CN115785536A - 一种改性天然橡胶及其制备方法和一种建筑隔震橡胶支座 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改性天然橡胶及其制备方法和一种建筑隔震橡胶支座，采用本发明提供的改性天然橡胶，有利于进一步改善建筑隔震橡胶支座的水平极限剪切变形能力。所述改性天然橡胶包括如下重量份的各组分：天然橡胶100份；热裂解炭黑5～30份；快压出炉炭黑15～40份；增塑剂20‑40份；纳米补强剂25～50份；硅烷偶联剂10～20份；防老剂0.5～2份；促进剂1.5～3份；硫化剂1～1.5份；所述纳米补强剂为粒径8‑12nm的无机补强剂。

Description

一种改性天然橡胶及其制备方法和一种建筑隔震橡胶支座

技术领域

本发明涉及建筑隔震橡胶支座技术领域，特别涉及一种改性天然橡胶及其制备方法和一种建筑隔震橡胶支座。

背景技术

隔震支座能够支承建筑物重量，保证建筑振动时的水平变形，并具备建筑物振动后的复位能力。

普通橡胶支座由天然橡胶片或氯丁二烯橡胶片与钢板叠合制成。由于其具有良好的线弹性性能，不仅能显著降低结构的地震作用，还能抑制结构的高阶反应。橡胶材料弹性模量很小，泊松比接近0.5，体积具有不可压缩性，因此受压时会产生较大的横向膨胀，压缩变形也会很大。如果把橡胶制成薄片，与薄钢板交互叠置(参见图1，为现有建筑隔震橡胶支座的结构示意图)，以钢板约束其压缩产生的横向膨胀，则轴向变形会大大降低，受压刚度极大提高，同时产生很强的抗压能力。具体的，图1所示为现有技术建筑隔震橡胶支座的常见结构局部示意图，其中包括上连接钢板1，下连接钢板2，橡胶层4和与橡胶层交替叠加的加劲钢板3。钢板对于橡胶的水平向剪切变形没有约束，橡胶片可以发挥自身柔软特性，提供支座较低的水平向刚度。

目前各厂家通过橡胶与钢板不同的配合来满足客户对产品的性能要求。产品的性能要求一般包括竖向压缩刚度KV、竖向承载力、等效水平刚度Kh、450％水平极限剪切变形等。其中450％水平极限剪切变形是考量支座在地震时水平位移的能力，地震级别越高，支座在水平方向的位移越大，要求支座的水平极限剪切变形越大。

当前各建筑支座的生产厂家普遍使用天然橡胶或氯丁二烯橡胶作为支座橡胶的主体材料，加入各种助剂和填料，然后通过密炼机和开炼机将橡胶与各种助剂填料混炼均匀。将混炼好的橡胶片与薄钢板交互叠放，经过一定的高温和高压条件进行硫化粘结而成。橡胶片与钢板采用化学粘接剂粘结。

目前，本领域所提供的用于建筑隔震支座的橡胶配方只能使建筑隔震支座的水平极限剪切变形达到350％左右，建筑隔震橡胶支座的水平极限剪切变形的进一步提升成为了行业内的技术壁垒之一。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种改性天然橡胶及其制备方法和一种建筑隔震橡胶支座，采用本发明提供的改性天然橡胶，有利于进一步改善建筑隔震橡胶支座的水平极限剪切变形能力。

本发明为达到其目的，提供如下技术方案：

本发明提供一种改性天然橡胶，所述改性天然橡胶包括如下重量份的各组分：

所述纳米补强剂为粒径8-12nm的无机补强剂。采用上述粒径的无机纳米补强剂，并按照上述配方与其他组分组合获得的改性天然橡胶，具有良好的综合性能，所得改性天然橡胶能兼顾良好的硬度、拉伸强度、断裂伸长率和剥离强度，特别是具有优异的断裂伸长率；基于本发明所提供的改性天然橡胶所得到的建筑隔震支座，能够兼顾良好的剪切模量、等效阻尼比和较高的极限剪切变形。

