减振橡胶动静刚度比研究_陈平

第３３卷　第６期２０１２年１２月特种橡胶制品

ＳｅｃｉａｌＰｕｒｏｓｅＲｕｂｂｅｒＰｒｏｄｕｃｔｓ　　　ｐｐＶｏｌ．３３　Ｎｏ．６

ｅｃｅｍｂｅｒ２０１２　Ｄ　

减振橡胶动静刚度比研究

陈　平，黄自华，姜其斌

（）株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲　４１２００７

摘　要：采用９种不同橡胶，通过标准试样研究了其动静刚度比。结果表明，橡胶大分子链上侧基体积较大、数量多、极性大的橡胶动静刚度较高。天然橡胶并用其他橡胶，其动静刚度比均明显提高。针对５种无机填料，白炭黑的动静刚度比最大，而硅藻土的动静刚度比最小。关键词：减振橡胶；动静刚度比

＋＋

（）中图分类号：ＴＱ３３２．１２，ＴＱ３３６．４２　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００５－４０３０２０１２０６－００３７－０４

冲击的传递或起缓冲　　减振橡胶是防止振动、

作用的硫化橡胶制品，它可最大限度地降低机械提高工作效率，广泛应用于噪声和减轻机械振动，

１］

。减机械设备、运输设备及构筑物的振动隔离［

］３４－

。理想的减振材料具有对振动的迅迅速传递［

速响应能力，又能在变形的过程中消耗能量，但这是一对矛盾，很难兼顾。为了保证减振橡胶制品在长期使用过程中的寿命、性能保持率、低压缩永久变形，首先保证减振橡胶制品有较低的动静刚度比。

根据检索到非常有限的动静刚度比和阻尼系数方面的文献，得出一般规律：随着动静刚度比的增大，其胶料回弹性降低，强化了橡胶的粘弹损耗，导致胶料阻尼系数也随之增加。反之，随着动回弹性提高，同时弱化了橡胶的静刚度比的降低，

粘弹损耗，阻尼系数也相应降低。但由于静刚度载荷、频率和振幅等因素）比的测试受检测条件（

和检测试样结构的影响，因此动静刚度比同阻尼系数的变化规律不完全一致。

本工作通过考察减振橡胶生胶体系及无机填料，对胶料动静刚度比的影响进行了研究，对如何降低减振橡胶产品的动静刚度比具有指导作用。１　实验部分

１．１　原材料及仪器

，天然橡胶（进口；异戊橡胶ＮＲ）３＃烟片，（，，俄罗斯产品；丁苯橡胶（ＩＲ）ＳＫＩ３，ＳＢＲ）１５０２，－

，中国石油吉化集团公司产品；丁腈橡胶（ＮＢＲ），台湾南帝产品；氯丁橡胶（２８６５，ＣＲ）ＰＳ４０Ａ、，日本产品；三元乙丙橡胶（Ｓ４０Ｖ，ＥＰＤＭ）４６４０，美国陶氏化学产品；硅橡胶，Ｓ７０Ａ，上海三众化－，轻发展有限公司产品；快压出炭黑（天津Ｎ５５０）海豚橡胶集团有限公司产品；其他助剂均为橡胶工业市售产品。

阻尼系数振橡胶制品的主要性能指标有静刚度、及动静刚度比。减振橡胶制品按载荷速度的不同分为静刚度、动刚度和冲击刚度。当载荷缓慢加／变形速度在１甚至更低，于减振器，ｃｍｍｉｎ左右，且橡胶的变形量不超过橡胶受试方向厚度的测得的力与变形的关系称为静刚度２０％时，

