CN112480492B - 一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于工程橡胶技术领域，具体的讲涉及一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料。该橡胶材料包括以下组分：橡胶基体80至100重量份，活化剂2至5重量份，内润滑剂2至4重量份，阻尼树脂15至30重量份，阻尼填料20至35重量份，炭黑60至80重量份，增塑剂5至10重量份，促进剂1至2重量份，硫化剂1至2重量份。该橡胶材料用于减隔震支座时，在显著增强橡胶阻尼性能的基础上兼顾竖向承载能力和水平剪切柔性，该减隔震支座橡胶的制备方法采用机械混炼和原位反应法对天然橡胶进行互穿网络改性，提高了阻尼橡胶的综合性能指标，增强了耐久度，延长了使用寿命。

Description

一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料

技术领域

本发明属于工程橡胶技术领域，具体的讲涉及一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料，特别适用于建筑减隔震支座。

背景技术

地震是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象，对人们的生命财产造成了重大影响。

为了尽量避免在地震中的损失，人们逐渐重视了建筑减隔震技术的研究。当前最先进的基础隔震技术是通过建筑用阻尼橡胶支座，将上部建筑结构与下部地基结构隔离。当地震来临时，下部基础的振动能量先传递给隔震橡胶支座，利用隔震橡胶支座刚性和柔性相结合的特点，通过柔性隔震层延长上部建筑物的震动周期，吸收和耗散地震能量，有效的避免或减少地震带来的震动能量向上部的传输，有效地保障上部结构及上部结构附属物的安全。

橡胶隔震支座是最常用的减隔震结构装置之一，目前使用的高阻尼橡胶支座为了具有较低的水平刚度，使支座受到水平剪切时发生变形，以适应建筑物和地基之间的相对位移，其所使用的的橡胶材料硬度都比较低（35-40邵A），但是，橡胶隔震支座还必须同时具有较大的竖向承载能力，其橡胶体的硬度足以稳定的支撑建筑物。为了兼顾水平剪切柔性和竖向承载硬度两个性能要求，现有建筑用高阻尼橡胶支座的形状系数较大，加劲钢板尺寸较大，内部橡胶层厚度较小，这大大制约了橡胶支座的减隔震性能，竖向承载力和水平剪切变形都受到了限制，并且，上述结构的橡胶支座耐久性差，有效工作周期短、不能做到与建筑物同寿命，经济效益不高。

专利号为CN202010681673的发明公开了一种超高阻尼橡胶支座及其制备方法，该专利中橡胶支座包括由内连接钢板、橡胶片与加劲钢板交替叠层硫化而成的橡胶支座本体，其中，橡胶片为由中间胶层和包覆在中间胶层外周的包胶层构成的复合橡胶片，复合橡胶片由高耗能阻尼橡胶和高弹性橡胶两种材料从内向外交错包覆构成。在该专利中具体记载了高耗能阻尼橡胶和高弹性橡胶不同组分配方和制备过程，虽然此种橡胶支座通过对阻尼橡胶进行复合结构改进，提升了阻尼耗能效果，但是支座内橡胶体的竖向承载能力和水平剪切柔性没有显著的改善，并且，橡胶结构层次复杂，制造工艺困难，生产实用性差，既提高了橡胶支座的加工成本，又需要定期维护，耐久度低，使用寿命短，经济效益不佳。

发明内容

本发明的目的就是提供一种在显著增强橡胶阻尼性能的基础上兼顾竖向承载能力和水平剪切柔性的高硬度、低剪切模量、高阻尼橡胶材料。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料，其特征在于，包括以下组分：橡胶基体80至100重量份，活化剂2至5重量份，内润滑剂2至4重量份，阻尼树脂15至30重量份，阻尼填料20至35重量份，炭黑60至80重量份，增塑剂5至10重量份，促进剂1至2重量份，硫化剂1至2重量份。

