建筑隔震支座用丁基橡膠/天然橡膠復合材料制備與性能分析

都志強

（陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，陜西渭南 714000）

現階段，隔霞支座所使用的橡膠材料通常為天然橡膠，其材質具有低壓縮永久變形、高彈性、高強度等方面的特性，但在阻尼性方面仍存在一定的欠缺。因此，本次研究采用天然橡膠與丁基膠相混合的方式來加強隔震支座的阻尼性能，并詳細分析了各種配比方案下復合材料的性能差異［1-3］。

1 丁基橡膠/ 天然復合橡膠材料的制備

1.1 主要原材料

煙片膠、天然橡膠（海南天然橡膠產業(yè)集團股份有限公司）；炭黑（中北精細化工）；丁基橡膠（歷卓科技有限公司）；硬脂酸、配合劑、防老劑、促進劑環(huán)烷烴油、氧化鋅（河南昌遠化工產品有限公司）。

1.2 材料配比方案

基本配方1 見表1。

表 1 基本配方1 （單位：質量份）Table 1 Basic formula 1 (unit: parts by mass)

基本配方2 見表2。

表 2 基本配方2（單位：質量份）Table 2 Basic formula 2 (unit: parts by mass)

1.3 復合材料的制備

（1）所需設備與儀器

電熱硫化機（江陰同心硫化機制造有限公司）；盤式硫化儀（沈陽金田機電設備制造有限公司）；雙輥開煉機（大連華韓橡塑機械有限公司）

（2） 制備工藝

天然橡膠混煉膠：利用開煉機對100 質量份的天然橡膠實施3 次薄通處理，在此基礎上根據基本配方1 的用料方案依次加入各種原材料，利用開煉機充分混煉，將輥距放寬并壓出橡膠片即可獲取天然橡膠混煉膠［4-6］。

丁基橡膠混煉膠：利用開煉機對100 質量份的丁基橡膠實施3 次薄通處理，在此基礎上根據基本配方2 的用料方案依次加入各種原材料，采用與天然橡膠混煉膠相同的后續(xù)處理工藝即可獲取天然橡膠混煉膠。

丁基橡膠/ 天然橡膠復合材料：利用前兩個步驟所制備的天然橡膠混煉膠和丁基橡膠混煉膠分別混合出60/40、70/30、80/20、90/10 共計四份初始材料，分別對各份初始材料進行5min 的共混混煉處理，最終得到4份不同比例的丁基橡膠/天然橡膠復合材料［7-8］。

1.4 分析方法

（1）硫化特性

通過橡膠硫化儀（北京環(huán)鋒機械公司）對混煉膠的硫化特性進行測試，測試溫度為145℃。

（2）物理機械性能

通過ANG5215 型拉力機（上海松頓儀器制造有限公司）對丁基橡膠/ 天然橡膠復合材料的撕裂和拉伸性能進行測試，測試標準為GB/T Y528-2019；利用XY-1型邵氏硬度計（溫州市海寶儀器有限公司）對丁基橡膠/天然橡膠復合材料的邵氏A 硬度性能參數進行測試，測試標準為GB/T Y531-2019。

（3）阻尼性能

通過2000 型橡膠加工分析儀（美國硅谷阿爾法公司）對硫化膠與混煉膠的參數進行檢測，測試溫度40℃，測試頻率1Hz，應變范圍0～300%。通過DMTA 動態(tài)力學性能儀（法國麥特韋伯公司）對交聯過的橡膠試樣進行檢測，應用拉伸檢測模式，測試溫度-100～60 ℃，測試頻率1Hz，應變條件0.1% 應變，升溫速率為3℃/min。

2 實驗結果

2.1 硫化特性

圖1 NR、IIR 和不同配比NR/IIR 的硫化曲線Fig. 1 Vulcanization curves of NR, IIR and NR / IIR with different ratio

圖1 為純天然橡膠、純丁基橡膠和二者混煉膠的硫化曲線。經實驗研究發(fā)現，純天然橡膠和純丁基橡膠無法實現同步硫化，存在較大的硫化速度差異。在扭矩平均水平方面，純丁基橡膠明顯低于純天然橡膠，共混膠則具有相對更高的扭矩平均水平。天然橡膠占比較高的供混膠也具有較高的扭矩水平。出現該現象的原因主要在于天然橡膠相比于丁基橡膠來說有著更加優(yōu)越的綜合性能，天然橡膠占比較高的供混膠具有較高的扭矩水平［9-13］。在焦燒時間方面，丁基橡膠則明顯長于天然橡膠，共混膠則明顯較短，丁基橡膠占比較高的共混膠也具有較長的焦燒時間。由此可知，丁基橡膠/ 天然橡膠復合材料可以在略微減損扭矩水平的情況下相應地延長焦燒時間，提升抗硫化性能。

2.2 物理機械性能

純天然橡膠、丁基橡膠與不同配比方案下共混膠的力學性能見表3。根據實驗結果可知，純天然橡膠的相比于共混膠來說有著更高的拉伸強度，天然橡膠具有更加優(yōu)異的力學性能，天然橡膠占比較高的共混膠也具有較強的拉伸強度。當天然橡膠/丁基橡膠配比為60/40 時，其拉伸強度僅為20.7MPa，而純天然橡膠的拉伸強度則為39MPa，拉伸強度相差高達30% 以上，并且低于純丁基橡膠，撕裂強度也體現出相同的變化規(guī)律。在物理機械性能方面，丁基橡膠的加入會顯著影響共混膠的力學性能，應當嚴格限制共混膠中丁基橡膠所占的比例。

表 3 純天然橡膠、丁基橡膠與不同配比方案下共混膠的力學性能Table 3 Mechanical Properties of pure natural rubber,butyl rubber and blends with different proportions

2.3 阻尼性能

純天然橡膠、丁基橡膠與不同配比方案下共混膠的tanΣ-T 曲線圖如圖2 所示。經實驗研究發(fā)現，共混膠tanΣ-T 曲線位于純天然橡膠和純丁基橡膠之間，純天然橡膠tanΣ 峰值為0.83，阻尼峰值為-60.4℃，阻尼溫域為［-66.4,38.5］；純丁基橡膠tanΣ 峰值為0.86，阻尼峰值為-34.5℃，阻尼溫域為［-55.6,-0.5］。共混膠阻尼溫度范圍明顯大于純天然橡膠，阻尼狀況明顯較優(yōu)。尤其是天然橡膠/丁基橡膠比例為90/10 的情況下，其有效阻尼溫域為［58.5,28.4］，明顯優(yōu)于純天然橡膠，tanΣ-T 峰值也比純天然橡膠高出18 個百分點，使共混膠的阻尼性能得到了明顯的改善。

圖2 純天然橡膠、丁基橡膠與不同配比方案下共混膠的tanΣ-T 圖Fig. 2 Tan ∑- T diagram of pure natural rubber, butyl rubber and their blends with different ratios

3 結束語

本文對丁基橡膠/ 天然橡膠復合材料的物理特性進行了分析，根據實驗分析結果發(fā)現，丁基橡膠的加入會使天然橡膠的物理性能受到影響，但抗硫化性和阻尼性能會得到顯著提升，在天然橡膠/ 丁基橡膠比例為90/10的情況下，復合材料的使用性能較為理想。在未來的研究工作中，還需要根據不同環(huán)境下的使用需要對天然橡膠與丁基橡膠的合理配比進行更加具體的分析。