CN103342034A - 一种高分子基宽温域阻尼复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子基宽温域阻尼复合材料及其制备方法，该复合材料由橡胶阻尼层和塑料约束层交替层合构成，形成软硬交替的层状约束阻尼结构，其中橡胶阻尼层和塑料约束层均要求具一定的阻尼性，且塑料约束层和橡胶阻尼层的玻璃化转变温度相差小于100℃，两者的阻尼损耗峰可产生搭接，因此该发明拓宽了复合材料的有效阻尼温域，使其在室温附近呈现宽阻尼温域、高阻尼特性；本发明的阻尼复合材料层数和层厚可控，阻尼峰温域可调；力学性能优良，无需硫化；所需原料均为市售；方法简单，可连续批量生产，生产成本低，效率高。

Description

一种高分子基宽温域阻尼复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子基宽温域阻尼复合材料，更具体的说，是以模量较高的塑料为约束层，以模量较低的橡胶为阻尼层，具有交替层合结构的宽温域约束阻尼结构的复合材料，属于高分子材料的加工制造领域。

背景技术

随着科学技术和现代工业的发展，机械设备趋于高速化和自动化，振动和噪声污染日益严重。振动不仅对机械设备的运行和寿命产生影响，同时也影响了人身健康，因此减振降噪已引起社会各界的广泛关注，成为一个亟待解决的重要问题。阻尼材料可以将机械振动能转变为热能或其他形式的能量耗散掉，从而达到减振降噪的目的。

高分子材料在受交变应力( 如振动) 作用时应变滞后于应力的变化, 特别是处于玻璃化转变区域的高分子材料, 表现出明显的力学阻尼特性，此时聚合物具有足够高的损耗因子，能够大量吸收振动能量，从而具有减振降噪的作用。因此高分子基阻尼材料广泛的应用于宇航、火车、汽车、机械设备和日常用品领域。然而，一般高分子材料的玻璃化转变温度范围较窄，产生有效阻尼的温度范围大致为玻璃化温度附近的±10℃～12℃，材料的使用温度范围有限，因为在实际应用中，往往需要阻尼减振材料在宽的温度范围内保持良好的阻尼性能，如一般交通工具要求阻尼材料在-50℃～50℃的温度范围内具有有效的阻尼功能。

目前高分子基阻尼材料存在以下问题：

（1）橡胶类高分子材料的玻璃化转变大多在室温以下，而塑料类高分子材料的玻璃化转变温度一般高于室温。如果将橡胶和塑料简单地进行共混，由于橡胶和塑料互容性通常较差，其共混物内存在相分离的问题，所以在橡胶和塑料玻璃化转变的中间区域存在阻尼低谷，即在室温附近的阻尼减振效果较差。

（2）互穿聚合物网络（IPN）技术可以将两种或多种聚合物各自交联和互相贯穿并缠结组成高分子共混物，互穿聚合物网络具有强迫互容作用，可以形成微相分离的双连续结构，可以有效改善高分子共混物的阻尼性能。但是，由于互穿聚合物网络技术存在工艺复杂、成本较高、溶剂难完全排除等问题，因而被限制于制备阻尼涂料。

（3）随着技术的发展，粘弹性高分子基阻尼复合结构的类型在不断丰富, 从最初的自由阻尼层结构逐渐发展到约束阻尼层结构、插入阻尼结构等。阻尼敷设形式也从单层阻尼发展到多层, 从单层阻尼单层约束到多层间隔处理。自由阻尼是直接将阻尼材料粘附到需要减振的构件表面，当构件受到振动时，阻尼层发生拉伸形变来消耗能量，约束阻尼结构是在阻尼层上粘附高模量的约束层材料，当构件受到振动时，阻尼层发生剪切形变，由于剪切损耗而具有更大的结构损耗。但是目前研究和应用的层状约束阻尼存在层数较低（一般2至3层），且多是通过人工或机器敷设，工艺复杂使用不方便。

发明内容

针对目前高分子基阻尼材料存在的以上缺点，本发明提出一种橡胶塑料交替层合结构的高分子基宽温域阻尼复合材料及其制备方法，其复合材料在较宽的阻尼温域具有良好的阻尼性能，其层数和层厚可控，方法简单可连续批量生产。

