防震橡膠用新規(guī)阻尼材料的開發(fā)
發(fā)布時間：2011/12/11 作者: 普利司通株式會社 化工品材料開發(fā)部 真下成彥 來源: 中國橡膠網(wǎng)
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1. 序言1）
鉛芯隔震橡膠支座是在積層橡膠的中心孔里填充了阻尼材料鉛芯，它被廣泛用作防震用積層橡膠。這種隔震橡膠的特點是，具備阻尼功能，可通過改變?nèi)ㄖ睆絹碚{(diào)整阻尼量。我們研發(fā)了在中心孔里填充新型阻尼材料的積層橡膠，特此報告。如圖1所示，阻尼材料是在塑性流體性狀的高粘度高分子混合物（以下稱為高粘性體）里填充鐵粉混合而成，阻尼力由鐵粉間流動的高粘性體的流動阻力和鐵粉間的摩擦力引起。
用于本阻尼材料的高粘性體是在橡膠（天然橡膠·合成橡膠）中加入填充材料·補強材料混合而成，它和其他一般工業(yè)用橡膠材料的不同點是沒有在橡膠分子間進行化學(xué)結(jié)合。因此，這種材料具有流動性，可進行材料間的壓縮，性質(zhì)類似工作用粘土。鐵粉的形狀不定、平均粒徑約40μm。使用這種粒徑容易和高粘性體混合，相比其它的大粒徑，可得到相對大的阻尼力。鐵粉的混入量以體積填充率〔=（鐵粉體積）/（阻尼材料體積）×100％〕表示，大致為60%。鑒于均等球狀鐵粉的細(xì)密體積充填率74%，它算得上是相當(dāng)高的體積填充率。圖2為顯微鏡拍攝的阻尼材料放大照片。
本阻尼材料的阻尼特性很難直接調(diào)查，所以利用小型天然橡膠系積層橡膠數(shù)模（橡膠材料的剪切彈性模數(shù)0.39N/mm2，外徑225mm，中心孔徑45mm，1次形狀參數(shù)S1=25，2次形狀參數(shù)S2=5.0），在中心孔里填充阻尼材料，調(diào)查其特性。結(jié)果在圖3中分別以積層橡膠的公稱應(yīng)力—公稱應(yīng)變關(guān)系表示：（a）中心孔里填充高粘性體單體時的特性；（b）高粘性體里填充混有鐵粉的本阻尼材料時的特性。結(jié)果顯示高粘性體單體雖然無法取得大的阻尼力，但是混合了鐵粉后，阻尼力變大。
填充本阻尼材料的積層橡膠，作為復(fù)原力特性的一個實例，在積層橡膠（橡膠材料的剪切彈性模數(shù)0.39N/mm2，外徑800mm，塞栓直徑160mm，S1=37，S2＝4.9）上施加15MPa表面壓力的狀態(tài)下，對剪切應(yīng)變振幅200％，250％的變形分別延長68循環(huán)、18循環(huán)后，檢查內(nèi)部的阻尼材料狀態(tài)，然后切斷積層橡膠（圖4）。阻尼材料在積層橡膠側(cè)咬邊，表面出現(xiàn)凹凸，但是沒有顯著的缺損和裂縫。沿中心軸切斷圓柱狀阻尼材料，在內(nèi)部也未發(fā)現(xiàn)明顯的缺損和裂縫。
下面，從材料使用壽命的觀點出發(fā)，考慮到新材料的長期耐久性，就必須進行熱老化試驗、環(huán)境暴露考核，現(xiàn)報告考核結(jié)果。依據(jù)防震橡膠長期耐久性預(yù)測中運用的活化能觀點，對使用本材料的防震橡膠的長期耐久性3) 也進行了考察。
阻尼材料由高粘性體和鐵粉制成。眾所周知，高分子材料的熱老化變化大于金屬材料。因此，首先考核高粘性體單體的熱老化。圖6表示在氮氣下，高粘性體暴露在各種溫度下熱老化后的粘彈性特性（Ｇ’, Tanδ）變化率。不管在哪種暴露溫度下，Ｇ’都跟暴露日數(shù)成正比，越在高溫下暴露越快速變大。另一方面，Tanδ與暴露日數(shù)成反比，越在高溫下暴露越快速變小。
2．阻尼材料概要
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3．使用和實物一般大的隔震橡膠，重復(fù)變形
