CN112250983A - 一种宽温域高阻尼弹性体材料及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽温域高阻尼弹性体材料，主要由以下原料制备而成：苯乙烯类弹性体、丁基橡胶、聚烯烃弹性体、稀释剂、无机填料、阻燃剂和助剂，其中，所述苯乙烯类弹性体中至少有一种含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体；其中，含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体占苯乙烯弹性体用量的40％～100％。本发明还公开了一种阻尼板的制备方法，称量并配制好物料，投入密炼机密炼中进行密炼，压延成片材，冷却、裁剪，得到宽温域高阻尼板。该弹性体材料或该制备方法制备获得的阻尼板可应用在轨道交通、汽车、航空航天、建筑领域的减振降噪中。本发明的阻尼弹性体材料温域范围宽，在‑40℃～40℃之间均能保持较高的阻尼损耗特性。

Description

一种宽温域高阻尼弹性体材料及制备方法和应用
技术领域
本发明属于高分子阻尼材料，尤其涉及一种宽温域高阻尼弹性体材料及制备方法和应用。
背景技术
阻尼材料是指能够将机械振动能量转变为热能而耗散的材料，主要用于衰减振动和控制噪声传播，因此广泛应用于建筑、汽车、航空航天、轨道交通、石油化工、电力电气等领域。在轨道交通领域，随着人们对舒适性、安全性和环保型的要求越来越高，对阻尼材料的性能要求也日益严苛，要求其阻尼性能好、阻尼温域宽、并且阻燃环保、稳定耐用。
早期的汽车是采用沥青制作的阻尼片，然而沥青阻尼片会持续散发气味，污染车内空气，危害人体健康。近年来，开发出了更多的高分子树脂基阻尼材料，例如丁基橡胶阻尼片或PVC阻尼片。丁基类橡胶是一种较高饱和度、分子排列紧密的线性高分子粘弹性材料，具有防水佳、密封性好、抗氧化、耐候、抗化学老化性。由于其长链大分子结构中大部分侧链为甲基，具有较大的弹性滞后、耗能作用和很好的阻尼作用，因此被广泛应用于减震降噪制品中，通过复配可以制得较宽温域阻尼材料，但是普通的橡胶基阻尼材料的阻尼损耗因子普遍不够高，难以制得高阻尼材料。部分橡胶基阻尼材料中加入特殊阻尼改性剂可以进一步提高阻尼损耗因子，但是也会大幅提高材料的成本。橡胶基阻尼材料可以不经硫化，也可以是硫化的，未经硫化的橡胶基阻尼材料力学强度太低，耐温性不好，而硫化的橡胶基阻尼材料力学强度提升，但是增加了硫化工艺，不适合制备大型阻尼板材/片材，硫化后也会损失部分高阻尼特性。例如申请号为202010240236.8的专利公开了一种车辆减震降噪补强阻尼胶片及其制备方法，通过在丁基橡胶中添加分散剂改性的纳米石墨烯，增加了阻尼片内部的作用力，提高阻尼片内部的作用力，提高了阻尼片的强度，改善阻尼片的断裂问题。该方法以丁基类橡胶为基体，通过平板硫化机加压成型，制备工艺复杂，生产效率不高，而且只能制备小尺寸产品，另外添加改性纳米石墨烯的方法，大大提高的材料成本。
PVC分子链中也含有较大的侧基，阻尼性能较好，但是软质的PVC基阻尼材料需要加入大量的增塑剂，增塑剂对环境和人体存在潜在的巨大危害。另外，PVC燃烧时产生大量氯化氢气体，烟密度很高且烟毒性大，这些因素导致PVC基阻尼材料的环境和燃烧友好性不好。如申请号为202010215730.9的专利公开了一种汽车用阻尼减震材料及其制备方法，该申请采用PVC和丁基橡胶作为树脂基体，并加入硫酸钡、阻燃剂和稳定剂等配制而成，通过添加PVC树脂，大大提高了产品的耐磨、抗老化性等。但是，PVC树脂的加入也损害了材料的环保和阻燃性能，特别是燃烧时的烟密度和烟毒性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种宽温域高阻尼弹性体材料及制备方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种宽温域高阻尼弹性体材料，主要由以下重量份的原料制备而成：
苯乙烯类弹性体10～25份，所述苯乙烯类弹性体中至少有一种含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体；其中，含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体占苯乙烯弹性体用量的40％～100％；
丁基橡胶15～20份，
聚烯烃弹性体1～10份，
稀释剂1～10份，
无机填料20～100份，
