高分子阻尼材料的制備及其在橋梁支座上的應用

李 斌，楊麗博，張保生，黃良平

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

高分子阻尼材料的制備及其在橋梁支座上的應用

李 斌，楊麗博，張保生，黃良平

(株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

高分子材料具有良好的減振降噪效果，已被廣泛應用于建筑、機械、橋梁等領域。但大多數高分子材料單一使用時阻尼效果差，限制了其應用范圍；而通過常規方法提高高分子材料的阻尼性能，其效果并不明顯。為獲得具有高阻尼損耗峰且有效阻尼溫域較寬的高分子阻尼材料，對國內外高分子阻尼材料最新研究進展進行了綜述，并對高分子阻尼材料在橋梁支座上的工程化應用進行了介紹。

高分子材料； 阻尼性能； 橋梁支座

0 前 言

高分子材料具有獨特的黏彈性，常被作為減振材料來使用，目前已被廣泛用于建筑、橋梁、機車、船舶等領域[1-5]。一般來說，高分子材料在其玻璃化轉變溫度范圍內具有較高的阻尼效果，通常單一高分子材料玻璃化轉變溫度區域窄，僅有20～30 ℃[6]，這就使得單一的高分子材料難以滿足阻尼材料寬溫域的要求，限制了高分子材料作為阻尼材料的使用。

傳統提高高分子材料阻尼性能的方法有橡塑共混法，或在配方中添加大量油料及炭黑，但這無疑會造成生產成本的增加，且高分子材料阻尼效果提高得并不明顯[7-11]。為了獲得既具有較高損耗峰，又具有較寬有效阻尼溫域的高分子阻尼材料，同時減少高分子阻尼材料對玻璃化轉變溫度的依賴性，采用化學方法設計橡膠分子結構和微觀結構，或構筑特殊阻尼機制以提高高分子材料的阻尼性能[12-14]。綜述了近年來高分子阻尼材料方面的最新研究進展，并對高阻尼橡膠支座在橋梁上工程化應用及存在的問題進行了介紹。

1 微觀結構設計

1.1 接枝改性

對高分子材料進行接枝改性是一種能夠有效提高其阻尼性能的方法。通過在分子鏈上引入大基團或強極性作用的基團，增加分子鏈之間的作用力，來提高高分子材料的阻尼效果。常見的手段有環氧化改性、氯化接枝改性，通常制備阻尼材料選用的溴化丁基橡膠、羧基丁腈橡膠也都可以視為是由丁基橡膠、丁腈橡膠接枝改性得到的[15-16]。

Li B（李斌）[17-18]等人采用水相懸浮法對反式-1,4-聚異戊二烯進行環氧化改性，制備了具有多重結構的環氧化反式-1,4-聚異戊二烯(ETPI)。ETPI具有較寬的玻璃化轉變溫度，DMA測試發現，未添加任何填料及功能小分子的ETPI在-60～80 ℃的溫度范圍內出現光滑的峰，顯示出極寬的阻尼溫域，且阻尼峰峰寬還能夠通過對ETPI各組分含量及結構的調控來控制，預計未來將成為一種阻尼效果優良的新型阻尼材料。

Xu H Y（許海燕）、Liu J W（劉吉文）[19-20]等將環氧化天然橡膠(ENR)與白炭黑在高溫條件下共混，利用白炭黑表面富有能與環氧基團反應的硅羥基，將白炭黑原位接枝在ENR上。其接枝機理如圖1所示。通過DMA對制備的復合材料進行分析發現，ENR玻璃化轉變溫度向高溫方向移動了約20 ℃，制備的復合材料在室溫下損耗因子(tan δ)明顯提高。羅章等[21]人使用白炭黑填充ETPI，發現DMA譜圖中40 ℃以上的tan δ顯著提升，且有效阻尼溫域有擴寬的趨勢。

圖1 白炭黑原位接枝ENR的反應機理[20]

1.2 互穿網絡結構(IPN)的構建

IPN材料是由2種或2種以上不相容或半相容的交聯網絡聚合物貫穿制備的，IPN具有強迫互容和微相分離的特點，大大擴寬了聚合物的玻璃化轉變溫度，提高了分子鏈間的摩擦以及高分子材料的tan δ[22-24]。有報道稱[25]制備的IPN材料的玻璃化轉變溫度可達到97 ℃，有效阻尼溫域達到了85 ℃，具有良好的阻尼效果。

