那洪东 (炭黑工业研究设计院，四川 自贡643000) 编译

叠层结构抗震橡胶

那洪东 (炭黑工业研究设计院，四川 自贡643000) 编译

该专利介绍的叠层结构抗震橡胶，由金属板等硬质板材和橡胶层交替叠层在一起形成的叠层体构造。其中，橡胶层具有一定的硬度，可以改善弹性特性对温度的敏感性，具有较高的衰减特性。橡胶层采用以天然橡胶以及二烯类合成橡胶为主体成分的橡胶材料制成，在100份橡胶材料中，配合了60～120份氮吸附比表面积为100～230 m2/g的炭黑，10～60份经过酚醛树脂改性的双环戊二烯，该酚醛树脂中含有碳原子数为12的烷基苯酚。最后，将胶料压入金属板材之间硫化成型。

抗震橡胶;叠层;金属板;衰减性

专利中描述的抗震橡胶叠层体特别适合于用作土木建筑等建筑物(特别是桥梁)的载重支承体或者各种建筑物的抗震缓冲体。

在土木建筑领域，通常采用由刚性的金属板等硬质板材和橡胶层交替地叠合在一起构成的抗震橡胶叠层体。这种叠层体被广泛地用作建筑物的抗震支承体以及桥梁的载重抗震支承体。近年来，这种叠层体不仅被用作各种建筑物的支承体，而且还被用作各种建筑物的上部构造体与下部构造体之间的抗震缓冲体。

具体来说，下文将要详细介绍的抗震橡胶叠层体具有如图1所示的结构。即，在橡胶体12内采用金属板作为硬质板材，在叠层体的上部设置金属板18，下部设置金属板20以及数块中间金属板14，各金属板之间隔开一定的距离。位于金属板之间的是橡胶层16，这样，便组成了橡胶体12。金属板和橡胶层交替叠层在一起便形成了整体的抗震橡胶。

图1 抗震橡胶叠层体的结构(橡胶体 12，金属板 14，18，20，橡胶层16)

把这种抗震橡胶叠层体10用作建筑物的支承体时，它的上部安装板18以及下部安装板20固定在桥梁等建筑物的上部建筑体和桥墩等下部建筑体之间，用以支撑上部混凝土桥墩的建筑体，由此发挥抗震橡胶叠层体所具有的功能。由于地震，强风或者通过桥梁的车辆所产生的重压和加速度所造成的桥梁弯曲和位移，可以被橡胶叠层体在剪切方向上产生的缓冲作用所吸收。另外，上下方向的震动也可以被橡胶叠层体的缓冲作用所吸收。

显然，上述结构的抗震橡胶叠层体需要有较高的衰减特性。由于它暴露在温度范围较大的环境下，特别是用于桥墩上支撑桥梁时，由于环境温度处在从冰点以下到30℃以上这种严酷的自然条件下，所以，希望弹性系数对温度的敏感性要小为好。

为了做到这一点，在日本专利特开2000-97270号公报中提出，在以天然橡胶(NR)或者二烯类橡胶为主体成分的橡胶材料中，按一定比例配合诸如超耐磨炭黑(SAF)这一类的补强剂，再按一定比例配合沥青类或焦油类等可以提高衰减特性的组分。据称，采用这种胶料制成的抗震橡胶叠层体可以使弹性特性对温度保持较小的敏感性。同时，还可以有效地提高衰减特性。另外，为了有效地减少这种可提高衰减特性的组分对温度的敏感性所造成的影响，即，尽可能减小对温度的敏感性，还可以添加增塑剂。

在严寒地区使用这种抗震橡胶叠层体时，还需要进一步改善叠层体对温度的敏感性。另外，使用这种抗震橡胶叠层体的桥梁，在设计时为了降低造桥成本，尽量提高抗震橡胶叠层体的衰减特性是有效的方法。为了满足这一要求，按照以往的经验可以增加沥青的配合量以提高衰减特性。但是，这样做会产生对温度的敏感性提高的问题;另外，在桥梁等建筑物的设计中也存在一定的困难。

作为提高衰减特性的另一种方法，使用比超耐磨炭黑粒子更细的炭黑，或者增加炭黑的填充量。但是，在通常的情况下，胶料的加工性能将下降，容易引起焦烧。这样制成的抗震橡胶叠层体，其橡胶和金属板之间的结合处将会产生剥离，并且容易产生橡胶材料破损等问题。

提高衰减特性的第三种方法是配合双环戊二烯树脂。例如，在日本专利公开特许第2570340号公报中提出，将几块具有刚性的硬质板和具有粘弹性的软质板交替地贴合在一起，制成抗震结构体。构成软质板的材料为双环戊二烯树脂及其衍生物等，从中选出一种配合在橡胶中加以硫化，即可得到所要求特性的抗震结构体。

