CN105295121B - 一种桥梁减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
一种桥梁减震支座用高性能橡胶复合材料及其制备方法属于橡胶技术领域。本发明提供了两种新型橡胶材料用于减震支座：一种是具有较高的拉伸强度、拉断伸长率和压缩模量的有机粘土橡胶复合材料，适用于支座的叠层橡胶。另一种是新型的橡胶复合材料，具有高阻尼性能，可以大幅度提高支座的阻尼比，有效的拓宽了橡胶支座阻尼温域,同时交联后的芯材具有一定的弹性和耐压。采用上述材料制备的减震支座具有优异的阻尼性能、等效水平刚度低和低地震波下易变形等特点，满足桥梁实际应用的需要，实现了支座中铅芯的替代。
Description
技术领域
本发明属于橡胶技术领域，涉及桥梁减震支座用高性能橡胶复合材料及其制备方法，制备的新型高性能橡胶复合材料可用于桥梁隔震支座中叠层橡胶以及高阻尼铅芯的替代。
背景技术
桥梁是交通运输的重要纽带，地震灾害、强烈震动会严重破坏桥梁，导致交通运输线的中断，造成重大经济损失。因此，在桥梁结构中需要进行有效的减震、隔震防护。桥梁支座通过水平剪切变形耗散震动所产生的能量，保护桥梁上部结构免受地震破坏。
目前，我国桥梁隔震支座，主要采用铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座(1)铅芯橡胶支座，是在普通叠层橡胶支座中，竖直灌入一个或多个铅棒，铅具有优异的耗能能力，从而提高了支座的阻尼性能，。但铅芯橡胶支座等效水平刚度高，常常超过标准范围，，地震发生时，铅芯易发生屈服断裂，而且，地震发生后，不易恢复，永久变形大。此外在正常交通荷载、低周期震动作用下，支座中的铅芯产生疲劳剪切破坏，阻尼性能下降。(2)高阻尼橡胶支座，结构与普通叠层橡胶支座相同，一般采用氯丁橡胶、丁基橡胶、卤化丁基橡胶等具有优异阻尼性能的胶种，在地震变形后易复位。缺点是其弹性、柔性等不能达到理想要求，其阻尼比低于铅芯橡胶支座。铅芯橡胶支座由于其优异的阻尼性能在桥梁结构中应用比较广泛，考虑到叠层胶采用高弹性、高柔性的天然胶，而芯材采用阻尼性能优异的复合材料，对铅芯进行替代，制的的橡胶支座仍具有高弹性、高柔性、高强度的性能，同时具有优异的性能，关于铅芯的替代材料，文献中少有报道。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种新型的橡胶复合材料来代替铅金属，制作芯材。制得的橡胶支座具有优异的阻尼性能、等效水平刚度低和低地震波下易变形等特点，与铅金属及原有材料相比，可以更好的满足支座的需求。需要解决的第二个技术问题就是提供一种具有高强度、高弹性、永久变形低和高压缩模量的有机粘土橡胶复合材料用于叠层橡胶。
为了解决以上技术问题，本发明采用了下述方案：
1、(1)以质量份计，叠层橡胶采用粘土胶，配方如下：
(2)以质量份计，芯材采用氯化丁基橡胶，配方如下：
2、本发明提供的粘土胶1号由海南天然橡胶产业集团股份有限公司生产，粘土胶1号的主要成分(以质量份记)为天然橡胶100份、有机粘土5份。配以本发明配方中的硫化剂、活性剂、防老剂和增塑剂的作用下，能够制得高强度、高模量的橡胶材料。
3、本发明提供一种新型氯化丁基橡胶基复合材料制备支座芯材代替原用铅芯，其特征在于：氯化丁基1066为基体，添加具有提高阻尼性能的有机小分子——C5石油树脂，其软化点为100℃。C5石油树脂与氯化丁基橡胶的质量比为(10～60):100，较好的范围是(30～50):100；所用的C5石油树脂其特征为含有五个碳原子的双烯烃，与橡胶基体相容性良好，是分子量低于3000的有机小分子。
4、本发明提供一种减震支座用高性能橡胶复合材料的制备方法，具体工艺步骤为：
(1)叠层橡胶制备工艺-按配方称取粘土胶1号和称取配方助剂，采用双辊开炼机室温塑炼，使之混炼均匀，混炼均匀下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，共计n层钢板，n+1层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
(2)橡胶芯材复合材料制备工艺-将氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。然后在开炼机上依次加入配方助剂，混炼均匀，下片，停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
(3)将步骤(2)得到的橡胶芯材复合材料和步骤(1)得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
本发明的有益效果
采用氯化丁基胶复合材料制备芯材代替铅芯，有效提高了橡胶支座的阻尼性能，有效的拓宽了橡胶支座阻尼温域,同时交联后的芯材具有一定的弹性和耐压。所制备隔震支座的竖向刚度、等效水平刚度和阻尼比满足实际桥梁应用的需要，综合减震效果良好。选用天然橡胶、有机粘土等通过乳液插层法制得的粘土胶，作为隔震支座用叠层橡胶材料，该材料在室温附近具有高阻尼性能、高拉伸强度扯、高拉断伸长率，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。
附图说明
图1为带铅芯和橡胶复合材料芯材的叠层橡胶支座结构示意图。图中数字标注意义为：
1-上连接钢板；2-上封板；3-连接螺栓；4-中间叠层橡胶；5-钢板；6-剪切键；7-铅芯；8-下封板；9-下连接钢板。