阻燃剂20～100份，
助剂2～6份。
上述的弹性体材料，优选的，所述含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体包括含有乙烯支化侧基的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(H-SIS)、含有乙烯支化侧基的氢化苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(H-SEPS)、含有乙烯支化侧基的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(H-SBS)、含有乙烯支化侧基的氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(H-SEBS)中的一种或几种。选择含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体，乙烯支化侧基空间位阻大，在常温附近具有很高的阻尼损耗因子。
丁基橡胶的玻璃化转变温度在-60℃左右，其最佳的阻尼损耗温度区间在-60℃至0℃之间；普通的苯乙烯类弹性体具有两个玻璃化转变温度，而具有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体因为具有很多特殊的乙烯支化分子结构，其最佳的阻尼损耗温度区间在-20℃至40℃之间。本发明将丁基橡胶和苯乙烯类弹性体进行复合，尤其引入含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体，形成良好的微相分离结构，保证本发明的弹性体材料在-40℃至40℃之间均能保持较高的阻尼损耗特性。
丁基橡胶分子链柔顺性好，未硫化的丁基橡胶分子链易发生滑移，阻尼性能好，但是力学强度差没有回弹性，而苯乙烯嵌段共聚物属于热塑性弹性体，其中的苯乙烯相通过结晶形成纳米级的物理交联点，赋予材料良好的力学强度和弹性，通过丁基橡胶与苯乙烯弹性体的复配，保证本发明的材料在整体上保留热塑性弹性体的特性，常温下具有很好的力学性能和弹性。
上述的弹性体材料，优选的，所述聚烯烃弹性体为选自乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丙烯基弹性体(EPM)、乙烯基聚烯烃弹性体(POE)中的一种或几种。聚烯烃弹性体作为第三种树脂，可以作为苯乙烯类弹性体和丁基橡胶的均化剂，改善组合物的加工性能和填充能力，并提高组合物的力学性能、柔韧性和抗撕裂性能等。
上述的弹性体材料，优选的，所述丁基橡胶为普通丁基橡胶、氯化丁基橡胶、溴化丁基橡胶和带有对甲基苯乙烯侧基的丁基橡胶中的一种或者几种。丁基橡胶以异丁烯和异戊二烯进行共聚，分子链当中含有非常多的侧甲基，而且分子链柔顺性好，分子链运动时内摩擦大，具有很高的阻尼损耗因子。丁基橡胶具有优异的耐热稳定性、耐化学稳定性与耐候性，并且和苯乙烯类弹性体的相容性好，丁基橡胶可以充当苯乙烯类弹性体的增塑剂，无需小分子增塑剂的添加，使用过程中没有小分子增塑剂的挥发，保证长期使用的阻尼性能不变。
上述的弹性体材料，优选的，所述稀释剂为分子量为1000～20000的聚异丁烯(PIB)。PIB是异丁烯共聚而成，分子结构中含有很多侧甲基，与丁基橡胶的相容性好。PIB能够调节高分子组合物的硬度，既能够减小分子链段之间的内聚力，使大分子链段之间更容易发生滑移，也可以增加大分子链段滑移时的摩擦损耗，有效提高阻尼损耗因子。
丁基橡胶、聚烯烃弹性体都是柔软弹性好的高分子，可以充当苯乙烯类弹性体的增塑剂的作用，加工过程中可以大大减少甚至不需要添加任何小分子增塑剂。另外，本发明仅使用中低分子聚异丁烯(PIB)作为组合物的稀释剂，用来调节组合物的硬度，还可以有效提高组合物的阻尼性能。
上述的弹性体材料，优选的，所述无机填料为石墨、云母、碳酸钙、硫酸钡中的一种或几种。石墨和云母是片状结构，在材料受到外力而产生振动时，片状结构有利于在高分子链段和片层之间以及片层与片层之间产生更多微小滑移，从而消耗更多振动能量，提高阻尼效果；而碳酸钙和硫酸钡有利于密实材料，提高组合物密度，提高隔音性能。
上述的弹性体材料，优选的，所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、膨胀型阻燃剂、硼酸锌、次磷酸铝、有机次磷酸铝中的一种或几种。采用无卤阻燃剂能够实现低气味、低烟低毒和高阻燃特性。
