疊層結(jié)構(gòu)抗震橡膠

那洪東 (炭黑工業(yè)研究設(shè)計院，四川 自貢643000) 編譯

疊層結(jié)構(gòu)抗震橡膠

那洪東 (炭黑工業(yè)研究設(shè)計院，四川 自貢643000) 編譯

該專利介紹的疊層結(jié)構(gòu)抗震橡膠，由金屬板等硬質(zhì)板材和橡膠層交替疊層在一起形成的疊層體構(gòu)造。其中，橡膠層具有一定的硬度，可以改善彈性特性對溫度的敏感性，具有較高的衰減特性。橡膠層采用以天然橡膠以及二烯類合成橡膠為主體成分的橡膠材料制成，在100份橡膠材料中，配合了60～120份氮吸附比表面積為100～230 m2/g的炭黑，10～60份經(jīng)過酚醛樹脂改性的雙環(huán)戊二烯，該酚醛樹脂中含有碳原子數(shù)為12的烷基苯酚。最后，將膠料壓入金屬板材之間硫化成型。

抗震橡膠;疊層;金屬板;衰減性

專利中描述的抗震橡膠疊層體特別適合于用作土木建筑等建筑物(特別是橋梁)的載重支承體或者各種建筑物的抗震緩沖體。

在土木建筑領(lǐng)域，通常采用由剛性的金屬板等硬質(zhì)板材和橡膠層交替地疊合在一起構(gòu)成的抗震橡膠疊層體。這種疊層體被廣泛地用作建筑物的抗震支承體以及橋梁的載重抗震支承體。近年來，這種疊層體不僅被用作各種建筑物的支承體，而且還被用作各種建筑物的上部構(gòu)造體與下部構(gòu)造體之間的抗震緩沖體。

具體來說，下文將要詳細介紹的抗震橡膠疊層體具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)。即，在橡膠體12內(nèi)采用金屬板作為硬質(zhì)板材，在疊層體的上部設(shè)置金屬板18，下部設(shè)置金屬板20以及數(shù)塊中間金屬板14，各金屬板之間隔開一定的距離。位于金屬板之間的是橡膠層16，這樣，便組成了橡膠體12。金屬板和橡膠層交替疊層在一起便形成了整體的抗震橡膠。

圖1 抗震橡膠疊層體的結(jié)構(gòu)(橡膠體 12，金屬板 14，18，20，橡膠層16)

把這種抗震橡膠疊層體10用作建筑物的支承體時，它的上部安裝板18以及下部安裝板20固定在橋梁等建筑物的上部建筑體和橋墩等下部建筑體之間，用以支撐上部混凝土橋墩的建筑體，由此發(fā)揮抗震橡膠疊層體所具有的功能。由于地震，強風(fēng)或者通過橋梁的車輛所產(chǎn)生的重壓和加速度所造成的橋梁彎曲和位移，可以被橡膠疊層體在剪切方向上產(chǎn)生的緩沖作用所吸收。另外，上下方向的震動也可以被橡膠疊層體的緩沖作用所吸收。

顯然，上述結(jié)構(gòu)的抗震橡膠疊層體需要有較高的衰減特性。由于它暴露在溫度范圍較大的環(huán)境下，特別是用于橋墩上支撐橋梁時，由于環(huán)境溫度處在從冰點以下到30℃以上這種嚴酷的自然條件下，所以，希望彈性系數(shù)對溫度的敏感性要小為好。

為了做到這一點，在日本專利特開2000-97270號公報中提出，在以天然橡膠(NR)或者二烯類橡膠為主體成分的橡膠材料中，按一定比例配合諸如超耐磨炭黑(SAF)這一類的補強劑，再按一定比例配合瀝青類或焦油類等可以提高衰減特性的組分。據(jù)稱，采用這種膠料制成的抗震橡膠疊層體可以使彈性特性對溫度保持較小的敏感性。同時，還可以有效地提高衰減特性。另外，為了有效地減少這種可提高衰減特性的組分對溫度的敏感性所造成的影響，即，盡可能減小對溫度的敏感性，還可以添加增塑劑。

