APP下载

高分子阻尼材料的制备及其在桥梁支座上的应用

2017-04-26杨丽博张保生黄良平

世界橡胶工业 2017年3期
关键词:白炭黑接枝高分子

李 斌,杨丽博,张保生,黄良平

(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

高分子阻尼材料的制备及其在桥梁支座上的应用

李 斌,杨丽博,张保生,黄良平

(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007)

高分子材料具有良好的减振降噪效果,已被广泛应用于建筑、机械、桥梁等领域。但大多数高分子材料单一使用时阻尼效果差,限制了其应用范围;而通过常规方法提高高分子材料的阻尼性能,其效果并不明显。为获得具有高阻尼损耗峰且有效阻尼温域较宽的高分子阻尼材料,对国内外高分子阻尼材料最新研究进展进行了综述,并对高分子阻尼材料在桥梁支座上的工程化应用进行了介绍。

高分子材料; 阻尼性能; 桥梁支座

0 前 言

高分子材料具有独特的黏弹性,常被作为减振材料来使用,目前已被广泛用于建筑、桥梁、机车、船舶等领域[1-5]。一般来说,高分子材料在其玻璃化转变温度范围内具有较高的阻尼效果,通常单一高分子材料玻璃化转变温度区域窄,仅有20~30 ℃[6],这就使得单一的高分子材料难以满足阻尼材料宽温域的要求,限制了高分子材料作为阻尼材料的使用。

传统提高高分子材料阻尼性能的方法有橡塑共混法,或在配方中添加大量油料及炭黑,但这无疑会造成生产成本的增加,且高分子材料阻尼效果提高得并不明显[7-11]。为了获得既具有较高损耗峰,又具有较宽有效阻尼温域的高分子阻尼材料,同时减少高分子阻尼材料对玻璃化转变温度的依赖性,采用化学方法设计橡胶分子结构和微观结构,或构筑特殊阻尼机制以提高高分子材料的阻尼性能[12-14]。综述了近年来高分子阻尼材料方面的最新研究进展,并对高阻尼橡胶支座在桥梁上工程化应用及存在的问题进行了介绍。

1 微观结构设计

1.1 接枝改性

对高分子材料进行接枝改性是一种能够有效提高其阻尼性能的方法。通过在分子链上引入大基团或强极性作用的基团,增加分子链之间的作用力,来提高高分子材料的阻尼效果。常见的手段有环氧化改性、氯化接枝改性,通常制备阻尼材料选用的溴化丁基橡胶、羧基丁腈橡胶也都可以视为是由丁基橡胶、丁腈橡胶接枝改性得到的[15-16]。

Li B(李斌)[17-18]等人采用水相悬浮法对反式-1,4-聚异戊二烯进行环氧化改性,制备了具有多重结构的环氧化反式-1,4-聚异戊二烯(ETPI)。ETPI具有较宽的玻璃化转变温度,DMA测试发现,未添加任何填料及功能小分子的ETPI在-60~80 ℃的温度范围内出现光滑的峰,显示出极宽的阻尼温域,且阻尼峰峰宽还能够通过对ETPI各组分含量及结构的调控来控制,预计未来将成为一种阻尼效果优良的新型阻尼材料。

Xu H Y(许海燕)、Liu J W(刘吉文)[19-20]等将环氧化天然橡胶(ENR)与白炭黑在高温条件下共混,利用白炭黑表面富有能与环氧基团反应的硅羟基,将白炭黑原位接枝在ENR上。其接枝机理如图1所示。通过DMA对制备的复合材料进行分析发现,ENR玻璃化转变温度向高温方向移动了约20 ℃,制备的复合材料在室温下损耗因子(tan δ)明显提高。罗章等[21]人使用白炭黑填充ETPI,发现DMA谱图中40 ℃以上的tan δ显著提升,且有效阻尼温域有扩宽的趋势。

图1 白炭黑原位接枝ENR的反应机理[20]