本发明采用苯乙烯类弹性体、丁基橡胶和聚烯烃弹性体组成的组合物，加工流动性好，填充能力强，可以填充较多的阻燃剂，有效提升材料的阻燃性能，并且由于添加的阻燃剂几乎不含卤素，燃烧时发烟量低，烟毒性小。
上述的弹性体材料，优选的，所述助剂包括调色剂0.2～3份、偶联剂0.5～2份、抗氧剂0.5～1份。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种阻尼板的制备方法，所述述阻尼板由上述的弹性体材料制备而成，所述制备方法，包括以下步骤：
(1)称量并配制好物料，投入密炼机中进行密炼，
(2)将步骤(1)密炼后的混合物经过压延机压延成片材，经冷却、裁剪得到宽温域高阻尼板。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，密炼温度控制在160℃～190℃，密炼时间20～30min；步骤(2)中，压延温度为150℃～200℃。
上述的制备方法，优选的，在宽温域高阻尼板的一面粘接一层金属片材或板材作为约束层，经裁剪后，得到复合型约束阻尼板。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的弹性体材料或由上述的制备方法制备获得的阻尼板在轨道交通、汽车、航空航天、建筑领域的减振降噪中的应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的阻尼弹性体材料温域范围宽，在-40℃～40℃之间均能保持较高的阻尼损耗特性。
(2)本发明的阻尼弹性体材料具有很好的环保和阻燃性能。
(3)本发明的阻尼弹性体材料兼有橡胶的柔韧性和塑料的热可塑性，可以通过压延制备工艺进行生产制备出大尺寸、大厚度产品，工艺简单效率高，无需硫化就能得到具有较好力学强度、柔韧性和抗撕裂性能优异、耐热耐磨的阻尼材料，该阻尼材料可以随意弯曲变形，适合用于大平面、大厚度和任意需要变形的不规则曲面使用。
(4)本发明的阻尼弹性材料非硫化制备，便于边角、废料的回收。
(5)本发明的阻尼弹性材料阻尼性能好、阻尼温域宽、阻燃环保、稳定耐用，可应用于轨道交通、汽车、航空航天、建筑领域的减振降噪中。
综上，本发明的阻尼弹性体材料的阻尼性能主要由具有乙烯支化侧基结构的苯乙烯类弹性体和丁基橡胶提供，通过苯乙烯类弹性体和丁基橡胶的搭配，实现材料宽温域高阻尼的特性，而且苯乙烯类弹性体还能改善阻尼材料的力学强度、抗撕裂强度和耐热耐磨性能等，配合其他树脂、填料和阻燃剂等应用，实现该材料及其制品具有很好的力学性能、环保性能和阻燃性能，而且制品无需硫化，制备简单，可以制备大尺寸、大厚度产品，利于回收。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种宽温域高阻尼弹性体材料，主要由以下重量份的原料制备而成：
含有乙烯支化侧基的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(H-SIS)18份，
普通丁基橡胶15份，
乙烯-醋酸乙烯共聚物3份，
低分子(分子量2400)聚异丁烯3份，
片状云母(600目)20份，
硫酸钡(800目)10份，
氢氧化铝45份，
有机次磷酸铝15份，
炭黑0.5份，
抗氧剂(1010)1份，
硅烷偶联剂1份。
本实施例的宽温域高阻尼弹性体材料(阻尼板)的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量并配制好所有物料，投入密炼机密炼，要求树脂熔融塑化，所有物料混合均匀，密炼温度控制在160℃，密炼25min；
(2)将步骤(1)密炼好的混合物经过四辊压延和拉伸成为厚度2mm的自由型阻尼片材，压延温度为160℃；
(3)冷却后，在步骤(2)制备的阻尼片材一面粘贴0.6mm厚度铝板作为约束层，并通过辊压除泡和粘结牢固，经裁剪后成为复合阻尼板。
实施例2：
一种宽温域高阻尼弹性体材料，主要由以下重量份的原料制备而成：
含有乙烯支化侧基的氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(H-SEBS)9份，
氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物6份
普通丁基橡胶18份，
丙烯基弹性体5份，
低分子(分子量2400)聚异丁烯3份，
硫酸钡(800目)10份，
氢氧化铝(8000目)70份，
炭黑0.5份，
抗氧剂(1010)1份，
