CN112679808B - 一种低蠕变高阻尼橡胶材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低蠕变高阻尼橡胶材料及其制备方法和应用，属于橡胶材料技术领域。本发明利用硅氧烷偶联剂将石墨结合在橡胶大分子表面，形成润滑层，减少橡胶大分子之间相互摩擦产生的热量，延长橡胶大分子保持弹性变形的能力，提高橡胶制品的回弹性能，从而提高橡胶材料的蠕变性能。本发明的阻尼助剂使用聚酯长纤维与云母粉的混合物，聚酯长纤维具有刚性高、韧性高、抗蠕变性能好、耐疲劳性能优良等性能特点，聚酯长纤维穿插在片层云母间，赋予橡胶高阻尼特性的同时，使橡胶材料保持良好的回弹性和抗蠕变性能。实施例的结果表明，本发明橡胶材料制备的橡胶支座具有低蠕变高阻尼特性。

Description

一种低蠕变高阻尼橡胶材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及橡胶材料技术领域，尤其涉及一种低蠕变高阻尼橡胶材料及其制备方法和应用。

背景技术

蠕变是指在一定温度和恒定外力作用下，材料形变随时间延长而逐渐增大的过程，是一种“力学松驰”现象。蠕变是橡胶减震件的重要性能，蠕变会影响高阻尼橡胶支座的尺寸稳定性和使用寿命，产品在使用过一段时间后会产生永久变形，导致产品尺寸发生变化。对桥梁及建筑支座而言，橡胶制品的蠕变量过大，会影响桥梁或是建筑物的运营安全性。

此外，橡胶支座要求橡胶基体材料具有良好的阻尼性能，为了使橡胶基体具备高阻尼特性，往往会添加阻尼材料，阻尼材料的添加会增加橡胶的损耗系数，进一步增加橡胶支座在长期使用过程中的蠕变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低蠕变高阻尼橡胶材料及其制备方法和应用，本发明橡胶材料制备的橡胶支座具有低蠕变高阻尼特性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种低蠕变高阻尼橡胶材料，以重量份数计，包括以下制备原料：脱蛋白天然橡胶50～90份、氯丁橡胶10～50份、石墨2～10份、硅氧烷偶联剂0.5～5份、炭黑25～70份、阻尼助剂10～30份、活性剂4～8份、软化剂5～15份、硫化剂1～3份、促进剂1～3份和防老剂1～3份；

所述阻尼助剂为聚酯长纤维与云母粉的混合物。

优选的，所述聚酯长纤维与云母粉的质量比为3：1。

优选的，所述脱蛋白天然橡胶的氮含量≤0.3％、挥发含量≤0.5％、灰分含量≤0.2％，拉伸强度≥20MPa。

优选的，所述的石墨直径为0.5～5μm，厚度为0.8～1.2nm，层数为1～3层。

优选的，所述硅氧烷偶联剂为KH-550、KH-570、KH-560、A-151和A-171中的一种或多种。

优选的，所述炭黑为N110、N115、N220、N330和N774中的一种或多种。

本发明提供了上述方案所述低蠕变高阻尼橡胶材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱蛋白天然橡胶、氯丁橡胶、石墨和硅氧烷偶联剂进行第一混炼，得到母炼胶；

将所述母炼胶、活性剂、防老剂、炭黑、阻尼助剂和软化剂进行第二混炼，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、硫化剂和促进剂进行第三混炼，得到低蠕变高阻尼橡胶材料。

优选的，所述第一混炼的排胶温度为150～180℃；所述第二混炼的排胶温度为150～180℃；所述第三混炼的排胶温度为50～80℃。

本发明提供了上述方案所述低蠕变高阻尼橡胶材料或上述方案所述制备方法制备得到的低蠕变高阻尼橡胶材料在制备橡胶支座中的应用；

所述应用的方法包括以下步骤：

将所述低蠕变高阻尼橡胶材料与钢板叠层放置，进行硫化，得到橡胶支座。

优选的，所述硫化的温度为120～140℃，硫化的压力为6～15MPa，硫化的时间为4～24h。

本发明提供了一种低蠕变高阻尼橡胶材料，以重量份数计，包括以下制备原料：脱蛋白天然橡胶50～90份、氯丁橡胶10～50份、石墨2～10份、硅氧烷偶联剂0.5～5份、炭黑25～70份、阻尼助剂10～30份、活性剂4～8份、软化剂5～15份、硫化剂1～3份、促进剂1～3份和防老剂1～3份；所述阻尼助剂为聚酯长纤维与云母粉的混合物。