1.2 互穿网络结构(IPN)的构建

IPN材料是由2种或2种以上不相容或半相容的交联网络聚合物贯穿制备的,IPN具有强迫互容和微相分离的特点,大大扩宽了聚合物的玻璃化转变温度,提高了分子链间的摩擦以及高分子材料的tan δ[22-24]。有报道称[25]制备的IPN材料的玻璃化转变温度可达到97 ℃,有效阻尼温域达到了85 ℃,具有良好的阻尼效果。

Manoj NR[26]制备了羧基丁腈橡胶/聚甲基丙烯酸甲酯(XNBR/PMMA)的IPN材料。提高XNBR/PMMA的组成比例,DMA谱图中的tan δ峰移向高温方向,实现了阻尼峰出峰温域的可调性。研究还发现在较宽的测试频率范围内制备的XNBR/PMMA IPN材料阻尼性能,均较纯XNBR的有所提高。

2 特殊阻尼机制

2.1 摩擦阻尼机制

高分子分子链与填料间的摩擦作用力对能量的耗散有着极其重要的作用。填料-填料摩擦、填料-分子链摩擦是填料在高分子材料中产生能量耗散的两种重要方式[27-28]。

Suhr J[29]等人比较了纳米填料微观形态对阻尼材料的影响。通过在聚碳酸酯(PC)中分别添加1%的C60和单壁纳米管(SWNT),发现添加SWNT的PC在高应变下,损耗模量较未填充填料的PC提高了250%,而添加C60的PC损耗模量基本保持不变。这是由于SWNT较C60有着更大的比表面积,在高应变下,SWNT与聚合物间“滑移”距离长,阻尼效果明显。因此对于纳米填料的选择,长径比大的纳米填料对高分子材料阻尼效果的提高更为有利。

Skandani A A[30]将ZnO纳米棒接枝到碳纤维表面,并与环氧树脂基体一起制备了复合材料(FRP)。实验发现,改性后碳纤维填充的FRP阻尼性能较未使用改性碳纤维填充的FRP提高了近40%,同时贮能模量几乎不变。这是由于1) ZnO纳米棒改性后的碳纤维表面上有很多突起(其表面形貌如图2所示),增大了碳纤维与环氧树脂之间的滑移摩擦效应;2) ZnO能够作为一种压电材料使用,使用ZnO纳米棒改性的碳纤维有助于将外界振动能转变为电能,从而提高机体的阻尼效果。

图2 扫描电镜下水热生长ZnO纳米棒的微观形貌[30]

2.2 可逆氢键阻尼机制

氢键的引入也是一种提高高分子材料阻尼效果的有效方法。在外界的振动作用下,基体中的氢键发生断裂,同时又有新的氢键形成,这种可逆氢键的形成效应能够将振动能转变为热能,实现能量的耗散,提高高分子材料的阻尼效果。目前大多数研究通过在高分子材料中添加功能小分子来提高基体中的氢键含量,使用的功能小分子多为受阻胺与受阻酚,功能小分子与高分子材料的相容性以及分散均匀性均会对阻尼效果造成较大影响[31]。Liu Q X[32]采用2,2'-亚甲基双(4-甲基-6-叔丁基苯酚) (AO-2246)与极性相近的XNBR制备了一种阻尼材料。通过红外与DCS测试发现,AO-2246在XNBR中分散均匀,且与XNBR分子链形成了较强的氢键;添加50%AO-2246的XNBR的tan δ值可达到3.5,且tan δ峰移向高温方向,XNBR阻尼效果大幅提升。Lu X[33]发现使用2402 酚醛树脂硫化的ENR较硫磺、过氧化物有着更宽的阻尼温域,有效阻尼温域可达到150 ℃,且在10-5~109Hz的测试频率范围内均有较好的阻尼效果。通过红外测试发现,这是由于2402酚醛树脂中的羟基与ENR中的极性环氧基团作用,形成氢键造成的。

Shi X Y[34]等人在EVM/NBR体系中加入白炭黑,利用白炭黑表面富含的—OH,与EVM中的C=O、NBR中的—CN作用形成氢键。DMA测试发现,相比于添加相同炭黑量的EVM/NBR,使用白炭黑的EVM/NBR在20~70 ℃范围内的tan δ峰大幅度提高,同时EVM/NBR拉伸强度略有提升,但硬度下降较为明显。

