CN104151635B - 一种隔震支座用高性能橡胶复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种隔震支座用高性能橡胶复合材料及其制备方法。以天然橡胶为连续相，丁腈橡胶为分散相，并在分散相中添加受阻酚类有机小分子，采用特定的共混工艺，制备得到兼具优良力学性能和阻尼性能的新型橡胶复合材料。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。同时其阻尼因子(tanδ)达到1.3，在宽温度范围内表现出高水平的阻尼性能。

Description

一种隔震支座用高性能橡胶复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种隔震支座用高性能橡胶复合材料及其制备方法，制备的新型橡胶复合材料用于高性能建筑物或桥梁隔震支座的制备。
背景技术
地震是一种严重损害人类生命财产安全的自然灾害。中国地处世界上两个最活跃的地震带中间，是世界上地震活动最频繁和地震灾害最严重的国家之一。在地震作用下，建筑物的破坏是导致经济损失和人员伤亡的最直接原因，减轻地震灾害的最有效的措施就是提高建筑物的抗震能力。
“基础隔震”技术在现代建筑物抗震设计中应用越来越广泛，其原理是在建筑物上部结构与地基间设置具有足够安全可靠的隔震系统，来增加结构的变形能力和滞变阻尼，有效地将地震能量隔离或消耗，减小结构地震反应，保护上部结构的安全。即使遭受大震，上部结构仍可处于弹性工作状态，能够保证建筑物结构和其中的人员、仪器设备的安全和正常使用。目前的基础隔震建筑物中，80％以上的建筑物采用叠层橡胶隔震支座系统，叠层橡胶支座是该隔震系统中的关键组件。叠层橡胶支座是由薄橡胶层和薄钢板层交互叠置，经高温、加压硫化而成。其所用橡胶材料必须具备高强度、高柔性、高弹性和高阻尼性能，从而保证叠层橡胶支座具有较高的纵向受压承载能力、水平变形能力和耐疲劳能力。
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，在橡胶支座用材料中应用最多，但天然橡胶分子链柔顺，变形时分子间摩擦力小，所以其阻尼性能较差，不能很好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、柔性等不能达到理想要求。
Yancheng Li等在“Development and characterization ofamagnetorheological elastomer basedadaptive seismic isolator”(Smart Mater.Struct.22(2013)035005(12pp))报道了一种新型的磁流变弹性体材料，以硅橡胶和硅油为基体，加入一定量的羟基铁粒子制备而成，该材料具有强烈的场敏感特性，可以改变其剪切模量和阻尼性能，研究者将其应用于一种新型的自适应地震隔震支座，实验结果表明，所设计的隔震支座成功的提高了水平刚度和阻尼特性；但该材料的性能变化与磁场强度有很大关系，应用受到磁场的限制。
Xiu-Ying Zhao等在“Nitrile butadiene rubber/hindered phenolnanocomposites with improvedstrength and high damping performance”(Polymer 48(2007)6056-6063)报道了一种新型的高强高阻尼的NBR/受阻酚AO-80纳米复合材料，受阻酚AO-80均匀地分散在基体中并形成氢键网络，体系的阻尼性能优异，同时该复合材料还具有低定伸强度、高拉伸强度和大变形下拉伸取向的特征。这种橡胶复合材料满足隔震支座用橡胶材料低模量、高强度、高阻尼的要求，但材料的高弹性能仍嫌不足，与隔震橡胶支座的要求还有一定的差距。
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腈橡胶/受阻酚杂化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进行共混，在未添加其他补强填充剂的条件下，制备出一种兼具高强度、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：