本发明利用硅氧烷偶联剂将石墨结合在橡胶大分子表面，形成润滑层，减少橡胶大分子之间的相互摩擦而产生的热量，延长橡胶大分子保持弹性变形的能力，提高橡胶制品的回弹性能，从而提高橡胶材料的蠕变性能。本发明的阻尼助剂使用聚酯长纤维与云母粉的混合物，聚酯长纤维具有刚性高、韧性高、抗蠕变性能好、耐疲劳性能优良等性能特点，聚酯长纤维穿插在片层云母间，赋予橡胶高阻尼特性的同时，使橡胶材料保持良好的回弹性和抗蠕变性能。

实施例的结果表明，本发明橡胶材料制备的橡胶支座具有低蠕变高阻尼特性。

具体实施方式

本发明提供了一种低蠕变高阻尼橡胶材料，以重量份数计，包括以下制备原料：脱蛋白天然橡胶50～90份、氯丁橡胶10～50份、石墨2～10份、硅氧烷偶联剂0.5～5份、炭黑25～70份、阻尼助剂10～30份、活性剂4～8份、软化剂5～15份、硫化剂1～3份、促进剂1～3份和防老剂1～3份；

所述阻尼助剂为聚酯长纤维与云母粉的混合物。

以重量份数计，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括脱蛋白天然橡胶50～90份，优选为60～80份，更优选为65～75份。在本发明中，所述脱蛋白天然橡胶的氮含量优选≤0.3％、挥发含量优选≤0.5％、灰分含量优选≤0.2％，拉伸强度优选≥20MPa。本发明采用脱蛋白天然橡胶相比普通的天然橡胶蠕变性能更低。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括氯丁橡胶10～50份，优选为20～40份，进一步优选为25～35份。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括石墨2～10份，优选为3～9份，更优选为4～8份。在本发明中，所述石墨的直径优选为0.5～5μm，厚度优选为0.8～1.2nm，层数优选为1～3层。本发明利用石墨减少天然胶分子间摩擦。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括硅氧烷偶联剂0.5～5份，优选为1～4份，更优选为2～3份。在本发明中，所述硅氧烷偶联剂优选为KH-550、KH-570、KH-560、A-151和A-171中的一种或多种。当所述硅氧烷偶联剂为上述物质中的多种时，本发明对各物质的配比没有特殊要求，任意配比均可。本发明利用硅氧烷偶联剂将石墨结合在橡胶大分子表面，形成润滑层，减少橡胶大分子之间的相互摩擦而产生的热量，延长橡胶大分子保持弹性变形的能力，提高橡胶制品的回弹性能，从而提高橡胶材料的蠕变性能。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括炭黑25～70份，优选为30～60份，更优选为40～50份。在本发明中，所述炭黑优选为N110、N115、N220、N330和N774中的一种或多种。当所述炭黑为上述物质中的多种时，本发明对各物质的配比没有特殊要求，任意配比均可。在本发明中，所述炭黑的作用是对天然橡胶起到补强作用。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括阻尼助剂10～30份，优选为15～25份，更优选为17～23份。在本发明中，所述阻尼助剂为聚酯长纤维与云母粉的混合物。在本发明中，所述长纤维的直径优选为0.2～0.6mm，更优选为0.3～0.5mm；长度优选为10～30mm，更优选为15～25mm。

在本发明中，所述聚酯长纤维与云母粉的质量比优选为3：1。本发明的阻尼助剂使用聚酯长纤维与云母粉的混合物，长纤维具有刚性高、韧性高、抗蠕变性能好、耐疲劳性能优良等性能特点，聚酯长纤维穿插在片层云母间，赋予橡胶高阻尼特性的同时，使橡胶材料保持良好的回弹性和抗蠕变性能。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括活性剂4～8份，优选为5～7份，更优选为5.5～6.5份。在本发明中，所述活性剂优选为硬脂酸和氧化锌的混合物。所述硬脂酸和氧化锌的质量比优选为1：(1.5～3)。在本发明中，所述活性剂的作用是降低硫化剂和促进剂活化能，提高硫化反应速度。.

