硅橡胶／氯化聚乙烯泡沫合金材料的阻尼性能研究

丁国芳，曹君，罗世凯，石耀刚

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900）

硅橡胶／氯化聚乙烯泡沫合金材料的阻尼性能研究

丁国芳，曹君，罗世凯，石耀刚

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900）

采用机械共混法制备了硅橡胶／氯化聚乙烯泡沫合金材料，研究了硅橡胶／氯化聚乙烯共混胶相容性及热处理时间对泡沫合金材料密度、泡孔结构及阻尼性能的影响。结果表明，硅橡胶／氯化聚乙烯共混胶具有较好的相容性；与实心共混胶相比，泡沫合金材料的阻尼性能显著提高，损耗因子从0.43提高到0.68，损耗因子大于0.3的有效阻尼温域从16℃拓宽到45℃，玻璃化转变温度向高温偏移了13℃左右；当受到热处理之后，泡沫合金材料的阻尼性能降低。

硅橡胶；氯化聚乙烯；泡沫材料；阻尼性能

0 前言

航天飞行器、运载火箭、卫星、导弹、军事武器、飞机、舰船、精密仪器等高技术产品在贮存、运输、发射及飞行过程中将工作环境的影响产生不同程度的振动和噪声，振动和噪声轻则影响这些高技术产品相关部件中仪器仪表的正常工作，影响其运行质量和操作精度，缩短使用寿命，危及使用安全性［1－2］。各种机械设备在运转及工作过程中，都会产生不同程度的振动和噪声，阻尼减振降噪技术是有效控制振动和噪声的方法之一，而高分子材料由于结构的特殊性而广泛用作阻尼材料［3－5］。

高分子阻尼材料的种类和用途多种多样，其中以硅橡胶为基体的阻尼材料引起了广大科学研究者的兴趣。硅橡胶是直链状的高摩尔质量的聚有机硅氧烷，其主链由Si—O—Si键组成，侧基为有机基团。因其键角大、取向自由度大，柔顺性好，所以具有卓越的耐低温性能；因其键能大（422.5kJ／mol），所以耐高温性能也好［6］；其玻璃化转变温度较低（－140～－70℃），室温附近其性能变化小，而硅氧键的结构使其在较宽的温度范围（－50～200℃）内力学性能较稳定。但是对于一般硅橡胶而言其阻尼系数（0.05～0.1）比较小，同时由于其玻璃化转变温度比较低，而阻尼材料大部分应用在室温或高温环境中，因此严重影响了其应用范围［7］。如果与玻璃化转变温度较高和阻尼性能较好的聚合物共混，其阻尼性能和有效阻尼温域将得到很大的提高，适合用作宽温域阻尼材料。这些阻尼材料可以广泛用于航空工业、精密仪器制造业、环保等军用及民用领域［8－10］。

氯化聚乙烯（CPE）具有优良的耐热老化性、耐候性、耐寒性和颜色稳定性，还具有强度高、弹性好、阻燃、耐油、耐溶剂、耐臭氧且加工性能良好等优点。同时CPE既具有非极性的未氯化聚乙烯链段，又有被氯化的极性链段，与各类高分子材料具有良好的相容性［11－12］。氯含量在30%～40%的CPE呈现出橡胶与塑料的中间态，其玻璃化转变温度比硅橡胶的高，损耗因子也较大。因此，本文通过添加CPE对硅橡胶进行改性，以期获得阻尼性能优异的合金材料。

对硅橡胶泡沫材料而言，泡孔变形为阻尼温域的拓宽提供了一种结构上的可能性，并且多孔硅橡胶阻尼材料相关方面的研究在国内外仅有少量报道［13］。因此对于宽温域多孔硅橡胶阻尼性能的研究具有重要的理论意义。但是目前国内外有关硅橡胶／CPE泡沫合金材料阻尼性能的研究报道很少，为更深入了解硅橡胶泡沫材料的阻尼性能，并进一步拓展硅橡胶泡沫制品的应用范围，有必要对其进行研究。