在嚴寒地區(qū)使用這種抗震橡膠疊層體時，還需要進一步改善疊層體對溫度的敏感性。另外，使用這種抗震橡膠疊層體的橋梁，在設(shè)計時為了降低造橋成本，盡量提高抗震橡膠疊層體的衰減特性是有效的方法。為了滿足這一要求，按照以往的經(jīng)驗可以增加瀝青的配合量以提高衰減特性。但是，這樣做會產(chǎn)生對溫度的敏感性提高的問題;另外，在橋梁等建筑物的設(shè)計中也存在一定的困難。

作為提高衰減特性的另一種方法，使用比超耐磨炭黑粒子更細的炭黑，或者增加炭黑的填充量。但是，在通常的情況下，膠料的加工性能將下降，容易引起焦燒。這樣制成的抗震橡膠疊層體，其橡膠和金屬板之間的結(jié)合處將會產(chǎn)生剝離，并且容易產(chǎn)生橡膠材料破損等問題。

提高衰減特性的第三種方法是配合雙環(huán)戊二烯樹脂。例如，在日本專利公開特許第2570340號公報中提出，將幾塊具有剛性的硬質(zhì)板和具有粘彈性的軟質(zhì)板交替地貼合在一起，制成抗震結(jié)構(gòu)體。構(gòu)成軟質(zhì)板的材料為雙環(huán)戊二烯樹脂及其衍生物等，從中選出一種配合在橡膠中加以硫化，即可得到所要求特性的抗震結(jié)構(gòu)體。

但是，配合了雙環(huán)戊二烯樹脂的橡膠材料硫化后制得的橡膠層存在著硬度降低(變得柔軟)的問題，這是由于配合了雙環(huán)戊二烯樹脂引起的。在要求具有較高衰減特性和較高整體硬度的橋梁用抗震橡膠疊層體中，這種橡膠層難以采用以往使用的雙環(huán)戊二烯樹脂作為提高衰減特性的組分。

鑒于上述情況，當前需要解決的問題是，使抗震橡膠疊層體中的橡膠層具有較高的硬度，盡力改善彈性特性對溫度的敏感性，并且具有較高的衰減特性。

下文所介紹的抗震橡膠疊層體可以有效地解決上述問題。將具有剛性的硬質(zhì)板和橡膠層交替地疊層在一起，由此制成抗震橡膠疊層體。橡膠層采用以天然橡膠或者二烯類合成橡膠為主體成分的橡膠材料。對于100份(質(zhì)量份數(shù))該橡膠材料中配合60～120份氮吸附比表面積為100～230 m2/g的炭黑，10～60份改性雙環(huán)戊二烯(該雙環(huán)戊二烯采用含有12個碳原子的烷基酚醛樹脂加以改性)，由此得到的膠料適合于用作橡膠層。這是此種抗震橡膠疊層體最大的技術(shù)特點。

這種抗震橡膠疊層體可用作嚴寒地區(qū)建筑物的抗震支承體，特別是用作橋梁的承重支撐體，以及橋梁和建筑物的抗震緩沖體。

作為膠料主要成分的橡膠材料是以天然橡膠或者二烯類合成橡膠為主體的聚合物組成的。二烯類合成橡膠有異戊二烯橡膠(IR)，順丁橡膠(BR)，丁苯橡膠(SBR)，丁基橡膠，鹵化丁基橡膠，丁腈橡膠(NBR)等。

配合在橡膠中的炭黑是氮吸附比表面積為100～230 m2/g的炭黑。如果炭黑的氮吸附比表面積低于100 m2/g時，則制得的抗震橡膠疊層體不能有效地發(fā)揮出高衰減特性。反之，如果氮吸附比表面積高于230 m2/g時，則制造抗震橡膠疊層體時容易引起膠料粘度的升高，加工性變差，混煉時生熱大，高分子斷裂等問題。

