高分子阻尼材料的制備及其在橋梁支座上的應(yīng)用

李 斌，楊麗博，張保生，黃良平

(株洲時(shí)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備及其在橋梁支座上的應(yīng)用

李 斌，楊麗博，張保生，黃良平

(株洲時(shí)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減振降噪效果，已被廣泛應(yīng)用于建筑、機(jī)械、橋梁等領(lǐng)域。但大多數(shù)高分子材料單一使用時(shí)阻尼效果差，限制了其應(yīng)用范圍；而通過(guò)常規(guī)方法提高高分子材料的阻尼性能，其效果并不明顯。為獲得具有高阻尼損耗峰且有效阻尼溫域較寬的高分子阻尼材料，對(duì)國(guó)內(nèi)外高分子阻尼材料最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)高分子阻尼材料在橋梁支座上的工程化應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

高分子材料； 阻尼性能； 橋梁支座

0 前 言

高分子材料具有獨(dú)特的黏彈性，常被作為減振材料來(lái)使用，目前已被廣泛用于建筑、橋梁、機(jī)車、船舶等領(lǐng)域[1-5]。一般來(lái)說(shuō)，高分子材料在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)具有較高的阻尼效果，通常單一高分子材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域窄，僅有20～30 ℃[6]，這就使得單一的高分子材料難以滿足阻尼材料寬溫域的要求，限制了高分子材料作為阻尼材料的使用。

傳統(tǒng)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，但這無(wú)疑會(huì)造成生產(chǎn)成本的增加，且高分子材料阻尼效果提高得并不明顯[7-11]。為了獲得既具有較高損耗峰，又具有較寬有效阻尼溫域的高分子阻尼材料，同時(shí)減少高分子阻尼材料對(duì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的依賴性，采用化學(xué)方法設(shè)計(jì)橡膠分子結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，或構(gòu)筑特殊阻尼機(jī)制以提高高分子材料的阻尼性能[12-14]。綜述了近年來(lái)高分子阻尼材料方面的最新研究進(jìn)展，并對(duì)高阻尼橡膠支座在橋梁上工程化應(yīng)用及存在的問(wèn)題進(jìn)行了介紹。

1 微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 接枝改性

對(duì)高分子材料進(jìn)行接枝改性是一種能夠有效提高其阻尼性能的方法。通過(guò)在分子鏈上引入大基團(tuán)或強(qiáng)極性作用的基團(tuán)，增加分子鏈之間的作用力，來(lái)提高高分子材料的阻尼效果。常見(jiàn)的手段有環(huán)氧化改性、氯化接枝改性，通常制備阻尼材料選用的溴化丁基橡膠、羧基丁腈橡膠也都可以視為是由丁基橡膠、丁腈橡膠接枝改性得到的[15-16]。

Li B（李斌）[17-18]等人采用水相懸浮法對(duì)反式-1,4-聚異戊二烯進(jìn)行環(huán)氧化改性，制備了具有多重結(jié)構(gòu)的環(huán)氧化反式-1,4-聚異戊二烯(ETPI)。ETPI具有較寬的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，DMA測(cè)試發(fā)現(xiàn)，未添加任何填料及功能小分子的ETPI在-60～80 ℃的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)光滑的峰，顯示出極寬的阻尼溫域，且阻尼峰峰寬還能夠通過(guò)對(duì)ETPI各組分含量及結(jié)構(gòu)的調(diào)控來(lái)控制，預(yù)計(jì)未來(lái)將成為一種阻尼效果優(yōu)良的新型阻尼材料。

Xu H Y（許海燕）、Liu J W（劉吉文）[19-20]等將環(huán)氧化天然橡膠(ENR)與白炭黑在高溫條件下共混，利用白炭黑表面富有能與環(huán)氧基團(tuán)反應(yīng)的硅羥基，將白炭黑原位接枝在ENR上。其接枝機(jī)理如圖1所示。通過(guò)DMA對(duì)制備的復(fù)合材料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，ENR玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向高溫方向移動(dòng)了約20 ℃，制備的復(fù)合材料在室溫下?lián)p耗因子(tan δ)明顯提高。羅章等[21]人使用白炭黑填充ETPI，發(fā)現(xiàn)DMA譜圖中40 ℃以上的tan δ顯著提升，且有效阻尼溫域有擴(kuò)寬的趨勢(shì)。

