CN114290772B - 一种高强度约束阻尼材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料技术领域，具体而言，涉及一种高强度约束阻尼材料及其制备方法，包括阻尼层、约束层和间隔层，所述阻尼层、所述间隔层和所述约束层依次叠放粘接；所述间隔层由短切纤维相互粘接而成；所述约束层包括聚氨酯泡沫板和环氧树脂，所述环氧树脂覆于所述聚氨酯泡沫板的外表面；其中，所述聚氨酯泡沫板的厚度为0.1mm‑0.5mm，平均孔径为50‑100um。在本发明中，以多孔的聚氨酯泡沫作为约束层主体，聚氨酯泡沫和多孔环氧树脂层共同作用，为阻尼层提供约束作用，设置在阻尼层和约束层之间的间隔层，一方面可以起到一定的约束作用，使得阻尼层发生剪切变形，另一方面起到传递力的作用，将约束层的力传递到阻尼层上，提高整体的阻尼性能。

Description

一种高强度约束阻尼材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及技术领域，具体而言，涉及一种高强度约束阻尼材料及其制备方法。

背景技术

粘弹性阻尼材料在减振降噪工程中发挥中巨大的作用，是振动治理的主要技术手段之一。通过在振动结构上粘贴粘弹性阻尼材料，可以提高振动系统的阻尼使振动衰减或减弱，尤其在航天、航空、舰船、交通等领域更是普遍使用。

丁腈橡胶耐磨性、耐热性好，其分子链上带有强极性的氰基，可耐非极性油溶剂，广泛应用于耐油阻尼减振制品。但是丁腈橡胶的有效温域较窄，需对其进行改性以调整工作温度的阻尼性能，拓宽丁腈橡胶的有效阻尼温域范围。通常是加入高玻璃化温度的小分子进行共混提高材料的高温阻尼性能，或者通过进行交替多层设计来扩宽使用温域。但是通过交替多层设计后虽然材料的整体使用温度范围会变宽，但在极寒或极高温条件下，其阻尼性能变差。

专利CN111690190A公开了一种功能化碳纳米管制备羧基丁腈橡胶阻尼材料的方法，其以碳纳米管改性丁腈橡胶，提高丁腈橡胶的弹性模量，使得丁腈橡胶的阻尼峰向高温偏移。

专利CN101704282A公开了一种制备硫黄改性梯度结构橡胶阻尼材料的方法，其将丁腈橡胶硫化改性，制备成不同厚度的阻尼层，不同的阻尼层叠压后得到多层阻尼材料，但在该专利中，多层阻尼材料的结构简单，其力学性能较差，在高温或较低温时的阻尼性能差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度约束阻尼材料及其制备方法，其具有多层阻尼层和多层约束层，以及设置阻尼层和约束层之间的间隔层，通过设置间隔层，提高阻尼层和约束层之间的连接强度，以及扩宽阻尼材料的阻尼温域，提高阻尼性能。

本发明的通过以下技术方案实现：

一种高强度约束阻尼材料，其特征在于：包括阻尼层、约束层和间隔层，所述阻尼层、所述间隔层和所述约束层依次叠放粘接；所述间隔层由短切纤维相互粘接而成；具体的，在本发明中，间隔层包括短切纤维和粘接剂，粘接剂为丙烯酸类粘接剂或环氧树脂类粘接剂；

所述约束层包括聚氨酯泡沫板和环氧树脂，所述环氧树脂覆于所述聚氨酯泡沫板的外表面；其中，所述聚氨酯泡沫板的厚度为0.1mm-0.5mm，平均孔径为50-100um。

在本发明中，以多孔的聚氨酯泡沫作为约束层主体，聚氨酯泡沫和多孔环氧树脂层共同作用，为阻尼层提供约束作用，设置在阻尼层和约束层之间的间隔层，一方面可以起到一定的约束作用，使得阻尼层发生剪切变形，另一方面起到传递力的作用，将约束层的力传递到阻尼层上，提高整体的阻尼性能。