此種抗震橡膠疊層體中，作為提高衰減特性的組分，除了炭黑之外，還有改性的雙環(huán)戊二烯樹脂。

雙環(huán)戊二烯樹脂與天然橡膠或者二烯類合成橡膠以及炭黑的相溶性較好，將改性雙環(huán)戊二烯樹脂配合在橡膠材料中，有利于提高橡膠體12(橡膠層16)的衰減特性。同時，由于酚醛樹脂本身具有粘性衰減效果，而且有利于提高橡膠層16的硬度，所以，改性雙環(huán)戊二烯樹脂可以良好地分散在橡膠體12(橡膠層16)之中，有效地提高衰減特性及保持一定的硬度。因此，它一方面能貢獻一定的硬度，另一方面又不會使加工性能下降，也不會使彈性特性對溫度的敏感性提高。由此，膠料可制成衰減特性更高的抗震橡膠疊層體10。

改性雙環(huán)戊二烯樹脂的配合量應(yīng)該根據(jù)所要求的衰減特性的大小具體決定。為了使配合膠料能夠充分地發(fā)揮高衰減特性的效果，對于100份(質(zhì)量份數(shù))橡膠來說，改性雙環(huán)戊二烯樹脂的配合量至少在10份以上，最好是在20份以上。但是，如果配合量過多，則橡膠體12中的彈性特性對于溫度的敏感性將會提高。所以，配合量的上限應(yīng)在60份以下，最好是在40份以下。即，改性雙環(huán)戊二烯樹脂的配合量應(yīng)為10～60份，最好是20～40份。

膠料中還應(yīng)適當配合凝固點在 －30℃以下的增塑劑，以保持炭黑以及烷氧基硅烷改性酚醛樹脂的效果。

增塑劑可選用鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)，鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)等鄰苯二甲酸酯系增塑劑;己二酸二辛酯(DOA)，己二酸二異癸酯(DIDA)，二丁基乙二醇己二酸酯，二丁基二甘醇乙醚己二酸酯等己二酸酯系增塑劑;癸二酸二辛酯(DOS)，癸二酸二丁酯(DBS)等癸二酸酯系增塑劑;三甲苯基磷酸酯(TCP)，甲基苯基磷酸酯(CDP)，磷酸三丁酯(TBP)，磷酸三辛酯(TOP)，磷酸三丁氧基乙酯(TBXP)等磷酸酯系可塑劑;壬二酸二辛酯(DOZ)。這些增塑劑可以單獨使用，也可以并用。

對于100份橡膠，增塑劑的配合量應(yīng)為1～50份，最好是2～25份。如果增塑劑的配合量過少，則不能充分地發(fā)揮出改善對溫度的敏感性的效果。反之，如果配合量過多，和膠料的相容性下降，增塑劑會從橡膠層的外表面遷移出來，即，發(fā)生所謂的“噴霜”現(xiàn)象。

該專利中的抗震橡膠疊層體可以抑制對溫度敏感性的提高。另外，為了提高衰減特性，還可以適當配合一些常用的瀝青和焦油，包括各種天然瀝青，直餾瀝青，氧化瀝青，稀釋瀝青等石油瀝青。焦油為煤焦油，頁巖焦油，木焦油，石油氣焦油，石油焦油，精制焦油等。配合量應(yīng)該根據(jù)具體情況適當選擇。

綜上所述，在如此組成的膠料中，可以和以往一樣添加硫磺等硫化劑，也可以根據(jù)需要適當配合常用的硫化促進劑，硬脂酸和氧化鋅等硫化促進助劑，操作油等軟化劑，石蠟，防老劑等各種橡膠用配合劑，由此制成含有橡膠層16的橡膠體12。

當然，膠料也可以采用常見的幾種成型方法。例如，為了得到如圖1所示的抗震橡膠疊層體10，可以用密煉機混煉膠料，而后用模具硫化成型。在模具中置入金屬板14，上部安裝板18和下部安裝板20，通過模具將橡膠體12硫化成型。在各金屬板之間，通過橡膠層16硫化結(jié)合成一個整體的結(jié)構(gòu);或者使用膠粘劑將各金屬板和橡膠層16交替地粘貼層壓在一起，形成一個整體的結(jié)構(gòu)，由此制成疊層體。

在抗震橡膠疊層體中，上部和下部的安裝板18、20以及中間金屬板14一般使用耐壓縮性優(yōu)異的鐵板或鋼板，也可以使用其它的金屬材質(zhì)，即使是硬質(zhì)塑料板材等，只要是耐壓縮性優(yōu)異的材料都可以使用。

