩擦大的橡胶材料阻尼性能好，所以丁基橡胶和丁腈橡胶的阻尼性能十分优异，天然橡胶的阻尼性能很弱。采用共混的方法，把天然橡胶和其他具有高阻尼性能的橡胶共混制得复合材料是一种有效的方法。邵红琪等在“共混比对预硫化多官能化丁基橡胶/天然橡胶共混胶性能的影响”(合成橡胶工业，2013，36(5):399-403)报道天然橡胶与丁基橡胶共混且天然橡胶为主要成份时其力学性能较好且阻尼性能优异，但是丁基橡胶多采用卤化丁基橡胶。由于天然橡胶和丁基橡胶的相容性不好，二者共硫化时在硫化时间和硫化速度上不能够很好的匹配，因此二者共混并用一直没有得到广泛的应用。
为了获得的阻尼性能，国内外学者在最近的几十年间进行了大量的研究。压电阻尼材料是一种新型阻尼材料，韩兆芳等在“氯化丁基橡胶基压电阻尼复合材料的研究”(压电与声光，2006，28(4)，61)报道将压电陶瓷粉体复合到传统的CIIR橡胶基体中，制作出了性能较好的新型阻尼材料，它是一种智能阻尼材料。利用压电陶瓷粉体的压电效应，将外部传来的振动能转换成一定的电能，再通过乙炔炭黑形成的导电网络，将电能转变为热能耗散出去，从而获得了较好的阻尼效果。但是这种材料由于添加了高份数的导电填料和压电陶瓷粉，弹性降低，永久变形大，不适用制作隔震橡胶支座。
发明内容
本发明要解决的一个技术问题就是提供一种新型橡胶复合材料，使之在保持天然橡胶优良的综合性能的同时，具有较高的阻尼性能。主要是将具有高阻尼性能的丁基橡胶材料和具有高拉伸强度、高柔性的天然橡胶通过机械共混的方式共混，添加专用相容剂和采用特定的制备工艺，得到一种兼具高强度、高柔性、高弹性和高阻尼性的新一代橡胶复合材料，用于建筑物或桥梁等高性能隔震支座的制备。
为了解决上述技术问题，本发明采用了下述方案：
一种隔震支座用高性能橡胶复合材料，其特征在于：
以质量份计，天然橡胶体系和丁基橡胶体系的配方如下：
天然橡胶作为连续相，在复合材料中所占生胶质量比为90-60；丁基橡胶作为分散相，在复合材料中所占生胶质量比为10-40。
进一步，所用相容剂为异丁烯-异戊二烯共聚物，其中异戊二烯的摩尔含量20-40％，数均分子量为1万～5万。
所述的一种隔震支座用高性能橡胶复合材料的方法，其特征在于：
首先将天然橡胶在双辊开炼机室温过辊塑炼，然后加入活性剂、促进剂、防老剂、硫化剂，使之混炼均匀，得到天然橡胶的混炼胶；然后将丁基橡胶在双辊开炼机室温过辊塑炼，然后加入活性剂、促进剂、增塑剂、硫化剂，使之混炼均匀，得到丁基橡胶混炼胶；然后将丁基橡胶混炼胶置于温度为130-140℃的烘箱中预硫化15-60分钟；然后采用双辊开炼机按配方的生胶质量比混合天然橡胶混炼胶和丁基橡胶混炼胶，加入相容剂混炼均匀，得到天然橡胶NR/丁基橡胶IIR混炼胶；最后将该NR/IIR混炼胶在145℃和15MPa下根据其正硫化时间进行硫化，得到NR/IIR复合材料。
有益效果
本发明以天然橡胶为连续相、丁基橡胶为分散相，通过添加相容剂和特定的制备工艺，制备了界面高度相容的高强度橡胶复合材料。该复合材料的损耗因子为1.0，tanδ值大于0.3的温度范围达到34℃，并且其拉伸强度达到20MPa以上，扯断伸长率达到500％以上。其性能达到了国家标准对隔震支座用橡胶材料的物理机械性能的要求，阻尼性能优异，适宜作为隔震支座用橡胶材料。
附图说明
图1a为带铅芯叠层橡胶支座结构示意图。
图1b为无铅芯叠层橡胶支座结构示意图。
其中1为上部建筑结构连接板；2为保护层橡胶；3为下部建筑结构连接板；4为封板；5为积层薄钢板；6为积层橡胶；7为铅芯。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步说明，但本发明不限于这些实施例。还包括本领域技术人员在本发明公开范围内，所做出的显而易见的改变。
本发明所用原料及来源如下：
NR，烟片1号，天津长利橡胶有限公司提供；IIR，牌号Polysar 301,加拿大Polysar公司生产；其他橡胶配合剂，硬脂酸，氧化锌，促进剂，环烷烃油，相容剂，防老剂等，盛华橡塑制品有限公司提供。
实施例1-4
按照表1制备天然橡胶和丁基橡胶不同共混比例的NR/IIR复合材料。具体制备工艺如下：
表1 天然橡胶和丁基橡胶配方
天然橡胶 100份 丁基橡胶 100份
氧化锌 4份 氧化锌 3份
硬脂酸 2份 硬脂酸 2份
促进剂TMTD 0.8份 促进剂M 1.8份