较佳的实施方式中，所述热裂解炭黑的重量份为8-12份，所述快压出炉炭黑的重量份为17-23份，所述纳米补强剂的重量份为25-33份；在配方体系中将热裂解炭黑、快压出炉炭黑和8-12nm的纳米补强剂按照上述优选用量组合使用，能够进一步改善产品性能，所得改性天然橡胶能兼顾获得更佳的综合性能，能够显著提升建筑隔震支座，具有显著提升的极限剪切变形，例如能达到500％以上。

一些优选实施方式中，所述无机补强剂为主要成分为硅酸盐的补强材料，所述无机补强剂例如选自硅藻土、陶土等中的一种或多种。采用该优选类型的无机补强剂，例如获得性能优良的改性天然橡胶。

一些优选实施方式中，所述硅烷偶联剂选自KH550中的一种或多种。

较佳实方式中，在本发明的配方体系中采用上述优选粒径的无机补强剂和硅烷偶联剂按照上述用量组合搭配，有利于显著提高橡胶的交联密度和断裂伸长率，增加橡胶和金属钢板之间的粘结强度，提升支座整体的物理性能。

本发明的改性天然橡胶中，将热裂解炭黑和快压出炉炭黑按照特定用量配比组合搭配填充于胶料的交联网络中，有利于提高胶料的弹性、复原性和基础物理性能。若单独使用硬度热裂解炭黑或单独使用快压出炉炭黑，不利于获得兼顾较高强度和较低压变性能的橡胶材料。

一些优选实施方式中，所述增塑剂包括第一增塑剂和第二增塑剂，其中第一增塑剂选自石蜡油，所述第二增塑剂选自环烷油；优选的，所述第一增塑剂和所述第二增塑剂在所述组合物中的重量份分别为10-20份。采用石蜡油和环烷油按照上述优选用量组合作为增塑剂，能够有效降低胶料的硬度，利于增加橡胶的断裂伸长率。

一些优选实施方式中，所述促进剂包括第一促进剂和第二促进剂，所述第一促进剂选自DZ，所述第二促进剂选自DPTT；优选的，所述第一促进剂和所述第二促进剂在所述组合物中的重量份分别为1-2份、0.5-1份。采用上述两种促进剂按照优选用量组合用于本发明的配方体系中，有利于提高橡胶的定伸强度和断裂伸长率，并且利于改善橡胶支座的水平刚度。

一些实施方式中，所述硫化剂选自硫磺、硫磺给预体、HAV-2(N,N-间苯撑双马来酰亚胺)中的一种或多种；

一些实施方式中，所述防老剂选自防老剂Rd、防老剂4010NA、防老剂4020、防老剂D中的一种或多种。采用上述防老剂，在橡胶中的溶解度极好，对热和氧引起的老化防护具有极佳的效果。

本发明中，天然橡胶较佳的采用标准天然橡胶SCR WF，该天然橡胶是一种以聚异戊二烯为主要成分的天然高分子化合物，分子式是(C₅H₈)_n，其成分中91％～94％是橡胶烃(聚异戊二烯)，其余为蛋白质、脂肪酸、灰分、糖类等非橡胶物质。

本发明还提供上文所述的改性天然橡胶的制备方法，包括如下步骤：

将所述天然橡胶进行塑炼；

将塑炼后的所述天然橡胶与其余各组分进行混炼得到混炼胶料；

将所述混炼胶料送入开炼机中进行薄通、出片。

较佳实施方式中，所述塑炼的条件包括：温度≤140℃，优选100-140℃，优选所述塑炼的时间为40-80s。

较佳实施方式中，所述混炼包括：先将塑炼后的所述天然橡胶与所述促进剂、所述防老剂、所述硅烷偶联剂和所述纳米补强剂在进行第一段混炼；然后再加入所述热裂解炭黑、所述快压出炉炭黑和所述增塑剂进行第二段混炼；之后投入所述硫化剂进行第三段混炼，得到所述混炼胶料。进一步优选的，所述第一段混炼的温度≤120℃，更优选为95-120℃，所述第一段混炼的时间优选为15-50s；所述第二段混炼的温度≤115℃，更优选为95-115℃，所述第二段混炼的时间优选为100-180s；所述第三段混炼混炼至预设终点温度，所述预设终点温度高于所述第二段混炼的温度，且所述预设终点温度为110-120℃；采用优选的混炼工艺和温度控制程度，利于获得性能更佳的胶料，并利于改善橡胶支座性能。