硅烷偶联剂1份。
本实施例的宽温域高阻尼弹性体材料(阻尼板)的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量并配制好所有物料，投入密炼机密炼，要求树脂熔融塑化，所有物料混合均匀，密炼温度控制在180℃，密炼25min；
(2)将步骤(1)密炼好的混合物经过四辊压延成为厚度2mm的片材，压延温度为180℃，冷却后，经裁剪后成为自由型阻尼板。
实施例3：
一种宽温域高阻尼弹性体材料，主要由以下重量份的原料制备而成：
含有乙烯支化侧基的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(H-SIS)9份，
氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物6份，
氯化丁基橡胶15份，
丙烯基弹性体4份，
低分子(分子量6800)聚异丁烯3份，
硫酸钡(800目)35份，
氢氧化铝(2000目)50份，
有机次磷酸铝15份，
炭黑0.5份，
抗氧剂(1010)1份，
硅烷偶联剂1份。
本实施例的宽温域高阻尼弹性体材料(阻尼板)的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量并配制好所有物料，投入密炼机密炼，要求树脂熔融塑化，所有物料混合均匀，密炼温度控制在170℃，密炼25min；
(2)将步骤(1)密炼好的混合物经过四辊压延成为厚度3mm的片材，压延温度为170℃，得到自由型阻尼片材；
(3)冷却后，在阻尼片材一面粘贴0.8mm厚度铝板作为约束层，并通过辊压除泡和粘结牢固，经裁剪后成为复合阻尼板。
实施例4：
一种宽温域高阻尼弹性体材料，主要由以下重量份的原料制备而成：
含有乙烯支化侧基的氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(H-SEBS)6份，
氢化苯乙烯-丁二烯苯乙烯嵌段共聚物6份，
氯化丁基橡胶20份，
三元乙丙橡胶4份，
低分子(分子量6800)聚异丁烯3份，
硫酸钡(800目)35份，
三聚氰胺磷酸盐类膨胀型阻燃剂35份，
炭黑0.5份，
抗氧剂(1010)1份，
硅烷偶联剂1份。
本实施例的宽温域高阻尼弹性体材料(阻尼板)的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量并配制好所有物料，投入密炼机密炼，要求树脂熔融塑化，所有物料混合均匀，密炼温度控制在170℃。
(2)将步骤(1)密炼好的混合物经过四辊压延成为厚度5mm的片材，压延温度为170℃；冷却后，经裁剪后成为自由型阻尼板。
对比例1：
本对比例的阻尼材料，由以下物料制备而成：
含有乙烯支化侧基的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(H-SIS)18份，
氢化苯乙烯-丁二烯苯乙烯嵌段共聚物15份，
乙烯-醋酸乙烯共聚物3份，
低分子(分子量2400)聚异丁烯3份，
片状云母(600目)20份，
硫酸钡(800目)10份，
氢氧化铝(8000目)45份，
有机次磷酸铝15份
炭黑0.5份，
抗氧剂(1010)1份，
硅烷偶联剂1份。
本对比例的弹性体材料(阻尼板)的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量并配制好所有物料，投入密炼机密炼，要求树脂熔融塑化，所有物料混合均匀，密炼温度控制在160℃，密炼25min；
(2)将步骤(1)密炼好的混合物经过四辊压延和拉伸成为厚度2mm的片材，压延温度为160℃，得到自由型阻尼片材；
(3)冷却后，在阻尼片材一面涂刷压敏胶并粘贴0.6mm厚度铝板作为约束层，并通过辊压除泡和粘结牢固，经裁剪后成为复合阻尼板。
对比例2
本对比例的阻尼材料由以下物料制备而成：
普通丁基橡胶27份，
氢化苯乙烯-丁二烯苯乙烯嵌段共聚物6份，
丙烯基弹性体5份，
低分子聚异丁烯(分子量2400)3份，
硫酸钡(800目)10份，
氢氧化铝(8000目)70份，
炭黑0.5份，
抗氧剂(1010)1份，
硅烷偶联剂1份。
本对比例的弹性体材料(阻尼板)的制备方法，包括以下步骤：
(1)称量并配制好所有物料投入密炼机密炼，要求树脂熔融塑化，所有物料混合均匀，密炼温度控制在160℃，密炼25min；
(2)将步骤(1)密炼好的混合物经过四辊压延成为厚度2mm的片材，压延温度为160℃；冷却后，经裁剪成为自由型阻尼板。
