CN102585387A - 一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料及其制备方法，为100份的非二烯类橡胶、1.0-1.5份的硫化剂、4.0-5.0份硫化促进剂组成的橡胶基体材料、100-500份压电陶瓷粉、0.1-0.5份导电炭黑、0.5-5.0份偶联剂经过混炼、硫化、极化等工艺后形成的复合物。本发明可以获得一种在低频（1Hz-300Hz）具有较高阻尼因子（tanδ≥0.3）的新型阻尼材料，具有显著的压电增效效果，极化材料的阻尼因子较极化前材料的阻尼因子有显著提高（Δtanδ≥0.2）。

Description

一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种阻尼材料领域技术，特别是一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料及其制备方法。

背景技术

阻尼材料是一种能吸收振动机械能并将之转化为热能而耗散的新型功能材料，它利用阻尼材料在变形时把动能变成为热能的原理降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪声。各类阻尼材料已成功应用于许多领域，其中橡胶类减振阻尼材料以其优异的性能而获得越来越广泛的关注。然而，由于粘弹性阻尼材料本身固有属性，其阻尼性能受环境温度和振动频率的影响显著，尤其是低频下阻尼性能大大降低，严重影响了材料在低频下的减振效果。压电阻尼材料是一种智能型阻尼材料，在粘弹性基体材料中加入压电粒子和导电粒子，除了基体材料的阻尼耗能机制外，还具有将振动能转化为电能再转化为热能而耗散的能量转换机制，其阻尼减振效果优于传统粘弹性阻尼材料，且阻尼性能不再受环境温度和振动频率的很大限制，能够大大拓宽橡胶类阻尼材料的应用范围和领域，具有极广阔的发展前景和工程应用价值。0-3型压电复合材料制备方法简单、成本低、易于大面积成型、可实现性强，因而得到了广泛的研究并在许多领域获得了实际的应用。

专利200910227724.9报道了一种橡胶基压电阻尼复合材料及其制备方法，主要特点在于采用机械共混的方法混合橡胶基体和压电导电粒子，然后采用高压高温油浴极化的方法进行极化。所制备的压电阻尼复合材料较聚合物基体其阻尼性能有一定的提升，但缺点是材料中陶瓷粉含量过高（800-1000质量份数），极化电压较高（40000-50000伏），不易加工制备，且材料性能有待进一步提高，尤其是低频下的损耗因子较低（tanδ<0.3）。专利CN101323697A报道了一种环氧树脂基压电复合阻尼材料及其制备方法，采用超声波分散的方法将压电陶瓷粉、导电炭黑等与液态树脂基体混合均匀，浇铸固化成型，获得在较宽温域内具有较高阻尼因子的压电阻尼复合材料。但该工艺制备的材料内部极易产生气泡等缺陷，影响材料的极化以及最终的性能。专利CN1587206A报道了一种压电陶瓷/聚合物压电复合材料及其制备方法，采用微波辐照成型的方法制备该种材料，获得介电常数及压电常数较高的压电复合材料。但该种材料所含的压电陶瓷粉体积分数过高，材料硬度过高，限制了其应用范围。

目前报道的压电复合材料较少涉及其阻尼性能及在减振降噪领域内的应用。针对以上存在的问题，本发明制备了一种低频下具有高阻尼因子的压电阻尼复合材料，该种材料制备工艺简单，压电相含量较低，极化电压低，压电增效效果显著，材料性能优异，易于推广和应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料及其制备方法，可以改善传统粘弹性阻尼材料的缺点，获得一种在低频下（1Hz -300Hz）具有较高阻尼因子（tanδ≥0.3）的新型阻尼材料，该材料的阻尼因子较极化前的阻尼因子有明显提高（Δtanδ≥0.2），压电增效效应显著，并且陶瓷粉含量较低，制备工艺简单可行，极化电压低，能够满足实际工程技术对材料性能和应用的要求。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料为橡胶基体材料、压电陶瓷粉、导电炭黑、偶联剂经过混炼、硫化、极化等工艺而形成的复合物，其质量组成为：

——橡胶基体材料：其中含有100份的非二烯类橡胶，1.0-1.5份的硫化剂，4.0-5.0份硫化促进剂；硫化剂为硫磺硫化体系硫化剂；硫化促进剂与硫化剂配套使用；

——压电陶瓷粉：每100份非二烯类橡胶100-500份压电陶瓷粉；压电陶瓷粉的压电常数d₃₃>100PC/N，粒度分布均匀；

——导电炭黑：每100份非二烯类橡胶0.1-0.5份导电炭黑；

——偶联剂：每100份非二烯类橡胶0.5-5.0份偶联剂。

进一步具体的，所述的偶联剂可以为硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂。

进一步具体的，所述的压电陶瓷粉组成主要为锆钛酸铅（PZT）或铌镁酸铅（PMN）及改性PZT压电陶瓷粉之一。

进一步具体的，所述的非二烯类橡胶可以为丁基橡胶、乙丙橡胶等。

本发明的一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料其制备方法包括：

（1）制备橡胶基体材料，将非二烯类橡胶塑炼5-10min，然后在橡胶开炼机中分多次添加各种配合剂和硫化剂促进剂，每次混炼3-10min，再加入硫化剂，经过混炼，使各种配合剂分散均匀，即可制得橡胶基体材料；