2.3 压电转化阻尼机制

传统的高分子阻尼材料在其玻璃化转变温度范围内阻尼效果最好,制备的阻尼材料容易受温度与频率的影响。压电材料(PZT)作为一种新型材料,当声波或振动能作用到PZT上,PZT通过压电效应将外界能量转变成电能,用于阻尼材料中,能够实现能量耗散。但如果不能将产生的电能迅速转变为热能,产生的电能会再次转变为振动能,将弱化PZT的阻尼效果。

Liu Z Y等人[35]在PZT/EVA复合材料中添加导电炭黑,通过调节基体的导电性,期待能制备出一种新型阻尼复合材料。研究发现,当导电炭黑使用量小于5%时,复合材料电阻高,基体类似于电路开路[如图3(a)所示],PZT产生的电能无法转变为热能,材料阻尼效果较差;炭黑用量为5%~15%时,复合材料导电性提高,PZT与炭黑间接触,形成了导电网络[如图3(b)所示],PZT产生的电能传递到橡胶材料基体中并转变为热能,阻尼效果大幅度提高;当炭黑使用量大于15%时,基体中形成类似电路短路的结构[如图3(c)所示],PZT产生的电能转化为热能的效率降低,材料阻尼效果下降。

图3 PZT/EVA复合材料导电性的调节

3 桥梁支座应用

车辆行驶、地震产生的振动均会对桥梁造成较大危害,直接影响桥梁的使用寿命。桥梁支座作为桥梁结构的重要组成部分,能够吸收振动产生的能量,保证桥梁的结构安全和使用寿命。

桥梁支座包括普通橡胶支座、铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座,其中高阻尼橡胶支座的减振效果最佳。目前,国内仅有少数学校、企业及研究院所对高阻尼支座进行过研究,研发的高阻尼支座在阻尼方面与日本等国家相比仍有较大差距,具体表现在等效阻尼比较低、温度相关性变化大等方面。我司通过多年研究,目前已开发出多种规格的高阻尼橡胶支座,性能满足《公路桥梁高阻尼隔震支座通用技术规范》。通过对高阻尼支座产品进行的等效阻尼比实验测试可以发现(表1),23 ℃条件下高阻尼支座的等效阻尼比超过了20%,且等效阻尼比与温度的相关性较好,得到了用户的广泛认可,目前已在港珠澳大桥、宁夏路桥等多个项目中取得了较好应用。

表1 不同温度下桥梁支座的阻尼效果

4 展 望

综上所述,高分子阻尼材料已成为工程师们研究的热点。随着研究的日益广泛和深入,高分子阻尼材料显示出了良好的发展前景。常规方法制备的高分子阻尼材料在配方中常要添加大量的树脂及油类,材料阻尼性能的提高并不明显,同时还会造成材料加工工艺性变差。目前对高分子阻尼材料前瞻性的研究能够大幅提高材料的阻尼特性,但存在技术要求高、材料价格昂贵等问题,这无疑会阻碍高分子阻尼材料在工业化中的批量应用。如何将高分子阻尼材料制备的前沿技术快速实现工业化应用,还需要广大科研人员进行进一步研究。

[1] 王雪飞, 张立群, 杨军. 原位接枝改性炭黑补强NR在轴箱弹簧中的应用[J]. 橡胶工业, 2007, 54(5):292-294.

[2] Chang S H, Jin K C, Dai G L, et al. Damping Enhancement of Rubber Dampers for High Speed Compact Disk Players[J]. Polymer Engineering & Science, 1999, 39(9):1642-1650.

[3] 帅仁忠, 孙召进, 郭建强,等. 聚合物阻尼材料在轨道车辆方面的应用[J]. 科技资讯, 2011(35):4-5.

[4] 李德良, 王宝柱, 刘东晖,等. 阻尼材料的发展及其在舰船上的应用[J]. 现代涂料与涂装, 2008, 12(2):25-27.

[5] 周峰, 周士贵, 杨海深. 阻尼材料与汽车减振降噪[J]. 世界汽车, 2003(12):28-29.

[6] Shi X Y, Bi W N, Zhao S G. Study on the Damping of EVM Based Blends[J]. J Appl Polym Sci, 2011(120):1121-1125.