一些实施方式中，进行所述薄通时，控制所述开炼机的温度为55℃以下，优选该温度为45-55℃。具体的，在开炼机中进行薄通时，可将开炼机的辊距调剂为≤0.6mm，薄通可以进行多遍，例如可以薄通三遍。

本发明还提供一种建筑隔震橡胶支座，所述支座包括交替层叠的加劲钢板和改性天然橡胶，所述加劲钢板和所述改性天然橡胶之间设有胶粘剂层；

其中，所述改性天然橡胶为上文所述的改性天然橡胶或上文所述的制备方法制得的所述改性天然橡胶。

其中胶粘剂层中所用的胶粘剂可以为本领域常规使用的热硫化胶粘剂，例如但不限于开姆洛克209、开姆洛克205、普利通825等。

本发明提供的建筑隔震橡胶支座，其具体结构可以采用常规的建筑隔震橡胶支座的结构(例如图1的结构或与图1相似的结构)，对此没有特别限制；不同在于其天然橡胶层为本发明所提供的改性天然橡胶。

本发明提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明所提供的改性天然橡胶具有较佳的综合性能，能够兼顾良好的硬度、拉伸强度、断裂伸长率和剥离强度，将其应用于建筑隔震橡胶支座，能够赋予建筑隔震橡胶支座良好的剪切模量、等效阻尼比和较高的极限剪切变形，产品性能稳定，具有优异的水平极限剪切变形能力，能够满足橡胶支座450％水平剪切变形；而且本发明所提供的改性天然橡胶，所需原料易得，不需引入氯丁橡胶来与天然橡胶并用，成本价格低，能大幅降低成本。

附图说明

图1为现有技术中一种建筑隔震橡胶支座的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合实施例对本发明作进一步的说明。应当理解，下述实施例仅是为了更好的理解本发明，并不意味着本发明仅局限于以下实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文可能使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例中未注明具体实验步骤或条件之处，可按照本技术领域中相应的常规实验步骤的操作或条件进行即可，具体的，实施例中建筑隔震橡胶支座的制备按照本领域常规操作进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

以下实施例和度比例中所用部分原料说明如下：

天然橡胶SCR WF：海南宝岛牌橡胶；

纳米补强剂：为硅藻土；

硅烷偶联剂：日本信越KH550；

防老剂Rd：石家庄市天擎化工；

第一促进剂DZ：天津市有机化工一厂；

第二促进剂DPTT：天津市有机化工一厂；

石蜡油：汉盛2680；

环烷油：上海巨道化工4010；

热裂解炭黑：卡博特N990；

快压出炉炭黑：龙星化工N550；

硫化剂：河北泰润化工S-80。

实施例1

制备改性天然橡胶：

将100重量份的天然橡胶SCR WF加入到密炼机中，密炼机的压力为10MPa，转速为25r/min，温度为100-110℃，塑炼60s；

然后加入30重量份粒径10nm的纳米补强剂，10重量份硅烷偶联剂(KH550)，1重量份防老剂Rd，1重量份第一促进剂DZ，0.5重量份第二促进剂DPTT，在温度95℃下混炼30s；

然后投入10重量份热裂解炭黑，20重量份快压出炉炭黑，10重量份第一增塑剂(石蜡油)，10重量份第二增塑剂(环烷油)，在温度100℃下继续混炼100s，混炼温度达到105℃，投入1重量份硫化剂(S-80)，待温度达到120℃时将混炼胶排出。

排出的混炼胶通过提升机运送到18寸开炼机，将开炼机辊温控制到45-55℃，将辊距调为0.3mm，辊速调为1m/s，将混炼胶在开炼机上薄通3遍后，将辊距调为6mm进行下片，得到改性天然橡胶。

