阻尼橡胶材料的研究进展

刘琼琼

摘 要：文章针对阻尼橡胶材料的设计原则，阐述了影响橡胶阻尼性能的因素，包括橡胶结构的影响以及与橡胶配合使用的组分（共混基体、填料、有机小分子、增塑软化体系）的影响，并展望了橡胶阻尼技术的发展趋势。

关键词：阻尼；橡胶；填料；共混；有机小分子；增塑软化

引言

日常生活和生产中的振动和噪声给人们带来了严重的危害，必须采用有效的手段加以控制。阻尼橡胶材料利用橡胶的动态黏弹行为，将振动能以热的形式耗散，可广泛应用于降低机械噪声、减轻机械振动、吸声、隔声，提高工作效率，同时还可以改善产品质量。阻尼橡胶材料通常用耗散因子tanδ表示阻尼特性。对于阻尼橡胶材料的设计原则包括：提高材料的阻尼因子，即tanδ高；拓宽阻尼温度范围。

1 橡胶结构影响

影响橡胶阻尼性能的因素很多，其中聚合物自身的结构对阻尼性能有直接影响。内耗大的橡胶阻尼效果好，内耗大的橡胶应该是具有足够高的分子量和分子量分布的多分散性，分子链间应存在较强的相互作用，如离子键、氢键、极性基团等，分子链中引入侧基来增加分子间的内摩擦。在常用橡胶中，丁基橡胶和丁腈橡胶的内耗较高，氯丁橡胶、聚氨酯橡胶、三元乙丙橡胶、硅橡胶居中，丁苯橡胶和天然橡胶较低。另外，通过共聚形成具有特定链段结构的聚合物也可影响橡胶的阻尼性能。当通过接枝共聚或嵌段共聚在聚合物侧链生成链段或形成具有不同链段的嵌段结构后，可以增大内聚能、增加聚合物链段的运动和相互摩擦，从而提高聚合物的阻尼性能。除了上述影响因素外，本文主要从共混基体、填料、有机小分子、软化增塑体系这几个方面阐述了其对橡胶阻尼性能的影响。

2 与橡胶配合的组分影响

2.1 共混基体

将相容性较差的多种聚合物混合，可以产生具有微观相分离结构特征的复合材料。上述结构特征使各聚合物的玻璃化转变区域发生叠加，进而可以有效拓宽阻尼区域。为了提高橡胶的阻尼性能，常常将具有不同玻璃化转变温度Tg的聚合物进行共混后，在不同玻璃化转变温度Tg间获得较宽的阻尼峰，常用的混合方式包括不同类型橡胶的共混以及橡胶与塑料的并用。

黄瑞丽[1]等采用饱和非极性三元乙丙橡胶EPDM和不饱和极性环氧化天然橡胶ENR-50制备出二元共混阻尼材料。通过在两相中硫化剂的迁移，导致二元共混物中ENR-50交联密度比单独硫化时高、阻尼内耗峰向高温方向外扩，EPDM相的交联密度比单独硫化时低、阻尼内耗峰向低温方向外扩，最终得到了温度范围从-72.3℃到52.9℃的宽温域阻尼材料。另外，硅橡胶具有宽广的使用温度，能在-60℃至250℃下长期使用，通常人们也常采用硅橡胶为基体，配合丁基橡胶或三元乙丙橡胶等制备阻尼材料。

橡胶和塑料的玻璃化转变温度相差较大，前者在室温下处于弹性态而后者处于玻璃态。因此有较多研究通过橡塑共混来改善橡胶的阻尼性能，包括采用氯化丁基橡胶、丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶等与聚氯乙烯共混。郑诗建[2]等制备了丙烯酸橡胶与聚氯乙烯的共混物，结果表明，当丙烯酸酯橡胶用量为100份、聚氯乙烯用量为40-80份时，共混物在-10到100℃区间内都能起到很好的阻尼作用。