促进剂CZ 2.2份 促进剂TMTD 3.0份
防老剂4010NA 2份 环烷烃油 4份
硫磺 1份 硫磺 1份
相容剂 5份 相容剂 5份
天然橡胶混炼胶的制备：将100质量份天然橡胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌4(质量份，下同)、硬脂酸2、促进剂TMTD 0.8、促进剂CZ 2.2、防老剂4010NA 2、硫磺1，混炼均匀，出片，得到天然橡胶混炼胶；
丁基橡胶混炼胶的制备：将100份丁基橡胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌3、硬脂酸2、促进剂M 1.8、促进剂TMTD 3.0、环烷烃油4、硫磺1.5，混炼均匀，出片，得到丁基橡胶混炼胶；
丁基橡胶混炼胶的预硫化：将第二小步得到的丁基混炼胶置于烘箱中进行预硫化，按照预硫化条件130℃×30min进行。
NR/IIR复合材料的制备：按照NR混炼胶与IIR混炼胶按照生胶比为90/10、80/20、70/30和60/40的比例，将由第一小步得到的NR混炼胶和第三小步得到的经预硫化的IIR混炼胶在开炼机上加入5份相容剂异丁烯-异戊二烯共聚物(异戊二烯摩尔含量30％，数均分子量为3万)室温共混5min，得到4种不同的配比NR/IIR共混胶，分别记为实施例1-4，胶料停放12小时备用；
将由上面步骤制备得的NR/IIR共混胶在平板硫化机中进行硫化，硫化温度为145℃，压力15MPa，时间为T90+3min。对硫化胶进行各种性能的测试表征。
对比例1
按照实施例1-4中的“天然橡胶混炼胶的制备”步骤中的配方和方法制备天然橡胶混炼胶并进行硫化及测试表征。
表2
表3
从表2可以看出，实施例的拉伸强度均在20MPa以上，扯断伸长率均在500％以上，能够满足支座用橡胶材料的性能指标要求。从表3中可以看到材料的tanδ＞0.3的温度区间随着丁基组分的提高而增大，而且向高温区域移动，实施例2的tanδ峰值达到1.0。如果该复合材料应用于橡胶支座，在保证满足支座物理机械性能的同时支座的隔震耗能性能将明显提升。
实施例5-8
按照表4制备加入不同份数相容剂的NR/IIR复合材料。具体制备工艺如下：
表4 天然橡胶和丁基橡胶配方
天然橡胶 100份 丁基橡胶 100份
氧化锌 3份 氧化锌 4份
硬脂酸 2份 硬脂酸 2份
促进剂TMTD 0.4份 促进剂M 1.2份
促进剂CZ 1.8份 促进剂TMTD 2.0份
防老剂4010NA 3份 环烷烃油 6份
硫磺 2份 硫磺 2份
相容剂 5-20份 相容剂 5-20份
天然橡胶混炼胶的制备：将100质量份天然橡胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌3(质量份，下同)、硬脂酸2、促进剂TMTD 0.4、促进剂CZ 1.8、防老剂4010NA 3、硫磺3，相容剂异丁烯-异戊二烯共聚物(异戊二烯摩尔含量30％，数均分子量为3万)5、10、15、20混炼均匀，出片，得到天然橡胶混炼胶；
丁基橡胶混炼胶的制备：将100份丁基橡胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌4、硬脂酸2、促进剂M 1.2、促进剂TMTD 2.0、环烷烃油6、硫磺2.5，混炼均匀，出片，得到丁基橡胶混炼胶；
丁基橡胶混炼胶的预硫化：将第二小步得到的丁基混炼胶置于烘箱中进行预硫化，按照预硫化条件130℃×60min进行。
NR/IIR复合材料的制备：按照天然胶/丁基胶生胶比为80/20的比例，根据这一比例，将由前两个步骤得到的两种混炼胶在开炼机上室温共混加入不同份数的相容剂异丁烯-异戊二烯共聚物(异戊二烯摩尔含量35％，数均分子量为3.6万)混炼5min，得到不同份数相容剂的NR/IIR(80/20)共混胶，按照相容剂份数5、10、15、20依次记为实施例5、6、7、8，胶料停放12小时备用；
将由以上步骤制备得的NR/IIR共混胶在平板硫化机中进行硫化，硫化温度为145℃，压力15MPa，时间为T90+3min。对硫化胶进行各种性能的测试表征。
表5
表6