具体实施方式
本发明所用原料来源如下
粘土胶1号，海南天然橡胶产业集团股份有限公司生产；氯化丁基1066橡胶，美国埃克森公司生产；C5石油树脂(牌号：PR-4#，软化点100℃)，濮阳市新天化工有限公司生产；硬脂酸，氧化锌，促进剂，芳烃油，防老剂等橡胶配合剂，盛华橡塑制品有限公司提供。
下面根据本发明高性能橡胶芯支座制备的配方和工艺，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。
实施例1
按照表1制备叠层橡胶(粘土胶1号含有100份天然橡胶、5份有机粘土)复合材料。具体制备工艺如下：
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和2份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、40份炭黑N330、3份Si69、6份芳烃油、1.4份N-环已基-2-苯并噻唑次磺酰胺(简称：促CZ)，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入7.5份纳米氧化锌，1份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促2、2'-二硫代二苯并噻唑(简称：促DM)，1.5份促进剂四甲基秋兰姆二硫化物(简称：促TMTD)，1.5份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表。
实施例2
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和2份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、40份炭黑N330、3份Si69、6份芳烃油、1.4份促CZ，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入20份C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入7.5份纳米氧化锌，1份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促DM，1.5份促TMTD，1.5份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表。
实施例3
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和1份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、50份炭黑N330、3份Si69、6份芳烃油、1.4份促CZ，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入40份C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入7.5份纳米氧化锌，1份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促DM，1.5份促TMTD，1.5份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表。
实施例4
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和1份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、55份炭黑N330、3份Si69、9份芳烃油、2份促CZ，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入60份C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入7.5份纳米氧化锌，1份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促DM，1.5份促TMTD，1.5份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表。
实施例5
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和2份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、40份炭黑N330、3份Si69、6份芳烃油、1.4份促CZ，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入30份C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入7.5份纳米氧化锌，1.5份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促DM，1.5份促TMTD，30份炭黑N330，1.5份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表。
实施例6