在本发明中，以短切纤维作为增强材料，形成间隔层，提高约束层和阻尼层的连接强度，进而提升阻尼材料整体的强度。

本发明的约束阻尼材料具有优异的力学性能和宽温域，其拉伸强度>15MPa,tanδ＞0.3的有效阻尼温域为-30～75℃，-10～90℃的复合阻尼因子在0.1～0.2之间，其高阻尼因子的温域宽，满足多种温度环境下的使用条件。

进一步的，所述间隔层的材质为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、植物纤维中的一种或多种。在本发明中，以纤维作为间隔层，纤维可以是短切纤维，纤维长度为1cm-5cm，也可以是纤维丝，纤维丝的长度为10cm-30cm。较优选的，间隔层的材质选用短切玻璃纤维或短切玄武岩纤维，短切纤维更容易与阻尼层、约束层结合，提高阻尼层和约束层的结合强度。

进一步的，所述间隔层的厚度为0.1-0.2mm，所述阻尼层的厚度为0.2mm-0.5mm，所述约束层的厚度为0.2mm-0.6mm。

进一步的，所述阻尼材料的厚度与被覆基体的厚度比为2:1-3:1，较优选的，该厚度比为2:1，当阻尼材料的厚度为基体厚度的2倍时，阻尼材料的减振、降噪阻尼效果最优。

进一步的，所述阻尼层的材质为丁腈橡胶或硫化丁腈橡胶或石油树脂改性的丁晴橡胶。较优选的，采用石油树脂改性丁腈橡胶，并对改性后的橡胶进行硫化，改性后的橡胶，其在高温也具有较高的阻尼因子，通过石油树脂改性，提高丁腈橡胶的使用温度，使得其在高温下也能起到很好的阻尼效果。

进一步的，所述阻尼层、所述约束层和所述间隔层均为多层，多层所述阻尼层、多层所述间隔层、多层所述约束层交替叠放。

具体的约束阻尼材料的叠放方式可以是：(1)阻尼层-间隔层-约束层-阻尼层-间隔层-约束层……，(2)阻尼层-间隔层-约束层-间隔层-阻尼层-间隔层-约束层……，(3)阻尼层-约束层-间隔层-约束层-阻尼层……，(4)阻尼层-约束层-间隔层-阻尼层-约束层-间隔层……，以及其他未列举出的叠放方式。

进一步的，相邻所述阻尼层的玻璃化转变温度的差值大于等于5℃。

进一步的，所述约束层的弹性模量为1500MPa-2500MPa，其中相邻两所述约束层的弹性模量差大于等于200MPa。

当阻尼层和约束层同时按由小到大的梯度排列时，得到的阻尼材料的阻尼性能最优；阻尼层玻璃化转变温度越高，其强度越高，将弹性模量较大的约束层与强度更高的阻尼层贴合在一起，可以起到更好的束缚作用。而将阻尼层低到高排列(以远离基体的方向)，当被覆盖有多层阻尼材料的基体受到振动时，靠近基体一侧最先受力，受力更明显，将玻璃化转变温度低的阻尼层靠近基体，随着力的不断传播，高阻尼温度的阻尼层继续受力变形，可以产生更多的变形能。

约束阻尼结构的阻尼性能主要是由阻尼层的剪切变形引起，阻尼层梯度排列的好处主要是可以使不同的阻尼层在不同的温度下都可以发生剪切变形，从而使阻尼温度扩宽。以聚氨酯泡沫和环氧树脂共同作为约束层除了可以限制阻尼层的运动外，聚氨酯还可以提供一定的阻尼作用。

不同弹性模量的约束层与不同玻璃化转变温度的阻尼层配合，可以最大的发挥每层约束层的阻尼贡献。

进一步的，所述多孔聚氨酯的厚度为其厚度为0.1mm-0.5mm，平均孔径为50-100um。

进一步的，所述环氧树脂为E20,E44,E51中的一种或多种。

本发明的另一个目的在于，提供一种高强度约束阻尼材料的制备方法，包括以下步骤，

S1将丁腈橡胶在双辊开炼机上塑炼，加入炭黑，石油树脂共混均匀后，再加入硫磺、氧化锌、硬脂酸、促进剂，在双辊开炼机上混炼，得到共混胶；

S2将步骤S1得到的共混胶，在平板硫化机上进行模压硫化，硫化条件为165℃×T90，20MPa，得到硫化后的丁腈橡胶，其中T90为正硫化时间，由硫化曲线测试获得；

