硅橡膠／氯化聚乙烯泡沫合金材料的阻尼性能研究

丁國芳，曹君，羅世凱，石耀剛

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900）

硅橡膠／氯化聚乙烯泡沫合金材料的阻尼性能研究

丁國芳，曹君，羅世凱，石耀剛

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900）

采用機械共混法制備了硅橡膠／氯化聚乙烯泡沫合金材料，研究了硅橡膠／氯化聚乙烯共混膠相容性及熱處理時間對泡沫合金材料密度、泡孔結構及阻尼性能的影響。結果表明，硅橡膠／氯化聚乙烯共混膠具有較好的相容性；與實心共混膠相比，泡沫合金材料的阻尼性能顯著提高，損耗因子從0.43提高到0.68，損耗因子大于0.3的有效阻尼溫域從16℃拓寬到45℃，玻璃化轉變溫度向高溫偏移了13℃左右；當受到熱處理之后，泡沫合金材料的阻尼性能降低。

硅橡膠；氯化聚乙烯；泡沫材料；阻尼性能

0 前言

航天飛行器、運載火箭、衛星、導彈、軍事武器、飛機、艦船、精密儀器等高技術產品在貯存、運輸、發射及飛行過程中將工作環境的影響產生不同程度的振動和噪聲，振動和噪聲輕則影響這些高技術產品相關部件中儀器儀表的正常工作，影響其運行質量和操作精度，縮短使用壽命，危及使用安全性［1－2］。各種機械設備在運轉及工作過程中，都會產生不同程度的振動和噪聲，阻尼減振降噪技術是有效控制振動和噪聲的方法之一，而高分子材料由于結構的特殊性而廣泛用作阻尼材料［3－5］。

高分子阻尼材料的種類和用途多種多樣，其中以硅橡膠為基體的阻尼材料引起了廣大科學研究者的興趣。硅橡膠是直鏈狀的高摩爾質量的聚有機硅氧烷，其主鏈由Si—O—Si鍵組成，側基為有機基團。因其鍵角大、取向自由度大，柔順性好，所以具有卓越的耐低溫性能；因其鍵能大（422.5kJ／mol），所以耐高溫性能也好［6］；其玻璃化轉變溫度較低（－140～－70℃），室溫附近其性能變化小，而硅氧鍵的結構使其在較寬的溫度范圍（－50～200℃）內力學性能較穩定。但是對于一般硅橡膠而言其阻尼系數（0.05～0.1）比較小，同時由于其玻璃化轉變溫度比較低，而阻尼材料大部分應用在室溫或高溫環境中，因此嚴重影響了其應用范圍［7］。如果與玻璃化轉變溫度較高和阻尼性能較好的聚合物共混，其阻尼性能和有效阻尼溫域將得到很大的提高，適合用作寬溫域阻尼材料。這些阻尼材料可以廣泛用于航空工業、精密儀器制造業、環保等軍用及民用領域［8－10］。

氯化聚乙烯（CPE）具有優良的耐熱老化性、耐候性、耐寒性和顏色穩定性，還具有強度高、彈性好、阻燃、耐油、耐溶劑、耐臭氧且加工性能良好等優點。同時CPE既具有非極性的未氯化聚乙烯鏈段，又有被氯化的極性鏈段，與各類高分子材料具有良好的相容性［11－12］。氯含量在30%～40%的CPE呈現出橡膠與塑料的中間態，其玻璃化轉變溫度比硅橡膠的高，損耗因子也較大。因此，本文通過添加CPE對硅橡膠進行改性，以期獲得阻尼性能優異的合金材料。

對硅橡膠泡沫材料而言，泡孔變形為阻尼溫域的拓寬提供了一種結構上的可能性，并且多孔硅橡膠阻尼材料相關方面的研究在國內外僅有少量報道［13］。因此對于寬溫域多孔硅橡膠阻尼性能的研究具有重要的理論意義。但是目前國內外有關硅橡膠／CPE泡沫合金材料阻尼性能的研究報道很少，為更深入了解硅橡膠泡沫材料的阻尼性能，并進一步拓展硅橡膠泡沫制品的應用范圍，有必要對其進行研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

硅橡膠，NE－150，東爵精細化工（南京）有限公司；CPE，135B，濰坊亞星化學股份有限公司；

氧化鋅（ZnO），分析純，成都市聯合化工試劑研究所；

過氧化二異丙苯（DCP），化學純，沈陽新西化工廠；

發泡劑AK，江蘇蘭和塑料化工有限公司；

過氧化苯甲酰（BPO），分析純，山東鄒平恒泰化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

開放式煉塑機，SK－160，無錫市第一橡塑機械設備廠；

電磁平板硫化機，XLB－DC－L20－600×600，株洲時代裝備技術有限責任公司；

傅里葉紅外光譜儀（FTIR），Nicolet－5700，美國尼高力儀器公司；

電子萬能試驗機，CMT－7105，珠海三思計量儀器有限公司；

動態熱分析儀（DMA），DMA7e，美國Perkin－Elmer公司；

掃描電子顯微鏡（SEM），JSM－5900LV，日本JEOL公司。

1.3 樣品制備

將開煉機升溫至80～85℃，加入CPE進行混煉，包輥后按不同的質量比加入硅橡膠和ZnO，混煉20min，然后降至室溫再加入一定量的硫化劑DCP，混煉20min，薄通10次后出片。按硅橡膠／CPE＝100／100的配比加入相應的發泡劑，以上述共混工藝方法混煉，制得混煉膠生膠，并進行硫化發泡，一段硫化溫度為130℃，硫化時間為20min，然后分別在烘箱內熱處理30、60和90min。