构成上述一种高硬度低剪切模量高阻尼橡胶材料的附加技术特征还包括：

——所述橡胶基体为恒粘天然橡胶，门尼粘度在50至60之间；所述阻尼树脂为低剪切模量改性环氧树脂；比如丁腈橡胶、聚丙烯酸酯橡胶等橡胶弹性体改性环氧树脂；

——所述阻尼填料为经过偶联剂改性的片层状无机纳米矿物粉体，其改性方式为湿法超声改性；

上述矿物粉体可以具有多种选择，比如海泡石、凹凸棒石等等，偶联剂没有特定要求，选择通用产品即可；

——所述阻尼填料的制备过程包括以下步骤：

A，将无机纳米矿物研磨成粉体；

B，将偶联剂溶解在酒精中；其中，所述偶联剂用量为所述粉体重量的2%至6%，所述酒精用量为偶联剂重量的5至10倍；

C、在所述粉体加入水制成矿浆；其中，所述水用量为粉体重量的5至10倍；

D、将步骤C所述矿浆搅拌均匀后放入超声分散容器内，加入步骤B制得的偶联剂酒精溶液，超声波功率为150至250W，超声时间为10至20分钟，进而得到改性的矿浆；

E、将步骤D获得的改性后矿浆在离心机内进行离心，转速为1200至1500转/分钟，离心时间为15至20分钟；取出下层沉淀物，在烘箱内烘干，烘干温度为95至105℃；

F、将步骤E获得的烘干物研磨成粉体，粉体粒径不大于3微米。

——所述的活化剂为硬脂酸锌，其中锌含量在10.5%~11.5%；

——所述的内润滑剂为低分子量的聚乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯中的一种或多种；

——所述的增塑剂为液体古马隆树脂；

——所述的硫化剂为硫磺和过氧化二异丙苯（DCP）的混合物，二者比例为2:1至4:1之间；

——所述的炭黑为N117、N115或N234中的一种或两种。

本发明还提供了一种减隔震支座内阻尼橡胶的制备方法，用于制备上述橡胶材料，其过程包括：

步骤一，将橡胶基体与阻尼树脂、增塑剂在密炼机内混炼60至90秒，转速30至45转/分钟；

步骤二，依次加入活化剂、炭黑和阻尼填料，混炼至温度135至155℃排胶，在开炼机上薄通降温，待温度降至60至80℃时加入促进剂和硫化剂，混炼均匀后下片，停放6~10小时待用；

步骤三，将所述混炼胶放入模具中进行硫化，硫化压力5至10MPa，硫化温度130至145℃，硫化时间30至60分钟。

本发明所提供的一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料以及制备方法同现有技术相比，具有以下优点：

其一，由于该本发明提供的高硬度低剪切模量高阻尼橡胶材料在用于制备减隔震支座时，制备过程中使用机械共混法，采用低模量改性环氧树脂所独特的化学共混方法，能够形成互穿网络结构，一方面能够提升环氧树脂的实际粘结性能，另一方面还能提升材料的应用刚度。在实际应用中，能够有效的提升环氧树脂的韧性，降低其弹性模量，并提升其拉伸强度，改性环氧树脂后所制得的低模量高强度树脂在韧性和强度等力学性能方面具有较大优势，在橡胶复合板层之间用来提升层合板的承载能力也具有优良的前景，同时改性后的环氧树脂作为胶黏剂使用对比于单一环氧树脂胶黏剂而言也具有很大的性能优势；

其二，低模量改性环氧树脂具有强迫互容、界面互穿、协同作用和利用混炼加工等特点，本发明中采用机械混炼和原位反应法对天然橡胶进行互穿网络改性，通过接枝到橡胶大分子链上，可以提高天然橡胶的极性，使天然橡胶获得更宽的阻尼温度区域和较高的阻尼因子，同时在橡胶剪切变形时，受热变为粘稠状，减弱橡胶分子链间的摩擦，提高橡胶在剪切变形过程中的滞后性，降低橡胶材料的剪切模量；

其三，硬脂酸锌既可以起到活化剂的作用，促进硫化反应的进行，同时可以与内润滑剂一起在橡胶分子链之间起到润滑作用，减小橡胶的剪切模量；

其四，以液体古马隆树脂作为增塑剂，古马隆树脂与橡胶的相容性能好，能提高胶料的机械物理性能和耐老化性能，液体古马隆树脂增粘性更强，能溶解硫磺，有助于硫磺和炭黑的分散，防止焦烧；小分子的古马隆树脂填充在橡胶大分子链之间，在橡胶发生剪切变形时起到润滑作用，降低橡胶分子链之间的相互作用，减弱橡胶分子链之间的刚性，降低橡胶的剪切模量；

其五，本发明中所用的阻尼填料为经过改性的片层状无机纳米矿物粉体，经过改性后可以增强无机纳米矿物与橡胶之间的亲和力，在混炼过程中，利用机械剪切作用力橡胶大分子链通过插层复合技术实现橡胶基体与阻尼填料在纳米尺度上的复合，增强橡胶分子链在剪切运动中的滞后性，提高耗能效率；

