陈 强，王光辉，李红伟，张 成

（彤程新材料集团股份有限公司，上海 200120）

随着现代工业的发展，振动工具和产生强烈振动的大功率机械设备等振动源不断增多，其所产生的振动和噪声对建筑、设备以及人类生活造成各种不利影响。利用橡胶材料的阻尼性质消除振动源产生的振动冲击和噪声传播是一种较为理想的方法。目前橡胶阻尼材料广泛应用于航空航天、民用建筑和环境保护等领域[1-4]。

橡胶阻尼材料的阻尼行为是材料受到外力作用，橡胶分子链段产生相对运动，从而将机械能转化为热能的过程。橡胶材料的阻尼行为与橡胶分子的运动状态相关，在玻璃态下，橡胶分子链段不能运动，橡胶材料的储能模量高，损耗模量较低，阻尼值小；在高弹态下，橡胶分子链段具有良好的运动能力，橡胶材料的储能模量低，橡胶分子链段形变后能够充分恢复到原有状态，橡胶材料的损耗模量也较低。只有在玻璃态到高弹态转变区间内，橡胶分子链段可以发生运动但并不能恢复到原有状态，其产生相对运动后橡胶材料才具有较大的损耗因子（tanδ），因此在这一区间内的阻尼效果较为明显。对于橡胶阻尼材料而言，要求其滞后损失大、损耗模量高、储能模量低，同时需要扩大有效阻尼的温度区域[1，5]。

选择适宜的聚合物、填料及利用树脂调整玻璃化温度区域都是有效提高橡胶阻尼材料阻尼性能的方法[6-8]。天然橡胶（NR）具有合成橡胶不具备的优异力学性能，且与金属有较高的粘合强度，因此以NR为基体的橡胶阻尼材料在建筑和桥梁减震等领域得到广泛应用[9-10]。对于NR为基体的橡胶阻尼材料，寻找有效调节其滞后损失的方法对于调整制品的阻尼性能将有明显帮助。

本工作研究不同分子结构功能树脂对以NR及其与丁苯橡胶（SBR）的并用体系为基体的阻尼橡胶材料性能的影响。

1 实验

1.1 主要原材料

NR，SMR20，马来西亚产品；SBR，牌号1502，中国石化齐鲁石油化工公司产品；炭黑N234，江西黑猫炭黑股份有限公司产品；1#—5#树脂（不同分子结构的功能树脂），市售品；6#—7#树脂（芳烃改性酚醛树脂），实验室自制。

1.2 配方

在NR/SBR 和NR 胶 料 配 方 中 加 入 树 脂（用量均为20份），其他配合剂相同。胶料配方如表1所示。

表1 胶料配方 份Tab.1 Compound formulas phr

1.3 主要设备和仪器

Banbury 1600型密炼机，美国法雷尔公司产品；BH-KL-6型开炼机，佰弘机械（上海）有限公司产品；XLB-D型平板硫化机，湖州宏桥橡胶机械有限公司产品；MDR2000型无转子硫化仪和MV2000型门尼粘度计，美国阿尔法科技有限公司产品；Instron 3365型电子万能材料试验机，美国英斯特朗公司产品；SDTA 861e型动态热力学分析仪，瑞士梅特勒-托利多公司产品。

1.4 试样制备

胶料混炼分3段，一段和二段混炼在密炼机中进行，在150 ℃下将橡胶、炭黑、操作油、硬脂酸和氧化锌混炼均匀，得到一段混炼胶；在145 ℃下将一段混炼胶与树脂和防老剂混炼均匀，得到二段混炼胶；在开炼机上加入二段混炼胶、硫黄和促进剂，薄通，压片，下片。混炼胶停放24 h。

胶料在平板硫化机上硫化，硫化条件为150℃×30 min。

1.5 测试分析

门尼焦烧时间按照GB/T 1233—2008进行测试，采用大转子，测试温度为127 ℃；硫化特性按照GB/T 16584—1996进行测试，测试条件为151℃×40 min；邵尔A型硬度和拉伸性能分别按照GB/T 531.1—2008和GB/T 528—2009进行测试，均采用厚度为2 mm试样，硫化条件为151 ℃×30 min；动态力学性能参照企业标准TS-A0411进行测试，采用剪切模式夹具，试验条件为：应力10 N，位移 15 µm，频率 10 Hz，温度范围－20～80 ℃，升温速率 3 ℃·min-1；等效阻尼比按照GB/T 20688.2—2006进行测试。

