CN103205029A - 超高阻尼橡胶复合材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于橡胶技术领域，公开了一种超高阻尼橡胶复合材料及其制备工艺。其主要技术特征为：在橡胶中添加短纤维、碳黑、石油树脂、塑化剂、硫化剂、活性剂、促进剂、防老剂，各组分在密炼机中混炼后，在平板硫化机中硫化。本发明提供的超高阻尼橡胶复合材料，在橡胶基体中均匀分散预定量的短纤维、碳黑、石油树脂。阻尼系数比普通高阻尼材料提高20%以上，耗能性及延性强等优势，减隔震效果显著，能有效地控制隔震结构的地震反应；环境友好、性能稳定；在相同硬度条件下，其定伸强度更大，由此制备的橡胶支座承载力更大，支座整体体积比传统高阻尼橡胶支座小，可以节省使用空间，施工方便；耐疲劳性能更加优异。

Description

超高阻尼橡胶复合材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于橡胶技术领域，尤其涉及一种超高阻尼橡胶复合材料及其制备工艺。

背景技术

桥梁隔震装置大体上分为三类，即叠层橡胶隔震装置、滑动摩擦隔震装置和阻尼器与隔震器的组合装置。其中叠层橡胶隔震装置最为常见。叠层橡胶隔震装置中，普通板式橡胶支座需要和阻尼器配合使用，阻尼器的造价昂贵，限制了其使用范围；铅芯橡胶支座因其耗能能力大，阻尼性能良好、生产工艺简单，在桥梁隔震设计中应用广泛，但是铅芯橡胶支座在使用过程中容易老化、开裂，外露铅芯会对周围环境造成严重污染，而且铅芯橡胶支座的隔震频带较窄，不能实现对多种频率特点的地震波都具有有效减震的功能，地震发生之后，支座内部的铅芯发生屈服断裂，隔震体系自恢复能力大大降低；高阻尼橡胶支座结构与普通板式橡胶支座相同，采用粘弹性高阻尼橡胶材料加工而成，其自身可吸收能量，与耗能功能集成在一起，且具有地震变形后的自复位能力，然而这种支座的缺点是其等效阻尼比一般在10～20%，阻尼性能远远低于铅芯橡胶支座。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题就是提供一种阻尼性能、定伸强度、力学性能和耐疲劳性能高的超高阻尼橡胶复合材料。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用的技术方案为，超高阻尼橡胶复合材料包括下列重量份的组分：

橡胶                                              100重量份 

短纤维                                        3——15重量份

碳黑                                         20——70重量份

石油树脂                                     15——50重量份

塑化剂                                         5——25重量份

硫化剂                                         1——3重量份

活性剂                                         4——8重量份

促进剂                                         1——3重量份

防老剂                                         1——3重量份。

其附加技术特征为：所述的橡胶为天然橡胶或天然橡胶与二烯烃类橡胶的混合体，二烯烃类橡胶为异戊橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、顺丁橡胶中的一种或几种，天然橡胶与二烯烃橡胶的重量比为60～100重量份：0～40重量份；

所述的短纤维为芳纶短纤维、尼龙短纤维、聚酯短纤维、维纶短纤维、锦纶短纤维中的一种或几种，短纤维长度为0.02～6毫米，直径为1～50微米；

所述的碳黑为ISAF中超耐磨炉法炭黑、HAF高耐磨炉法炭黑、SRF半补强炉法炭黑中的一种或几种，具体为碳黑N110、碳黑N115或碳黑N220；

所述的石油树脂为石油馏分的烯烃、二烯烃、环烯烃、苯乙烯衍生物和杂环化合物的混合物经聚合得的树脂状物质，包括C9石油树脂、C5石油树脂、C5/C9共聚石油树脂的一种或几种；

所述的塑化剂为机油，硫化剂为硫磺，活性剂为硬脂酸和氧化锌，促进剂为N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，防老剂为N-异丙基-N'-苯基对苯二胺。

本发明要解决的第二个技术问题就是提供超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺。

为解决上述第二个技术问题，本发明采用的技术方案包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶和15——50重量份石油树脂在密炼机中塑炼40～180秒；

第二小步  依次加入4——8重量份活性剂、1——3重量份防老剂，混炼30～120秒，加入20——70重量份碳黑、5——25重量份塑化剂，继续混炼60～200秒，加入3——15重量份短纤维，混炼20——40秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步  将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1——3重量份硫化剂、1——3重量份促进剂，混炼30～90秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为130~155℃，压力设定为10~15MPa，时间为15~40分钟。

本发明提供的超高阻尼橡胶复合材料，在橡胶基体中均匀分散预定量的短纤维、碳黑、石油树脂。短纤维与橡胶基体之间存在的相对滑移和橡胶基体固有的粘弹性，是短纤维增强橡胶复合材料具有良好阻尼特性的主要原因。同时，由于其基本结构是纤维增强硫化橡胶这类热固性聚合物材料，橡胶基体的存在就决定了其阻尼性能会比较优异。