S3将步骤S2硫化后的丁腈橡胶，置于热压成型机上热压，然后冷压至室温成型，得到阻尼片材；

S4在阻尼片材上涂覆丙烯酸类粘接剂，并将间隔层的纤维铺设在阻尼片材上；

S5将固化剂加入到环氧树脂中，随后将多孔聚氨酯层在环氧树脂浸泡1-5min后取出，得到约束层；

S6在环氧树脂固化前，将步骤S5制备的约束层叠放在其中一块步骤S4制备的阻尼片材上；并且约束层上铺设一层间隔层的纤维，再将另一块步骤S4制备的阻尼片材叠放在该约束层上，待环氧树脂固化；重复上述步骤，得到多层约束阻尼材料。

本发明至少具有如下优点和有益效果：

在本发明中，该阻尼材料包括多层约束层和多层阻尼层，阻尼层按玻璃化转变温度由小到大排列，约束层按弹性模量由小到大排列，小模量的约束层与低玻璃化转变温度的阻尼层相配合，最大程度的发挥阻尼层的阻尼作用和约束层的约束作用，协同提高多层阻尼材料的阻尼性。

在本发明中，还在阻尼层和约束层之间设置有间隔层，由短切纤维铺设而成的间隔层，随机分布在阻尼层和约束层之间，提高阻尼层和约束层的连接强度，从整体上提高约束阻尼材料的强度，其拉伸强度＞15MPa。

具体实施方式

实施例1-10：

按以下步骤，制备实施例1-10的约束阻尼材料，

S1将100phr的丁腈橡胶在双辊开炼机上塑炼10min，加入50phr的炭黑，分别加入50,100,150,200phr的石油树脂共混均匀后，再加入硫磺、氧化锌、硬脂酸、促进剂，在双辊开炼机上混炼10min，得到共混胶；

S2将共混胶在平板硫化机上进行模压硫化，硫化条件为165℃×T90，20MPa，得到硫化后的丁腈橡胶，其中T90为正硫化时间，由硫化曲线测试获得；

S3将硫化后的丁腈橡胶，置于热压成型机上热压，然后冷压至室温成型，得到阻尼层，分别为NBR1，NBR2，NBR3，NBR4，其中玻璃化转变温度大小为NBR1<NBR2<NBR3<NBR4；

S4在阻尼片材上涂覆丙烯酸类粘接剂，并将间隔层的纤维铺设在阻尼片材上；

S5将固化剂和5％，10％，15％，20％的短切玄武岩纤维加入到环氧树脂中，随后将多孔聚氨酯层在环氧树脂浸泡1-5min后取出，得到不同弹性模量的约束层，分别为EP1<EP2<EP3<EP4；

S6在环氧树脂固化前，将步骤S5制备的约束层叠放在其中一块步骤S4制备的阻尼片材上；并且约束层上铺设一层间隔层的纤维，再将另一块步骤S4制备的阻尼片材叠放在该约束层上，待环氧树脂固化；重复上述步骤，得到实施例1-10的多层约束阻尼材料。

在实施例1-10中，多层阻尼材料的排列方式相同，按照阻尼层(NBR1)-间隔层(A1)-约束层(EP1)-间隔层(A2)-阻尼层(NBR2)-间隔层(A3)-约束层(EP2)-间隔层(A3)-阻尼层(NBR3)-间隔层(A4)-约束层(EP3)的方式排列，按远离被覆基体的方向，阻尼层的玻璃化转变温度依次升高，约束层的弹性模量依次变大；不同之处在于间隔层材质、厚度不同，以及约束层的厚度不同。其中实施例1-10的多层约束阻尼材料的具体排列方式如表1所示。

