一种苯基硅橡胶海绵阻尼材料及其制备方法与流程

本发明涉及高分子材料加工
技术领域：
，具体涉及一种苯基硅橡胶海绵阻尼材料及其制备方法。
背景技术：
：阻尼的物理意义是力的衰减,或物体在运动中的能量耗散。当物体受到外力作用而振动时,会产生一种使外力衰减的反力,称为阻尼力或减震力。它和作用力的比被称为阻尼系数。通常阻尼力的方向总是和运动的速度方向相反。因此,材料的阻尼系数越大,意味着其减震效果或阻尼效果越好。橡胶是一种很理想的阻尼材料,这是因为橡胶是大分子材料,分子体积庞大,在外力作用下导致剧烈的内摩擦,产生了反作用力。这种力在抗拒外来振动的过程中,一方面削弱了振动的幅度,另一方面又从机械能转化为热能,实现了能量转换。以橡胶为主体的材料可以制成各种减震制品,如机器、发动机、车辆、舰船、飞机上的减震件等。减震橡胶也广泛应用于交通工具,如机车、汽车上配套的减震部件,铁轨减震垫、桥梁支座等。目前粘弹性阻尼材料及其制品设计技术已广泛应用于各种火箭、导弹、卫星、军用及民用飞机、舰船和车辆上的仪器仪表、导航设备和电子系统等的振动控制及噪声控制[1](赵云峰，宇航材料工艺，2009，no.5，pp.1-6)，已成为航空航天工程中必不可少的关键技术之一。理想的阻尼材料要求在宽温域范围内具有高阻尼因子，使其有更好的环境适应性，适用于更多行业。橡胶弹性体阻尼材料的缺点在于单一橡胶品种的玻璃化转变区温度范围一般都较窄，只有20～40℃，且都集中在室温以下，因此阻尼功能区温度范围窄且使用温度偏低，室温以上的阻尼性能不佳，难以满足实际工程应用的需要。硅橡胶特殊的主链结构使其具有优异的耐高低温性能，同时在较宽的温度范围内(-50℃～200℃)力学性能以及阻尼性能稳定。这种性能的稳定性使硅橡胶区别于一般的粘弹性材料，成为航空航天、精密仪器等领域阻尼材料的首选。但是硅橡胶在-50℃～150℃范围内其损耗因子tanδ较低，约0.05～0.1，不能满足实际使用要求[2](黄艳华，石扬，薛磊等，航空材料学报，2016，vol.36，no.3，pp.79-91)。目前可以通过嵌段共聚改变侧链基团，与其它有机聚合物共混或互穿聚合物网络，以及添加阻尼添加剂等方式可进一步提高硅橡胶的阻尼。这些方法可以不同程度提高硅橡胶的阻尼性能，但都有各自的不足。通过嵌段共聚改变侧链基团与互穿网络提升硅橡胶阻尼性能方法尚处于实验室研究阶段，目前难以工业化生产。通过与高阻尼聚合物共混是提高硅橡胶阻尼的便捷方法，但是会改变材料的组成，降低硅橡胶的耐高低温等特性。添加小分子阻尼剂方法也会改变材料组成，而且使用过程中发生小分子迁移而影响阻尼材料性能的稳定性。通过引入泡孔结构来提高硅橡胶基体的阻尼性能是制备硅橡胶阻尼材料的新技术途径。目前乙烯基硅橡胶发泡的方法有两类。一类是化学发泡的方法，通常是利用化学发泡剂热降解释放出来的气体形成气泡。这种发泡方法适用于制作闭孔结构的泡沫材料。由于在加工过程中，硫化与发泡两个化学过程同时进行，硫化过程和发泡过程的匹配是制备泡孔结构和性能优良的海绵材料的关键。但是，常用的过氧化物硫化剂和发泡剂对温度均非常敏感，温度每升高10℃，硫化速度和发泡剂分解速度均成倍增加，此外，过氧化物硫化剂易受发泡剂分解残留物的影响而降低过氧化物的交联效率，为了调节过氧化物的交联速度，常常需要加反复进行配方和工艺研究，以达到交联速度和发泡速度的匹配，因此，这种方法的实施与控制难度较大。