2.2 填料

填料在橡胶体系中主要起到补强和降低成本的作用，但同时由于橡胶分子运动时会在分子链段与填料之间、分子链段之间或者填料与填料之间产生相互摩擦，从而增大阻尼能力。当填料的粒径减小、比表面积增大后，填料与橡胶的接触面积也会相应增大，从而产生更大的摩擦和改善的阻尼性能，片状填料如石墨、云母等在阻尼材料中的应用较多。另外，纳米无机填料由于自身的表面和界面效应，也被广泛应用于阻尼材料中。Aleksandra Ivanoska-Dacikj[3]等在天然橡胶（NR）基体中添加了2份多壁碳纳米管（MWCNT）和不同用量（2-20份）的膨胀有机改性蒙脱土（EOMt），制备方法包括首先制备NR/MWCNT母胶，然后将其与EOMt及其他组分混合制备NR/EOMt/MWCNT纳米复合材料。该复合材料具有優异的机械性能，可用作阻尼减震材料。

2.3 有机小分子

聚合物/小分子杂化阻尼材料通过极性聚合物与有机小分子在成型过程中产生的杂化效应，通常认为聚合物基体与有机小分子间产生氢键，而氢键的断裂与重组耗散了大量能量，从而提高了阻尼性能。有机小分子一般作为硫化剂、稳定剂、增塑剂等添加到聚合物中。左孔成[4]制备了丁腈橡胶/受阻酚AO-2246二元共混物，发现其阻尼机理是聚合物基体内耗、氢键效应以及非晶态小分子高阻尼特性共同作用的结果。当AO-2246含量低时，氢键效应贡献较大。当其含量超过临界值（氢键数量饱和值时）时，非晶态小分子的高阻尼能力逐渐占主导，而聚合物内耗决定了共混物的基本阻尼能力。Zhao X. Y.等[5]通过丁腈橡胶/受阻酚AO-80制备了阻尼材料。研究表明，受阻酚从结晶态转变成无定形态，在丁腈橡胶基体中形成了富集区，复合材料中形成了大量氢键，并且还存在由于体系中分子间氢键的解离而产生的两次松弛过程中，使得复合材料具有很高的损耗性能，是良好的阻尼材料。

2.4 软化增塑体系

软化增塑体系用于减弱分子间的相互作用力、增强链段活动性，将其添加到橡胶组合物中可改善加工性，同时也会降低玻璃化转变温度Tg和损耗因子峰值，但应当选择合适的增塑剂类型以及用量。增塑剂应选择在橡胶中的溶解度较低或能与橡胶形成分相结构的类型，以有效拓宽阻尼温度范围。同时增塑剂的用量不能太高，否则会降低橡胶的力学性能、储能模量和损耗模量，增加应力松弛等。

3 结束语

随着技术的发展，阻尼橡胶材料在解决由各种振动、噪声危害方面将发挥越来越重要的作用。阻尼橡胶材料一方面需要满足实际使用过程中对物理机械性能的需求，另一方面需要具有足够高的阻尼性能，能满足不同频率下对阻尼性能的要求。同时，对于阻尼橡胶材料的阻尼机理的研究还有待完善。因此探讨其阻尼机理将有助于指导未来对阻尼橡胶材料的设计。

参考文献

[1]黄瑞丽，卢 ，龙娟，等.EPDM/ENR宽温域阻尼材料的制备及阻尼机理[J].高分子材料科学与工程，2016，32（10）：119-124.

[2]郑诗健，王聚渊，马恩第.丙烯酸酯橡胶和聚氯乙烯共混体系阻尼特性的研究[J].特种橡胶制品，2000，21（2）：8-10.

[3]Aleksandra I.D.， Gordana B.G.， Sandip R. et al. Fine tuning of the dynamic mechanical properties of natural rubber/carbon nanotube nanocomposites by organically modified montmorllonite： A first step in obtaining high-performance damping material suitable for seismic application[J].Applied Clay Science，2015，118：99-106.

[4]左孔成.丁腈橡胶杂化阻尼材料的性能与表征[D].西南交通大学.

[5]Zhao X. Y.， Xiang P.， Tian M.， et al. Nitrile butadiene rubber/hindered phenol nanocomposites with improved strength and high damping performance[J]. Polymer，2007，48：6056-6063.