AO-80/201树脂/BIIR共混阻尼橡胶动态力学性能研究

赵苗苗，段宇星，王建强

（中国飞机强度研究所，西安 710065）

随着高新技术的发展，航空航天武器装备在高速度、大功率、长寿命和舒适可靠性方面取得长足的进步，而减振降噪技术是飞机安全可靠的基本保证。高分子阻尼材料作为减振降噪材料被广泛应用于航空航天领域[1]。高分子材料动力学性能受使用温度、振动频率的影响较大。溴化丁基橡胶（BIIR）大分子链取代基数目较多，链段的迟豫阻力大，内耗较大，是一种良好的减振降噪材料。BIIR阻尼功能区从-60 ℃一直延续到10 ℃左右，是均聚物中阻尼温域最宽的一种阻尼材料。但在10 ℃以上，BIIR的阻尼功能几乎丧失，同时材料动力学性能受使用温度、振动频率的影响较大。因此，如何拓宽BIIR域的阻尼功能区温度范围，是高性能阻尼BIIR的研究方向。

赵秀英[2]等研究了向极性侧基丁腈橡胶中添加极性小分子的阻尼设计方法，极性小分子 AO-60的添加使材料内部形成了富集相和氢键，这一结构使材料具有极高的减振性能。丁国芳等[3-4]研究了 201树脂材料对丁基橡胶阻尼性能的影响，201树脂的添加可以使材料的玻璃化温度向高温区域移动。笔者将AO-80、201树脂复合到溴化丁基中，通过 DMA分析方法研究了AO-80、201树脂以及在不同使用频率和不同使用温度下材料的阻尼特性，同时对 AO-80制备AO-80/酚醛树脂/BIIR共混阻尼橡胶的约束阻尼结构进行了减振降噪性能评估，为溴化丁基阻尼材料的研究提供一定技术支持。

1 实验与设计方法

1.1 原材料

实验所用原材料为：溴化丁基橡胶（2255）100份，埃克森；硫化剂，201酚醛树脂10～50份，山西化学研究所；受阻酚AO-80 10～50份，北京加成助剂研究所产品；氧化锌 5份，分析纯；硬脂酸 2份；高耐磨炭黑50份；石蜡 2份。

1.2 试样制备

按所设计的配方在开炼机上混炼出片，然后再置于500 mm×500 mm平板硫化机中进行硫化，硫化温度为160 ℃，硫化时间为10 min。最后进行裁样，进行性能测试。

DMA谱图测定：将试样按要求切成条状，实验仪器为梅特勒 DMA（861e）型动态热机械分析仪。样品尺寸为10 mm×35 mm×3 mm，测量温度范围为-70 ℃～+70 ℃，升温速度为3 ℃/min，测试频率为100 Hz，测试模式为拉伸模式。

2 试验与结果分析

2.1 阻尼机理

黏弹性材料产生阻尼的根本原因是由于其具有黏弹性，使之在交变应力作用下产生滞后现象以及力学损失。滞后是指材料在交变应力作用下由于黏滞性作用导致应变落后于应力的现象，力学损失是指在每一个循环周期内由于发生力学耗散而导致的能量损失。当聚合物与振动物体产生接触时，必然会吸收并使一定的振动能量转化为热能，使振动衰减。黏弹性材料随温度的变化存在玻璃态、玻璃态转变区和高弹态，阻尼材料要求高内耗，即Tan δ大，理想的阻尼材料应在整个工作温度区间内都有较大的内耗。对于不同应用的阻尼减振橡胶，在选材时应使黏弹性材料的动态性能处于合适的温度范围内[5-6]，如图1所示。

2.2 动力学性能研究

不同添加比例下201树脂/BIIR共混体的Tan δ-T图如图2所示，可以看出，在201树脂/BIIR共混体系中，随着201树脂应用量的增大，BIIR的Tan δ值由0.81降至0.53，最佳使用温度由-10 ℃向高温区域偏移至5 ℃。当201树脂使用量为10份时，材料最大损耗因子最高。这可能是由于201树脂分子含有醚键和大量的羟基官能，因此其分子间和分子背部存在相互作用力——氢键。随着树脂用量的增大，未参与反应的氢键越多，在交变应力作用下，测试温度升高，氢键断裂吸收能量，使其Tan δ峰对应的温度向高温方向移动。Tan δmax值的下降一般认为是由于树脂为线性结构，当树脂用量超过饱和用量时，分子间有促滑作用，降低了材料的Tan δ[7]。

201复合BIIR材料的DMA曲线只出现了一个损耗峰，可推断此体系中树脂硫化剂与溴化丁基材料具有良好的相容性。

AO-80添加量为10，20，30份时，橡胶材料在100 Hz下的DMA曲线如图3所示。AO-80的添加使得材料的最大损耗因子增大，同时材料的最佳使用温度向高温方向移动，材料呈现两个阻尼峰。研究表明，当AO-80用量为30份时，tan δ＞0.3的温域为-40～60 ℃。参考王永刚[7]等的研究，认为AO-80加入后，在BIIR基体中形成了AO-80富集相。AO-80分子间以及AO-80分子与BIIR所形成氢键使得AO-80/酚醛树脂/BIIR体系中形成了超分子网络结构，交联密度提高，引起分子链段阻力增大，耗能多，阻尼性能优异。

2.3 不同应用环境下材料的动态力学性能

AO-80/酚醛树脂/BIIR共混阻尼橡胶在5，100，200 Hz下的tan δ-T曲线如图4所示，可以看出，随着使用频率的增大，材料阻尼峰“变胖”，tan δ-T在-50～50 ℃上的包络面积增大，材料表现出宽温域高阻尼特征。同时，材料阻尼峰向高温区域移动。由图5可以得出，当材料使用温度由30 ℃降低至-30 ℃时，材料的最佳使用频率向低频方向移动，即材料的低温相当于材料的高频效应。

2.4 减振降噪方面的应用

约束阻尼层是减振降噪领域常用的阻尼处理方法，对AO-80/酚醛树脂/BIIR共混阻尼橡胶进行约束阻尼处理。依据GB/T 18258—2000《阻尼性能测试方法》进行测试，分别对不附加阻尼层、附加国外某先进阻尼层、附加新研材料的悬臂梁依次进行扫频试验。频带范围为50～2 000 Hz，试验量值为1 g，扫频速率为1 oct/min。测试数据如图6所示，经受阻酚AO-80/201酚醛树脂处理后的约束阻尼层可消减25%数量的共振峰，优于国外先进阻尼材料。由表1可得出，共振峰阻尼系数、剩余峰高数据同时表明，AO-80/酚醛树脂/BIIR共混阻尼橡胶均优于国外先进阻尼材料，AO-80/酚醛树脂/BIIR具有更高的减振降噪效果。

表1 减振降噪效果分析

4 结语

通过DMA技术研究了AO-80/酚醛树脂/BIIR共混阻尼橡胶的阻尼性能，讨论了树脂硫化剂和AO-80受阻酚对阻尼材料最大损耗因子和有效阻尼温域的影响，同时对阻尼机理进行了分析，为研究不同应用的阻尼材料提供了理论基础。研究了不同温度和不同频率下材料的阻尼性能，最后以约束阻尼结构对AO-80/201树脂/BIIR共混阻尼橡胶在减振降噪领域的应用进行分析，AO-80/酚醛树脂/BIIR共混阻尼橡胶材料具有更好的减振降噪效果。