1.4 性能測試與結構表征

采用固體流變儀對生膠樣品進行測試，振動頻率為1Hz，升溫速率為3℃／min，測試溫度為20～220℃；

采用傅里葉紅外光譜儀的全反射模式（ATR）對樣品表面進行測試；

采用動態熱分析儀對規定尺寸的樣條進行動態力學性能分析，振動頻率為1Hz，升溫速率為10℃／min，測試溫度為－100～100℃；

液氮脆斷的樣品斷面經表面噴金后，采用掃描電子顯微鏡進行形態結構分析，加速電壓為1～30kV。

2 結果與討論

2.1 高分子阻尼機理

高分子材料的阻尼性能是由材料的本身結構（黏彈性）決定的，其結構介于理想的彈性體和黏性體之間。理想的彈性體，受外力作用后，其形變平衡瞬時達到，與時間無關；而一個理想的黏性體，受到外力作用后，形變量隨時間線性變化。高分子材料的形變性質與時間有關，介于理想彈性體和理想黏性體之間，是一種黏彈性材料。當材料受到交變應力時，形變隨時間以非線性變化，產生力學松弛，形成滯后和力學損耗（也稱內耗）。材料發生滯后現象和內耗，將吸收的振動機械能或聲能部分地轉化為熱能散逸掉，這是高分子材料能產生阻尼功能的原理［14］。

高分子在交變應力作用下，形變落后于應力變化的現象稱為滯后現象。在交變應力作用下，高分子阻尼材料將產生形變。當應變速率落后于應力的變化時，將產生如圖1所示的相位差，相位差越大，應變滯后于應力變化的現象越嚴重。上述應變滯后于應力的現象，可用式（1）～（3）表示。

式中 σ（t）、ε（t）——分別為應力和應變隨時間變化的函數

圖1 應力與應變的波形曲線Fig.1 Wave curves for stress and strain

σ0、ε0——最大應力和最大形變

ω——外力變化的角頻率

ν——頻率

t——時間

δ——形變發展落后于應力的相位差

在應力變化的每一個循環過程中，與滯后現象伴生的功的消耗，稱為內耗。

2.2 硅橡膠／CPE共混膠的相容性

聚合物的相容性對共混或共聚制備的材料的阻尼性能有著極大的影響，不同聚合物組分間完全相容或完全不相容的材料的阻尼性能都不是很理想，只有具有合適的微觀相分離結構的材料才具有良好的阻尼性能。因此，選擇具有一定相容性的兩種組分對于研制具有較寬溫域的阻尼減振材料具有重要的意義。

圖2 硅橡膠／CPE共混膠的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectra for silicone rubber／CPE blends

由圖2可以看出，2963cm－1是Si—CH3中CH3的C—H伸縮振動吸收峰，1260cm－1處的尖而強的峰是Si—CH3中CH3對稱振動吸收峰，1083、1017cm－1處的寬峰是O—Si—O的伸展振動吸收峰，796cm－1處的強峰是Si—C伸展振動吸收峰。與硅橡膠相比，硅橡膠／CPE共混膠在2920、1450cm－1附近出現了不同的兩組峰，其中2920cm－1附近的是CH2的C—H伸縮振動吸收峰，而1450cm－1附近的是CH2的C—H變形振動吸收峰［15］。另外，從譜圖的整體來看，隨著CPE含量的增加，各種特征吸收峰都有一定程度的偏移，說明硅橡膠／CPE共混膠具有一定的相容性。

2.3 硅橡膠／CPE共混膠的阻尼性能

硅橡膠的損耗因子較小，有效阻尼溫域較窄，玻璃化轉變區大都在低溫區。因此，嚴重影響其使用范圍，而氯含量在30%～40%的CPE，呈現出橡膠與塑料的中間態，其玻璃化轉變溫度較高，損耗因子較大。因此，本文通過改變CPE的含量達到提高硅橡膠阻尼性能的目的。圖3為不同CPE含量對共混膠損耗因子的影響。