其六，硫化剂采用硫磺和DCP的混合物，在硫化前期硫磺起主要的交联作用，在硫化后期DCP能够抑制硫化返原的发生，而且可以提高橡胶材料的支座耐老化性能。

其七，应用本发明提供的高硬度低剪切模量高阻尼橡胶材料制成的减隔震支座具有优异的竖向承载能力，能稳定地支撑建筑物；兼具水平变形性能，适当的柔性使其低水平刚度能适应建筑物与地基之间的相对变形；合理的阻尼特性能够有效地控制隔震结构的地震反应，特别是减小上部结构的水平位；良好的复位功能，利用橡胶材料的高弹性，使支座在受风震及地震时能极快恢复原位；耐久性显著，具有与建筑物同步的使用寿命，经济效益突出。

附图说明

图1为本发明高硬度低剪切模量高阻尼橡胶材料的性能检测试样的结构示意图；

图2为该阻尼橡胶的实验检测结果。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明所提供的一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料以及制备方法作进一步的详细说明。

实施例1

第一步，将85份橡胶基体与15份阻尼树脂、6份增塑剂在密炼机内混炼60秒，转速35转/分钟；

第二步，依次加入2.5份活化剂，3份内润滑剂，混炼30秒，转速30转/分钟；

第三步，加入65份炭黑N115、25份阻尼填料，混炼至140℃排胶；

第四步，在开炼机上薄通，待温度降至60~80℃，加入1.1份促进剂CZ、1.2份硫磺和0.3份DCP，混炼均匀后下片停放6~10小时。

第五步，将混炼胶放入模具中进行硫化，硫化压力6MPa，硫化温度140℃，硫化时间45分钟。

实施例2

第一步，将95份橡胶基体与25份阻尼树脂、8份增塑剂在密炼机内混炼80秒，转速35转/分钟；

第二步，依次加入3.5份活化剂，3.5份内润滑剂，混炼40秒，转速35转/分钟；

第三步，加入60份炭黑N117、30份阻尼填料，混炼至145℃排胶；

第四步，在开炼机上薄通，待温度降至60~80℃，加入1.4份促进剂CZ、1.4份硫磺和0.5份DCP，混炼均匀后下片停放6~10小时。

第五步，将混炼胶放入模具中进行硫化，硫化压力8MPa，硫化温度143℃，硫化时间35分钟。

实施例3

第一步，将100份橡胶基体与28份阻尼树脂、8份增塑剂在密炼机内混炼90秒，转速35转/分钟；

第二步，依次加入5份活化剂，4份内润滑剂，混炼50秒，转速40转/分钟；

第三步，加入80份炭黑N234、35份阻尼填料，混炼至150℃排胶；

第四步，在开炼机上薄通，待温度降至60~80℃，加入2份促进剂CZ、1.5份硫磺和0.5份DCP，混炼均匀后下片停放6~10小时。

第五步，将混炼胶放入模具中进行硫化，硫化压力8MPa，硫化温度130℃，硫化时间55分钟。

实施例4

第一步，将90份橡胶基体与25份阻尼树脂、7份增塑剂在密炼机内混炼90秒，转速35转/分钟；

第二步，依次加入4份活化剂，4.5份内润滑剂，混炼50秒，转速40转/分钟；

第三步，加入70份炭黑N117，30份阻尼填料，混炼至150℃排胶；

第四步，在开炼机上薄通，待温度降至60~80℃，加入1.6份促进剂CZ、1.2份硫磺和0.4份DCP，混炼均匀后下片停放6~10小时。

第五步，将混炼胶放入模具中进行硫化，硫化压力8MPa，硫化温度140℃，硫化时间30分钟。

需要说明的是，在上述实施例中，活化剂为硬脂酸锌，其中锌含量在10.5%至11.5%之间，本发明四个实施例中取值依次为11%、10.5%、11%和11.5%；

增塑剂为液体古马隆树脂；

橡胶基体为恒粘天然橡胶，门尼粘度在50至60之间，本发明四个实施例中取值依次为55、50、53、60；

上述阻尼树脂为低剪切模量改性环氧树脂，具体而言，实施例1和实施例3选择丁腈橡胶弹性体改性环氧树脂、实施例2和实施例4选择聚丙烯酸酯橡胶弹性体改性环氧树脂；

上述内润滑剂为低分子量的聚乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯中的一种或多种，在本发明四个实施例中，实施例1选择使用聚乙烯，实施例2选择聚丙烯，实施例3选择聚四氟乙烯和聚丙烯，实施例4选择聚四氟乙烯和聚乙烯；