1、以质量份计，天然橡胶体系和丁腈橡胶体系的配方如下：
2、本发明提供的一种新型高性能橡胶复合材料，其特征在于：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；丁腈橡胶作为分散相，在复合材料中所占生胶质量比为10-40。优选的天然橡胶与丁腈橡胶的质量比为70:30。
3、本发明提供的一种新型高性能橡胶复合材料，其特征在于：在丁腈橡胶中添加了具有高阻尼性能的有机小分子添加剂——受阻酚1#或受阻酚2#，受阻酚与丁腈橡胶的质量比为10-80:100，较好的范围是40-60:100；受阻酚为：(1)受阻酚1#：3，9-双{1,1-二甲基-2[β-(3-叔丁基-4-羟基-5-甲基苯基)丙烯基]乙基-2,4,6,8-四氧杂螺环(5,5)-十一烷}；(2)受阻酚2#：四[β-(3,5-二-叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯。
4、本发明所用实验工艺为：(1)按配方割取天然橡胶，采用双辊开炼机室温塑炼，然后按照配方要求依次加入配方助剂，使之混炼均匀，得到天然橡胶混炼胶。(2)将丁腈橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入受阻酚，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为125～135℃，混炼时间为5～10min，待混炼均匀后出片冷却至室温。然后采用双棍开炼机室温塑炼，依次加入其他配方助剂，混炼均匀得到丁腈橡胶混炼胶。(3)采用双棍开炼机按配方的生胶质量比混合天然橡胶混炼胶和丁腈橡胶混炼胶，得到天然橡胶(NR)/丁腈橡胶(NBR)/受阻酚混炼胶。然后将该NR/NBR/受阻酚混炼胶在143℃、15MPa下根据其正硫化时间进行硫化，得到NR/NBR/受阻酚复合材料。
本发明的有益效果
本发明通过选用具有拉伸结晶特性的天然橡胶与具有高阻尼性的丁腈橡胶/受阻酚杂化材料并用作为隔震支座用橡胶材料，保证了隔震支座用橡胶材料的高强度及良好回弹性，并有效提高了材料的阻尼性能。所制备的橡胶复合材料极大提高了室温附近的阻尼性能，并且其拉伸强度达到20MPa以上，扯断伸长率达到600％以上，脆性温度在-40℃以下。该复合材料的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，综合减震效果明显。
附图说明
图1为带铅芯的叠层橡胶支座结构示意图。
图2为本发明提供的隔震支座用橡胶材料的加工工艺流程图。
图3为实施例1-4和对比例1-2的tanδ-temp图。
其中实例1为NR/NBR 90/10，实例2为NR/NBR 80/20，实例3为NR/NBR 70/30，实例4为NR/NBR 60/40，对比例1为纯NR，对比例2为纯NBR
图4为实施例7-11的tanδ-temp图
其中实施例7为AO-80(10)，实施例8为AO-80(20)，实施例9为AO-80(40)，实施例10为AO-80(60)，实施例11为AO-80(80)。
图5为实施例12-13和对比例3的tanδ-temp图
其中，加入AO-80的为实施例12，加入AO-60的为实施例13，没有加入受阻酚的为对比例3。
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。
实施例1-4
按照表1制备天然橡胶和丁腈橡胶不同共混比例的NR/NBR/受阻酚1#复合材料。具体制备工艺如下：
表1天然橡胶和丁腈橡胶配方
天然橡胶 100份 丁腈橡胶 100份
氧化锌 3份 氧化锌 5份
硬脂酸 1份 硬脂酸 2份
促进剂D 0.5份 促进剂D 0.5份
促进剂DM 0.5份 促进剂DM 0.5份
防老剂4010NA 2份 促进剂TT 0.4份
硫磺 1.5份 硫磺 2份
防老剂4010NA 2份
受阻酚1# 40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1、促进剂D0.5、促进剂DM0.5、防老剂4010NA2、硫磺1.5，混将炼均匀，出片，得到天然橡胶混炼胶；
