賈雷雷

（衡水中鐵建工程橡膠有限責(zé)任公司，河北 衡水053000）

前 言

地震是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，會(huì)對(duì)建筑物、橋梁造成了很大的破壞，因此，對(duì)建筑、橋梁結(jié)構(gòu)采取有效的隔震保護(hù)措施就顯得愈加重要。通過(guò)隔震體系可以增加整個(gè)建筑物的整體變形能力，同時(shí)增加阻尼效果，有效地耗散地震產(chǎn)生的能量，減弱地震帶來(lái)的剛性晃動(dòng)，對(duì)建筑物的上部結(jié)構(gòu)起到有效的保護(hù)作用。目前，疊層橡膠隔震體系是研究和實(shí)際使用中最為廣泛的隔震系統(tǒng)[1]。建筑用高阻尼隔震支座（HDR）具有優(yōu)秀的隔震效果，可以有效減少地震危害，在隔震技術(shù)中具有重要作用[2]。為了滿足高阻尼隔震支座的建筑隔震性能，橡膠隔震支座所用的材料必須符合相應(yīng)力學(xué)特性、阻尼性能及耐久性能等要求。因此，橡膠隔震支座材料的配制是研發(fā)高阻尼隔震支座的關(guān)鍵。

天然橡膠（NR）作為應(yīng)用最為廣泛的橡膠品種，具有非常優(yōu)秀的綜合性能，但由于其阻尼性能相對(duì)較差，不能完全滿足隔震支座用橡膠材料高阻尼性能的要求。而丁腈橡膠（NBR）阻尼性能優(yōu)異，但力學(xué)性能相對(duì)較差。通過(guò)并用NR和NBR可以互補(bǔ)缺陷，提高綜合性能和物理性能[3]。然而，由于NR與NBR的極性、溶解度參數(shù)、黏度等方面差異明顯，使得兩者在共混時(shí)存在相容性差，混合程度低等問(wèn)題。相容劑可以抑制共混過(guò)程中聚合物上線狀物的形成和加工過(guò)程中出現(xiàn)的聚結(jié)，使界面張力下降，從而提高NR和NBR相的相容性[4]。本研究通過(guò)選擇不同種類的相容劑制備NR/NBR共混膠，并探討不同相容劑帶來(lái)的性能影響，從而為高阻尼隔震支座復(fù)合橡膠材料的研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

天然橡膠（NR），煙片膠1#，云南橡膠股份公司；丁腈橡膠（NBR），N220S，丙烯腈質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%，日本JSR公司；環(huán)氧化天然橡膠（ENR），環(huán)氧度25%，中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA），40W，美國(guó)杜邦公司；氯丁橡膠（CR），DCR213，上海巖中公司；炭黑N300，上?？ú┨毓荆黄渌鹉z配合劑均為市售。

1.2 實(shí)驗(yàn)配方

0#基本配方（NR/NBR）：天然橡膠NR，70；丁腈橡膠NBR，30；炭黑N330，40；硫磺S，2.5；氧化鋅ZnO，5.0；硬脂酸SA，2.0；防老劑4010NA，2.0；促進(jìn)劑NS，1.0。

1#配方（NR/NBR/ENR）：NR/NBR，70/30；N330，40；S，2.5；ZnO，5.0；SA，2.0；4010NA，2.0；NS，1.0；相容劑ENR-25，10。

2#配方（NR/NBR/EVA）：NR/NBR，70/30；N330，40；S，2.5；ZnO，5.0；SA，2.0；4010NA，2.0；NS，1.0；相容劑EVA，10。

3#配 方（NR/NBR/CR）：NR/NBR，70/30；N330，40；S，2.5；ZnO，5.0；SA，2.0；4010NA，2.0；NS，1.0；相容劑CR，10。

1.3 樣品制備

根據(jù)基本配方和試驗(yàn)配方，參照文獻(xiàn)將NR、NBR、ENR、EVA、CR按照相應(yīng)的比例和一定順序與相應(yīng)的配合劑一起進(jìn)行混煉，隨后割刀薄通和打三角包使膠料混合均勻后出片。將混煉膠停放12h后，用無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀測(cè)量150℃下硫化曲線，選取T10為膠料的焦燒時(shí)間，T90為膠料的正硫化時(shí)間。最后，用平板硫化機(jī)按150℃×T90進(jìn)行硫化。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 硫化特性