对比例1-3：

分别选取实施例1、3、4、6、7相同的阻尼层和约束层对应的制备对比例1-5的约束阻尼材料，按照相同的排列方式叠放阻尼层和约束层，不同之处在于，在对比1-3中，均不铺设间隔层，具体的，对比例1-3的排列方式为阻尼层(NBR1)-约束层(EP1)-阻尼层(NBR2)-约束层(EP2)-阻尼层(NBR3)-约束层(EP3)。在对比例4-5中，其约束层的不含聚氨酯泡沫，其阻尼层和约束层的厚度如表1所示。

表1实施例1-10和对比例1-3的约束阻尼材料的各层厚度

实验例：

将上述制备的实施例1-10和对比例1-5的约束阻尼材料，以2mm厚的钢板为基材，将约束阻尼材料铺设在基材上，通过对悬臂梁进行DMA(动态热机械分析)测试，得到各阻尼结构的在不同温度下的复合阻尼因子，其结果如表2所示。

表2实施例1-10和对比例1-5的阻尼因子

上述表2中，该阻尼因子指的是通过三次测量后的平均值。在实施例1-6中，其采用的阻尼层厚度、约束层厚度、聚氨酯泡沫厚度均在对比例1-3中能找到相同的与之对应。但在实施例1-6中，对阻尼结构进行间隔层铺设。具体的，实施例1、2进行间隔层铺设设计后的阻尼因子明显优于对比例1中未进行间隔层铺设设计的阻尼因子。同理，实施例3、4中进行间隔层铺设设计后的阻尼因子明显优于对比例2中未进行进行间隔层铺设设计的阻尼因子。实施例5、6进行间隔层铺设设计后的阻尼因子明显优于对比例3中未进行间隔层铺设设计的阻尼因子。通过对阻尼结构进行间隔层铺设将可明显得提高多层阻尼材料的阻尼性能。

在实施例1-4中，实施例1、2其采用的阻尼层厚度、约束层厚度聚氨酯泡沫厚度、间隔层厚度相同，不同之处在于间隔层纤维种类不同，实施例3、4同理。具体的，实施例1用玄武岩纤维作为间隔层材质铺设设计后的阻尼因子明显优于实施2中用玻璃纤维进行间隔层铺设设计的阻尼因子。同理，实施例3用玄武岩纤维作为间隔层材质铺设设计后的阻尼因子明显优于实施例4中用玻璃纤维进行间隔层铺设设计的阻尼因子。通过对提高阻尼结构中间隔层纤维模量可明显得提高多层阻尼材料的阻尼性能。

在实施例5-6中，实施例5、6其采用的阻尼层厚度、约束层厚度聚氨酯泡沫厚度、间隔层纤维材质相同，不同之处在于间隔层纤维厚度不同。具体的，实施例5用0.2mm碳纤维作为间隔层材质铺设设计后的阻尼因子明显优于实施6中用0.1mm碳纤维玻璃纤维进行间隔层铺设设计的阻尼因子。在一定厚度范围内，通过提高阻尼结构中间隔层纤维铺设厚度可明显得提高多层阻尼材料的阻尼性能。

在对比例3-4中，对比例3、4其采用的阻尼层厚度、约束层厚度相同，不同之处在于对比例3中铺设有聚氨酯泡沫。具体的，对比例3中铺设有聚氨酯泡沫阻尼因子明显优于对比例4中未进行聚氨酯泡沫铺设的阻尼因子，通过在阻尼结构中铺设聚氨酯泡沫可明显得提高多层阻尼材料的阻尼性能。

将实施例1-10和对比例1-5的约束阻尼材料，测试约束材料的抗拉强度，其结果如表3所示。

表3实施例1-10和对比例1-5的约束阻尼材料的抗拉伸强度

材料	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						抗拉强度	52MPa	54MPa	51MPa	52MPa	56MPa
材料	实施例6	实施例7	实施例8	实施例9	实施例10
						抗拉强度	48MPa	52MPa	48MPa	46MPa	58MPa
材料	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5
						抗拉强度	50MPa	47MPa	54MPa	56MPa	49MPa