丁腈橡胶混炼胶的制备：将100份丁腈橡胶在开炼机上薄通3次，加入40份受阻酚1#，混炼均匀，置于135℃的热辊混炼6min，使受阻酚1#小分子充分熔融并完全分散于丁腈橡胶中，出片，冷却至室温，然后再置于室温开炼机混炼，依次加入氧化锌5、硬脂酸2、促进剂D0.5、促进剂DM0.5、促进剂TMTD0.4、硫磺2、防老剂4010NA 2，混炼均匀，出片，得到丁腈橡胶混炼胶；
NR/NBR/受阻酚1#复合材料的制备：按照天然胶/丁腈胶生胶比为90/10、80/20、70/30、60/40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6min，得到不同比例的NR/NBR共混胶——NR/NBR 90/10、NR/NBR 80/20、NR/NBR 70/30、NR/NBR 60/40(以生胶比例计，下同)(依次记为实施例1、2、3、4)，胶料停放8小时备用；
将由第一步制备得的NR/NBR共混胶在平板硫化机中进行硫化，硫化温度为143℃，压力15MPa，时间为T90+3min。对硫化胶进行力学性能及热性能的测试表征。
对比例1-2
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(记为对比例1)，按照实施例1-4中的“丁腈橡胶混炼胶的制备”步骤中的配方和方法制备丁腈橡胶混炼胶(记为对比例2)，并对该两种混炼胶进行硫化及测试表征。
表2
表3
从表2可以看出，将天然橡胶和含有受阻酚1#的丁腈橡胶共混后制备的新型橡胶复合材料的力学性能优良，拉伸强度均在20MPa以上，与两者共混前的力学性能相差无几，并且其定伸应力均较低，说明该材料具有低模量大变形性能。并且从图3和表3可以看出，相对于纯天然橡胶，在加入丁腈橡胶/受阻酚1#之后，虽然复合材料在-50℃附近的阻尼因子有所下降，但峰值变宽，阻尼温域增大，尤其值得注意的是，该复合材料在0～50℃附近的阻尼特性得到明显提高，比如实施例4的阻尼因子最大值达1.3，如果该复合材料应用于橡胶支座，那么支座的隔震耗能性能将明显提升。
实施例7-11
按照表4制备受阻酚1#不同含量的NR/NBR/受阻酚1#复合材料，具体制备工艺如下：
表4天然橡胶和丁腈橡胶配方
天然橡胶 100份 丁腈橡胶 100份
氧化锌 3份 氧化锌 5份
硬脂酸 1份 硬脂酸 2份
促进剂D 0.4份 促进剂D 0.5份
促进剂DM 0.4份 促进剂DM 0.5份
防老剂4010NA 2.5份 促进剂TT 0.2份
硫磺 1份 硫磺 2份
防老剂4010NA 3份
受阻酚1# 10/20/40/60/80
天然橡胶共混胶的制备：将100质量份天然胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌、硬脂酸、促进剂D、促进剂DM、防老剂4010NA、硫磺，混将炼均匀，出片，得到天然橡胶混炼胶；
丁腈橡胶混炼胶的制备：将100份丁腈橡胶在开炼机上薄通3次，加入40份受阻酚1#，混炼均匀，置于135℃的热辊混炼6min，使受阻酚1#小分子充分熔融并完全分散于丁腈橡胶中，出片，冷却至室温，然后再置于室温开炼机混炼，依次加入氧化锌、硬脂酸、促进剂D、促进剂DM、促进剂TMTD、硫磺、防老剂4010NA，混炼均匀，出片，得到丁腈橡胶混炼胶；改变受阻酚1#分数为10、20、40、60、80，依然按照上述步骤，制备不同受阻酚1#含量的NBR混炼胶；
NR/NBR/受阻酚1#复合材料的制备：按照NR混炼胶与NBR混炼胶按照生胶比为70/30的比例，将由第一小步得到的NR混炼胶和第二小步得到的5种不同受阻酚1#含量的NBR混炼胶在开炼机上室温共混6min，得到5种不同的NR/NBR共混胶——受阻酚1#分别为10、20、40、60、80(依次对应实施例7、8、9、10、11)，胶料停放8小时备用；
将由第一步制备得的NR/NBR共混胶在平板硫化机中进行硫化，硫化温度为143℃，压力15MPa，时间为T90+3min。对硫化胶进行力学性能及热性能的测试表征。
表5
表6