圖1 白炭黑原位接枝ENR的反應(yīng)機(jī)理[20]

1.2 互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(IPN)的構(gòu)建

IPN材料是由2種或2種以上不相容或半相容的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)聚合物貫穿制備的，IPN具有強(qiáng)迫互容和微相分離的特點(diǎn)，大大擴(kuò)寬了聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，提高了分子鏈間的摩擦以及高分子材料的tan δ[22-24]。有報(bào)道稱[25]制備的IPN材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)到97 ℃，有效阻尼溫域達(dá)到了85 ℃，具有良好的阻尼效果。

Manoj NR[26]制備了羧基丁腈橡膠/聚甲基丙烯酸甲酯(XNBR/PMMA)的IPN材料。提高XNBR/PMMA的組成比例，DMA譜圖中的tan δ峰移向高溫方向，實(shí)現(xiàn)了阻尼峰出峰溫域的可調(diào)性。研究還發(fā)現(xiàn)在較寬的測(cè)試頻率范圍內(nèi)制備的XNBR/PMMA IPN材料阻尼性能，均較純XNBR的有所提高。

2 特殊阻尼機(jī)制

2.1 摩擦阻尼機(jī)制

高分子分子鏈與填料間的摩擦作用力對(duì)能量的耗散有著極其重要的作用。填料-填料摩擦、填料-分子鏈摩擦是填料在高分子材料中產(chǎn)生能量耗散的兩種重要方式[27-28]。

Suhr J[29]等人比較了納米填料微觀形態(tài)對(duì)阻尼材料的影響。通過(guò)在聚碳酸酯（PC）中分別添加1%的C60和單壁納米管(SWNT)，發(fā)現(xiàn)添加SWNT的PC在高應(yīng)變下，損耗模量較未填充填料的PC提高了250%，而添加C60的PC損耗模量基本保持不變。這是由于SWNT較C60有著更大的比表面積，在高應(yīng)變下，SWNT與聚合物間“滑移”距離長(zhǎng)，阻尼效果明顯。因此對(duì)于納米填料的選擇，長(zhǎng)徑比大的納米填料對(duì)高分子材料阻尼效果的提高更為有利。

Skandani A A[30]將ZnO納米棒接枝到碳纖維表面，并與環(huán)氧樹脂基體一起制備了復(fù)合材料(FRP)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改性后碳纖維填充的FRP阻尼性能較未使用改性碳纖維填充的FRP提高了近40%，同時(shí)貯能模量幾乎不變。這是由于1) ZnO納米棒改性后的碳纖維表面上有很多突起（其表面形貌如圖2所示），增大了碳纖維與環(huán)氧樹脂之間的滑移摩擦效應(yīng)；2) ZnO能夠作為一種壓電材料使用，使用ZnO納米棒改性的碳纖維有助于將外界振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而提高機(jī)體的阻尼效果。

圖2 掃描電鏡下水熱生長(zhǎng)ZnO納米棒的微觀形貌[30]

2.2 可逆氫鍵阻尼機(jī)制

氫鍵的引入也是一種提高高分子材料阻尼效果的有效方法。在外界的振動(dòng)作用下，基體中的氫鍵發(fā)生斷裂，同時(shí)又有新的氫鍵形成，這種可逆氫鍵的形成效應(yīng)能夠?qū)⒄駝?dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑢?shí)現(xiàn)能量的耗散，提高高分子材料的阻尼效果。目前大多數(shù)研究通過(guò)在高分子材料中添加功能小分子來(lái)提高基體中的氫鍵含量，使用的功能小分子多為受阻胺與受阻酚，功能小分子與高分子材料的相容性以及分散均勻性均會(huì)對(duì)阻尼效果造成較大影響[31]。Liu Q X[32]采用2,2'-亞甲基雙(4-甲基-6-叔丁基苯酚) (AO-2246)與極性相近的XNBR制備了一種阻尼材料。通過(guò)紅外與DCS測(cè)試發(fā)現(xiàn)，AO-2246在XNBR中分散均勻，且與XNBR分子鏈形成了較強(qiáng)的氫鍵；添加50%AO-2246的XNBR的tan δ值可達(dá)到3.5，且tan δ峰移向高溫方向，XNBR阻尼效果大幅提升。Lu X[33]發(fā)現(xiàn)使用2402 酚醛樹脂硫化的ENR較硫磺、過(guò)氧化物有著更寬的阻尼溫域，有效阻尼溫域可達(dá)到150 ℃，且在10-5～109Hz的測(cè)試頻率范圍內(nèi)均有較好的阻尼效果。通過(guò)紅外測(cè)試發(fā)現(xiàn)，這是由于2402酚醛樹脂中的羥基與ENR中的極性環(huán)氧基團(tuán)作用，形成氫鍵造成的。