本专利通过以下技术原理实现聚合物基复合材料的高阻尼和宽阻尼温域性能：（1）橡胶层在低于室温具有良好的阻尼性，塑料在高于室温具有良好的阻尼性，两者的多层复合结构在低于室温和高于室温的温域可兼具良好的阻尼性能；（2）由于塑料约束层的模量比橡胶阻尼层的模量高1～3个数量级，在振动场中可使橡胶阻尼发生对减振更有效的剪切形变，增大将振动能的吸收，从而提高阻尼性能；（3）在形成的橡胶层和塑料层的新型软硬交替层合的双连续结构中，大量连续的层界面可以增加界面摩擦和滑移，在室温附近温度出现新的中间损耗峰，从而有效拓宽了阻尼温域，并提高了损耗因子，进一步提高了阻尼性能。

具体讲，本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是，本发明的高分子基宽温域阻尼复合材料由以下高分子基橡胶阻尼层物料和塑料约束层物料经熔融塑化、n次层状叠合而形成的2^（n+1）层软硬交替的层状约束阻尼结构：

（1）所述高分子基橡胶阻尼层的基体选用玻璃化转变温度在-60℃～10℃之间的高分子材料或高分子基复合材料，该橡胶阻尼层的最大损耗因子≥0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）宽度≥40℃；以保证橡胶层具备有效的阻尼性；

（2）所述高分子基塑料约束层的基体选用玻璃化转变温度在40℃～110℃之间的高分子材料或高分子基复合材料，该塑料约束层的最大损耗因子≥0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）宽度≥30℃；这样，高分子基塑料约束层不仅具有约束层的作用而且可提供一定的阻尼性；

（3）该塑料约束层在室温下的模量比橡胶阻尼层高一个数量级以上；而且塑料约束层和橡胶阻尼层的玻璃化转变温度相差小于100℃，以保证塑料约束层和橡胶阻尼层的阻尼损耗峰实现搭接。因为，塑料约束层和橡胶阻尼层的玻璃化转变温度相差大于100℃时，由于塑料玻璃化转变的损耗峰与橡胶的玻璃化转变的损耗峰相距太远无法搭接，难以制得的宽温域高阻尼交替层合阻尼复合材料。

上述高分子橡胶阻尼层选用具有阻尼性能的丁基橡胶、氯化丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、丁苯橡胶中的一种为基体。

上述高分子基塑料约束层可选用非结晶性塑料为基体。所述非结晶性塑料选用聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、无定型聚乳酸、聚氯乙烯、聚苯乙烯中的一种。

在上述高分子基橡胶阻尼层和/或塑料约束层的基体中可以根据加工需要加入加工助剂和填料，加工助剂和填料加入量为橡胶阻尼层或塑料约束层高分子基体重量的1～100%。其中，加工助剂是指，增粘树脂（如：松香树脂、石油树脂）、增塑剂（如：邻苯二甲酸二辛脂、苯甲醇）、操作油（如白油、石蜡油）、润滑剂（硬脂酸）、抗氧剂（如：芳香胺类、受阻酚类），防老化剂（如胺类、酮胺类）等；填料是指炭黑、碳酸钙、蒙脱土、滑石粉等。

当上述橡胶阻尼层与塑料约束层之间的相容性较差时，可以在阻燃层或阻尼层中加入有相容剂，比如聚乙烯接枝马来酸酐、聚苯乙烯接枝恶唑啉，相容剂的加入量为加入聚合物基体重量的1～20%，以使层间粘结性能良好。

本发明也提供了制备上述高分子基宽温域阻尼复合材料的方法，该制备方法直接采用本申请人申请的中国专利CN101439576A所公开的由挤出机(A、B)、分配器（C）、层倍增器(D)和出口模(E)构成的微层共挤装置，其特点是先制备高分子基橡胶阻尼层物料和高分子基塑料约束层物料，然后将高分子基橡胶阻尼层物料和塑料约束层物料分别投入微层共挤出装置的两台挤出机（A、B）中，熔融塑化后，使两股熔体在分配器（C）中叠合，经n个层倍增器（D）的切割和叠加后，从出口模（E）流出，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，得到2^（n+1）层由橡胶阻尼层和塑料约束层连续交替分布的高分子基宽温域阻尼复合材料。

在上述制备方法中，橡胶阻尼层和塑料约束层的厚度比可以通过调节和控制两台挤出机的转速比进行调整，从而可调节该多层约束高分子基阻尼材料阻尼峰的位置和峰强。

本发明专利具有以下优点：

（1）本发明复合材料形成塑料约束层和橡胶阻尼层软硬交替的层状约束阻尼型双连续结构，可拓宽复合材料的有效阻尼温域，使其在室温附近呈现宽阻尼温域、高阻尼特性，比普通阻尼材料具有更宽的有效阻尼温域和更高的阻尼损耗因子。