[7] Prasertsri S, Rattanasom N. Mechanical and Damping Properties of Silica/Natural Rubber Composites Prepared from Latex System[J]. Polymer Testing, 2011, 30(5):515-526.

[8] Sirisinha C, Prayoonchatphan N. Study of Carbon Black Distribution in BR/NBR Blends Based on Damping Properties: Influences of Carbon Black Particle Size, Filler, and Rubber Polarity[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2001, 81(13):3198-3203.

[9] Shi X Y, Bi W N, Zhao S G. DMA Analysis of the Damping of Ethylene-Vinyl Acetate/Acrylonitrile Butadiene Rubber Blends[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2012, 124(3):2234-2239.

[10] Roche N, Chettah A, Ichchou M N, et al. Dynamic Damping Properties of Thermoplastic Elastomers Based on EVA and Recycled Ground Tire Rubber[J]. Journal of Elastomers & Plastics, 2011, 43(4):317-340.

[11] 丁国芳, 曹君, 石耀刚,等. 新型高阻尼宽温域氯化丁基橡胶复合材料制备及性能研究[J]. 振动与冲击, 2013, 32(5):86-89.

[12] Andjelkovic D D, Lu Y, Kessler M R, et al. Novel Rubbers from the Cationic Copolymerization of Soybean Oils and Dicyclopentadiene, 2-Mechanical and Damping Properties[J]. Macromolecular Materials & Engineering, 2009, 294(8):472-483.

[13] Tian Y, Liu Y, He M, et al. High Damping Properties of Magnetic Particles Doped Rubber Composites at Wide Frequency[J]. Materials Research Bulletin, 2013, 48(5):2002-2005.

[14] Stepanov G V, Borin D Yu, Kramarenko E Yu, et al. Magnetoactive Elastomer Based on Magnetically Hard Filler: Synthesis and Study of Viscoelastic and Damping Properties[J]. Polymer Science(Ser. A), 2014, 56(5):603-613.

[15] 陈昊祥, 王传东. XNBR纳米复合材料在设计水声传感器中的应用:碳纳米管对材料动态力学性能和形态学的影响[J].橡塑资源利用, 2015(6):1-12.

[16] 杨静, 李明俊, 徐泳文,等. 氢化丁腈橡胶中空纤维的制备及其阻尼性能研究[J]. 南昌航空大学学报(自然科学版), 2016(1):93-96.

[17] Li B, Yao W, Shao H, et al. Composition-Properties Relationship in Epoxidized Trans-1,4-Polyisoprene Obtained by Heterogeneous Method[J]. Polymer Science, 2015, 57(5):581-585.

[18] 李斌, 罗章, 邵华锋,等. 水相悬浮法合成环氧化反式-1,4-聚异戊二烯的组成与性能关系[J]. 高分子材料科学与工程, 2016(4):7-10.

[19] Xu H Y,Liu J W,Fang L, et al. In Situ Grafting onto Silica Surface with Epoxidized Natural Rubber via Solid State Method[J]. Journal of Macromolecular Science ( Part B) : Physics, 2007,46(4) : 693-703.

[20] 刘吉文,许海燕,吴驰飞. 环氧天然橡胶接枝高分散白炭黑增强天然橡胶复合材料的制备及表征[J]. 高分子学报, 2008(2): 123-128.

[21] 罗章, 李斌, 邵华峰,等. 炭黑和白炭黑填充环氧化反式-1,4-聚异戊二烯硫化胶的性能研究[J]. 弹性体, 2015, 25(5):1-4.

[22] 陈端石,赵玫,周海亭. 动力机械振动与噪声学[M]. 上海:上海交通大学出版社,1996:193-143.

[23] 张浩勤. 粘弹沥青阻尼材料减振降噪应用技术[J]. 噪声与振动控制, 1994(3):31-37.

[24] 陈艳秋, 李剑锋. 聚合矿物复合材料的阻尼性能与减振机理[J]. 噪声与振动控制, 1998(5):34-36.