Manoj NR[26]制備了羧基丁腈橡膠/聚甲基丙烯酸甲酯(XNBR/PMMA)的IPN材料。提高XNBR/PMMA的組成比例，DMA譜圖中的tan δ峰移向高溫方向，實現了阻尼峰出峰溫域的可調性。研究還發現在較寬的測試頻率范圍內制備的XNBR/PMMA IPN材料阻尼性能，均較純XNBR的有所提高。

2 特殊阻尼機制

2.1 摩擦阻尼機制

高分子分子鏈與填料間的摩擦作用力對能量的耗散有著極其重要的作用。填料-填料摩擦、填料-分子鏈摩擦是填料在高分子材料中產生能量耗散的兩種重要方式[27-28]。

Suhr J[29]等人比較了納米填料微觀形態對阻尼材料的影響。通過在聚碳酸酯（PC）中分別添加1%的C60和單壁納米管(SWNT)，發現添加SWNT的PC在高應變下，損耗模量較未填充填料的PC提高了250%，而添加C60的PC損耗模量基本保持不變。這是由于SWNT較C60有著更大的比表面積，在高應變下，SWNT與聚合物間“滑移”距離長，阻尼效果明顯。因此對于納米填料的選擇，長徑比大的納米填料對高分子材料阻尼效果的提高更為有利。

Skandani A A[30]將ZnO納米棒接枝到碳纖維表面，并與環氧樹脂基體一起制備了復合材料(FRP)。實驗發現，改性后碳纖維填充的FRP阻尼性能較未使用改性碳纖維填充的FRP提高了近40%，同時貯能模量幾乎不變。這是由于1) ZnO納米棒改性后的碳纖維表面上有很多突起（其表面形貌如圖2所示），增大了碳纖維與環氧樹脂之間的滑移摩擦效應；2) ZnO能夠作為一種壓電材料使用，使用ZnO納米棒改性的碳纖維有助于將外界振動能轉變為電能，從而提高機體的阻尼效果。

圖2 掃描電鏡下水熱生長ZnO納米棒的微觀形貌[30]

2.2 可逆氫鍵阻尼機制

氫鍵的引入也是一種提高高分子材料阻尼效果的有效方法。在外界的振動作用下，基體中的氫鍵發生斷裂，同時又有新的氫鍵形成，這種可逆氫鍵的形成效應能夠將振動能轉變為熱能，實現能量的耗散，提高高分子材料的阻尼效果。目前大多數研究通過在高分子材料中添加功能小分子來提高基體中的氫鍵含量，使用的功能小分子多為受阻胺與受阻酚，功能小分子與高分子材料的相容性以及分散均勻性均會對阻尼效果造成較大影響[31]。Liu Q X[32]采用2,2'-亞甲基雙(4-甲基-6-叔丁基苯酚) (AO-2246)與極性相近的XNBR制備了一種阻尼材料。通過紅外與DCS測試發現，AO-2246在XNBR中分散均勻，且與XNBR分子鏈形成了較強的氫鍵；添加50%AO-2246的XNBR的tan δ值可達到3.5，且tan δ峰移向高溫方向，XNBR阻尼效果大幅提升。Lu X[33]發現使用2402 酚醛樹脂硫化的ENR較硫磺、過氧化物有著更寬的阻尼溫域，有效阻尼溫域可達到150 ℃，且在10-5～109Hz的測試頻率范圍內均有較好的阻尼效果。通過紅外測試發現，這是由于2402酚醛樹脂中的羥基與ENR中的極性環氧基團作用，形成氫鍵造成的。

Shi X Y[34]等人在EVM/NBR體系中加入白炭黑，利用白炭黑表面富含的—OH，與EVM中的C=O、NBR中的—CN作用形成氫鍵。DMA測試發現，相比于添加相同炭黑量的EVM/NBR，使用白炭黑的EVM/NBR在20～70 ℃范圍內的tan δ峰大幅度提高，同時EVM/NBR拉伸強度略有提升，但硬度下降較為明顯。