（。减振器在以一定的振幅（不超过橡胶厚度ＫＳ）

）和一定频率（一般为５～６交变载荷的５％）０Ｈｚ

。载荷作用下，测得的振动刚度称为动刚度（Ｋｄ）／以２～６测得的刚度ｍｓ的速度使减振器变形时，

［２］

称为冲击刚度（ＫＳｈ）。动静刚度比即为测得的

／。动刚度与静刚度的比值（ＫｄＫＳ）

减振橡胶制品使用的橡胶材料，动静刚度比对振动传递和减振效果有较大影响。动静刚度比越小，橡胶材料的回弹性越好，振动传递效果越好。金属弹簧等理想弹性体的动静刚度比为１，其他非理想弹性体的动刚度都大于静刚度，两者的比值越趋近于１，振动传递性能就越好。橡胶弹性体具有粘弹性，对动载荷表现出灵敏的粘弹滞后性，动静刚度比必然大于１。理论上讲，橡胶弹性体的粘弹滞后性虽对减振耗能有利，但对永使用寿命及使用性能有害，不利于振动的久变形、

收稿日期：２０１２０６１１－－

，作者简介：陈　平（男，甘肃庆阳人，工程硕士，高级工程１９７４－）

师，主要从事减振产品橡胶配方设计方面的工作。

３８　特种橡胶制品第３３卷　第６期

１．２　基本配方

１．２．１　研究生胶体系对动静刚度比影响的配方

研究不同生胶体系对标准试样动静刚度比影响的基本配方见表１。

胶种ＮＲ　

异戊橡胶（ＩＲ）顺丁橡胶（ＢＲ）ＳＢＲ　ＮＢＲ　硫调节）ＣＲ（

非硫调节）ＣＲ（ＥＰＤＭ　硅橡胶

生胶１００１００１００１００１００１００　１００　１００１００

氧化镁－－－－－４　４　－－

氧化锌５　５　３　３　５　５　５　５　－

１．２．２　研究ＮＲ并用不同生胶对动静刚度比影

响的配方

研究ＮＲ并用不同生胶对标准试样动静刚度比影响的基本配方见表２。

表１　研究不同生胶体系对标准试样动静刚度比影响的配方

硬脂酸２　２　２　１　１　０．５　０．５　１　－

防老剂２　２　２　２　２　１　１　１　－

Ｎ５５０炭黑

４０　４０　４０　４０　４０　４０　４０　４０　１．０

软化剂２　２　２　２　２　２２６　－

硫化剂２．５　２．２５　１．５　１．７５　１．５　－－５　１．０

份

促进剂１．００．７０．９１．０１．０－０．５３－

份

硫化剂２．５　２．５　２．２５　１．５　１．７５　１．５　

促进剂１．０１．００．７０．９１．０１．０

表２　研究ＮＲ并用不同生胶对标准试样动静刚度比影响的配方

并用胶种ＮＲ　

／／ＩＲ＝７０３０ＮＲ　／／ＢＲ＝７０３０ＮＲ　／／ＮＲＳＢＲ＝７０３０　／／ＮＲＮＢＲ＝７０３０　／／ＮＲＣＲ＝７０３０　

生胶１００　１００　１００　１００　１００　１００　

氧化锌５　５　５　３　３　５　

硬脂酸２　２　２　２　１　１　

防老剂２　２　２　２　２　２　

Ｎ５５０炭黑

４０　４０　４０　４０　４０　４０　

软化剂２　２　２　２　２　２　

１．２．３　研究ＮＲ采用无机填料对动静刚度比影

响的配方

（；质量份，下同）氧化锌，硬脂酸，ＮＲ，１００１０；防老剂，无机填料（白炭黑、轻２；４；Ｎ５５０炭黑，３０；

，质碳酸钙、陶土、云母粉和硅藻土）软化剂，３０；４；硫化剂，促进剂，２．５；１．４。

１．３　主要仪器与设备

江西萍乡无线５０ｔ四柱油压机，ＹＨ３３５０型，－电专用设备厂；开炼机，上海橡胶Ｘ（Ｓ）Ｋ１６０型，－

，机械厂；平板硫化机，江西萍乡无线电专用制５０ｔ品厂；无转子硫化仪，台湾育肯科技ＵＲ２０１０型，　动态刚度试验机，型号８美国股份有限公司；８０２，ＩＮＳＴＲＯＮ公司。１．４　混炼工艺

