丁基橡胶阻尼材料的混炼改性技术及其对力学性能的影响研究
丁国芳，罗世凯，石耀刚，曹君，陈立新，孙素明
(中国工程物理研究院化工材料研究所，绵阳621900)
摘要：研究了硬脂酸对丁基律胶阻尼材料胶料混炼工艺技术的改性，以及对体系相态结构和相关力学性能的影响。结果表明：在丁基株胶阻尼材料体系中加入适量的硬脂酸可以显著降低共混胶料体系的门尼粘度，有利于丁基像胶胶料的混炼加工，明显优化了混炼胶体系的相态结构，提高了第二组分的分散性和分散效果。在混炼胶体系中添加2份硬脂酸可以消除硫化成型后橡胶制品中的气泡现象，且对成型产品的力学性能和力学阻尼性能等综合使用性能没有不良影响。
关键词：硬脂酸 阻尼材料 混炼技术 力学性能
振动阻尼越来越成为发达国家一个热门的研究课题，高聚物力学阻尼材料是一种能消除振动和噪声，以聚合物为基质的功能材料。高分子阻尼材料是新发展起来的一种新型材料，作为吸振材料能防止或减轻机械振动对部件的破坏，已广泛应用于火箭、导弹、人造卫星、精密机床、精密仪器以及预防地震对高层建筑的破坏。随着现代化工业和航天事业的发展，高分子阻尼材料的应用将越来越广泛，[1.2]。
丁基橡胶由于聚异丁烯链段上有对称甲基，且异丁烯结构单元在大分子中所占比例大于97%，因而大分子链取代基数目很多，链段的弛豫阻力增大，内耗较大，其具有优越的阻尼性能，因而是应用最广的基础阻尼橡胶之一，由其研制的阻尼材料被广泛应用于相关阻尼结构中[3]。粘弹性阻尼结构的阻尼性能和阻尼材料的性能密切相关，优异的阻尼材料是提高结构阻尼性能的重要所在。
在橡胶阻尼材料研制中，混炼工艺和技术是研制性能稳定的结构材料的一个重要过程，但对于大多数聚合物来说，由于其结构、极性和分子量等特性不同，对其加工工艺会产生不同的影响，在混炼中难以达到预期的良好效果，混合后也难以获得比较好的共混体系。在研究中发现，由于丁基橡胶基体材料的自粘性和互粘性非常差，直接影响到胶料混炼工艺的难易和第二组分混合的均一性，最终影响硫化成型产品的表观颜色均匀性，表面部分会产生气泡。有研究者报道，阻尼材料中气泡的存在，特别是气泡较多的情况下，将会对阻尼材料的阻尼性能产生比较明显的影响[4.5]。
本文以丁基橡胶为基体材料，研究了加人硬脂酸来优化丁基橡胶胶料的自粘性和互粘性，以改善共混体系的相态结构，从而达到预期的研究目的。
1·实验
1.1主要材料
丁基橡胶(IIR):门尼粘度ML1+8。(125℃)40～80，不饱和度0.6%～3.0%;树脂硫化剂(FP):苯酚甲醛树脂，线性结构，软化点80～95℃，澳含量3.8%～4.2%，经甲基含量8%～12%;氧化锌(ZnO):分析纯;硬脂酸(SA):分析纯。
1.2基本配方
IIR100份，PFO～30份，ZnO 5份，SA O～6份。
1.3仪器设备
开放式炼塑机(SK—250，无锡市第一橡塑机械设备厂);模压成型机(YX—50，上海伟力机械厂);电磁平板硫化机(XLBDC-600x600-ZA，株洲时代机电设备有限责任公司生产);电子万能试验机(CMT-7105，珠海三思计量仪器有限公司);扫描电镜(kyky2800，北京中科科仪科学仪器厂)。
1.4性能测试
DMA测定:将试样按测试要求切成条状，美国TA公司Q800型动态热机械分析仪，单悬臂，测试频率为1Hz，升温速率2℃/min，样品尺寸4mmX12mmX3mm，测量温度-60～+100℃。
2·结果与讨论
2.1门尼粘度
在橡胶制品的混炼工艺中，体系的门尼粘度是直接反映胶料加工技术难易程度以及加工性能好坏的重要性能指标之一。对于本研究体系，通过二辊开炼机对胶料进行共混，由于丁基橡胶基体材料门尼粘度较高，给混炼工艺技术带来较大的困难，直接影响硫化用胶料的出片表面平整性能和均匀性，进而直接影响所研制阻尼材料的表观质量。因此选择向共混体系中加人SA来改善丁基橡胶阻尼材料混炼胶的加工性能，研究了不同加人量对胶料门尼粘度的影响规律，如图1所示。从图1曲线的规律中可以明显看出，随材料体系中SA用量的增加，共混胶料的门尼粘度值呈降低趋势，说明共混体系胶料的加工性能得到明显优化和改善，胶料的出片质量也得到很大提高。