另一类发泡方法是溶析成孔法：采用惰性粒状成孔剂与硅橡胶混合后，经过溶析等方法去除惰性成孔剂而成孔，得到开孔结构的硅橡胶海绵材料。但是，这种发泡方法效率较低、能耗高，需要消耗大量的惰性成孔剂，另外，大量颗粒成孔剂在橡胶基体中不仅难以分散均匀，而且影响橡胶的加工工艺性能。在硅橡胶分子侧链中引入大体积的苯基有利于提高硅橡胶分子链运动的能量耗散，从而提高硅橡胶的阻尼性能。但是在硅橡胶分子侧链上引入大体积的苯基，改变了硅橡胶分子链的组成和结构，影响了硅橡胶分子链的柔顺性和分子链间的作用力。实验中发现，苯基含量30mol％的高苯基硅橡胶在混炼过程中表现出明显的粘辊现象，表明大量苯基的引入使硅橡胶加工性能发生了明显变化。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术的缺陷提供一种苯基硅橡胶海绵阻尼材料及其制备方法，采用了较高分子量的苯基硅氧烷为基体材料，并且填充白炭黑对基体进行增强，根据硫化发泡体系配合特性，结合分段化学发泡工艺，因而制备的闭孔结构的苯基硅橡胶海绵泡孔细密，均匀性好，适用于制备阻尼减震、隔音、隔热、绝缘部件。为了达到上述技术效果，本发明提供了一种苯基硅橡胶海绵阻尼材料，其原料按照重量分数计包括：苯基硅橡胶100份，白炭黑30～60份，硫化剂0.5～2份，发泡剂h1～15份，发泡助剂0.5～10份。进一步的技术方案为，其中苯基含量不低于5％mol，所述白炭黑选自表面疏水性白炭黑，所述发泡助剂为氧化锌、尿素或二者的混合物。进一步的技术方案为，所述硫化剂选自硫化剂dcp或双二五硫化剂。本发明还提供了一种苯基硅橡胶海绵阻尼材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将苯基硅橡胶和白炭黑将入到密炼机中进行高温密炼10～20分钟，然后停放24小时，得到苯基硅橡胶组合物；(2)将苯基硅橡胶组合物、发泡剂h和发泡助剂加入到密炼机中，常温下混炼2～5分钟，然后加入硫化剂继续混炼3～7分钟，停放12小时，得到硅橡胶海绵用组合物；(3)将所述硅橡胶海绵用组合物放入模具中进行一次预硫化发泡，然后升高温度后，在进行二次硫化成型，得到苯基硅橡胶海绵阻尼材料。进一步的技术方案为，所述步骤(1)中高温密炼的温度为90℃～120℃。进一步的技术方案为，所述步骤(2)中常温混炼的温度为15℃～40℃。进一步的技术方案为，所述步骤(3)中一次预硫化的而温度为120℃～145℃，一次预硫化时间为25～30分钟。进一步的技术方案为，所述步骤(3)中二次硫化的温度为160℃～180℃，二次硫化的时间为15～25分钟。下面对本发明进行进一步的解释和说明，本发明采用化学发泡工艺在苯基硅橡胶基体中引入特定泡孔结构的方法，制备了具有宽温域阻尼特性的苯基硅橡胶海绵阻尼材料。基于界面阻尼及气动阻尼原理，以苯基硅橡胶为基体，采用匹配的泡孔结构设计，大幅度放大基体阻尼特性，获得兼具宽温域阻尼特性的弹性体。闭孔结构硅橡胶海绵在硅橡胶基体中形成大量的气-固界面，界面阻尼作用以及泡孔中的气动阻尼作用的累积大幅度提升了硅橡胶基体的阻尼性能。