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和2份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、40份炭黑N330、3份Si69、6份芳烃油、1.4份促CZ，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入10份C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入7.5份纳米氧化锌，1.5份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促DM，1.5份促TMTD，30份炭黑N330，1.5份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表。
实施例7
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和2份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、40份炭黑N330、3份Si69、6份芳烃油、1.4份促CZ，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入10份C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入5份纳米氧化锌，1份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促DM，1.5份促TMTD，55份炭黑N550，2份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表。
实施例8
叠层橡胶制备工艺-称取105份粘土胶1号在开炼机上塑炼7次(辊距0.5mm)；控制辊温(辊温＜40℃)，并依次加入活化剂5份氧化锌和2份硬脂酸、1份石蜡、2份防老剂4010NA、1.2份硫磺、40份炭黑N330、3份Si69、6份芳烃油、1.4份促CZ，割刀和打三角包至混合均匀；调节辊距下片，停放8h，待用。将混炼胶裁成规格为295×415×7mm的胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，钢板厚度4mm,共计9层钢板，10层胶片层，制得胚料。将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15Mpa下硫化2个小时，制得橡胶支座。
橡胶芯材复合材料制备工艺-将100份氯化丁基橡胶在双辊开炼机室温塑炼，然后加入10份C5石油树脂，使之混炼均匀。之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温。并依次加入5份纳米氧化锌，1份硬脂酸，0.75份氧化镁，3份促DM，1.5份促TMTD，60份炭黑N234，2份硫磺，混炼均匀，下片。停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15Mpa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料。
将步骤二得到的橡胶芯材复合材料和步骤一得到的硫化支座组装，得到高性能橡胶芯材减震支座。
称取7克芯材混炼胶样品在硫化仪上测定焦烧时间T10和正硫化时间T90。将叠层混炼胶在平板硫化机上按160℃×30min进行硫化，硫化压力：15MPa，得到交联的氯化丁基复合材料。对交联的复合材料进行力学性能和动态性能测试，所制得芯材橡胶材料性能见表，由表可知，制备的芯材材料在室温附近具有优异的阻尼性能。
表1.芯材材料物理机械性能
表2.芯材材料阻尼性能
Claims (2)
1.桥梁减震支座用高性能橡胶复合材料，其特征在于包括以下两部分：
(1)以质量份计，叠层橡胶采用粘土胶，配方如下：
(2)以质量份计，芯材采用氯化丁基橡胶，配方如下：
粘土胶1号由海南天然橡胶产业集团股份有限公司生产；
C5石油树脂，其软化点为100℃；
芯材中所述活性剂为纳米氧化锌5份、硬脂酸1份与氧化镁0.75份；
所述促进剂为2、2'-二硫代二苯并噻唑和四甲基秋兰姆二硫化物；2、2'-二硫代二苯并噻唑用量为3份，四甲基秋兰姆二硫化物用量为1.5份；
所述硫化剂为硫磺。
2.如权利要求1所述的桥梁减震支座用高性能橡胶复合材料的制备方法，其特征在于工艺步骤为：
(1)叠层橡胶制备工艺：按配方称取粘土胶1号和称取配方助剂，采用双辊开炼机室温塑炼，使之混炼均匀，混炼均匀下片，停放8h，待用；将混炼胶裁成胶片，然后按照一层钢板一层胶片的顺序依次叠放，共计n层钢板，n+1层胶片层，制得胚料；将胚料放入预热好的模具中，模具温度为145℃，在压力15MPa下硫化2个小时，制得橡胶支座；
(2)橡胶芯材复合材料制备工艺：将氯化丁基橡胶1066在双辊开炼机室温塑炼，然后加入C5石油树脂，使之混炼均匀；之后采用热辊开炼机混炼，混炼温度为105℃，混炼3min，待混炼均匀后出片冷却至室温；然后在开炼机上依次加入配方助剂，混炼均匀，下片，停放8小时，然后放入圆柱形模具中，于温度160℃、压力15MPa下，硫化30min，冷却、开模，得到橡胶芯材复合材料；
(3)将步骤(2)得到的橡胶芯材复合材料和步骤(1)得到的硫化支座组装。
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