2.2共混体系的相态结构
共混体系门尼粘度的变化则直接说明体系的相态结构发生改变，运用扫描电镜研究了在共混体系中加人SA前后相态结构及其分布状态的变化，图2给出了胶料体系的相态结构和第二组分的分散情况。
从图2(a)、(b)的对比结果中可以明显看出，在丁基橡胶阻尼材料胶料体系中添加SA后，胶料体系的相态结构稳定性和分散性得到优化和提高，说明共混体系的混容性得到明显改善。另一方面，从体系中第二组分树脂硫化剂分散效果也可以得到验证，在未添加SA的试样中存在一些分散性不好和聚结一起的大颗粒树脂硫化剂。而在添加了SA的胶料体系中，
二组分的分散状态良好，基本上观察不到较大粒径的分散相，基体胶料相的尺寸和相态稳定性更好。进一步说明所选择的SA对改善和优化丁基橡胶阻尼材料的加工工艺性能和相态结有显著的促进作用。
2.3力学性能
在阻尼材料的研制中，材料的力学性能也是其应用于阻尼构中的重要数据。研究了在体系中加人SA后对丁基橡胶阻材料体系力学性能的影响，数据如表1所示。
将表1中的力学性能数据进行对比可 知，在所研制的配方体系下，向体系中加人不同份SA时对丁基橡胶阻尼材料共混体系的力学性能影响不大，但在改善体系的相态结构方面没有明显的效果，当用量在2份以上后，丁基橡胶阻尼材料的扯断伸长率和扯断永久变形有所增大。
2.4力学阻尼性能
2.4.1动态力学性能
对体系中加入SA后的混炼胶进行动态力学性能测试分析研究，得到的DMA谱图如图3所示。
由对比曲线可知，在体系中加人一定量的SA后，丁基橡胶阻尼材料的阻尼性能得到了一定的优化和改善，整个阻尼曲线谱图稍有加宽，说明材料的阻尼性能更好，可以较好地适应较宽温度范围的阻尼减振需求。分析可知，在体系中加人一定量的SA后，共混物的相态结构得到明显优化，同时也使第二组分在体系中的分散性得到提高，这样就使得更有利于阻尼性能的支链或基团结构在阻尼减振中的作用得到体现，使分子链的振动和转变滞后于外力的作用，在测试性能上就表现为阻尼行为。
2.4.2模量
研究了在体系中加人SA后对丁基橡胶阻尼材料的损耗剪切模量和弹性剪切模量的影响，如图4所示。
所研制的配方体系中，由SA对丁基橡胶阻尼材料动态力学模量的影响可知，弹性模t和损耗模量都随SA的加人呈降低趋势，说明在体系中加人SA后，在有效优化和改善体系相态结构的同时，也大大提高了基体材料的分子链柔顺性，对共混体系胶料有一定的增塑软化作用，在测试外力的作用下就表现为模量下降。
3·结论
本实验研究了硬脂酸对丁基橡胶阻尼材料胶料混炼工艺技术的改进，以及对体系相态结构和相关力学性能的影响。研究结果表明，对于门尼粘度高、气密性好且自粘性差的丁基橡胶阻尼材料，在体系中添加合适的SA可以显著优化相态结构，提高第二组分的分散效果，有效改善胶料体系的混炼效果，尽量减少阻尼材料中的气泡量，同时对于其它高门尼粘度橡胶体系的共混改性技术的研究也具有重要的借鉴意义。
参考文献
1·万里鹰，肖凌.高聚物力学阻尼材料的研究进展[J].高分子材料科学与工程.1999，15(2):1
2·王勇，周祖福，梅启林，等.新型高分子阻尼材料的研究[J].武汉工业大学学报，2000，22(4):22
3·Freakley D K，PayneA.R Theory and practice of engineeing with rubber[M].
London:Applide Science Publicashers LTD，1978
4·赵培仲，朱金华，花兴艳.阻尼材料中气泡的存在对结构阻尼性能的影响[J].振动、测试与诊断，2005，25(2):138
5·王作龄.丁基橡胶加工技术(5)[J].世界橡胶工业，1994，(6):57
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