抗震橡膠疊層體10的整體形狀可以根據(jù)它的設(shè)置形式來恰當選擇。例如，除了平面狀的四方形和圓形之外，還有橢圓形，五角形，六角形等多角形形狀。另外，金屬板和橡膠層16的疊層數(shù)量也可以根據(jù)抗震橡膠疊層體的用途作適當選擇。

下面，根據(jù)實例以及對照例對抗震橡膠疊層體作進一步說明。

首先，制備如表1～2所示的由不同配方組成的膠料(實例1～6以及對照例1～4)。在用異戊二烯橡膠(IR)以及順丁橡膠(BR)作為橡膠主體材料的同時，再添加上述助劑。作為可提高衰減特性的組分改性雙環(huán)戊二烯樹脂，可采用經(jīng)含有十二烷基的酚醛樹脂進行改性的雙環(huán)戊二烯樹脂(以下簡稱改性雙環(huán)戊二烯樹脂A，融點114℃)，或者將這種改性雙環(huán)戊二烯樹脂A再用液態(tài)順丁橡膠作進一步改性(以下稱作改性雙環(huán)戊二烯樹脂B，融點100℃)。炭黑選用氮吸附比表面積為171 m2/g的品種，增塑劑選用己二酸二辛酯(DOA)，硫化促進劑選用N-氧二乙撐2-苯并噻唑亞磺酰胺(MSA)以及四丁基秋蘭姆二硫醚(TBT)。

然后，測定幾種膠料的拉伸強度(MPa)，彈性模量(N/mm2)以及衰減常數(shù)(%)。

1)拉伸強度的測定

將膠料置于150℃ ×30 min的硫化條件下硫化成型，制成厚度為2 mm的硫化膠薄片，再將薄片裁切成3號啞鈴狀試片，測定其拉伸強度(MPa)，測試結(jié)果如表1，2所示。

2)彈性模量以及衰減常數(shù)的測定

首先，將上述幾種膠料和4塊金屬板(25 mm×90 mm×4 mm)在150℃ ×30 min的硫化條件下硫化成型，制成如圖2所示的樣品。其中，橡膠體的大小為25 mm×20 mm×4 mm。

圖2 測定彈性模量以及衰減特性時使用的樣品

接著，按照圖2所示的方向用剪切試驗機

對樣品施加振動。進行剪切試驗時，變形頻率為0.5 Hz，求出變形量為175%時的彈性模量(N/mm2)。另外，將試驗后的樣品放置24 h以上，求出250%變形時的衰減常數(shù)(%)。根據(jù)在剪切試驗中得到的滯后回路曲線(參照圖3)，由下式分別計算出彈性模量和衰減常數(shù)，求出10次的平均值。

表1

表2

圖3 剪切試驗中得到的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系圖

［彈性模量］=(k·H)/A

式中，K：絕對彈簧常數(shù) =Fmax/δmax

H：試驗中橡膠層總厚度

A：橡膠層的橫斷面面積

［衰減常數(shù)］=［ΔW/(2πW)］×100

式中，W：樣品的彈性模量，即圖3所示的三角形面積。

ΔW：樣品吸收的總能量，即圖3所示的滯后曲線包圍部分的面積。

關(guān)于175%彈性模量，是在－20℃以及20℃不同條件下測定后，根據(jù)測定結(jié)果計算出－20℃時的彈性模量與20℃時的彈性模量之比。所得的值作為彈性模量對溫度的敏感性(比值)，該比值越小，表明彈性模量對溫度的敏感性越低。彈性模量(20℃)，衰減常數(shù)，彈性模量對溫度的敏感性(比值)測定結(jié)果如表1，2 所示。

由表1，2的測定結(jié)果可知，實例1～6彈性模量均在規(guī)定值(0.6 N/mm2)以上，具有較高的衰減常數(shù)，而且彈性模量對溫度的敏感性比較低。與對照例1～4的膠料相比，衰減特性和彈性模量對溫度的敏感性均為良好，這些特性可以兼得。

［1］ 日本專利特開2007-263258(東海橡膠工業(yè)株式會社).

［助理編輯：鄒瑾芬］

［責(zé)任編輯：張啟躍］

TQ 336.4+2

B

1671-8232(2010)11-0025-05

2009-04-27