从表5可以看出，改变受阻酚1#的添加量，天然橡胶/丁腈橡胶/受阻酚1#复合材料的力学性能出现了一定变化，随着受阻酚1#添加量的增大，材料的拉伸强度和扯断伸长率先增大后减小，说明受阻酚1#对于丁腈橡胶材料有明显的补强效果，主要是受阻酚1#能够在丁腈橡胶基体中形成稳定的氢键三维网络结构，使得分子键作用力明显增强。而且从图4和表6可以看出，随着受阻酚1#添加量的加入，材料的玻璃化转变温度有了较大的偏移，阻尼因子依次增加。综合考虑力学性能及阻尼性能，在本实验条件下，当受阻酚1#的添加量为40和60份时，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。
实施例12-13
按照表7制备不同受阻酚种类的NR/NBR/受阻酚复合材料，具体制备工艺如下：
表7天然橡胶和丁腈橡胶配方
天然橡胶 100份 丁腈橡胶 100份
氧化锌 3份 氧化锌 5份
硬脂酸 1份 硬脂酸 2份
促进剂D 0.5份 促进剂D 0.5份
促进剂TT 0.2份 促进剂DM 0.5份
防老剂4010NA 2.5份 促进剂TT 0.2份
硫磺 1份 硫磺 2份
防老剂RD 3份
受阻酚1#或受阻酚2# 40
天然橡胶混炼胶的制备：将100质量份天然胶在开炼机上薄通3次，依次加入氧化锌、硬脂酸、促进剂CZ、促进剂TT、防老剂4010NA、硫磺，混将炼均匀，出片，得到天然橡胶混炼胶；
丁腈橡胶混炼胶的制备：将100份丁腈橡胶在开炼机上薄通3次，加入40份受阻酚1#，混炼均匀，置于135℃的热辊混炼6min，使受阻酚1#小分子充分熔融并完全分散于丁腈橡胶中，出片，冷却至室温，然后再置于室温开炼机混炼，依次加入氧化锌、硬脂酸、促进剂D、促进剂DM、促进剂TMTD、硫磺、防老剂RD，混炼均匀，出片，得到丁腈橡胶混炼胶；改变受阻酚1#为受阻酚2#，质量份仍然为40份，依然按照上述步骤，制备含有受阻酚2#的NBR混炼胶；
NR/NBR/受阻酚复合材料的制备：按照NR混炼胶与NBR混炼胶按照生胶比为70/30的比例，将由第一小步得到的NR混炼胶和第二小步得到的2种不同受阻酚的NBR混炼胶在开炼机上室温共混6min，得到2种不同的NR/NBR共混胶——含有40份受阻酚1#的记为实施例12，含有40份受阻酚2#的记为实施例13。胶料停放8小时备用；
将由第一步制备得的NR/NBR共混胶在平板硫化机中进行硫化，硫化温度为143℃，压力15MPa，时间为T90+3min。对硫化胶进行力学性能及热性能的测试表征。
对比例3
除了不添加受阻酚类小分子外，用与实施例12或13相同的配方和工艺制备天然橡胶/丁腈橡胶复合材料，记为对比例3。
表8
表9
从表8、9和图5中可以看出，在未加受阻酚时，NR/NBR复合材料的力学性能及阻尼性能均较差，而加入受阻酚之后，材料的拉伸强度及断裂伸长率均有明显提升，而且在0～50℃温域的阻尼性能大大增加，不仅阻尼因子峰值增高，且温域进一步变宽。相对于受阻酚2#，受阻酚1#的作用效果更为明显。

Claims (3)

1.一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，天然橡胶体系和丁腈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％；丁腈橡胶作为分散相，在复合材料中所占生胶质量比为10％-40％。
2.根据权利要求1所述的一种隔震支座用高性能橡胶复合材料，其特征在于：天然橡胶与丁腈橡胶的质量比为70:30。
3.制备权利要求1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，然后加入配方助剂，使之混炼均匀，得到天然橡胶的混炼胶；同时，将丁腈橡胶在双辊开炼机室温过辊塑炼，然后加入受阻酚填料，使之混炼均匀，之后置于温度为135℃的热辊开炼机上混炼5～10min，出片冷却至室温，然后将该冷却至室温的混炼胶置于双辊开炼机上室温过辊塑炼，加入其他配方助剂，得到丁腈橡胶的混炼胶；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腈橡胶混炼胶，得到NR/NBR/受阻酚混炼胶；然后将该NR/NBR/受阻酚混炼胶在143℃、15MPa下根据其正硫化时间进行硫化。
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