从表5和表6可以看出，在加入不同份数的相容剂之后，实施例的拉伸强度在20MPa以上，其扯断伸长率均在500％以上，同时材料的tanδ＞0.3的温度区间随着相容剂含量的提高而增大，而且向高温区域移动，实施例4的tanδ峰值达到1.03。如果该复合材料应用于橡胶支座，在保证满足支座物理机械性能的同时支座的隔震耗能性能将明显提升。
实施例9-12
按照表7制备预硫化条件不同的NR/IIR复合材料，具体制备工艺如下：
表7 天然橡胶和丁基橡胶配方
天然橡胶 100份 丁基橡胶 100份
氧化锌 2份 氧化锌 5份
硬脂酸 1份 硬脂酸 2.5份
促进剂TMTD 0.2份 促进剂M 0.6份
促进剂CZ 1.2份 促进剂TMTD 1.0份
防老剂4010NA 5份 环烷烃油 8份
硫磺 3份 硫磺 3份
相容剂 10份 相容剂 10份
天然橡胶混炼胶的制备：将100质量份天然橡胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌2(质量份，下同)、硬脂酸1、促进剂TMTD 0.2、促进剂CZ 1.2、防老剂4010NA 5、硫磺5，混炼均匀，出片，得到天然橡胶混炼胶；
丁基橡胶混炼胶的制备：将100份丁基橡胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌5、硬脂酸2.5、促进剂M 0.6、促进剂TMTD 1.0、环烷烃油8、硫磺4.5，混炼均匀，出片，得到丁基橡胶混炼胶；
丁基橡胶混炼胶的预硫化：将第二小步得到的丁基混炼胶置于烘箱中进行预硫化，按照预硫化条件1#130℃×30min，预硫化2#130℃×60min，预硫化3#140℃×15min，预硫化4#140℃×25min进行预硫化。
NR/IIR复合材料的制备：按照NR混炼胶与IIR混炼胶按照生胶比为80/20的比例，将由第一小步得到的NR混炼胶和第三小步得到的4种经过不同预硫化条件下预硫化的IIR混炼胶在开炼机上加入10份相容剂异丁烯-异戊二烯共聚物(异戊二烯摩尔含量35％，数均分子量为3.6万)室温共混5min，得到4种不同的预硫化条件的NR/IIR共混胶，分别记为实施例9、10、11、12，胶料停放12小时备用；
将由上面步骤制备得的NR/IIR共混胶在平板硫化机中进行硫化，硫化温度为145℃，压力15MPa，时间为T90+3min。对硫化胶进行各种性能的测试表征。
对比例2
依次按照实施例9-12中“天然橡胶混炼胶的制备”、“丁基橡胶混炼胶的制备”和“NR/IIR复合材料的制备”方法(没有实施例9-12中“丁基橡胶混炼胶的预硫化”步骤)制得对比例2，在平板硫化机中进行硫化，硫化温度为145℃，压力15MPa，时间为T90+3min。对硫化胶进行各种性能的测试表征。
表8
表9
从表8可以看出，增加预硫化工艺，天然橡胶/丁基橡胶复合材料的力学性能得到了比较明显的改善，较未进行预硫化的对比例2，实施例5-8的拉伸性能均有所增加，且定伸有略微的减少，对于提升材料的低模量大形变有所帮助，断裂伸长率均有提高。同时由表9可以看到增加预硫化工艺之后虽然阻尼峰值略微有所下降，但是阻尼温域有很大的提高，整体上提升了一定的阻尼性能。综合考虑力学性能及阻尼性能，在本实验条件下，通过预硫化工艺，该复合材料性能较好，可用于制备隔震支座用高性能橡胶复合材料。

Claims (1)

1.一种高阻尼支座用橡胶复合材料，其特征在于：
以质量份计，天然橡胶体系和丁基橡胶体系的配方如下：
天然橡胶作为连续相，在复合材料中所占生胶质量比为90-60；丁基橡胶作为分散相，在复合材料中所占生胶质量比为10-40；
所用相容剂为异丁烯-异戊二烯共聚物，其中异戊二烯的摩尔含量20-40％，数均分子量为1万～5万；
制备步骤如下：首先将天然橡胶在双辊开炼机室温过辊塑炼，然后加入活性剂、促进剂、防老剂、硫化剂，使之混炼均匀，得到天然橡胶的混炼胶；然后将丁基橡胶在双辊开炼机室温过辊塑炼，然后加入活性剂、促进剂、增塑剂、硫化剂，使之混炼均匀，得到丁基橡胶混炼胶；然后将丁基橡胶混炼胶置于温度为130-140℃的烘箱中预硫化15-60分钟；然后采用双辊开炼机按配方的生胶质量比混合天然橡胶混炼胶和丁基橡胶混炼胶，加入相容剂混炼均匀，得到天然橡胶NR/丁基橡胶IIR混炼胶；最后将该NR/IIR混炼胶在145℃和15MPa下根据其正硫化时间进行硫化，得到复合材料。
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