（2）本发明提供的橡胶塑料交替层合结构的阻尼材料无需硫化，由塑料层提供良好的力学强度，橡胶层提供良好的力学韧性。

（3）本发明复合材料中的橡胶层和塑料层粘结性能良好不会出现分层现象。阻尼层具有良好的粘结性，使用时直接粘附到需要进行阻尼减振处理的基体上即可，无需涂覆粘结剂，方便施工，大大提高了使用方便性。

（4）本发明制备方法采用层状复合挤出的一次成型工艺制备方法工艺简单，操作控制方便；通过调节和控制两台挤出机的挤出转速比，可以调整橡胶层和塑料层的厚度，通过控制增减层倍增器的数量，可以调节交替层合阻尼材料的层数。

可见，本发明提供的橡胶塑料交替层合结构的阻尼材料性能优异，成本低廉、方便粘附施工，且制备方法工艺简单，操作控制方便，生产效率高，生产成本低，具有广阔的工业化和市场前景。

附图说明

下面结合附图进一步说明本发明。

图1为本发明所涉及的微层共挤装置的结构示意图。在图中，A，B：挤出机，C：分配器，D：层倍增器，E：出口模。

图2为本发明制备的橡胶塑料交替层合结构的高分子基阻尼复合材料的结构放大示意图。在图中，F：塑料层，G：橡胶层。

具体实施方法

在以下各实施例中，各组分的用量均为质量用量。有必要在此指出，下面实施例只是对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明进行一些非本质的改进和调整。

实施例1

（1）选用具有阻尼性能的氯化丁基橡胶（按重量份计）100份作为高分子基橡胶阻尼层的基体，加入炭黑(填料)30份、石油树脂（增粘树脂）35份、白油（操作油）10份、硬脂酸（润滑剂）1份、对苯二胺类防老剂1份在双辊开炼机上常温混炼8分钟出片，制得阻尼橡胶混炼胶。该混炼胶的玻璃化转变温度是在-15℃，即在-60℃～10℃之间，最大损耗因子为1.20，即大于0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-36℃至21℃，即有效阻尼温域宽度大于40℃，符合权利要求中对高分子基橡胶阻尼层材料性能的要求。

（2）选用充分干燥的聚醋酸乙烯酯塑料作为高分子基塑料约束层的基体，经造粒工艺，得到塑料约束层物料颗粒。经检测，该物料颗粒的玻璃化转变温度为44℃，即在40℃～110℃之间，最大损耗因子为2.55，即大于0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为26℃至64℃，即有效阻尼温域宽度大于30℃，符合权利要求1中对高分子塑料约束层材料性能的要求；同时塑料约束层在室温下的模量比橡胶阻尼层高2个数量级，且塑料约束层和橡胶阻尼层的玻璃化转变温度相差是56℃，即小于100℃，符合权利要求中对高分子基橡胶阻尼层和塑料约束层模量和玻璃化转变温度差异的要求。

（3）将上述得到的橡胶混炼胶裁剪成条和充分干燥的聚醋酸乙烯酯塑料颗粒分别投入由中国专利CN101439576A公开的由挤出机A、B、分配器C、层倍增器D和出口模E构成的微层共挤装置的挤出机A和挤出机B(见图1)中，调节塑料聚醋酸乙烯酯层和橡胶氯化丁基橡胶层挤出机的转速比为1:3，挤出机各段温度控制在90～100℃之间，使挤出机内的物料熔融塑化后，使两股熔体在分配器C中叠合，经3个层倍增器D的切割和分层叠加后从出口模E中流出，其中分配器C、层倍增器D和出口模E的温度均为100℃左右，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到从出口模挤出的16层橡胶塑料交替层合宽温域阻尼复合材料(参见图2)，经检测，该复合材料的拉伸强度为9.7MPa,断裂伸长率为57%，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-18℃～49℃，在室温附近达到阻尼峰值1.24。

对比例1

将实施例1中制备的16层橡胶塑料交替层合阻尼材料在100℃经双辊开炼机混炼8分钟，破坏层状结构后制得非层状的普通共混复合材料，在10Mpa压力、100℃温度条件下模压成型制得普通共混的对比样，其拉伸强度为8.1MPa,断裂伸长率为7%，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为24℃～48℃，最大阻尼峰值0.88。

由上述实施例1和对比例1的性能对比可见，实施例1中制备的交替层合高分子基橡胶塑料交替层合阻尼复合材料具有比对比例1更高效阻尼性能和更宽的阻尼温域。可根据实际需要调整实施例1的配方、层厚比和层数，可调控高分子基宽温域阻尼复合材料的相形态，从而控制其阻尼温域和损耗因子，比如可增加实施例1中塑料约束层的挤出速度的同时减小橡胶阻尼层的挤出速度，可增大约束层的厚度，使制得的高分子基宽温域阻尼复合材料在高于室温的温域具有比实施例1更优的阻尼性能。