但是，配合了双环戊二烯树脂的橡胶材料硫化后制得的橡胶层存在着硬度降低(变得柔软)的问题，这是由于配合了双环戊二烯树脂引起的。在要求具有较高衰减特性和较高整体硬度的桥梁用抗震橡胶叠层体中，这种橡胶层难以采用以往使用的双环戊二烯树脂作为提高衰减特性的组分。

鉴于上述情况，当前需要解决的问题是，使抗震橡胶叠层体中的橡胶层具有较高的硬度，尽力改善弹性特性对温度的敏感性，并且具有较高的衰减特性。

下文所介绍的抗震橡胶叠层体可以有效地解决上述问题。将具有刚性的硬质板和橡胶层交替地叠层在一起，由此制成抗震橡胶叠层体。橡胶层采用以天然橡胶或者二烯类合成橡胶为主体成分的橡胶材料。对于100份(质量份数)该橡胶材料中配合60～120份氮吸附比表面积为100～230 m2/g的炭黑，10～60份改性双环戊二烯(该双环戊二烯采用含有12个碳原子的烷基酚醛树脂加以改性)，由此得到的胶料适合于用作橡胶层。这是此种抗震橡胶叠层体最大的技术特点。

这种抗震橡胶叠层体可用作严寒地区建筑物的抗震支承体，特别是用作桥梁的承重支撑体，以及桥梁和建筑物的抗震缓冲体。

作为胶料主要成分的橡胶材料是以天然橡胶或者二烯类合成橡胶为主体的聚合物组成的。二烯类合成橡胶有异戊二烯橡胶(IR)，顺丁橡胶(BR)，丁苯橡胶(SBR)，丁基橡胶，卤化丁基橡胶，丁腈橡胶(NBR)等。

配合在橡胶中的炭黑是氮吸附比表面积为100～230 m2/g的炭黑。如果炭黑的氮吸附比表面积低于100 m2/g时，则制得的抗震橡胶叠层体不能有效地发挥出高衰减特性。反之，如果氮吸附比表面积高于230 m2/g时，则制造抗震橡胶叠层体时容易引起胶料粘度的升高，加工性变差，混炼时生热大，高分子断裂等问题。

此种抗震橡胶叠层体中，作为提高衰减特性的组分，除了炭黑之外，还有改性的双环戊二烯树脂。

双环戊二烯树脂与天然橡胶或者二烯类合成橡胶以及炭黑的相溶性较好，将改性双环戊二烯树脂配合在橡胶材料中，有利于提高橡胶体12(橡胶层16)的衰减特性。同时，由于酚醛树脂本身具有粘性衰减效果，而且有利于提高橡胶层16的硬度，所以，改性双环戊二烯树脂可以良好地分散在橡胶体12(橡胶层16)之中，有效地提高衰减特性及保持一定的硬度。因此，它一方面能贡献一定的硬度，另一方面又不会使加工性能下降，也不会使弹性特性对温度的敏感性提高。由此，胶料可制成衰减特性更高的抗震橡胶叠层体10。

改性双环戊二烯树脂的配合量应该根据所要求的衰减特性的大小具体决定。为了使配合胶料能够充分地发挥高衰减特性的效果，对于100份(质量份数)橡胶来说，改性双环戊二烯树脂的配合量至少在10份以上，最好是在20份以上。但是，如果配合量过多，则橡胶体12中的弹性特性对于温度的敏感性将会提高。所以，配合量的上限应在60份以下，最好是在40份以下。即，改性双环戊二烯树脂的配合量应为10～60份，最好是20～40份。

胶料中还应适当配合凝固点在 －30℃以下的增塑剂，以保持炭黑以及烷氧基硅烷改性酚醛树脂的效果。

增塑剂可选用邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，邻苯二甲酸二辛酯(DOP)等邻苯二甲酸酯系增塑剂;己二酸二辛酯(DOA)，己二酸二异癸酯(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剂;癸二酸二辛酯(DOS)，癸二酸二丁酯(DBS)等癸二酸酯系增塑剂;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)等磷酸酯系可塑剂;壬二酸二辛酯(DOZ)。这些增塑剂可以单独使用，也可以并用。

对于100份橡胶，增塑剂的配合量应为1～50份，最好是2～25份。如果增塑剂的配合量过少，则不能充分地发挥出改善对温度的敏感性的效果。反之，如果配合量过多，和胶料的相容性下降，增塑剂会从橡胶层的外表面迁移出来，即，发生所谓的“喷霜”现象。

该专利中的抗震橡胶叠层体可以抑制对温度敏感性的提高。另外，为了提高衰减特性，还可以适当配合一些常用的沥青和焦油，包括各种天然沥青，直馏沥青，氧化沥青，稀释沥青等石油沥青。焦油为煤焦油，页岩焦油，木焦油，石油气焦油，石油焦油，精制焦油等。配合量应该根据具体情况适当选择。