橡胶材料本身具有较高的阻尼性能，但其强度较低，不能单独作为结构材料使用，因此常将橡胶材料与高强度低阻尼金属材料复合使用，形成金属—聚合物复合阻尼材料。金属—聚合物复合阻尼材料存在施工复杂、造价高，在苛刻工况条件下，还可能会出现由于粘接不牢造成材料阻尼性能大幅下降等缺陷。短纤维增强橡胶基复合材料既具有良好的阻尼性能，又具有高定伸强度、高力学性能、可设计性强等特点，不仅可与金属构件复合使用，更可直接用作结构材料。通过调整短纤维的类型、纤维长度、长径比以及铺设角度等条件，达到最佳的阻尼性能和力学性能。

本发明提供的超高阻尼橡胶复合材料具有以下优点：

⑴阻尼系数比普通高阻尼材料提高20%以上，耗能性及延性强等优势，减隔震效果显著，能有效地控制隔震结构的地震反应；

⑵环境友好、性能稳定；

⑶超高阻尼橡胶复合材料在相同硬度条件下，其定伸强度更大，由此制备的橡胶支座承载力更大，支座整体体积比传统高阻尼橡胶支座小，可以节省使用空间，施工方便；

⑷耐疲劳性能更加优异。

附图说明

图1为本发明提供的超高阻尼橡胶复合材料制造的橡胶支座的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明超高阻尼橡胶复合材料及其制备工艺作进一步详细说明。

如图1所示，橡胶支座1由本发明提供的超高阻尼橡胶复合材料2和钢板3交替叠层构成。制备橡胶支座1时，首先将超高阻尼橡胶复合材料2裁制成片状，其后用粘合剂处理钢板3，然后将超高阻尼橡胶复合材料2和钢板3在模具中交替层叠，加热使其硫化粘合即可。

实施例1

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶和15重量份石油树脂在密炼机中塑炼40秒；

第二小步  依次加入4重量份活性剂、1重量份防老剂，混炼30秒，加入20重量份碳黑、5重量份塑化剂，继续混炼60秒，加入3重量份短纤维，混炼20秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步  将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1重量份硫化剂、1重量份促进剂，混炼30秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为130℃，压力设定为10MPa，时间为15分钟。

实施例2

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶和32.5重量份石油树脂在密炼机中塑炼110秒；

第二小步  依次加入6重量份活性剂、2重量份防老剂，混炼75秒，加入45重量份碳黑、15重量份塑化剂，继续混炼130秒，加入9重量份短纤维，混炼30秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步  将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入2重量份硫化剂、2重量份促进剂，混炼60秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为142.5℃，压力设定为12.5MPa，时间为27.5分钟。

实施例3

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶和50重量份石油树脂在密炼机中塑炼180秒；

第二小步  依次加入8重量份活性剂、3重量份防老剂，混炼120秒，加入70重量份碳黑、25重量份塑化剂，继续混炼200秒，加入15重量份短纤维，混炼40秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步  将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入3重量份硫化剂、3重量份促进剂，混炼90秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为155℃，压力设定为15MPa，时间为40分钟。

实施例4

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份天然橡胶和15重量份石油树脂在密炼机中塑炼40秒；

第二小步  依次加入3重量份氧化锌和1重量份硬脂酸、1重量份N-异丙基-N'-苯基对苯二胺，混炼40秒，加入20重量份碳黑115、5重量份机油，继续混炼60秒，加入3重量份尼龙短纤维，混炼20秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步  将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1重量份硫磺、3重量份N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，混炼30秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为130℃，压力设定为10MPa，时间为40分钟。

实施例5

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将60重量份天然橡胶和40重量份丁基橡胶和32.5重量份石油树脂在密炼机中塑炼110秒；

第二小步  依次加入4重量份氧化锌和2重量份硬脂酸、2重量份N-异丙基-N'-苯基对苯二胺，混炼75秒，加入25重量份碳黑220和20重量份炭黑110、15重量份机油，继续混炼130秒，加入9重量份芳纶短纤维，混炼30秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步 将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入2重量份硫磺、2重量份N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，混炼60秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为142.5℃，压力设定为12.5MPa，时间为27.5分钟。

实施例6

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份天然橡胶和50重量份石油树脂在密炼机中塑炼180秒；

第二小步 依次加入6重量份氧化锌和2重量份硬脂酸、3重量份N-异丙基-N'-苯基对苯二胺，混炼120秒，加入70重量份碳黑110、25重量份机油，继续混炼200秒，加入15重量份锦纶短纤维，混炼40秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步  将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入3重量份硫磺、1重量份N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，混炼90秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为155℃，压力设定为15MPa，时间为15分钟。