实施例2

（1）选用充分干燥的丁腈橡胶（按重量份计）100份作为高分子基橡胶阻尼层的基体，加入炭黑(填料)30份、白油（操作油）10份、硬脂酸（润滑剂）1份、受阻酚（AO-60）25份，经搅拌混合加入挤出机造粒，得到阻尼层物料。该阻尼层物料的玻璃化转变温度是在-9℃，即在-60℃～10℃之间，最大损耗因子为1.2，即大于0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-29℃～24℃，即宽度大于40℃，符合权利要求中对高分子基橡胶阻尼层材料性能的要求。

（2）选用充分干燥的聚醋酸乙烯酯（按重量份计）100份，加入苯甲醇（增塑剂）12份，经搅拌混合后加入挤出机混合造粒，得到塑料约束层物料。经检测，该物料的玻璃化转变温度为41.5℃，即在40℃～110℃之间，最大损耗因子为2.77，即大于0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为21℃～60℃，即大于30℃，符合权利要求1中对高分子塑料约束层材料性能的要求；同时塑料约束层在室温范围内的模量比橡胶阻尼层高3个数量级，且塑料约束层和橡胶阻尼层的玻璃化转变温度相差是50.5℃，即小于100℃，符合权利要求中对高分子基橡胶阻尼层和塑料约束层模量和玻璃化转变温度差异的要求。

（3）将上述阻尼层物料和约束层物料分别投入图1所示的微层共挤装置的挤出机A和挤出机B中，调节约束层和阻尼层两台挤出机的转速比为1:1，挤出机各段温度控制在160～170℃之间，分配器C、层倍增器D和出口模E的温度均为180℃左右，使用3个分层叠加单元，由出口模挤出并得到16层橡胶塑料交替层合宽温域阻尼复合材料(参见图2)，经检测，该复合材料的拉伸强度为17.5MPa,断裂伸长率为120%，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-20℃～63 ℃，在室温附近达到阻尼峰值1.45。

对比例2

将实施例2中制备的16层橡胶塑料交替层合阻尼材料在180℃经哈克密炼机混炼8分钟，破坏层状结构后制得非层状的普通共混复合材料，在10Mpa压力、180℃温度条件下模压成型制得普通共混的对比样，其拉伸强度为13.2MPa,断裂伸长率为80%，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-10℃～21℃，最大阻尼峰值0.88。上述实施例2的高分子基阻燃阻尼复合材料具有更优的阻尼性能，可根据实际需要调整实施例2的配方、层厚比和层数，可调控橡胶塑料交替层合阻尼材料的相形态，从而控制其阻燃和阻尼性能。

与对比例2制备的普通共混阻尼材料相比，上述实施例2的交替层合高分子基宽温域阻尼复合材料具有更宽的阻尼温域和更优的阻尼性能，可根据实际需要调整实施例2的配方、层厚比和层数，可调控高分子基宽温域阻尼复合材料的相形态，从而控制其阻尼温域和损耗因子。

实施例3

（1）选用氯化丁基橡胶（按重量份计）100份作为高分子基橡胶阻尼层的基体，加入炭黑（填料）35份、石油树脂（增粘树脂）20份、白油（操作油）10份、硬脂酸（润滑剂）1份、对苯二胺类防老剂1份，并在双辊开炼机上常温混炼8分钟出片，制得阻尼橡胶混炼胶。该阻尼层物料的玻璃化转变温度是在-10℃，即在-60℃～10℃之间，最大损耗因子为1.25，即大于0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-33℃至25℃，即有效阻尼温域宽度大于40℃，符合权利要求中对高分子基橡胶阻尼层材料性能的要求。

（2）选用聚甲基丙烯酸甲酯（按重量份计）100份作为高分子基塑料约束层的基体，加入邻苯二甲酸二辛酯(增塑剂)30份，经搅拌混合后加入挤出机混合造粒，得到塑料约束层物料。经检测，该物料的玻璃化转变温度为72℃，即在40℃～110℃之间，最大损耗因子为1.45，即大于0.75，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为56℃～103℃，即宽度大于30℃，符合权利要求中对高分子塑料约束层材料性能的要求；同时塑料约束层在室温下的模量比橡胶阻尼层高3个数量级，且塑料约束层和橡胶阻尼层的玻璃化转变温度相差是82℃，即小于100℃，符合权利要求1中对高分子基橡胶阻尼层和塑料约束层模量和玻璃化转变温度差异的要求。

