铜粉／阻尼硅橡胶复合材料动态特性研究

　　摘 要：通过机械共混法制备了铜粉/SE2155阻尼硅橡胶复合材料，并利用 RPA2000分析了复合材料在不同温度、频率、应变下的动态性能。结果表明，当铜粉用量低于20份时，对铜粉/SE2155复合材料的力学性能影响较小;当铜粉用量为2份时，复合材料的模量提高，阻尼性降低，拉伸强度达到8.71MPa，但工艺性能不如SE2155硅橡胶;当铜粉用量为5～20份时，复合材料的模量和阻尼性能均低于SE2155硅橡胶，模量和阻尼性能随温度、频率的变化趋势与SE2155阻尼硅橡胶近似。只有在7%以内的应变下，复合材料的模量随着应变的增大而增大，与SE2155阻尼硅橡胶的趋势相反。

　　关键词：阻尼;硅橡胶;铜粉;模量

　　涂春潮; 石伟; 胡鹏飞; 吕磊; 余贝贝 特种橡胶制品 2021-12-06

　　硅橡胶是以Si-O 单元为主链、有机基团为侧链的线性聚合物，是典型的半无机有机聚合物，既有无机高分子的耐热性，又具有有机高分子的柔顺性;硅橡胶材料具有优异的耐高低温性能、卓越的耐候性能，可以在-100℃～250℃范围内长期使用，并且在-60℃～200℃范围内性能非常稳定[1-3]。通过在硅橡胶侧链中引入大体积分子基团，可以赋予硅橡胶良好的阻尼性能，如利用苯基基团等大体积分子基团使分子内旋转阻力增大，分子链间以及分子链-填料间的相互作用力也因苯环共轭π键间的相互作用而加大，赋予硅橡胶良好的阻尼性能[4]。因此，阻尼硅橡胶是一类重要的、适合在宽温域范围内使用的功能材料，在航空航天、兵器、船舶以及其他工业装备的阻尼减振领域有着广阔的应用前景。橡胶减振垫是利用橡胶型粘弹性阻尼材料制成的具有一定几何形状的组件，用以隔离关键结构件或电子设备，获得减振和隔振效果[5]，是阻尼减振领域的常用手段。在振动环境下，尤其是大量级振动环境下，橡胶减振垫与安装基体之间的摩擦导致的橡胶磨损、断裂是橡胶减振垫的主要破坏形式。阻尼硅橡胶的摩擦系数较大，力学强度较低，严重影响了阻尼硅橡胶减振垫的应用。利用铜粉、石墨、炭黑、二硫化钼以及层状硅酸盐等填料改善橡胶硫化性能、力学性能及摩擦磨损性能的研究有很多[6-10]。但目前利用铜粉填充阻尼硅橡胶的性能，尤其是铜粉对阻尼硅橡胶 动 态 性 能 的 研 究 鲜 有 报 道。 本 文 利 用RPA2000对铜粉/阻尼硅橡胶的力学性能及动态性能进行了研究，以期对研制耐磨损阻尼硅橡胶提供实验支撑。

　　1 实验部分

　　1.1 主要原材料

　　SE2155阻尼硅橡胶(以下简称 SE2155)，北京航空材料研究院;铜粉，粒径0.05mm，重庆华浩冶炼有限公司;双叔丁基过氧化异丙基苯(BI-PB)和其他材料均为橡胶工业市售品。

　　1.2 基本配方

　　SE2155，100(质量份，下同);铜粉，变量(0，2，5，10，15，20);BIPB，0.6。

　　1.3 主要仪器与设备

　　Φ160mm×320mm 型开炼机，广东湛江机械厂;TYC-V-7-2-S-PCD 型 平 板 硫 化 机，东 毓 (宁波)油压工业有限公司;T2000E 型电子拉力机，北京友深电子仪器有限公司;LX-A 型橡胶硬度计，上海市轻工业局标准计量管理所试验工厂;RPA2000，美国 Alpha公司。

　　1.4 试样制备

　　在开炼机上将 SE2155塑炼，依次加入铜粉和 BIPB，混炼均匀，下片，待用，停放12h。使用平板硫化机硫化试样，硫化条件为(170±3)℃× 10MPa×t90。