在对比例1与实施例1、2中，其采用的阻尼层厚度、约束层厚度相同，不同之处在于有与无间隔层与间隔层纤维种类的不同。具体的，实施例2中具有0.1mm玄武岩纤维间隔层的抗拉强度优于实施例1中0.1mm玻璃纤维间隔层的抗拉强度。实施例1中0.1mm玻璃纤维间隔层的抗拉强度优于对比例1未设置间隔层的抗拉强度。对比例2与实施例3、4同理。提高间隔层中的纤维模量可提高多层阻尼材料的抗拉强度。

在对比例3与实施例5、6中，其采用的阻尼层厚度、约束层厚度相同，不同之处在于有与无间隔层与间隔层碳纤维厚度的不同。具体的，实施例5中具有0.1mm碳纤维间隔层的抗拉强度优于对比例3中未设置间隔层的抗拉强度。对比例3中未设置间隔层的抗拉强度优于实施例6具有0.2mm碳纤维间隔层的抗拉强度。碳纤维间隔层厚度过大时，碳纤维不能被树脂充分浸润，进而形成许多弱粘结界面，在材料受力时，碳纤维从该弱界面处发生破坏。通过在间隔层添加一定厚度的碳纤维可提高多层阻尼材料的抗拉强度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高强度约束阻尼材料，其特征在于：包括阻尼层、约束层和间隔层，所述阻尼层、所述间隔层和所述约束层依次叠放粘接；所述间隔层由短切纤维相互粘接而成；

所述约束层包括聚氨酯泡沫板和环氧树脂，所述环氧树脂覆于所述聚氨酯泡沫板的外表面；

其中，所述聚氨酯泡沫板的厚度为0.1mm-0.5mm，平均孔径为50-100um；

所述短切纤维的平均长度为1-3cm；所述间隔层的厚度为0.1-0.2mm；

所述阻尼层的材质为丁腈橡胶或硫化丁腈橡胶或石油树脂改性的丁晴橡胶。

2.根据权利要求1所述的高强度约束阻尼材料，其特征在于：所述短切纤维为玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维、植物纤维中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的高强度约束阻尼材料，其特征在于：所述阻尼层的厚度为0.2mm-0.5mm，所述约束层的厚度为0.2mm-0.6mm。

4.根据权利要求1所述的高强度约束阻尼材料，其特征在于：所述阻尼层、所述约束层和所述间隔层均为多层，多层所述阻尼层、多层所述间隔层、多层所述约束层交替叠放。

5.根据权利要求4所述的高强度约束阻尼材料，其特征在于：相邻所述阻尼层的玻璃化转变温度的差值大于等于5℃。

6.根据权利要求4所述的高强度约束阻尼材料，其特征在于：所述约束层的弹性模量为1500MPa-2500MPa，其中相邻两所述约束层的弹性模量差大于等于200MPa。

7.根据权利要求1所述的高强度约束阻尼材料，其特征在于：所述环氧树脂为E20,E44,E51中的一种或多种。

8.一种如权利要求1-7任一所述的高强度约束阻尼材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，

S1将丁腈橡胶在双辊开炼机上塑炼，加入炭黑，石油树脂共混均匀后，再加入硫磺、氧化锌、硬脂酸、促进剂，在双辊开炼机上混炼，得到共混胶；

S2将步骤S1得到的共混胶，在平板硫化机上进行模压硫化，硫化条件为165℃×T90，20MPa，得到硫化后的丁腈橡胶，其中T90为正硫化时间，由硫化曲线测试获得；

S3将步骤S2硫化后的丁腈橡胶，置于热压成型机上热压，然后冷压至室温成型，得到阻尼片材；

S4在阻尼片材上涂覆粘接剂，并将短切纤维铺设在阻尼片材上；

S5将固化剂加入到环氧树脂中，随后将多孔聚氨酯层在环氧树脂浸泡1-5min后取出，得到约束层；

S6在环氧树脂固化前，将步骤S5制备的约束层叠放在其中一块步骤S4制备的阻尼片材上；并且约束层上铺设一层间隔层的纤维，再将另一块步骤S4制备的阻尼片材叠放在该约束层上，待环氧树脂固化；重复上述步骤，得到多层约束阻尼材料。