2.3 壓電轉化阻尼機制

傳統的高分子阻尼材料在其玻璃化轉變溫度范圍內阻尼效果最好，制備的阻尼材料容易受溫度與頻率的影響。壓電材料(PZT)作為一種新型材料，當聲波或振動能作用到PZT上，PZT通過壓電效應將外界能量轉變成電能，用于阻尼材料中，能夠實現能量耗散。但如果不能將產生的電能迅速轉變為熱能，產生的電能會再次轉變為振動能，將弱化PZT的阻尼效果。

Liu Z Y等人[35]在PZT/EVA復合材料中添加導電炭黑，通過調節基體的導電性，期待能制備出一種新型阻尼復合材料。研究發現，當導電炭黑使用量小于5%時，復合材料電阻高，基體類似于電路開路[如圖3(a)所示]，PZT產生的電能無法轉變為熱能，材料阻尼效果較差；炭黑用量為5%～15%時，復合材料導電性提高，PZT與炭黑間接觸，形成了導電網絡[如圖3(b)所示]，PZT產生的電能傳遞到橡膠材料基體中并轉變為熱能，阻尼效果大幅度提高；當炭黑使用量大于15%時，基體中形成類似電路短路的結構[如圖3(c)所示]，PZT產生的電能轉化為熱能的效率降低，材料阻尼效果下降。

圖3 PZT/EVA復合材料導電性的調節

3 橋梁支座應用

車輛行駛、地震產生的振動均會對橋梁造成較大危害，直接影響橋梁的使用壽命。橋梁支座作為橋梁結構的重要組成部分，能夠吸收振動產生的能量，保證橋梁的結構安全和使用壽命。

橋梁支座包括普通橡膠支座、鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座，其中高阻尼橡膠支座的減振效果最佳。目前，國內僅有少數學校、企業及研究院所對高阻尼支座進行過研究，研發的高阻尼支座在阻尼方面與日本等國家相比仍有較大差距，具體表現在等效阻尼比較低、溫度相關性變化大等方面。我司通過多年研究，目前已開發出多種規格的高阻尼橡膠支座，性能滿足《公路橋梁高阻尼隔震支座通用技術規范》。通過對高阻尼支座產品進行的等效阻尼比實驗測試可以發現(表1)，23 ℃條件下高阻尼支座的等效阻尼比超過了20%，且等效阻尼比與溫度的相關性較好，得到了用戶的廣泛認可，目前已在港珠澳大橋、寧夏路橋等多個項目中取得了較好應用。

表1 不同溫度下橋梁支座的阻尼效果

4 展 望

綜上所述，高分子阻尼材料已成為工程師們研究的熱點。隨著研究的日益廣泛和深入，高分子阻尼材料顯示出了良好的發展前景。常規方法制備的高分子阻尼材料在配方中常要添加大量的樹脂及油類，材料阻尼性能的提高并不明顯，同時還會造成材料加工工藝性變差。目前對高分子阻尼材料前瞻性的研究能夠大幅提高材料的阻尼特性，但存在技術要求高、材料價格昂貴等問題，這無疑會阻礙高分子阻尼材料在工業化中的批量應用。如何將高分子阻尼材料制備的前沿技術快速實現工業化應用，還需要廣大科研人員進行進一步研究。

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[責任編輯：朱 胤]

Preparation of Damping Materials and its Engineer Applications on Bridge Bearing

Li Bin, Yang Libo, Zhang Baosheng,Huang Liangping
(Zhuzhou Times New Materials Science and Technology Co., Ltd., Zhuzhou 412007, China)

Polymer had excellent vibration reduction effect and had been widely used in building, machine and bridge felds. But only one kind of polymer had low damping properties that made it hard to be used as damping materials. The damping materials prepared by traditional ways had low damping properties and high prices. This paper introduced the most advanced technology for preparing damping materials. Also the engineer application of damping materials in bridge bearing felds was introduced.

Polymer; Damping Properties; Bridge Bearing

TQ 336.4+2

A

1671-8232(2017)03-0040-05

2016-10-31

李斌(1990—)，男，山西晉中人，青島科技大學碩士研究生，主要從事橡膠減振制品配方研究與開發工作，已發表論文7篇。