利用上述制得的改性天然橡胶和加劲钢板制备如图1所示结构的建筑隔震橡胶支座，其中加劲钢板和上述制得的改性天然橡胶交替层叠设置，并且在加劲钢板3和改性天然橡胶4之间形成有胶粘剂层(图中未示出，其通过在加劲钢板表面涂刷胶粘剂普利通815而形成，在涂刷了胶粘剂后需将加劲钢板在60℃放置使其中的挥发物质挥发掉)；其中，加劲钢板和改性天然橡胶交替层叠放置后在平板硫化机加压加热，硫化温度135℃，硫化压力7MPa，硫化时间为6h。将得到的建筑隔震橡胶支座进行性能检测，结果如表1所示。

实施例2

制备改性天然橡胶：

将100重量份的天然橡胶SCR WF加入到密炼机中，密炼机的压力为7MPa，转速为20r/min，温度为100-110℃，塑炼60s；

然后加入35重量份粒径10nm的纳米补强剂，15重量份硅烷偶联剂(KH550)，1.5重量份防老剂Rd，1.5重量份第一促进剂DZ，0.5重量份第二促进剂DPTT，在温度95℃下混炼30s；

然后投入15重量份热裂解炭黑，25重量份快压出炉炭黑，15重量份第一增塑剂(石蜡油)，10重量份第二增塑剂(环烷油)，在温度100℃下继续混炼100s，混炼温度达到105℃，投入1重量份硫化剂(S-80)，待温度达到120℃时将混炼胶排出。

排出的混炼胶通过提升机运送到18寸开炼机，将开炼机辊温控制到45-55℃，将辊距调为0.3mm，辊速调为1m/s，将混炼胶在开炼机上薄通3遍后，将辊距调为6mm进行下片，得到改性天然橡胶。

参照实施例1利用上述制得的改性天然橡胶和加劲钢板制备建筑隔震橡胶支座。

实施例3

制备改性天然橡胶：

将100份重量的天然橡胶SCR WF加入到密炼机中，密炼机的压力为7MPa，转速为20r/min，温度为100-110℃，塑炼60s；

然后加入37重量份粒径10nm的纳米补强剂，20重量份硅烷偶联剂(KH550)，2重量份防老剂Rd，1.5重量份第一促进剂DZ，0.5重量份第二促进剂DPTT，在温度95℃下混炼30s；

然后投入18重量份热裂解炭黑，27重量份快压出炉炭黑，15重量份第一增塑剂(石蜡油)，15重量份第二增塑剂(环烷油)，在温度100℃下继续混炼100s，混炼温度达到105℃，投入1.5重量份硫化剂(S-80)，待温度达到120℃时将混炼胶排出。

排出的混炼胶通过提升机运送到18寸开炼机，将开炼机辊温控制到45-55℃，将辊距调为0.3mm，辊速调为1m/s，将混炼胶在开炼机上薄通3遍后，将辊距调为6mm进行下片，得到改性天然橡胶。

参照实施例1利用上述制得的改性天然橡胶和加劲钢板制备建筑隔震橡胶支座。

对比例1

参照实施例1进行，不同在于，所用的纳米补强剂的粒径为5nm。

对比例2

参照实施例1进行，不同在于，所用的纳米补强剂的粒径为15nm。

对比例3

参照实施例1进行，不同在于，所用的纳米补强剂的量为20重量份。

实施例4

参照实施例1进行，不同在于，所用的纳米补强剂的量为40重量份。

将上述实施例和对比例得到改性天然橡胶和建筑隔震橡胶支座进行性能检测，结果如下表1所示。其中，改性天然橡胶的检测项目包括硬度、拉伸强度、断裂伸长率、剥离强度；建筑隔震橡胶支座的检测项目包括剪切模量、等效阻尼和极限剪切变形。