实施例7

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步 将70重量份天然橡胶、30重量份异戊橡胶和25重量份石油树脂在密炼机中塑炼180秒；

第二小步 依次加入1重量份硬脂酸、5重量份氧化锌、2重量份N-异丙基-N'-苯基对苯二胺，混炼120秒，加入50重量份碳黑N110、10重量份机油，继续混炼200秒，加入10重量份聚酯短纤维，混炼40秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步 将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1重量份硫磺、1.5重量份N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，混炼90秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为153℃，压力设定为10MPa，时间为20分钟。

实施例8

本发明超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步 将70重量份天然橡胶、30重量份丁二烯橡胶和40重量份石油树脂在密炼机中塑炼180秒；

第二小步  依次加入1重量份硬脂酸、5重量份氧化锌、2重量份N-异丙基-N'-苯基对苯二胺，混炼120秒，加入60重量份碳黑N110、20重量份机油，继续混炼200秒，加入10重量份芳纶短纤维，混炼40秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步 将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1重量份硫磺、1.5重量份N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，混炼90秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化。硫化温度设定为153℃，压力设定为10MPa，时间为20分钟。

实施例7和8制得的硫化橡胶的物理性能结果见表1。

性能检测

⑴ 拉伸性能

按照GB/T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》 试验。可得到性能参数：拉伸强度、扯断伸长率、100%定伸强度、200%定伸强度、300%定伸强度。

⑵ 耐热空气老化性能

按照GB3512-2001《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》试验。可得到性能参数：热空气老化试验后硬度、拉伸强度、扯断伸长率的变化情况。

⑶ 剪切性能试验

按照GB/T 9870.1-2006《硫化橡胶或热塑性橡胶动态性能的测定》试验。橡胶试件采用二片剪切型。可得到性能参数：阻尼系数和剪切模量。

表 1 实施配方和性能检测

Claims (7)

1.超高阻尼橡胶复合材料，其特征在于：包括下列重量份的组分：

橡胶                                              100重量份 

短纤维                                        3——15重量份

碳黑                                         20——70重量份

石油树脂                                     15——50重量份

塑化剂                                         5——25重量份

硫化剂                                         1——3重量份

活性剂                                         4——8重量份

促进剂                                         1——3重量份

防老剂                                         1——3重量份。

2.根据权利要求1所述的超高阻尼橡胶复合材料，其特征在于：所述的橡胶为天然橡胶或天然橡胶与二烯烃类橡胶的混合体，二烯烃类橡胶为异戊橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、丁腈橡胶、顺丁橡胶中的一种或几种，天然橡胶与二烯烃橡胶的重量比为60～100重量份：0～40重量份。

3.根据权利要求1所述的超高阻尼橡胶复合材料，其特征在于：所述的短纤维为芳纶短纤维、尼龙短纤维、聚酯短纤维、维纶短纤维、锦纶短纤维中的一种或几种，短纤维长度为0.02～6毫米，直径为1～50微米。

4.根据权利要求1所述的超高阻尼橡胶复合材料，其特征在于：所述的碳黑为ISAF中超耐磨炉法炭黑、HAF高耐磨炉法炭黑、SRF半补强炉法炭黑中的一种或几种，具体为碳黑N110、碳黑N115或碳黑N220。

5.根据权利要求1所述的超高阻尼橡胶复合材料，其特征在于：所述的石油树脂为石油馏分的烯烃、二烯烃、环烯烃、苯乙烯衍生物和杂环化合物的混合物经聚合得的树脂状物质，包括C9石油树脂、C5石油树脂、C5/C9共聚石油树脂的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的超高阻尼橡胶复合材料，其特征在于：所述的塑化剂为机油，硫化剂为硫磺，活性剂为硬脂酸和氧化锌，促进剂为N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺，防老剂为N-异丙基-N'-苯基对苯二胺。

7.权利要求1至6任一项所述的超高阻尼橡胶复合材料的制备工艺，其特征在于包括下述步骤：

第一步  未硫化超高阻尼橡胶复合材料制备

第一小步  将100重量份橡胶和15——50重量份石油树脂在密炼机中塑炼40～180秒；

第二小步  依次加入4——8重量份活性剂、1——3重量份防老剂，混炼30～120秒，加入20——70重量份碳黑、5——25重量份塑化剂，继续混炼60～200秒，加入3——15重量份短纤维，混炼20——40秒排胶；一段母炼胶放置8小时；

第三小步  将一段母炼胶投入密炼机中，依次加入1——3重量份硫化剂、1——3重量份促进剂，混炼30～90秒排胶，胶料停放8小时备用；

第二步  超高阻尼橡胶复合材料硫化

将制备的未硫化超高阻尼橡胶复合材料放入模具中，在平板硫化机中硫化；硫化温度设定为130~155℃，压力设定为10~15MPa，时间为15~40分钟。

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