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括软化剂5～15份，优选为7～13份，更优选为8～12份。在本发明中，所述软化剂包括机油、石蜡油、环烷油、芳烃油、二辛酯、二丁酯的一种或几种。当为多种时，本发明对各软化剂的配比没有特殊要求，任意配比均可。在本发明中，所述软化剂的作用是调节橡胶硬度和弹性模量。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括硫化剂1～3份，优选为1.5～2.5份，更优选为1.7～2.2份。在本发明中，所述硫化剂优选包括硫磺。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括促进剂1～3份，优选为1.2～2.5份，更优选为1.5～2.0份。在本发明中，所述促进剂优选为N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺。

以所述脱蛋白天然橡胶的重量份数为基准，本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料包括防老剂1～3份，优选为1.3～2.7份，更优选为1.5～2.3份。在本发明中，所述防老剂优选为N-异丙基-N'-苯基对苯二胺。

本发明提供了上述方案所述低蠕变高阻尼橡胶材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱蛋白天然橡胶、氯丁橡胶、石墨和硅氧烷偶联剂进行第一混炼，得到母炼胶；

将所述母炼胶、活性剂、防老剂、炭黑、阻尼助剂和软化剂进行第二混炼，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、硫化剂和促进剂进行第三混炼，得到低蠕变高阻尼橡胶材料。

本发明将脱蛋白天然橡胶、氯丁橡胶、石墨和硅氧烷偶联剂进行第一混炼，得到母炼胶。

本发明优选将脱蛋白天然橡胶、氯丁橡胶、石墨和硅氧烷偶联剂加入密炼机中，进行第一混炼。在本发明中，所述第一混炼的转速优选为40～70r/min，更优选为45～65r/min，进一步优选为50～60r/min。在本发明中，所述第一混炼的排胶温度优选为150～180℃，更优选为160～170℃。

得到母炼胶后，本发明将所述母炼胶、活性剂、防老剂、炭黑、阻尼助剂和软化剂进行第二混炼，得到中间炼胶。

本发明优选将母炼胶投入密炼机中，加入活性剂、防老剂、炭黑、阻尼助剂和软化剂，进行第二混炼。在本发明中，所述第二混炼的温度优选为120～150℃，更优选为125～145℃，进一步优选为130～140℃。

得到中间炼胶后，本发明将所述中间炼胶、硫化剂和促进剂进行第三混炼，得到低蠕变高阻尼橡胶材料。

本发明优选在开炼机中进行第三混炼。在本发明中，所述第三混炼的排胶温度优选为50～80℃，更优选为60～70℃。本发明优选倒炼3遍。

本发明提供了上述方案所述低蠕变高阻尼橡胶材料或上述方案所述制备方法制备得到的低蠕变高阻尼橡胶材料在制备橡胶支座中的应用；

所述应用的方法包括以下步骤：

将所述低蠕变高阻尼橡胶材料与钢板叠层放置，进行硫化，得到橡胶支座。

本发明对所述层叠的方式和层数没有特殊要求，本领域熟知的层叠方式和层数均可。

在本发明中，所述硫化的温度优选为120～140℃，更优选为125～135℃；硫化的压力优选为6～15MPa，更优选为8～12MPa；硫化的时间优选为4～24h，更优选为8～20h，进一步优选为10～15h。

下面结合实施例对本发明提供的低蠕变高阻尼橡胶材料及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

以下实施例所用脱蛋白天然橡胶的氮含量≤0.3％、挥发含量≤0.5％、灰分含量≤0.2％，拉伸强度≥20MPa；石墨的直径为0.5～5μm，厚度为0.8～1.2nm，层数为1～3层。