試樣硫化特性按照GB/T 16584—1996標(biāo)準(zhǔn)在無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀上進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試溫度為150℃，測(cè)試時(shí)間為30min，測(cè)試壓力為12MPa，設(shè)定T10為焦燒時(shí)間，T90為正硫化時(shí)間，MH為最大扭矩，ML為最小扭矩。

1.4.2 物理機(jī)械性能

物理機(jī)械性能用拉伸性能、撕裂性能、硬度和回彈性能進(jìn)行表征，分別按照GB/T 528—2009標(biāo)準(zhǔn)、GB/T529—2008、GB/T531.1-2008標(biāo)準(zhǔn)、GB1681-2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

1.4.3 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能

試樣動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能（DMA）按照GB/T9870.1-2006標(biāo)準(zhǔn)在動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀進(jìn)行測(cè)定，采用雙懸臂梁模式，頻率10Hz，掃描溫度-80～80℃，升溫速率2℃/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化特性

以MH、ML、MH-ML、焦燒時(shí)間（T10）、硫化時(shí)間（T90）作為硫化性能的對(duì)比指標(biāo)，得到如表1所示的結(jié)果。在固定硫化體系、補(bǔ)強(qiáng)體系的情況下，研究不同相容劑對(duì)NR/NBR共混膠硫化特性的影響。

表1相容劑對(duì)NR/NBR共混膠硫化特性的影響Table 1 The effect of compatibilizer on the vulcanization characteristics of the NR/NBR blends

加入相容劑ENR-25后，NR/NBR共混膠的MH、ML以及MH-ML均有不同程度的增加，說(shuō)明ENR-25促進(jìn)了NR與NBR相的相容，使膠料的交聯(lián)密度增大，交聯(lián)程度增加。另外，NR/NBR共混膠的焦燒時(shí)間（T10）和硫化時(shí)間（T90）分別升高2.48%和2.67%，說(shuō)明加入ENR-25雖然硫化速度略有減緩，增加了部分能耗，但提高了其加工安全性[5]。

加入相容劑EVA后，NR/NBR共混膠的MH、ML以及MH-ML均有不同程度的下降，說(shuō)明膠料的交聯(lián)密度減小，交聯(lián)程度降低。此外，NR/NBR共混膠的焦燒時(shí)間（T10）和硫化時(shí)間（T90）分別升高5.37%和17.62%，說(shuō)明加入EVA延長(zhǎng)了硫化時(shí)間，增加了能耗，但其加工安全性得到提高。主要原因是EVA常用氧化物硫化體系進(jìn)行硫化，而不是采用硫磺硫化體系[6]。而對(duì)NR和NBR來(lái)講，都屬于不飽和橡膠，且一般都采用硫磺進(jìn)行硫化。所以一旦在NR/NBR共混膠中加入EVA后，導(dǎo)致硫化劑、促進(jìn)劑直接分散到了EVA當(dāng)中，進(jìn)而造成促進(jìn)劑、硫化劑減少，最終導(dǎo)致NR/NBR共混膠的MH-ML降低，交聯(lián)密度下降，硫化速度下降。

加入相容劑CR后，NR/NBR共混膠的MH、ML以及MH-ML均有不同程度的下降，說(shuō)明膠料的交聯(lián)密度減小，交聯(lián)程度降低。另外，NR/NBR共混膠的焦燒時(shí)間（T10）和硫化時(shí)間（T90）分別下降34.71%和30.98%，說(shuō)明加入CR可以加快硫化速度，縮短工藝流程，降低能耗，但是其加工安全性降低。這可能是由于CR分子主鏈中帶有大量極性-Cl基，減弱了其雙鍵活性，所以CR多采用金屬氧化物硫化體系進(jìn)行硫化[6]。在共混膠中添加了過(guò)量ZnO、MgO等活性劑和促進(jìn)劑，可以配合共混膠中CR硫化，使得硫化速度上升。

2.2 物理機(jī)械性能

隔震支座的使用環(huán)境決定了隔震時(shí)作用在隔震器上具有非常大的拉伸載荷，因此，隔震支座用的橡膠材料需要具有非常好的物理機(jī)械性能。物理機(jī)械性能是判斷能否作為隔震支座用橡膠材料的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。由表2可知，不同相容劑對(duì)NR/NBR共混膠物理機(jī)械性能的影響。

加入相容劑ENR-25后，NR/NBR共混膠的200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度分別增加2.30%、8.74%、3.33%、11.29%，硬度和回彈值分別下降1.47%和5%。