综上所述，在如此组成的胶料中，可以和以往一样添加硫磺等硫化剂，也可以根据需要适当配合常用的硫化促进剂，硬脂酸和氧化锌等硫化促进助剂，操作油等软化剂，石蜡，防老剂等各种橡胶用配合剂，由此制成含有橡胶层16的橡胶体12。

当然，胶料也可以采用常见的几种成型方法。例如，为了得到如图1所示的抗震橡胶叠层体10，可以用密炼机混炼胶料，而后用模具硫化成型。在模具中置入金属板14，上部安装板18和下部安装板20，通过模具将橡胶体12硫化成型。在各金属板之间，通过橡胶层16硫化结合成一个整体的结构;或者使用胶粘剂将各金属板和橡胶层16交替地粘贴层压在一起，形成一个整体的结构，由此制成叠层体。

在抗震橡胶叠层体中，上部和下部的安装板18、20以及中间金属板14一般使用耐压缩性优异的铁板或钢板，也可以使用其它的金属材质，即使是硬质塑料板材等，只要是耐压缩性优异的材料都可以使用。

抗震橡胶叠层体10的整体形状可以根据它的设置形式来恰当选择。例如，除了平面状的四方形和圆形之外，还有椭圆形，五角形，六角形等多角形形状。另外，金属板和橡胶层16的叠层数量也可以根据抗震橡胶叠层体的用途作适当选择。

下面，根据实例以及对照例对抗震橡胶叠层体作进一步说明。

首先，制备如表1～2所示的由不同配方组成的胶料(实例1～6以及对照例1～4)。在用异戊二烯橡胶(IR)以及顺丁橡胶(BR)作为橡胶主体材料的同时，再添加上述助剂。作为可提高衰减特性的组分改性双环戊二烯树脂，可采用经含有十二烷基的酚醛树脂进行改性的双环戊二烯树脂(以下简称改性双环戊二烯树脂A，融点114℃)，或者将这种改性双环戊二烯树脂A再用液态顺丁橡胶作进一步改性(以下称作改性双环戊二烯树脂B，融点100℃)。炭黑选用氮吸附比表面积为171 m2/g的品种，增塑剂选用己二酸二辛酯(DOA)，硫化促进剂选用N-氧二乙撑2-苯并噻唑亚磺酰胺(MSA)以及四丁基秋兰姆二硫醚(TBT)。

然后，测定几种胶料的拉伸强度(MPa)，弹性模量(N/mm2)以及衰减常数(%)。

1)拉伸强度的测定

将胶料置于150℃ ×30 min的硫化条件下硫化成型，制成厚度为2 mm的硫化胶薄片，再将薄片裁切成3号哑铃状试片，测定其拉伸强度(MPa)，测试结果如表1，2所示。

2)弹性模量以及衰减常数的测定

首先，将上述几种胶料和4块金属板(25 mm×90 mm×4 mm)在150℃ ×30 min的硫化条件下硫化成型，制成如图2所示的样品。其中，橡胶体的大小为25 mm×20 mm×4 mm。

图2 测定弹性模量以及衰减特性时使用的样品

接着，按照图2所示的方向用剪切试验机

对样品施加振动。进行剪切试验时，变形频率为0.5 Hz，求出变形量为175%时的弹性模量(N/mm2)。另外，将试验后的样品放置24 h以上，求出250%变形时的衰减常数(%)。根据在剪切试验中得到的滞后回路曲线(参照图3)，由下式分别计算出弹性模量和衰减常数，求出10次的平均值。

表1

表2

图3 剪切试验中得到的应力和应变关系图

［弹性模量］=(k·H)/A

式中，K：绝对弹簧常数 =Fmax/δmax

H：试验中橡胶层总厚度

A：橡胶层的横断面面积

［衰减常数］=［ΔW/(2πW)］×100

式中，W：样品的弹性模量，即图3所示的三角形面积。

ΔW：样品吸收的总能量，即图3所示的滞后曲线包围部分的面积。

关于175%弹性模量，是在－20℃以及20℃不同条件下测定后，根据测定结果计算出－20℃时的弹性模量与20℃时的弹性模量之比。所得的值作为弹性模量对温度的敏感性(比值)，该比值越小，表明弹性模量对温度的敏感性越低。弹性模量(20℃)，衰减常数，弹性模量对温度的敏感性(比值)测定结果如表1，2 所示。

由表1，2的测定结果可知，实例1～6弹性模量均在规定值(0.6 N/mm2)以上，具有较高的衰减常数，而且弹性模量对温度的敏感性比较低。与对照例1～4的胶料相比，衰减特性和弹性模量对温度的敏感性均为良好，这些特性可以兼得。

［1］ 日本专利特开2007-263258(东海橡胶工业株式会社).

［助理编辑：邹瑾芬］

［责任编辑：张启跃］

TQ 336.4+2

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1671-8232(2010)11-0025-05

2009-04-27