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對縮小試驗體實施基本特性試驗后，應(yīng)變200%助力100循環(huán)。５(a)顯示滯后曲線２）。這時的累計變形量約為36m。此外，試驗條件為表面壓力10N/mm2、加振頻率0.33Hz。對應(yīng)助力循環(huán)數(shù)，切片負(fù)荷Qd和等效粘性衰減Heq慢慢降低，圖5（b）顯示以第三循環(huán)為基準(zhǔn)的變化率。到了50循環(huán)，切片負(fù)荷Qd大約下降30%，之后在第100循環(huán)后穩(wěn)定。它的趨勢類似鉛栓積層橡膠。為了在反復(fù)試驗2日后測量基本特性，助力應(yīng)變100%, 200%, 250%。觀察和圖5（c）的初期基本特性試驗比較過的滯后曲線，發(fā)現(xiàn)特性雖然在反復(fù)試驗中下降，但是數(shù)日后就能得到恢復(fù)。
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4．熱老化考核
材料是高粘度高分子混合物（以下簡稱為高粘性體）中混入數(shù)十μｍ大小鐵粉形成的阻尼材料（以下簡稱為阻尼材料）。熱老化考核是將這些材料置于氮氣中，設(shè)定各種溫度，考核放置前和放置后的各力學(xué)特性。環(huán)境暴露考核是將阻尼材料成型的塞栓置于40℃98％濕度下，觀察狀態(tài)變化。還將曝于各條件下的塞栓填充到免震橡膠，考核阻尼性能變化。
4．1．高粘性體的熱老化考核結(jié)果
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4．2．塞栓的熱老化考核結(jié)果
接下來，對阻尼材料（高粘性體里混合鐵粉生成）成型的塞栓實施了熱老化考核。這種塞栓的材料設(shè)計是為了使其在填充到防震橡膠的中心孔里后才發(fā)揮阻尼特性。所以，無法像高粘性體那樣考核單個塞栓的粘彈性特性。這就需要測量塞栓的表面硬度，并根據(jù)熱暴露測量變化。
圖7顯示熱暴露引起的阻尼材料的硬度（肖氏D硬度）變化。和前面的單個高粘性體的粘彈性特性變化相比，混有鐵粉的阻尼材料，在任何溫度下表面硬度變化都在５％以內(nèi)。為了參考，實施了空氣中120℃的暴露實驗，表面硬度雖然急劇變化，但是10日后穩(wěn)定在20%左右。
5．塞栓的環(huán)境暴露考核
阻尼材料由鐵粉制成，有可能在塞栓的制造流程中因雨水或濕氣導(dǎo)致生銹。而且，填充到防震橡膠中以后，還可能發(fā)生防震橡膠浸水的情況。因此，采用非實際的過激條件，將塞栓放在濕熱槽中（40℃98％濕度下）曝曬一個月，發(fā)現(xiàn)表面上長滿了紅銹（圖8：塞栓上面的照片）。然而，切開塞栓后，并未發(fā)現(xiàn)銹斑波及內(nèi)部。將在濕熱槽里放置了1個月的塞栓填充到防震橡膠里，考核其阻尼性能。圖9是防震橡膠的屈服剪切應(yīng)力(τp ）的應(yīng)變依存性，它和未老化塞栓的測量結(jié)果（初期）重記、并填充了濕熱老化的塞栓。由此可知老化后在大變形區(qū)域τp雖有下降，但是最大不超過20%。
6．活化能的計算和長期耐久性預(yù)測
為了測量阻尼材料的長期耐久性，運用高粘性體（遇熱變化大）熱暴露時的物性變化數(shù)據(jù)（圖6），估算阿列紐斯型的活化能大約是15Kcal/mol。預(yù)測阻尼材料的長期壽命需要多方面的實驗驗證，這里暫時假定整個塞栓可根據(jù)這個活化能來估算變化，120℃14日的條件，按室溫?fù)Q算估計相當(dāng)于30年。不過，在氮氣下的熱暴露，幾乎看不到變化（圖7），所以將120℃空氣中放置了14日、表面硬度變化最大的塞栓塞入防震橡膠中心孔，測量其阻尼特性的變化。圖10是和未老化塞栓的測量結(jié)果（初期）重記的、老化塞栓的屈服剪切應(yīng)力（τp）的應(yīng)變依存性。由此可知，塞栓表面硬度雖然變化了20%，但是性能卻幾乎不變化。這暗示即使在空氣中老化，塞栓內(nèi)部幾乎沒有變化。
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