1 实验部分

1.1 主要原料

硅橡胶，NE－150，东爵精细化工（南京）有限公司；CPE，135B，潍坊亚星化学股份有限公司；

氧化锌（ZnO），分析纯，成都市联合化工试剂研究所；

过氧化二异丙苯（DCP），化学纯，沈阳新西化工厂；

发泡剂AK，江苏兰和塑料化工有限公司；

过氧化苯甲酰（BPO），分析纯，山东邹平恒泰化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

开放式炼塑机，SK－160，无锡市第一橡塑机械设备厂；

电磁平板硫化机，XLB－DC－L20－600×600，株洲时代装备技术有限责任公司；

傅里叶红外光谱仪（FTIR），Nicolet－5700，美国尼高力仪器公司；

电子万能试验机，CMT－7105，珠海三思计量仪器有限公司；

动态热分析仪（DMA），DMA7e，美国Perkin－Elmer公司；

扫描电子显微镜（SEM），JSM－5900LV，日本JEOL公司。

1.3 样品制备

将开炼机升温至80～85℃，加入CPE进行混炼，包辊后按不同的质量比加入硅橡胶和ZnO，混炼20min，然后降至室温再加入一定量的硫化剂DCP，混炼20min，薄通10次后出片。按硅橡胶／CPE＝100／100的配比加入相应的发泡剂，以上述共混工艺方法混炼，制得混炼胶生胶，并进行硫化发泡，一段硫化温度为130℃，硫化时间为20min，然后分别在烘箱内热处理30、60和90min。

1.4 性能测试与结构表征

采用固体流变仪对生胶样品进行测试，振动频率为1Hz，升温速率为3℃／min，测试温度为20～220℃；

采用傅里叶红外光谱仪的全反射模式（ATR）对样品表面进行测试；

采用动态热分析仪对规定尺寸的样条进行动态力学性能分析，振动频率为1Hz，升温速率为10℃／min，测试温度为－100～100℃；

液氮脆断的样品断面经表面喷金后，采用扫描电子显微镜进行形态结构分析，加速电压为1～30kV。

2 结果与讨论

2.1 高分子阻尼机理

高分子材料的阻尼性能是由材料的本身结构（黏弹性）决定的，其结构介于理想的弹性体和黏性体之间。理想的弹性体，受外力作用后，其形变平衡瞬时达到，与时间无关；而一个理想的黏性体，受到外力作用后，形变量随时间线性变化。高分子材料的形变性质与时间有关，介于理想弹性体和理想黏性体之间，是一种黏弹性材料。当材料受到交变应力时，形变随时间以非线性变化，产生力学松弛，形成滞后和力学损耗（也称内耗）。材料发生滞后现象和内耗，将吸收的振动机械能或声能部分地转化为热能散逸掉，这是高分子材料能产生阻尼功能的原理［14］。

高分子在交变应力作用下，形变落后于应力变化的现象称为滞后现象。在交变应力作用下，高分子阻尼材料将产生形变。当应变速率落后于应力的变化时，将产生如图1所示的相位差，相位差越大，应变滞后于应力变化的现象越严重。上述应变滞后于应力的现象，可用式（1）～（3）表示。

式中 σ（t）、ε（t）——分别为应力和应变随时间变化的函数

图1 应力与应变的波形曲线Fig.1 Wave curves for stress and strain

σ0、ε0——最大应力和最大形变

ω——外力变化的角频率

ν——频率

t——时间

δ——形变发展落后于应力的相位差

在应力变化的每一个循环过程中，与滞后现象伴生的功的消耗，称为内耗。

2.2 硅橡胶／CPE共混胶的相容性

聚合物的相容性对共混或共聚制备的材料的阻尼性能有着极大的影响，不同聚合物组分间完全相容或完全不相容的材料的阻尼性能都不是很理想，只有具有合适的微观相分离结构的材料才具有良好的阻尼性能。因此，选择具有一定相容性的两种组分对于研制具有较宽温域的阻尼减振材料具有重要的意义。