表1：检测数据

从以上实验结果可见，基于本发明方案的实施例1-4所提供的改性天然橡胶相比于对比例1-3，具有更优异的综合性能，所得改性天然橡胶能兼顾良好的硬度、拉伸强度、断裂伸长率和剥离强度，特别是具有优异的断裂伸长率；基于本发明所提供的改性天然橡胶所得到的建筑隔震支座，能够兼顾良好的剪切模量、等效阻尼比和较高的极限剪切变形，其极限剪切变形能达到450％以上。

从实施例1-4的实验结果可见，实施例1的配方体系中热裂解炭黑、快压出炉炭黑和纳米补强剂均采用优选的用量组合使用，得到的改性天然橡胶具有更佳的综合性能，基于该优选方案得到的改性天然橡胶制备的建筑隔震支座，具有显著提升的极限剪切变形，达到512％。

容易理解的，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并不意味着本发明仅局限于此。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种改性天然橡胶，其特征在于，所述改性天然橡胶包括如下重量份的各组分：

所述纳米补强剂为粒径8-12nm的无机补强剂。

2.根据权利要求1所述的改性天然橡胶，其特征在于，热裂解炭黑的重量份为8-12份，所述快压出炉炭黑的重量份为17-23份，所所述纳米补强剂的重量份为25-33份。

3.根据权利要求2所述的改性天然橡胶，其特征在于，所述无机补强剂为主要成分为硅酸盐的补强材料，所述无机补强剂例如选自硅藻土、陶土中的一种或多种。

4.根据权利要求2或3所述的改性天然橡胶，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自KH550。

5.根据权利要求1-3任一项所述的改性天然橡胶，其特征在于，所述增塑剂包括第一增塑剂和第二增塑剂，其中第一增塑剂选自石蜡油，所述第二增塑剂选自环烷油；

优选的，所述第一增塑剂和所述第二增塑剂在所述组合物中的重量份分别为10-20份。

6.根据权利要求1-3任一项所述的改性天然橡胶，其特征在于，所述促进剂包括第一促进剂和第二促进剂，所述第一促进剂为DZ，所述第二促进剂为DPTT；

优选的，所述第一促进剂和所述第二促进剂在所述组合物中的重量份分别为1-2份、0.5-1份。

7.根据权利要求1-3任一项所述的改性天然橡胶，其特征在于，所述硫化剂选自硫磺、硫磺给预体、HAV-2中的一种或多种；

所述防老剂选自防老剂Rd、防老剂4010NA、防老剂4020、防老剂D中的一种或多种。

8.权利要求1-7任一项所述的改性天然橡胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述天然橡胶进行塑炼；

将塑炼后的所述天然橡胶与其余各组分进行混炼得到混炼胶料；

将所述混炼胶料送入开炼机中进行薄通、出片。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述塑炼的条件包括：温度≤140℃，优选100-140℃，优选所述塑炼的时间为40-80s；

和/或，所述混炼包括：先将塑炼后的所述天然橡胶与所述促进剂、所述防老剂、所述硅烷偶联剂和所述纳米补强剂在进行第一段混炼；然后再加入所述热裂解炭黑、所述快压出炉炭黑和所述增塑剂进行第二段混炼；之后投入所述硫化剂进行第三段混炼，得到所述混炼胶料；

优选的，所述第一段混炼的温度≤120℃，更优选为95-120℃，所述第一段混炼的时间优选为15-50s；所述第二段混炼的温度≤115℃，更优选为95-115℃，所述第二段混炼的时间优选为100-180s；所述第三段混炼混炼至预设终点温度，所述预设终点温度高于所述第二段混炼的温度，且所述预设终点温度为110-120℃；

和/或，进行所述薄通时，控制所述开炼机的温度为55℃以下，优选为45-55℃。

10.一种建筑隔震橡胶支座，其特征在于，所述支座包括交替层叠的加劲钢板和改性天然橡胶，所述加劲钢板和所述改性天然橡胶之间设有胶粘剂层；

所述改性天然橡胶为权利要求1-7任一项所述的改性天然橡胶或权利要求8-9任一项所述的制备方法制得的所述改性天然橡胶。

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