（2）把所需的压电陶瓷粉进行烘干，将纳米导电炭黑和压电陶瓷粉进行预混合，混合过程中加入钛酸酯类偶联剂，然后进行研磨，得到预混粉料，以保证多个压电-导电回路的形成；

（3）把步骤（2）中的预混粉料与步骤（1）中的橡胶基体材料加入到混合设备中混合均匀，得到混合胶料；

（4）将步骤（3）中所获得的混合胶料在金属模具中加热、加压成型，压力为4-8MPa，温度为140-180℃，成型时间为40-50min，即可固化成型，制得橡胶基压电复合材料；

（5）将步骤（4）中得到压电复合材料在高压直流油浴装置中进行极化，极化电压为3000V-5000V，极化温度为60-120℃，极化时间为10-30min，即可获得低频高阻尼橡胶基压电复合材料。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，本发明可以获得一种在低频（1Hz-300Hz）具有较高阻尼因子（tanδ≥0.3）的新型阻尼材料，具有显著的压电增效效果，极化材料的阻尼因子较极化前材料的阻尼因子有显著提高（Δtanδ≥0.2）。

具体实施方式

实施例

以非二烯类橡胶为基体材料，添加锆钛酸铅PZT压电陶瓷粉、导电炭黑和偶联剂制备橡胶基压电阻尼复合材料。按表1中配方比例称量橡胶基体材料、压电陶瓷粉、导电炭黑和钛酸酯偶联剂混合粉料，在密炼机上混炼，待混合均匀后，出片，剪裁，装入模具，在热压成型机上成型。成型温度（上、下模）为160℃，成型压力为5MPa，成型时间为50min。成型后的压电阻尼复合材料在高压直流油浴极化装置中极化，极化电压为4000V，极化温度为80℃，极化时间为15min。

 

表1 实施例1-4配方（质量份数）

原材料名称	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4
					非二烯类橡胶	100	100	100	100
硫化剂	1.0	1.2	1.3	1.5
					促进剂	4.0	4.4	4.6	5.0
压电陶瓷粉	100	200	300	500
					导电炭黑	0.1	0.3	0.4	0.5
偶联剂	0.5	1.5	3.0	5.0

 表2极化前后压电阻尼复合材料的损耗因子（23°C）

Claims (5)

1.一种低频高阻尼橡胶基压电复合材料，其特征是：低频高阻尼橡胶基压电复合材料为橡胶基体材料、压电陶瓷粉、导电炭黑、偶联剂经过混炼、硫化、极化等工艺后形成的复合物，其质量组成为：

——橡胶基体材料：其中含有100份的非二烯类橡胶，1.0-1.5份的硫化剂，4.0-5.0份硫化促进剂；硫化剂为硫磺硫化体系硫化剂；硫化促进剂与硫化剂配套使用；

——压电陶瓷粉：每100份非二烯类橡胶100-500份压电陶瓷粉；压电陶瓷粉的压电常数d₃₃>100PC/N，粒度分布均匀；

——导电炭黑：每100份非二烯类橡胶0.1-0.5份导电炭黑；

——偶联剂：每100份非二烯类橡胶0.5-5.0份偶联剂。

2.根据权利要求1所述低频高阻尼橡胶基压电复合材料，其特征是：所述的偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯类偶联剂。

3.根据权利要求1所述低频高阻尼橡胶基压电复合材料，其特征是：所述的压电陶瓷粉组成主要为锆钛酸铅（PZT）或铌镁酸铅（PMN）及改性PZT压电陶瓷粉之一。

4.根据权利要求1所述低频高阻尼橡胶基压电复合材料，其特征是：所述的非二烯类橡胶为丁基橡胶、乙丙橡胶。

5.一种权利要求1所述低频高阻尼橡胶基压电复合材料的制备方法，其特征是包括：

（1）制备橡胶基体材料：将非二烯类橡胶塑炼5-10min，然后在橡胶开炼机中分多次添加各种配合剂和硫化剂促进剂，每次混炼3-10min，再加入硫化剂，经过混炼，使各种配合剂分散均匀，即可制得橡胶基体材料；

（2）把所需的压电陶瓷粉进行烘干，将纳米导电炭黑和压电陶瓷粉进行预混合，混合过程中加入钛酸酯类偶联剂，然后进行研磨，得到预混粉料，以保证多个压电-导电回路的形成；

（3）把步骤（2）中的预混粉料与步骤（1）中的橡胶基体材料加入到混合设备中混合均匀，得到混合胶料；

（4）将步骤（3）中所获得的混合胶料在金属模具中加热、加压成型，压力为4-8MPa，温度为140-180℃，成型时间为40-50min，即可固化成型，制得橡胶基压电复合材料；

（5）将步骤（4）中得到压电复合材料在高压直流油浴装置中进行极化，极化电压为3000V-5000V，极化温度为60-120℃，极化时间为10-30min，即可获得低频高阻尼橡胶基压电复合材料。