（3）将上述橡胶混炼胶裁剪成条与聚甲基丙烯酸甲酯塑料颗粒分别投入图1所示的微层共挤装置的挤出机A和挤出机B中，调节两台挤出机的转速比为1:4，挤出机各段温度控制在170--180℃之间，分配器C、层倍增器D和出口模E的温度均为180℃左右，使用4个层倍增器，由出口模挤出并得到32层橡胶塑料交替层合宽温域阻尼复合材料(参见图2)，经检测，其拉伸强度为12.5MPa,断裂伸长率为120%，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-18.5 ℃～48 ℃，在室温20℃附近达到阻尼峰值1.05。

对比例3

将实施例3中制备的32层橡胶塑料交替层合阻尼材料在180℃经双辊开炼机混炼8分钟，破坏层状结构后制得非层状的普通共混复合材料，在10Mpa压力、180℃温度条件下模压成型制得普通共混的对比样，其拉伸强度为1.5MPa,断裂伸长率为60%，有效阻尼温域（Tanδ>0.5）为-12℃～-3℃，最大阻尼峰值0.67。

与对比例3制备的普通共混阻尼材料相比，上述实施例3的交替层合高分子基宽温域阻尼复合材料具有更宽的阻尼温域和更优的阻尼性能，可根据实际需要调整实施例3的配方、层厚比和层数，可调控高分子基宽温域阻尼复合材料的相形态，从而控制其阻尼温域和损耗因子。

Claims (9)

1.一种高分子基宽温域阻尼复合材料，其特征在于该复合材料由以下高分子基橡胶阻尼层物料和塑料约束层物料经熔融塑化、n次层状叠合而形成的2^（n+1）层软硬交替的层状约束阻尼结构：

（1）所述高分子基橡胶阻尼层的基体选用玻璃化转变温度在-60℃～10℃之间的高分子材料或高分子基复合材料，该橡胶阻尼层的最大损耗因子≥0.75，有效阻尼温域宽度≥40℃；

（2）所述高分子基塑料约束层的基体选用玻璃化转变温度在40℃～110℃之间的高分子材料或高分子基复合材料，该塑料约束层的最大损耗因子≥0.75，有效阻尼温域宽度≥30℃；

（3）该塑料约束层在室温下的模量比橡胶阻尼层高一个数量级以上，且塑料约束层和橡胶阻尼层的玻璃化转变温度相差小于100℃。

2.根据权利要求1所述的高分子基宽温域阻尼复合材料，其特征在于高分子橡胶阻尼层选用具有阻尼性能的丁基橡胶、氯化丁基橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、丁苯橡胶中的一种为基体。

3.根据权利要求1或2所述的高分子基宽温域阻尼复合材料，其特征在于在所述高分子基橡胶阻尼层的基体中加入加工助剂和填料，其加入量为阻尼层高分子基体重量的1～100%。

4.根据权利要求1所述的高分子基宽温域阻尼复合材料，其特征在于所述高分子基塑料约束层选用非结晶性塑料为基体。

5.根据权利要求4所述的高分子基宽温域阻尼复合材料，其特征在于所述非结晶性塑料选自聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、无定型聚乳酸、聚氯乙烯、聚苯乙烯中的一种。

6.根据权利要求1、4或5所述的高分子基宽温域阻尼复合材料，其特征在于在所述高分子塑料约束层的基体中加入加工助剂和填料，其加入量为塑料约束层高分子基体重量的1～100%。

7.根据权利要求1所述的高分子基宽温域阻尼复合材料，其特征在于在所述橡胶阻尼层或塑料约束层中可根据需要加入有相容剂，相容剂的加入量为加入聚合物基体重量的1～20%。

8.一种制备权利要求1所述高分子基宽温域阻尼复合材料的方法，采用由挤出机(A、B)、分配器（C）、层倍增器(D)和出口模(E)构成的微层共挤装置，其特征在于先制备高分子基橡胶阻尼层物料和高分子基塑料约束层物料，然后将高分子基橡胶阻尼层物料和塑料约束层物料分别投入微层共挤出装置的两台挤出机（A、B）中，熔融塑化后，使两股熔体在分配器（C）中叠合，经n个层倍增器（D）的切割和叠加后，从出口模（E）流出，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，得到2^（n+1）层由橡胶阻尼层和塑料约束层交替分布的高分子基宽温域阻尼复合材料。

9.根据权利要求8所述的制备高分子基宽温域阻尼复合材料的方法，其特征在于橡胶阻尼层和塑料约束层的厚度比通过控制两台挤出机（A、B）的转速比进行调整。

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