　　1.5 分析与测试1.5.1 RPA2000分析

　　本实验 RPA2000分析程序包含：(1)升温至100℃进行小应变的频率扫描(100℃，7% 应变，0.5～30Hz);(2)升温至170℃进行硫化(170℃× 30min);(3)降温至 120℃ 进行温度 扫 描 (7% 应变，10Hz，120℃ 降 温 至 40℃);(4)应 变 扫 描(40℃，10Hz，1% ～20%);(5)频 率 扫 描 (40℃，7%应变，0.5～30Hz)。

　　1.5.2 力学性能

　　拉伸性能按 GB/T528-2009测试;ShoreA硬度按 GB/T531.1-2008测试。

　　2 结果与讨论2.1 力学性能

　　不同用量的铜粉对铜粉/SE2155复合材料力学性能的影响见表1。　从表1可以看出，当铜粉用量低于10份时，复合材料的拉伸强度呈先增大后降低的趋势;当铜粉用量低于20份时，ShoreA 硬度基本保持不变，拉断伸长率及撕裂强度随着铜粉用量的增加而逐渐降低。从表1还可以看出，当铜粉用量低于2 份时，铜粉/SE2155 的拉伸强度有所增加。分析原因可能是，铜粉粒径较小，在 SE2155中的分散较好，有可能是以“独立相”均匀分散其中，并不影响SE2155中原有炭黑的补强体系，因此加入铜粉不影响拉伸强度及硬度，但铜粉本身与硅橡胶的结合强度不高，使铜粉/SE2155阻碍裂纹拓展的能力降低，因此撕裂强度逐渐下降。铜粉在SE2155中的分散形态有待进一步验证。

　　2.2 动态性能

　　利用 RPA2000分析程序对不同用量铜粉填充SE2155混 炼 胶 和 硫 化 胶 进 行 动 态 力 学 性 能研究。

　　2.2.1 混炼胶的频率扫描

　　混炼胶的频率扫描曲线见图1和图2。混炼胶的模量分为粘性模量(G″)和弹性模量(G′)，一般情况下G″和G′随着频率增加、温度降低而逐渐增大。由图1，2可以看出，在1～30Hz范围内，混炼胶的G″和G′随着扫描频率的增加而逐渐增大;随着铜粉用量的增加，混炼胶的模量逐渐增大，这是铜粉本身模量的体现。混炼胶中填料的分散越好，且与橡胶结合量越多，相应的tanδ越大，因此tanδ表征混炼胶填料分散的优劣[11]。图3为混炼胶的tanδ随频率的变化曲线。由图3可以看出，SE2155添加铜粉后，损耗性能降低，但力学性能变化不大，原因可能是填料胶体分散性降低以及由于铜粉的润滑特性造成混炼胶阻尼性降低的综合体现。

　　2.2.2 混炼胶的硫化特性

　　ML 反映材料的加工性能，ML 越小则加工性能越好;MH 与胶料的力学性能相关，越大说明力学性能越好。表2为铜粉/SE2155的硫化特性。 由 表 2 可 以 看 出，铜 粉 可 以 改 善 铜 粉/SE2155的力学性能，但随着铜粉用量的增加，铜粉/SE2155的加工性能逐渐变差，少量铜粉可以缩短硫化时间，但当用量超过5份之后，混炼胶的硫化时间变化不大。

　　2.2.3 硫化胶的温度扫描

　　利用 RPA2000 对不 同 用 量 的 铜 粉/SE2155阻尼硅橡胶的硫化胶进行温度扫描，考察胶料性能随温度的变化，见图4和图5。橡胶弹性模量随温度的变化是由于随着温度的升高，分子热运动越来越剧烈，克服橡胶大分子间作用力的能力越来越强，导致弹性模量呈下降趋势[12]。如图4所示，在40℃～120℃范围内，铜粉/SE2155的弹性模量随温度升高而下降。加入少量的铜粉可以提高 SE2155的弹性模量，但随着铜粉用量的增加，铜粉/SE2155的模量将低于SE2155的模量，并随着铜粉用量的增加而逐渐增大。分析其原因，加入少量的铜粉呈“独立相”均匀分散于硅橡胶基体之中，并与部分橡胶分子形成“包埋胶”，且呈刚性特性，因此当铜粉用量为2份时，铜粉/SE2155模量高于 SE2155;用量超过2份后，铜粉逐渐向聚集 态 发 展，破 坏 了 橡 胶 模量，因此用量为5份的铜粉/SE2155的模量低于SE2155，但随 着 铜 粉 用 量 的 增 加，铜 粉/SE2155的模量逐渐增加。