图2 硅橡胶／CPE共混胶的FTIR谱图Fig.2 FTIR spectra for silicone rubber／CPE blends

由图2可以看出，2963cm－1是Si—CH3中CH3的C—H伸缩振动吸收峰，1260cm－1处的尖而强的峰是Si—CH3中CH3对称振动吸收峰，1083、1017cm－1处的宽峰是O—Si—O的伸展振动吸收峰，796cm－1处的强峰是Si—C伸展振动吸收峰。与硅橡胶相比，硅橡胶／CPE共混胶在2920、1450cm－1附近出现了不同的两组峰，其中2920cm－1附近的是CH2的C—H伸缩振动吸收峰，而1450cm－1附近的是CH2的C—H变形振动吸收峰［15］。另外，从谱图的整体来看，随着CPE含量的增加，各种特征吸收峰都有一定程度的偏移，说明硅橡胶／CPE共混胶具有一定的相容性。

2.3 硅橡胶／CPE共混胶的阻尼性能

硅橡胶的损耗因子较小，有效阻尼温域较窄，玻璃化转变区大都在低温区。因此，严重影响其使用范围，而氯含量在30%～40%的CPE，呈现出橡胶与塑料的中间态，其玻璃化转变温度较高，损耗因子较大。因此，本文通过改变CPE的含量达到提高硅橡胶阻尼性能的目的。图3为不同CPE含量对共混胶损耗因子的影响。

图3 CPE含量对共混胶损耗因子的影响Fig.3 Effect of CPE contents on damping factor of the blends

由图3可知，随着CPE含量的增加，共混胶的最大损耗因子呈增长趋势，纯硅橡胶时为0.11，加入50份CPE时最大提高到0.24，但出现分峰的现象，加入100份CPE时提高到0.43，并且CPE的加入使共混胶的玻璃化转变温度向高温方向推移了近30℃，有效阻尼温域（tanδ＞0.1）也从15℃拓宽到近50℃。这是由于当CPE含量为50份时，添加量较少，很难形成连续相，在硅橡胶基体中以分散相存在，因此出现2个独立的阻尼峰，在－40℃左右的为硅橡胶的阻尼峰，在－10℃左右的为CPE的阻尼峰；随着CPE含量的增加，在硅橡胶基体中CPE形成了局部的连续相，并且在过氧化物硫化剂的作用下，硅橡胶和CPE的相容性得到增强，在硅橡胶和CPE两独立阻尼峰中间出现了阻尼性能更好的单一阻尼峰［16－17］。因此，随着CPE含量的增加，硅橡胶与CPE呈现较好的相容性，共混胶阻尼性能也得到显著提高。

2.4 硅橡胶／CPE泡沫合金材料的密度

本文以硅橡胶／CPE（100／100）为基体，加入发泡剂AK，在130℃下预发泡20min制得硅橡胶／CPE泡沫合金材料，然后再将该材料放入150℃的烘箱中分别热处理30、60和90min，即得泡沫样品，并采用液体取代法来测定泡沫合金材料的密度，见表1。

从表1可以看出，硅橡胶／CPE泡沫合金材料经热处理后，其密度发生较大变化，随着热处理时间的延长，其泡沫密度呈降低趋势。但随着热处理时间的进一步延长，其泡沫密度变化不大。分析其原因为：样品在预发泡时，温度较低，时间较短，发泡不完全，使得样品密度较大；而经热处理后，温度较高，所以密度变化较大；当进一步热处理时，样品已有较充分的交联和发泡，因此其密度变化不大。

表1 热处理时间对硅橡胶／CPE泡沫合金材料密度的影响Tab.1 Effect of heat treatment time on density of silicone rubber／CPE blend foams