实施例1

将50重量份脱蛋白天然橡胶、50重量份氯丁橡胶、2重量份石墨、0.5重量份硅氧烷偶联剂A-151加入密炼机中，设定转速40r/min，混炼至150℃排胶，得到母炼胶；

将所述母炼胶投入密炼机中，加入4重量份活性剂(1重量份硬脂酸和3重量份氧化锌)、1重量份防老剂N-异丙基-N'-苯基对苯二胺、25重量份炭黑N110、30重量份阻尼助剂(22.5重量份聚酯长纤维和7.5重量份云母粉的混合物)、5重量份软化剂石蜡油，混炼至120℃时排胶，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、1重量份硫化剂硫磺、3重量份促进剂N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，在开炼机上倒炼3遍，制成橡胶材料。

橡胶支座的制备：

将本实施例的橡胶材料与钢板叠层放置，在平板硫化机上加压加热硫化，硫化温度为120℃，硫化压力为15MPa，硫化时间为4h，得到橡胶支座。

实施例2

将90重量份脱蛋白天然橡胶、10重量份氯丁橡胶、10重量份石墨、5重量份硅氧烷偶联剂A-171加入密炼机中，设定转速70r/min，混炼至180℃排胶，得到母炼胶；

将所述母炼胶投入密炼机中，加入8重量份活性剂(3重量份硬脂酸和5重量份氧化锌)、3重量份防老剂N-异丙基-N'-苯基对苯二胺、70重量份炭黑N774、10重量份阻尼助剂(7.5重量份聚酯长纤维和2.5重量份云母粉的混合物)、5重量份软化剂二辛酯，混炼至150℃时排胶，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、3重量份硫化剂硫磺和1重量份促进剂N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺在开炼机上倒炼3遍，制成橡胶材料。

橡胶支座的制备：

将本实施例的橡胶材料与钢板叠层放置，在平板硫化机上加压加热硫化，硫化温度为140℃，硫化压力为6MPa，硫化时间为24h，得到橡胶支座。

实施例3

将60重量份脱蛋白天然橡胶、40重量份氯丁橡胶、4重量份石墨、1重量份硅氧烷偶联剂(KH-550)加入密炼机中，设定转速50r/min，混炼至160℃排胶，得到母炼胶；

将母炼胶投入密炼机中，加入6重量份活性剂(2重量份硬脂酸、4重量份氧化锌)、2重量份防老剂N-异丙基-N'-苯基对苯二胺、35重量份炭黑N110、12重量份阻尼助剂(9重量份聚酯长纤维和3重量份云母粉的混合物)，8重量份软化剂机油，混炼至130℃时排胶，在开炼机上加入1.5重量份硫化剂硫磺、2重量份促进剂N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，倒炼3遍，制成胶片备用；

橡胶支座的制备：

将本实施例的橡胶材料与钢板叠层放置，在平板硫化机上加压加热硫化，硫化温度为100℃，硫化压力为12MPa，硫化时间为18h，得到橡胶支座。

实施例4

将70重量份天然橡胶、30重量份氯丁橡胶、8重量份石墨、3重量份硅氧烷偶联剂(KH-570)加入密炼机中，设定转速60r/min，混炼至170℃排胶，得到母炼胶；

将所述母炼胶投入密炼机中，加入6重量份活性剂(1.5重量份硬脂酸、4.5重量份氧化锌)、2.5重量份防老剂(N-异丙基-N'-苯基对苯二胺)、45重量份炭黑N220、20重量份阻尼助剂(15重量份聚酯长纤维和5重量份云母粉的混合物)、10重量份软化剂(环烷油)，混炼至145℃时排胶，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、2重量份硫化剂(硫磺)和2重量份促进剂(N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺)，在开炼机上倒炼3遍，制成橡胶材料。

橡胶支座的制备：

将本实施例的橡胶材料与钢板叠层放置，在平板硫化机上加压加热硫化，硫化温度为135℃，硫化压力为10MPa，硫化时间为14h，得到橡胶支座。

实施例5

将80重量份天然橡胶、20重量份氯丁橡胶、6重量份石墨、4重量份硅氧烷偶联剂(KH-570)加入密炼机中，设定转速65r/min，混炼至155℃排胶，得到母炼胶；