对比例3：
市售3mmPVC基阻尼片。
实施例1-4和对比例1-3的阻尼板中阻尼材料层(不含约束层)的性能测试结果见表1所示。
表1实施例和对比例的阻尼材料层性能测试结果
Figure BDA0002731170890000081
Figure BDA0002731170890000091
从以上实施例和对比例的实验结果可以看出：本发明实施例的阻尼材料，从-40℃到40℃的损耗因子基本在0.3以上，具有宽温域高阻尼特性，阻燃性能好，燃烧时的烟密度和烟毒性低，材料的基本性能，如密度、硬度、力学强度等可调范围广的优势。对比例1中没有添加丁基橡胶，阻尼材料的低温(-40℃和-10℃)损耗因子降低，对比例2中没有添加具有乙烯枝化侧基结构的苯乙烯弹性体，阻尼材料在中高温(20℃和40℃)的损耗因子明显降低，对比例3为市售的PVC基阻尼材料，其阻尼损耗因子在低温和高温均不高，而且燃烧时的烟密度和烟毒性非常大。
由此可见，本发明的阻尼弹性材料阻尼性能好、阻尼温域宽、阻燃环保、稳定耐用，可应用于轨道交通、汽车、航空航天、建筑领域的减振降噪中。

Claims (10)

1.一种宽温域高阻尼弹性体材料，其特征在于，主要由以下重量份的原料制备而成：
苯乙烯类弹性体10～25份，所述苯乙烯类弹性体中至少有一种含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体；其中，含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体占苯乙烯弹性体用量的40％～100％；
丁基橡胶15～20份，
聚烯烃弹性体1～10份，
稀释剂1～10份，
无机填料20～100份，
阻燃剂20～100份，
助剂2～6份。
2.如权利要求1所述的弹性体材料，其特征在于，所述含有乙烯支化侧基的苯乙烯类弹性体包括含有乙烯支化侧基的苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、含有乙烯支化侧基的氢化苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物、含有乙烯支化侧基的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物和含有乙烯支化侧基的氢化苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的弹性体材料，其特征在于，所述聚烯烃弹性体选自乙烯-醋酸乙烯共聚物、三元乙丙橡胶、丙烯基弹性体、乙烯基聚烯烃弹性体中的一种或几种。
4.如权利要求1～3任一项所述的弹性体材料，其特征在于，所述丁基橡胶为普通丁基橡胶、氯化丁基橡胶、溴化丁基橡胶和带有对甲基苯乙烯侧基的丁基橡胶中的一种或者几种。
5.如权利要求1～3任一项所述的弹性体材料，其特征在于，所述稀释剂为分子量为1000～20000的聚异丁烯；
所述无机填料为石墨、云母、碳酸钙、硫酸钡中的一种或几种；
所述阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、膨胀型阻燃剂、硼酸锌、次磷酸铝、有机次磷酸铝中的一种或几种。
6.如权利要求1～3任一项所述的弹性体材料，其特征在于，所述助剂包括调色剂0.2～3份、偶联剂0.5～2份、抗氧剂0.5～1份。
7.一种阻尼板的制备方法，其特征在于，所述阻尼板由权利要求1～6任一项所述的弹性体材料制备而成，所述制备方法包括以下步骤：
(1)称量并配制好物料，投入密炼机中进行密炼；
(2)将步骤(1)密炼后的混合物经压延机压延成片材，经冷却、裁剪，得到宽温域高阻尼板。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，密炼温度控制在160℃～190℃，密炼时间为20～30min；
步骤(2)中，压延温度为150℃～200℃。
9.如权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，在宽温域高阻尼板的一面粘接一层金属片材或板材作为约束层，经裁剪后，得到复合型约束阻尼板。
10.一种如权利要求1～6任一项所述的弹性体材料或由权利要求7～8任一项所述的制备方法制备获得的阻尼板在轨道交通、汽车、航空航天、建筑领域的减振降噪中的应用。
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