Shi X Y[34]等人在EVM/NBR體系中加入白炭黑，利用白炭黑表面富含的—OH，與EVM中的C=O、NBR中的—CN作用形成氫鍵。DMA測(cè)試發(fā)現(xiàn)，相比于添加相同炭黑量的EVM/NBR，使用白炭黑的EVM/NBR在20～70 ℃范圍內(nèi)的tan δ峰大幅度提高，同時(shí)EVM/NBR拉伸強(qiáng)度略有提升，但硬度下降較為明顯。

2.3 壓電轉(zhuǎn)化阻尼機(jī)制

傳統(tǒng)的高分子阻尼材料在其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)阻尼效果最好，制備的阻尼材料容易受溫度與頻率的影響。壓電材料(PZT)作為一種新型材料，當(dāng)聲波或振動(dòng)能作用到PZT上，PZT通過(guò)壓電效應(yīng)將外界能量轉(zhuǎn)變成電能，用于阻尼材料中，能夠?qū)崿F(xiàn)能量耗散。但如果不能將產(chǎn)生的電能迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽a(chǎn)生的電能會(huì)再次轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)能，將弱化PZT的阻尼效果。

Liu Z Y等人[35]在PZT/EVA復(fù)合材料中添加導(dǎo)電炭黑，通過(guò)調(diào)節(jié)基體的導(dǎo)電性，期待能制備出一種新型阻尼復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)導(dǎo)電炭黑使用量小于5%時(shí)，復(fù)合材料電阻高，基體類似于電路開路[如圖3(a)所示]，PZT產(chǎn)生的電能無(wú)法轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，材料阻尼效果較差；炭黑用量為5%～15%時(shí)，復(fù)合材料導(dǎo)電性提高，PZT與炭黑間接觸，形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[如圖3(b)所示]，PZT產(chǎn)生的電能傳遞到橡膠材料基體中并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽枘嵝Ч蠓忍岣?；?dāng)炭黑使用量大于15%時(shí)，基體中形成類似電路短路的結(jié)構(gòu)[如圖3(c)所示]，PZT產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為熱能的效率降低，材料阻尼效果下降。

圖3 PZT/EVA復(fù)合材料導(dǎo)電性的調(diào)節(jié)

3 橋梁支座應(yīng)用

車輛行駛、地震產(chǎn)生的振動(dòng)均會(huì)對(duì)橋梁造成較大危害，直接影響橋梁的使用壽命。橋梁支座作為橋梁結(jié)構(gòu)的重要組成部分，能夠吸收振動(dòng)產(chǎn)生的能量，保證橋梁的結(jié)構(gòu)安全和使用壽命。

橋梁支座包括普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座，其中高阻尼橡膠支座的減振效果最佳。目前，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)學(xué)校、企業(yè)及研究院所對(duì)高阻尼支座進(jìn)行過(guò)研究，研發(fā)的高阻尼支座在阻尼方面與日本等國(guó)家相比仍有較大差距，具體表現(xiàn)在等效阻尼比較低、溫度相關(guān)性變化大等方面。我司通過(guò)多年研究，目前已開發(fā)出多種規(guī)格的高阻尼橡膠支座，性能滿足《公路橋梁高阻尼隔震支座通用技術(shù)規(guī)范》。通過(guò)對(duì)高阻尼支座產(chǎn)品進(jìn)行的等效阻尼比實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)(表1)，23 ℃條件下高阻尼支座的等效阻尼比超過(guò)了20%，且等效阻尼比與溫度的相關(guān)性較好，得到了用戶的廣泛認(rèn)可，目前已在港珠澳大橋、寧夏路橋等多個(gè)項(xiàng)目中取得了較好應(yīng)用。