圖3 CPE含量對共混膠損耗因子的影響Fig.3 Effect of CPE contents on damping factor of the blends

由圖3可知，隨著CPE含量的增加，共混膠的最大損耗因子呈增長趨勢，純硅橡膠時為0.11，加入50份CPE時最大提高到0.24，但出現分峰的現象，加入100份CPE時提高到0.43，并且CPE的加入使共混膠的玻璃化轉變溫度向高溫方向推移了近30℃，有效阻尼溫域（tanδ＞0.1）也從15℃拓寬到近50℃。這是由于當CPE含量為50份時，添加量較少，很難形成連續相，在硅橡膠基體中以分散相存在，因此出現2個獨立的阻尼峰，在－40℃左右的為硅橡膠的阻尼峰，在－10℃左右的為CPE的阻尼峰；隨著CPE含量的增加，在硅橡膠基體中CPE形成了局部的連續相，并且在過氧化物硫化劑的作用下，硅橡膠和CPE的相容性得到增強，在硅橡膠和CPE兩獨立阻尼峰中間出現了阻尼性能更好的單一阻尼峰［16－17］。因此，隨著CPE含量的增加，硅橡膠與CPE呈現較好的相容性，共混膠阻尼性能也得到顯著提高。

2.4 硅橡膠／CPE泡沫合金材料的密度

本文以硅橡膠／CPE（100／100）為基體，加入發泡劑AK，在130℃下預發泡20min制得硅橡膠／CPE泡沫合金材料，然后再將該材料放入150℃的烘箱中分別熱處理30、60和90min，即得泡沫樣品，并采用液體取代法來測定泡沫合金材料的密度，見表1。

從表1可以看出，硅橡膠／CPE泡沫合金材料經熱處理后，其密度發生較大變化，隨著熱處理時間的延長，其泡沫密度呈降低趨勢。但隨著熱處理時間的進一步延長，其泡沫密度變化不大。分析其原因為：樣品在預發泡時，溫度較低，時間較短，發泡不完全，使得樣品密度較大；而經熱處理后，溫度較高，所以密度變化較大；當進一步熱處理時，樣品已有較充分的交聯和發泡，因此其密度變化不大。

表1 熱處理時間對硅橡膠／CPE泡沫合金材料密度的影響Tab.1 Effect of heat treatment time on density of silicone rubber／CPE blend foams

2.5 硅橡膠／CPE泡沫合金材料的泡孔結構

從圖4可以看出，隨著熱處理時間的延長，泡沫合金材料中泡孔的尺寸逐漸增大。分析其原因為：樣品熱處理時，部分發泡劑又產生新的氣體，而進一步的熱處理，樣品已有較完全的交聯，產生的氣體促使泡孔擴大較困難，因此在熱處理60min后，樣品的泡孔尺寸變化不明顯，這也與樣品密度的測試結果相一致。

圖4 硅橡膠／CPE泡沫合金材料斷口形貌的SEM照片Fig.4 SEM micrographs for tensile fracture surface of silicone rubber／CPE blend foams

2.6 硅橡膠／CPE泡沫合金材料的阻尼性能

本文通過在共混膠配方中加入發泡劑制得輕質硅橡膠泡沫，并通過改變樣品熱處理時間，來研究不同熱處理時間對泡沫合金材料阻尼性能的影響。圖5為共混膠及不同熱處理時間對泡沫合金材料損耗因子的影響，具體數據如表2所示。

由表2可知，共混膠具有較好的阻尼性能，最大損耗因子達到0.43，而泡沫合金材料的損耗因子提高到0.68，并且損耗因子大于0.3對應的阻尼溫域也從16℃拓寬到45℃，當經過熱處理后，泡沫合金材料的阻尼性能出現降低的現象，但是最大損耗因子所對應的溫度與共混膠相比向高溫方向推移了近10℃。分析其原因為：沒有經過熱處理的泡沫合金材料的硫化溫度低，硫化時間較短，基體分子鏈的交聯不充分，材料的黏彈性較大，因此，阻尼性能有所提高。隨著熱處理時間的增加，基體分子鏈之間有充分的交聯，因此，泡沫合金材料的阻尼性能又出現降低的現象，但是由于泡孔的存在，使得泡沫合金材料最大損耗因子所對應的溫度都有向高溫推移的現象。

表2 熱處理時間對硅橡膠／CPE泡沫合金材料阻尼性能的影響Tab.2 Effect of heat treatment time on damping properties of silicone rubber／CPE blend foams

圖5 熱處理時間對硅橡膠／CPE泡沫合金材料損耗因子的影響Fig.5 Effect of heat treatment time on loss factor of silicone rubber／CPE blend foams

3 結論

（1）CPE的加入可以提高硅橡膠的阻尼性能，當CPE含量為100份時，共混膠的損耗因子提高到0.43，玻璃化轉變溫度向高溫方向推移了近30℃，有效阻尼溫域（tanδ＞0.1）也從15℃拓寬到近50℃；

（2）硅橡膠／CPE泡沫合金材料的阻尼性能顯著提高，損耗因子從0.43提高到0.68，有效阻尼溫域（tanδ＞0.3）從16℃拓寬到45℃，玻璃化轉變溫度向高溫偏移了13℃左右；

（3）經熱處理后，硅橡膠／CPE泡沫合金材料的阻尼性能出現降低的現象。

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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

聯系人，guofangding＠yahoo.com.cn

（本文編輯：李 瑩）