将所述母炼胶投入密炼机中，加入7重量份活性剂(2重量份硬脂酸、5重量份氧化锌)、2.5重量份防老剂(N-异丙基-N'-苯基对苯二胺)、60重量份炭黑(N330)、24重量份阻尼助剂(18重量份聚酯长纤维和6重量份云母粉的混合物)，混炼至145℃时排胶，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、2.3重量份硫化剂(硫磺)、1.8重量份促进剂(N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺)，在开炼机上倒炼3遍，制成橡胶材料。

橡胶支座的制备：

将本实施例的橡胶材料与钢板叠层放置，在平板硫化机上加压加热硫化，硫化温度为130℃，硫化压力为8MPa，硫化时间为12h，得到橡胶支座。

对比例1

与实施例5的不同之处在于将受阻酚类阻尼剂改为AO-80。

对比例2

与实施例1的不同之处在于，未使用硅氧烷偶联剂。

性能测试：

将实施例1～5和对比例1～2制成的高阻尼橡胶支座进行物理性能检测，检测依据的标准为GB20688.2-2006，检测结果如表1所示。

表1实施例1～5制备的支座性能

由表1的结果可知，对比例1～2由于未使用硅氧烷偶联剂或使用常规的阻尼助剂，得到的支座性能较实施例1～5支座的性能的蠕变性较差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种低蠕变高阻尼橡胶材料，其特征在于，以重量份数计，由以下制备原料组成：脱蛋白天然橡胶50~90份、氯丁橡胶10~50份、石墨2~10份、硅氧烷偶联剂0.5~5份、炭黑25~70份、阻尼助剂10~30份、活性剂4~8份、软化剂5~15份、硫化剂1~3份、促进剂1~3份和防老剂1~3份；

所述阻尼助剂为聚酯长纤维与云母粉的混合物；所述聚酯长纤维的直径为0.2~0.6mm，长度为10~30mm；所述聚酯长纤维与云母粉的质量比为3：1；

所述脱蛋白天然橡胶的氮含量≤0.3%、挥发含量≤0.5%、灰分含量≤0.2%，拉伸强度≥20MPa；

所述硅氧烷偶联剂为KH-550、KH-570、KH-560、A-151和A-171中的一种或多种；

所述炭黑为N110、N115、N220、N330和N774中的一种或多种；

所述低蠕变高阻尼橡胶材料的制备方法包括以下步骤：

将脱蛋白天然橡胶、氯丁橡胶、石墨和硅氧烷偶联剂进行第一混炼，得到母炼胶；

将所述母炼胶、活性剂、防老剂、炭黑、阻尼助剂和软化剂进行第二混炼，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、硫化剂和促进剂进行第三混炼，得到低蠕变高阻尼橡胶材料。

2.根据权利要求1所述的低蠕变高阻尼橡胶材料，其特征在于，所述的石墨直径为0.5~5μm，厚度为0.8~1.2nm，层数为1~3层。

3.权利要求1~2任一项所述低蠕变高阻尼橡胶材料的制备方法，包括以下步骤：

将脱蛋白天然橡胶、氯丁橡胶、石墨和硅氧烷偶联剂进行第一混炼，得到母炼胶；

将所述母炼胶、活性剂、防老剂、炭黑、阻尼助剂和软化剂进行第二混炼，得到中间炼胶；

将所述中间炼胶、硫化剂和促进剂进行第三混炼，得到低蠕变高阻尼橡胶材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一混炼的排胶温度为150~180℃；所述第二混炼的排胶温度为150~180℃；所述第三混炼的排胶温度为50~80℃。

5.权利要求1~2任一项所述低蠕变高阻尼橡胶材料或权利要求3或4所述制备方法制备得到的低蠕变高阻尼橡胶材料在制备橡胶支座中的应用；

所述应用的方法包括以下步骤：

将所述低蠕变高阻尼橡胶材料与钢板叠层放置，进行硫化，得到橡胶支座。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述硫化的温度为120~140℃，硫化的压力为6~15MPa，硫化的时间为4~24h。