2 结果与讨论

2.1 功能树脂及其在橡胶阻尼材料中的应用

橡胶阻尼材料的阻尼作用取决于其滞后损失的大小，其tanδ越大，阻尼效果越好。橡胶材料的tanδ在其玻璃化温度区域达到最大值。对于实用的橡胶阻尼材料而言，在使用温度范围内需要保持橡胶材料的基本形态，因此橡胶阻尼材料在使用温度范围内不能处于玻璃化转变区域。利用具有高玻璃化温度的树脂对橡胶阻尼材料的tanδ曲线进行调节是调整其性能的有效手段。

由于树脂与橡胶的相容性差异，不同分子结构树脂对橡胶材料的tanδ曲线的影响是不同的。当树脂与橡胶具有良好的相容性时，橡胶材料的tanδ曲线上树脂的玻璃化转变与橡胶的玻璃化转变融合为单一的信号；当树脂与橡胶的相容性较差时，则树脂与橡胶的玻璃化转变分别在橡胶材料的tanδ曲线上表现出来。同时，不同树脂具有不同的内聚能，内聚能高，则橡胶材料产生的内耗高，tanδ大。

图1所示的不同类型树脂在提高橡胶材料阻尼性能方面都有应用实例，其中具有极高内聚能的酚醛树脂在橡胶阻尼材料中已经有了较多的应用[11-13]。

2.2 不同分子结构树脂对胶料动态力学性能的影响

为了对比不同分子结构树脂对橡胶材料动态性能的影响，收集了市场上不同类型的4种树脂，包括双环戊二烯（DCPD）树脂、古马隆树脂、萜烯酚树脂和烷基酚醛树脂（分别记为1#—4#树脂），其基本性质如表2所示。1#—4#树脂的分子极性从低到高，3#和4#树脂分子由于酚类结构的引入，酚羟基内部具有较强的氢键作用，树脂的内聚能也提高。

表2 4种分子结构树脂的基本性质Tab.2 Basic properties of resins with four kinds of molecular structures

动态热力学分析仪是测试橡胶材料动态力学性能的有效仪器，可以直接测定橡胶材料的tanδ[14]。在NR/SBR胶料中分别加入20份1#—4#树脂，进行胶料动态性能对比，结果如图2所示。

从图2可以看出，1#—4#树脂的分子极性从低到高，树脂与橡胶的相容性也发生变化，3#和4#树脂胶料的tanδ曲线在高温区域出现第2个峰，表明部分相分离的存在。在低温区域，树脂处于玻璃态，起到提高胶料储能模量的作用，随着温度上升，树脂逐渐软化，导致含树脂胶料储能模量下降。其中，1#树脂胶料储能模量下降最快，在－10℃左右即低于空白胶料；随着树脂的分子极性的增强，低温区域相应胶料的储能模量更高，且下降越趋于缓慢，要达到更高温度才能与空白胶料储能模量相当。加入树脂后，胶料的tanδ明显增大，而且树脂的分子极性对于tanδ有明显影响。在低温区域，分子极性低的树脂胶料具有更大的tanδ，在高温区域则正好相反，分子极性高的树脂胶料具有更大的tanδ。对于橡胶阻尼材料而言，有效阻尼的温度区域是非常重要的，在更宽的温度范围内有大的tanδ意味着材料能够有效吸收不同频率的振动能量。因此，1#—4#树脂胶料的适用温度范围还需进一步扩展，以优化其阻尼性能。

综上所述，树脂的分子结构对NR/SBR胶料的储能模量和tanδ都有重要影响。因此，适当地调控树脂的分子结构，控制树脂的分子极性及其与橡胶的相容性，使胶料在更宽的温度范围内具有较大的tanδ是有可能的。