加入相容劑EVA后，NR/NBR共混膠的200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、回彈值分別下降28.74%、8.74%、0.3%、7.5%，撕裂強(qiáng)度增加16.13%，對(duì)硬度無(wú)明顯影響。

加入相容劑CR后，NR/NBR共混膠的200%定伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、撕裂強(qiáng)度、硬度和回彈值分別下降1.15%、7.89%、0.76%、11.29%、1.47%、2.5%。

根據(jù)國(guó)家對(duì)高阻尼隔震支座的《規(guī)范》[7]要求，拉伸強(qiáng)度≥10MPa，拉斷伸長(zhǎng)率≥650%（G=0.8MPa），加入不同相容劑后，NR/NBR共混膠的拉伸強(qiáng)度均大于10MPa，拉斷伸長(zhǎng)率也都大于650%，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中，加入ENR-25后，共混膠拉伸強(qiáng)度為25.5MPa，拉斷伸長(zhǎng)率為682%，永久變形低，綜合性能最為優(yōu)異。ENR-25加入NR/NBR體系后，力學(xué)性能得到增強(qiáng)，可能是由于ENR-25結(jié)構(gòu)性質(zhì)與NR相近，提高了NR/NBR體系的相容性，使NBR在NR中的分布更加均勻，而分散性的好壞會(huì)直接影響機(jī)械性能的好壞[8]。

表2相容劑對(duì)NR/NBR共混膠物理機(jī)械性能的影響Table 2 The effect of compatibilizer on the physical and mechanical properties of the NR/NBR blends

2.3 動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能

從表3和圖1可知，不同相容劑對(duì)NR/NBR共混膠動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能的影響。加入ENR-25后，NR相的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg1）由-45℃右移至-43.2℃，NBR相的Tg2由3.5℃左移至3.2℃，有效阻尼溫域由37℃增至37.5℃，說(shuō)明ENR-25的加入對(duì)于促進(jìn)NR和NBR的相容性具有一定的作用。另外，NR相的損耗因子峰值（tanδmax1）減小，由0.45降至0.365，NBR相的tanδmax2增大，由0.575增至0.645，說(shuō)明ENR-25與NBR的相容性更好。

加入EVA后，NR相的Tg1由-45℃左移至-46.1℃，NBR相的Tg2由3.5℃左移至3.0℃，有效阻尼溫域由37℃減至26.8℃。此外，NR相的tanδmax1減小，由0.45降至0.343，NBR相的tanδmax2減小，由0.575降至0.445。說(shuō)明EVA對(duì)NR/NBR共混膠無(wú)明顯影響。

表3相容劑對(duì)NR/NBR共混膠阻尼性能的影響Table 3 The effect of compatibilizer on the damping properties of the NR/NBR blends

圖1不同相容劑對(duì)NR/NBR共混膠tanδ影響Fig.1 The effect of different compatibilizers on the tanδof the NR/NBR BLENDS

加入CR后，NR相的Tg1由-45℃左移至-46.5℃，NBR相的Tg2由3.5℃左移至0.54℃，有效阻尼溫域由37℃減至28.5℃。此外，NR相的tanδmax1減小，由0.45降至0.294，NBR相的tanδmax2增大，由0.575增至0.613。說(shuō)明CR對(duì)NBR的相容性較好。

3 結(jié)論

（1）相容劑對(duì)NR/NBR共混膠硫化特性的影響：ENR-25的加入，可以促進(jìn)NR/NBR共混膠的相容性，增大膠料的交聯(lián)程度，提高硫化速度；加入EVA后，NR/NBR共混膠的MH-ML降低，交聯(lián)密度下降，硫化速度下降；加入CR后，NR/NBR共混膠的MH-ML下降，交聯(lián)程度降低，硫化速度加快。

（2）相容劑對(duì)NR/NBR共混膠物理機(jī)械性能的影響：加入ENR-25后，共混膠拉伸強(qiáng)度為25.5MPa，拉斷伸長(zhǎng)率為682%，永久變形低，綜合性能最為優(yōu)異。

（3）相容劑對(duì)NR/NBR共混膠動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能的影響：ENR-25的加入，增大了共混膠交聯(lián)密度，界面相容性較好，分子間作用力較強(qiáng)，損耗因子（tanδ）增大，有效阻尼溫域?yàn)?7.5℃，為制備高阻尼隔震支座復(fù)合橡膠材料的配方設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。