上述阻尼填料为经过偶联剂改性的片层状无机纳米矿物粉体，其改性方式为湿法超声改性。矿物粉体可以具有多种选择，比如凹凸棒石、海泡石等纤维状粘土，实施例1和实施例3选择海泡石、实施例2和实施例4选择凹凸棒石；

偶联剂种类包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂，本发明实施例1和实施例3选择硅烷偶联剂、实施例2和实施例4选择钛酸酯偶联剂；

上述阻尼填料的制备过程包括以下步骤：

A，将无机纳米矿物研磨成粉体；

B，将偶联剂溶解在酒精中；其中，所述偶联剂用量为所述粉体重量的2%至6%，所述酒精用量为偶联剂重量的5至10倍；

C、在所述粉体加入水制成矿浆；其中，所述水用量为粉体重量的5至10倍；

D、将步骤C所述矿浆搅拌均匀后放入超声分散容器内，加入步骤B制得的偶联剂酒精溶液，超声波功率为150至250W，超声时间为10至20分钟，进而得到改性的矿浆；

E、将步骤D获得的改性后矿浆在离心机内进行离心，转速为1200至1500转/分钟，离心时间为15至20分钟；取出下层沉淀物，在烘箱内烘干，烘干温度为95至105℃；

F、将步骤E获得的烘干物研磨成粉体，粉体粒径不大于3微米。

橡胶剪切模量和等效阻尼比采用二片剪切型进行测试，试样如图1所示。试验方法按GB/9870.1-2006的规定进行，测试结果如图2所示。

Claims (4)

1.一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料，其特征在于，包括以下组分：橡胶基体80至100重量份，活化剂2至5重量份，内润滑剂2至4重量份，阻尼树脂15至30重量份，阻尼填料20至35重量份，炭黑60至80重量份，增塑剂5至10重量份，促进剂1至2重量份，硫化剂1至2重量份，所述橡胶基体为恒粘天然橡胶，门尼粘度在50至60之间；所述阻尼树脂为丁腈橡胶弹性体改性环氧树脂或聚丙烯酸酯橡胶弹性体改性环氧树脂，所述阻尼填料为经过偶联剂改性的片层状无机纳米矿物粉体，且矿物粉体为海泡石或凹凸棒石，其改性方式为湿法超声改性；其中，

所述的活化剂为硬脂酸锌，其中锌含量在10.5%~11.5%；

所述的内润滑剂为低分子量的聚乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯中的一种或多种；

所述的增塑剂为液体古马隆树脂；

所述的硫化剂为硫磺和过氧化二异丙苯（DCP）的混合物，二者比例为2:1至4:1之间；

所述的偶联剂为硅烷偶联剂或钛酸酯偶联剂。

2.根据权利要求1所述的一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料，其特征在于，所述阻尼填料的制备过程包括以下步骤：

A，将无机纳米矿物研磨成粉体；

B，将偶联剂溶解在酒精中；其中，所述偶联剂用量为所述粉体重量的2%至6%，所述酒精用量为偶联剂重量的5至10倍；

C、在所述粉体加入水制成矿浆；其中，所述水用量为粉体重量的5至10倍；

D、将步骤C所述矿浆搅拌均匀后放入超声分散容器内，加入步骤B制得的偶联剂酒精溶液，超声波功率为150至250W，超声时间为10至20分钟，进而得到改性的矿浆；

E、将步骤D获得的改性后矿浆在离心机内进行离心，转速为1200至1500转/分钟，离心时间为15至20分钟 ；取出下层沉淀物，在烘箱内烘干，烘干温度为95至105℃；

F、将步骤E获得的烘干物研磨成粉体，粉体粒径不大于3微米。

3.根据权利要求1所述的一种高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料，其特征在于，所述的炭黑为N115或N234中的一种或两种。

4.一种减隔震支座内阻尼橡胶的制备方法，其特征在于，阻尼橡胶由权利要求1至3任一项所述的高硬度低剪切模量高阻尼的橡胶材料制成，其过程包括：

步骤一，将橡胶基体与阻尼树脂、增塑剂在密炼机内混炼60至90秒，转速30至45转/分钟；

步骤二，依次加入活化剂、炭黑和阻尼填料，混炼至温度135至155℃排胶，在开炼机上薄通降温，待温度降至60至80℃时加入促进剂和硫化剂，混炼均匀后下片待用；

步骤三，将所述混炼胶放入模具中进行硫化，硫化压力5至10MPa，硫化温度130至145℃，硫化时间30至60分钟。

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