[25] 晏欣, 孙卫红, 江盛玲,等. PEMA/PEA自交联乳胶IPN阻尼材料的研究[J]. 高分子材料科学与工程, 2006, 22(2):216-219.

[26] Manoj N R, Chandrasekhar L, Patri M, et al. Vibration Damping Materials Based on Interpenetrating Polymer Networks of Carboxylated Nitrile Rubber and Poly(methyl methacrylate)[J]. Polymers for Advanced Technologies, 2002, 13(9):644-648.

[27] Etaati A, Mehdizadeh S A, Wang H, et al. Vibration Damping Characteristics of Short Hemp Fibre Thermoplastic Composites[J]. Journal of Reinforced Plastics & Composites, 2013, 33(4):330-341.

[28] Yang J, Xiong J, Ma L, et al. Vibration and Damping Characteristics of Hybrid Carbon Fiber Composite Pyramidal Truss Sandwich Panels with Viscoelastic Layers[J]. Composite Structures, 2013, 106(12):570-580.

[29] Suhr J, Joshi A, Schadler L, et al. Effect of Filler Geometry on Interfacial Friction Damping in Polymer Nanocomposites[J]. Journal of Nanoscience & Nanotechnology, 2007(4-5):1684-1687.

[30] Skandani A A, Masghouni N, Al-Haik M. Superior Damping of Hybrid Carbon Fiber Composites Grafted by ZnO Nanorods[M]. New York :Springer, 2014:187-193.

[31] Wu C F, Akiyama S. Enhancement of Damping Performance of Polymers by Functional Small Molecules[J]. Chinese Journal of Polymer Science, 2002, 20(2):119-127.

[32] Liu Q X, Ding X B, Zhang H P, et al. Preparation of High-Performance Damping Materials Based on Carboxylated Nitrile Rubber: Combination of Organic Hybridization and Fiber Reinforcement[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2009, 114(5):2655-2661.

[33] Lu X, Li X. Broad Temperature and Frequency Range Damping Materials Based on Epoxidized Natural Rubber[J]. Journal of Elastomers & Plastics, 2012, 46(1):84-95.

[34] Shi X Y, Bi W N, Zhao S G. DMA Analysis of the Damping of Ethylene-Vinyl Acetate/Acrylonitrile Butadiene Rubber Blends[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2012, 124(3):2234-2239.

[35] Liu Z Y, Wang Y, Huang G, et al. Damping Characteristics of Chlorobutyl Rubber/Poly(ethyl acrylate)/ Piezoelectric Ceramic/Carbon Black Composites[J]. Journal of Applied Polymer Science, 2008, 108(6):3670-3676.

[责任编辑:朱 胤]

Preparation of Damping Materials and its Engineer Applications on Bridge Bearing

Li Bin, Yang Libo, Zhang Baosheng,Huang Liangping
(Zhuzhou Times New Materials Science and Technology Co., Ltd., Zhuzhou 412007, China)

Polymer had excellent vibration reduction effect and had been widely used in building, machine and bridge felds. But only one kind of polymer had low damping properties that made it hard to be used as damping materials. The damping materials prepared by traditional ways had low damping properties and high prices. This paper introduced the most advanced technology for preparing damping materials. Also the engineer application of damping materials in bridge bearing felds was introduced.

Polymer; Damping Properties; Bridge Bearing

TQ 336.4+2

A

1671-8232(2017)03-0040-05

2016-10-31

李斌(1990—),男,山西晋中人,青岛科技大学硕士研究生,主要从事橡胶减振制品配方研究与开发工作,已发表论文7篇。

猜你喜欢

白炭黑接枝高分子
《功能高分子学报》征稿简则
《功能高分子学报》征稿简则
丙烯酸丁酯和聚丙二醇二甲基丙烯酸酯水相悬浮接枝PP的制备
SBS接枝MAH方法及其改性沥青研究
精细高分子课程教学改革
高接枝率PP—g—MAH的制备及其在PP/GF中的应用
多糖类天然高分子絮凝济在污泥处理中的应用
白炭黑/胶原蛋白改性硅橡胶研究
EPDM接枝共聚物对MXD6/PA6/EPDM共混物性能的影响
白炭黑及其分散剂的发展及在轮胎中的应用