2.5 硅橡胶／CPE泡沫合金材料的泡孔结构

从图4可以看出，随着热处理时间的延长，泡沫合金材料中泡孔的尺寸逐渐增大。分析其原因为：样品热处理时，部分发泡剂又产生新的气体，而进一步的热处理，样品已有较完全的交联，产生的气体促使泡孔扩大较困难，因此在热处理60min后，样品的泡孔尺寸变化不明显，这也与样品密度的测试结果相一致。

图4 硅橡胶／CPE泡沫合金材料断口形貌的SEM照片Fig.4 SEM micrographs for tensile fracture surface of silicone rubber／CPE blend foams

2.6 硅橡胶／CPE泡沫合金材料的阻尼性能

本文通过在共混胶配方中加入发泡剂制得轻质硅橡胶泡沫，并通过改变样品热处理时间，来研究不同热处理时间对泡沫合金材料阻尼性能的影响。图5为共混胶及不同热处理时间对泡沫合金材料损耗因子的影响，具体数据如表2所示。

由表2可知，共混胶具有较好的阻尼性能，最大损耗因子达到0.43，而泡沫合金材料的损耗因子提高到0.68，并且损耗因子大于0.3对应的阻尼温域也从16℃拓宽到45℃，当经过热处理后，泡沫合金材料的阻尼性能出现降低的现象，但是最大损耗因子所对应的温度与共混胶相比向高温方向推移了近10℃。分析其原因为：没有经过热处理的泡沫合金材料的硫化温度低，硫化时间较短，基体分子链的交联不充分，材料的黏弹性较大，因此，阻尼性能有所提高。随着热处理时间的增加，基体分子链之间有充分的交联，因此，泡沫合金材料的阻尼性能又出现降低的现象，但是由于泡孔的存在，使得泡沫合金材料最大损耗因子所对应的温度都有向高温推移的现象。

表2 热处理时间对硅橡胶／CPE泡沫合金材料阻尼性能的影响Tab.2 Effect of heat treatment time on damping properties of silicone rubber／CPE blend foams

图5 热处理时间对硅橡胶／CPE泡沫合金材料损耗因子的影响Fig.5 Effect of heat treatment time on loss factor of silicone rubber／CPE blend foams

3 结论

（1）CPE的加入可以提高硅橡胶的阻尼性能，当CPE含量为100份时，共混胶的损耗因子提高到0.43，玻璃化转变温度向高温方向推移了近30℃，有效阻尼温域（tanδ＞0.1）也从15℃拓宽到近50℃；

（2）硅橡胶／CPE泡沫合金材料的阻尼性能显著提高，损耗因子从0.43提高到0.68，有效阻尼温域（tanδ＞0.3）从16℃拓宽到45℃，玻璃化转变温度向高温偏移了13℃左右；

（3）经热处理后，硅橡胶／CPE泡沫合金材料的阻尼性能出现降低的现象。

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Study on Damping Properties of Silicone Rubber／CPE Blend Foams

DING Guofang，CAO Jun，LUO Shikai，SHI Yaogang

（Institute of Chemical Materials of CAEP，Mianyang 621900，China）

The foams of silicone rubber／CPE blends were prepared via mechanical blending methods.The compatibility of the components，influence of heat treatment time on density，foam structure and damping properties of the foams were investigated.The blends of silicone rubber／CPE showed a good compatibility.Compared with silicone rubber／CPE blends，the effective damping temperature range（tanδ＞0.3）of the foams was broadened from 16℃to 45℃，the maximum loss factor was increased from 0.43to 0.68，and the glass transition temperature increased by 13℃.However，the damping properties of the foams were damaged by heat treatment.

silicone rubber；chlorinated polyethylene；foam；damping property

TQ325.1＋2

B

1001－9278（2012）03－0051－06

2011－10－28

联系人，guofangding＠yahoo.com.cn

（本文编辑：李 莹）