表1 不同溫度下橋梁支座的阻尼效果

4 展 望

綜上所述，高分子阻尼材料已成為工程師們研究的熱點(diǎn)。隨著研究的日益廣泛和深入，高分子阻尼材料顯示出了良好的發(fā)展前景。常規(guī)方法制備的高分子阻尼材料在配方中常要添加大量的樹脂及油類，材料阻尼性能的提高并不明顯，同時(shí)還會(huì)造成材料加工工藝性變差。目前對(duì)高分子阻尼材料前瞻性的研究能夠大幅提高材料的阻尼特性，但存在技術(shù)要求高、材料價(jià)格昂貴等問(wèn)題，這無(wú)疑會(huì)阻礙高分子阻尼材料在工業(yè)化中的批量應(yīng)用。如何將高分子阻尼材料制備的前沿技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，還需要廣大科研人員進(jìn)行進(jìn)一步研究。

[1] 王雪飛, 張立群, 楊軍. 原位接枝改性炭黑補(bǔ)強(qiáng)NR在軸箱彈簧中的應(yīng)用[J]. 橡膠工業(yè), 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] 帥仁忠, 孫召進(jìn), 郭建強(qiáng),等. 聚合物阻尼材料在軌道車輛方面的應(yīng)用[J]. 科技資訊, 2011(35):4-5.

[4] 李德良, 王寶柱, 劉東暉,等. 阻尼材料的發(fā)展及其在艦船上的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代涂料與涂裝, 2008, 12(2):25-27.

[5] 周峰, 周士貴, 楊海深. 阻尼材料與汽車減振降噪[J]. 世界汽車, 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] 丁國(guó)芳, 曹君, 石耀剛,等. 新型高阻尼寬溫域氯化丁基橡膠復(fù)合材料制備及性能研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 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] 陳昊祥, 王傳東. XNBR納米復(fù)合材料在設(shè)計(jì)水聲傳感器中的應(yīng)用:碳納米管對(duì)材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和形態(tài)學(xué)的影響[J].橡塑資源利用, 2015(6):1-12.

[16] 楊靜, 李明俊, 徐泳文,等. 氫化丁腈橡膠中空纖維的制備及其阻尼性能研究[J]. 南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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, 羅章, 邵華鋒,等. 水相懸浮法合成環(huán)氧化反式-1,4-聚異戊二烯的組成與性能關(guān)系[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 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] 劉吉文,許海燕,吳馳飛. 環(huán)氧天然橡膠接枝高分散白炭黑增強(qiáng)天然橡膠復(fù)合材料的制備及表征［J］. 高分子學(xué)報(bào), 2008(2): 123-128.

[21] 羅章, 李斌, 邵華峰,等. 炭黑和白炭黑填充環(huán)氧化反式-1,4-聚異戊二烯硫化膠的性能研究[J]. 彈性體, 2015, 25(5):1-4.

[22] 陳端石,趙玫,周海亭. 動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)與噪聲學(xué)[M]. 上海:上海交通大學(xué)出版社,1996:193-143.

[23] 張浩勤. 粘彈瀝青阻尼材料減振降噪應(yīng)用技術(shù)[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 1994(3):31-37.

[24] 陳艷秋, 李劍鋒. 聚合礦物復(fù)合材料的阻尼性能與減振機(jī)理[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 1998(5):34-36.

[25] 晏欣, 孫衛(wèi)紅, 江盛玲,等. PEMA/PEA自交聯(lián)乳膠IPN阻尼材料的研究[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 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.

[責(zé)任編輯：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，山西晉中人，青島科技大學(xué)碩士研究生，主要從事橡膠減振制品配方研究與開發(fā)工作，已發(fā)表論文7篇。