2.3 芳烃改性酚醛树脂对胶料性能的影响

表3示出3种不同分子结构树脂的基本性质，其中5#树脂为行业内常规使用的阻尼树脂（碳氢树脂），6#和7#树脂为改性剂质量比分别为0.25和0.50的芳烃改性酚醛树脂。芳烃改性酚醛树脂是实验室自制样品，尝试通过芳烃改性方法调整树脂与橡胶的相容性，以平衡高低温度区域的tanδ值，同时通过树脂合成工艺条件的控制，使6#和7#树脂具有较为接近的玻璃化温度。

表3 3种分子结构树脂的基本性质Tab.3 Basic properties of resins with three kinds of molecular structures

2.3.1 硫化特性

在NR/SBR和NR胶料中加入5#—7#树脂，对胶料的硫化特性（150 ℃）进行测试，结果如表4所示。

表4 5#—7#树脂对NR/SBR和NR胶料硫化特性的影响Tab.4 Effect of 5#—7# resins on curing characteristics of NR/SBR and NR compounds

从表4可以看出：对于NR/SBR胶料，6#和7#树脂胶料的Fmax较5#树脂胶料更大，这与前面试验中树脂分子极性影响结论是一致的，树脂的改性导致胶料初始硫化速度加快，尤其是7#树脂胶料的ts1和t10明显缩短，但是t90接近；对于NR胶料，6#和7#树脂胶料的硫化速度较5#树脂胶料明显加快，而7#树脂胶料的硫化速度较6#树脂加快，表明通过芳烃改性，树脂分子结构的改变对胶料硫化特性有明显影响。

2.3.2 物理性能

5#—7#树脂对胶料物理性能的影响如表5所示。

表5 5#—7#树脂对NR/SBR和NR胶料物理性能的影响Tab.5 Effect of 5#—7# resins on physical properties of NR/SBR and NR compounds

从表5可以看出，6#树脂胶料的硬度和拉伸性能高于5#和7#树脂胶料，这主要是由于6#树脂的改性剂用量较小，因此6#树脂的分子极性高于7#树脂，与橡胶的相容性略差。如前所述，树脂的分子极性高时，其与橡胶的相容性差，树脂对橡胶更多地起补强的作用；当树脂与橡胶的相容性好时，树脂对橡胶起增塑作用。

2.3.3 动态力学性能

5#—7#树脂对NR/SBR和NR胶料动态力学性能的影响如图3所示。

从图3可以看出：对于NR/SBR胶料，6#树脂胶料与前面的分子极性高的树脂胶料具有类似的tanδ-温度曲线，胶料得tanδ在低温区域较小，在高温区域大，说明6#树脂的分子极性仍然偏高；而5#树脂胶料的tanδ在0～60 ℃范围内变化相对较小，tanδ曲线较为平稳；7#树脂胶料的tanδ在20～60 ℃范围内较5#树脂胶料明显增大，意味着在这一温度区域7#树脂胶料的阻尼性能提升。对于NR胶料，3种树脂胶料的tanδ曲线差异更明显，与5#树脂胶料相比，6#树脂胶料的tanδ仍然有低温区域小、高温区域大的趋势，7#树脂胶料的tanδ曲线则在0～80℃范围内变得更为平稳，且其tanδ较5#树脂胶料更大。

2.3.4 等效阻尼比

基于上述研究结果，客户对使用5#和7#树脂的圆形和矩形两种橡胶减震支座（见图4）的等效阻尼比进行了测试和对比。结果表明，使用7#树脂的橡胶减震支座的等效阻尼比较使用5#树脂的橡胶减震支座提升了35%，说明通过树脂结构的调控可以有效提升橡胶材料的阻尼性能，这对于开发高阻尼橡胶材料具有积极意义。

3 结语

橡胶是一种重要的阻尼材料，在应用过程中，一方面要保持其高弹性，另一方面要提高其阻尼特性。通过功能树脂调整橡胶阻尼材料的tanδ曲线是一种提高其阻尼性能的有效方法。树脂的玻璃化温度高，可以提高橡胶阻尼材料的玻璃化温度，增大tanδ。不同分子结构的树脂与橡胶具有不同的相容性，相容性的差异对于调整不同温度范围内使用的橡胶阻尼材料的tanδ曲线有重要意义。

本工作试验表明，通过树脂的分子结构调控，可以实现特定温度范围内橡胶阻尼材料的tanδ增大，从而提升橡胶阻尼制品的阻尼性能。