另外，采用的苯基硅橡胶的分子结构特点是聚硅氧烷链侧上带有苯基基团。苯基硅橡胶不仅具有甲基乙烯基硅橡胶的性能特点，而且由于分子侧链中引入了大体积的苯基进行改性，提高了分子链的刚性，增加了分子链运动的能量耗散，有利于提高硅橡胶的阻尼性能。另外，由于这类分子链侧上与硅相连的甲基部分地被苯基取代，所以破坏了链的规整性，从而改善了聚合物的低温性能。苯基硅橡胶进一步拓宽了硅橡胶的使用范围，可以满足航空、航天等行业对耐低温和辐射苛刻的环境要求。以苯基硅橡胶为基体，采用疏水性白炭黑作为增强剂，有机发泡剂与过氧化物硫化剂相匹配的发泡硫化体系，高温模压成型工艺制备硅橡胶海绵阻尼材料。有机发泡剂在高温下分解生成气体使胶料发泡，当胶料的发泡速率与硫化速率相匹配时，通过高温模压成型工艺可以制备不同表观密度的闭孔结构苯基硅橡胶海绵材料。通过在配方中采用发泡助剂，调整了发泡剂的热分解温度和速率，使苯基硅橡胶胶料的发泡速率和硫化速率相匹配，在模压硫化加工过程中，为了获得闭孔结构的海绵材料，胶料分二段硫化，先采用相对较低的硫化温度，使胶料的发泡在硫化进行一定程度的基础上发生，此时，胶料因初步交联而具有一定的强度，可以包住发泡剂分解产生的气体，同时因交联程度低，胶料又具有一定的可塑性，可以随气体的增加而变形。随着发泡速率的增加，气泡不断长大；同时，硫化速率的增加使胶料的交联程度不断增高，直到胶料内气体压力与硫化网络对橡胶形变的约束力相平衡，发泡剂热分解生成的气体在同步进行交联的胶料中形成泡孔；再在较高的温度下进行硫化成型，获得了闭孔结构的苯基硅橡胶海绵。通过在胶料中添加白炭黑，不仅改善了胶料的可塑性，而且提高了硅橡胶海绵的力学性能。这些粒子可以均匀分散在胶料中，起到成核剂的作用，使胶料的泡孔更加均匀。本发明具有如下有益效果，本方法制备的苯基硅橡胶海绵阻尼材料由于采用了较高分子量的苯基硅氧烷为基体材料，并且填充白炭黑对基体进行增强，因而制备的闭孔结构的苯基硅橡胶海绵泡孔细密，均匀性好，适用于制备阻尼减震、隔音、隔热、绝缘部件,在航空航天、交通运输、石油化工、仪表、文体和日常生活等领域使用。另外，本方法采用高温硫化模压成型工艺技术制备苯基硅橡胶海绵阻尼材料，可以在开炼机、密炼机、平板硫化机等普通橡胶加工设备上实施，无需购置特殊工艺设备，具有投资少、工艺操作简便、生产效率高、成本低的优点。附图说明图1为本发明实施例1制备的苯基硅橡胶海绵阻尼材料的扫描电镜图；图2为本发明实施例2制备的苯基硅橡胶海绵阻尼材料的扫描电镜图；图3为本发明实施例3制备的苯基硅橡胶海绵阻尼材料的扫描电镜图；图4为本发明实施例4制备的苯基硅橡胶海绵阻尼材料的扫描电镜图；图5为本发明对照例2制备的苯基硅橡胶阻尼材料的扫描电镜图；具体实施方式下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。实施例1将100份苯基硅橡胶(苯基含量为30mol％)加入密炼腔中，与40份白炭黑密炼15分钟，获得苯基硅橡胶组合物，加入发泡助剂10份，发泡剂15份，混炼3分钟，然后加入硫化剂1.2份，混炼5min，获得苯基硅橡胶海绵用阻尼材料组合物；将70g硅橡胶海绵用阻尼材料组合物放入模腔长宽高分别为100mm×100mm×10mm的模具中，在120℃下一次预硫化发泡30分钟后，升温到160℃下二次硫化20分钟，得到苯基硅橡胶海绵阻尼材料。