　　如图 5 所 示，tanδ 随 着 温 度 的 升 高 逐 渐 降低，说明铜粉/SE2155的阻尼性能随温度的升高逐渐降低，与 SE2155 本身的规律相同。这主要是因为随着温度的升高，分子热运动越来越剧烈，高分子链段运动的内摩擦阻力越来越小，由硫化胶所损耗的能量逐渐降低。另外，加入铜粉降低了SE2155的损耗性能，这是由于铜粉润滑特性降低了橡胶的内摩擦阻尼，导致铜粉/SE2155的阻尼性能下降。

　　2.2.4 硫化胶的频率扫描

　　对于橡胶材料，增加频率相当于降低温度。如图6，7所示，铜粉/SE2155的弹性模量和tanδ 随着频率的增加而逐渐增大;加入少量铜粉可以提高SE2155的弹性模量，但超过2份后，铜粉/SE2155的模量低于 SE2155本身的模量，且随着铜粉用量的增加而增大，其原因与温度扫描的变化是相同的。

　　2.2.5 硫化胶的应变扫描

　　共混胶的应变扫描曲线见图8，9。改变应变幅度，可以测定橡胶动态性能随剪切速率的变化，并得到材料的非线性粘弹性方面的流变学数据。硫化胶的弹性模量响应曲线与定伸应力和拉伸强度相关，弹性模量越大定伸应力越大;应变扫描的tanδ与生热 相 关，即 与 硫 化 胶 的 耗 能 (阻 尼)相关，tanδ越大则阻尼越大。填充橡胶的弹性模量随应变的增大而急剧降低的现象称为 Payne效应[13]，如图8所示，少量铜粉填充SE2155阻尼硅橡胶符合这一规律。铜粉/SE2155的模量随着铜粉用量的增加，先增大再减小后又逐步增大。表明铜粉/SE2155中填料网络化程度随铜粉用量的增加呈先减小后增大趋势，说明少量的铜粉可以抑制橡胶中填料聚集。但随着铜粉用量的进一步增加，胶料中填料有效体积增大，使铜粉/SE2155的弹性模量增加。

　　在7%应变范围内，填充少量铜粉与未填充的SE2155弹性模量，随着应变的增大逐渐降低;当铜粉用量超过2份后，铜粉/SE2155弹性模量随 着 应 变 的 增 大 而 升 高。 这 可 能 是 铜 粉 在SE2155中的分散状态引起的，有待进一步考察。铜粉填充 SE2155阻尼硅橡胶后，显著降低了阻尼硅橡胶的阻尼特性，这是铜粉本身润滑特性降低了阻尼硅橡胶的内摩擦造成的。

　　3 结论

　　(1)通过机械共混法在 SE2155阻尼硅橡胶中填充铜粉。当铜粉填充用量小于20份时，对铜粉/SE2155的力学性能影响不大，在较小的用量下，可以略微提高SE2155的拉伸强度，但会降低SE2155本身的工艺性能，且随着铜粉用量的增加而加剧。

　　(2)铜粉/SE2155阻尼硅橡胶的模量和阻尼性能随温度、频率的变化规律与 SE2155阻尼硅橡胶相似。在应变扫描过程中，应变超过7%以后，铜粉/SE2155阻尼硅橡胶的模量和阻尼特性随应变增大的变化规律与 SE2155阻尼硅橡胶相似。但在小应变(7%以内)振动过程中，铜粉用量超过2份后，铜粉/SE2155阻尼硅橡胶复合材料的模量随应变增加而升高。

　　(3)当铜粉用量为2份时，可以提高 SE2155的拉伸强度和模量，但降低了 SE2155的损耗性能。铜粉填充用量2份应是一阈值，后续研究应针对该现象进行深入研究。