对其进行性能测试，测试结果如表2和表3。实施例2与实施例1不同的是，发泡剂10份，发泡助剂5份，硫化剂1.0份，硅橡胶海绵用阻尼材料组合物填充量为80g，其余工艺条件和操作步骤同实施例1，硅橡胶海绵的配方见表1，性能见表2和表3。实施例3与实施例1不同的是，发泡剂5份，发泡助剂3份，硫化剂1.5份，硅橡胶海绵组合物填充量为90g，其余工艺条件和操作步骤同实施例1，硅橡胶海绵的配方见表1，性能见表2和表3。实施例4与实施例1不同的是，一次预硫化温度为145℃，发泡时间25分钟，其余工艺条件和操作步骤同实施例1，硅橡胶海绵的配方见表1，性能见表2和表3。对照例1操作同实施例1，不加发泡剂及助剂。将100份苯基硅橡胶加入密炼腔中与40份白炭黑密炼15分钟，获得苯基硅橡胶组合物。在室温下，加入硫化剂dcp1.2份，混炼7分钟，获得硅橡胶用组合物。将25g硅橡胶用组合物放入模腔长宽高分别为100mm×100mm×2mm的模具中，在160℃下一次硫化20分钟，得到硅橡胶材料。苯基硅橡胶材料的配方见表1，性能见表2和表3。对照例2与实施例1不同的是采用一次硫化成型，硫化温度160℃，时间15分钟，其余工艺条件和操作步骤同实施例1，硅橡胶海绵的配方见表1，性能见表2和表3。表1苯基硅橡胶海绵阻尼材料的配方苯基硅橡胶白炭黑硫化剂dcp发泡剂h发泡助剂实施例1100401.21510实施例2100401.0105实施例3100401.553实施例4100401.21510对照例1100401.2——对照例2100401.21510对实施例1～4和对照例1～2所制备的苯基硅橡胶海绵阻尼材料分别进行拉伸性能的测试，测试结果如表2所示。表2苯基硅橡胶海绵阻尼材料的拉伸性能由表2中可以看出，与未发泡苯基硅橡胶(对照例1)相比，发泡苯基硅橡胶密度较低，拉伸性能下降；与对照例2相比，通过分段硫化发泡工艺制备的苯基硅橡胶海绵具有细密的泡孔结构，较高的拉伸强度、扯断伸长率和100％定伸应力。对实施例1～4和对照例1～2所制备的苯基硅橡胶海绵阻尼材料分别进行阻尼性能的测试，测试结果如表3所示。表3苯基硅橡胶海绵阻尼材料的阻尼性能表3中，tg表示玻璃化转变温度，tanδmax表示最大损耗因子，△t(tanδ≥0.2)表示损耗因子大于或等于0.2的阻尼温域。由表3可以看出，与未发泡硅橡胶相比(对照例1)，发泡苯基硅橡胶的玻璃化转变温度tg降低，储能模量e′降低，损耗因子tanδ升高。与一次硫化发泡成型的苯基硅橡胶海绵(对照例2)相比，实施例1～4制备的苯基硅橡胶海绵玻璃化转变温度更低，tanδmax与损耗因子tanδ更高，在-50℃～30℃附近的低温和常温区，苯基硅橡胶海绵的损耗因子tanδ大于0.3，在-50℃～100℃温度范围内，损耗因子tanδ大于或等于0.2，实施例4制备的苯基硅橡胶海绵损耗因子tanδ大于或等于0.2的温度范围达到200℃，在宽温域内具有良好的阻尼性能，适用于对环境温度适应性要求高的航空航天等行业的阻尼材料。当前第1页12