配合各种胶料，在开炼机上混炼。加料顺序为生胶→炭黑及其他助剂→硫化剂→薄通→下

。片。混炼温度为４时间为３０～５０℃，０ｍｉｎ１．５　试样测试

测定阻尼系数标准试样的硫化条件为１５０℃；测定动静刚度比标准试样硫×１５ｍｉｎ×２８ＭＰａ

）。化条件为（ＴＣ１５ｍｉｎ×２８ＭＰａ９０＋

静刚度和动刚度均按现行铁路用ＷＪ型橡胶

垫板的静刚度和动刚度试验方法测试。１．５．１　动静刚度测试试样

经结构设计及系统结构分析，本工作中测定动静刚度比标准试样的尺寸为Φ１４０ｍｍ×２０ｍｍ。１．５．２　静刚度测试方法

）试验环境温度为（所有部２３±２℃。试验前，件和设备在（２３±２）℃环境中至少静置２４ｈ。开

始前，对试样进行预加载，静载１卸载，停００ｋＮ，，。试留１再次加载１卸载，停留１ｍｉｎ００ｋＮ，ｍｉｎ／验开始时，将两位移测试仪调零，以２～３ｋＮｓ速度均匀加载。当载荷加至Ｆ各停留１和Ｆ２时，

，并分别记录位移Ｄ１均为两位移测试１ｍｉｎＤ２ｉ，ｉ（。如此反复试验３次，计算３次仪读数的平均值）

记为Ｄ１，计Ｄ１Ｄ２Ｄ２。静刚度用式（１）ｉ，ｉ平均值，算：

／（ＫＳ＝（Ｆ２－Ｆ１）Ｄ２－Ｄ１）

（）１

式中：Ｆ１－向被测阻尼标准试样施加的最小载荷，２０ｋＮ；Ｆ２－向被测阻尼标准试样施加的最大载荷，７０ｋＮ；Ｄ１－被测阻尼标准试样在加载至Ｆ１

２０１２年　陈　平等　减振橡胶动静刚度比研究

３９　

时的位移，ｍｍ；Ｄ２－被测阻尼标准试样在加载至

／Ｆ２时的位移，ｍｍ；ＫＳ－静刚度，ｋＮｍｍ。１．５．３　动刚度测试方法

）试验环境温度为（所用部２３±２℃。试验前，件和设备在（２３±２）℃的环境中至少静置２４ｈ。将标准试样水平放置在试验机上。预加静载１００，卸载，停留１再次加载１卸载，停ｋＮ，ｍｉｎ００ｋＮ，

。正式试验，施加周期载荷２留１ｍｉｎ０～７０ｋＮ，，加载频率（载荷循环１４±１）Ｈｚ０００次。在最后的１记录１００次载荷循环中，０个循环的实际施加载荷Ｆ采用两个位移测试Ｆ２Ｄ２１ａｉ，ａｉ和位移Ｄ１ｉ，ｉ（

。计算仪测量时，均为两个位移测试仪的平均值）分别记为ＦＦ１Ｆ２Ｄ１Ｄ２Ｆ２ａｉ，ａｉ，ｉ，ｉ的平均值，１ａ，ａ，

）计算：Ｄ１，Ｄ２。动刚度用式（２／（（）Ｋｄ＝（Ｆ２Ｆ１Ｄ２－Ｄ１）２ａ－ａ）

式中：Ｆ１ａ－向被测阻尼标准试样施加的实际最小动载荷，ｋＮ；Ｆ２ａ－向被测阻尼标准试样施加的实际最大动载荷，ｋＮ；Ｄ１－被测阻尼标准试样的最小位移，ｍｍ；Ｄ２－被测阻尼标准试样的最大位

／移，ｍｍ；Ｋｄ－动刚度，ｋＮｍｍ。２　结果与讨论

本工作采用的标准试样相对自由面积非常明显可体现出橡胶的粘弹损耗，动静刚度比相小，

对值较大。橡胶配方中各个体系对标准试样动静刚度比的影响详见下述。

２．１　生胶体系对试样动静刚度比的影响

本研究对比的９种胶料动静刚度比试验结果如图１所示。从图中可看出，生胶体系中，动静刚动静刚度比最高的是度比最低的是硅橡胶，

胶料的形态结构是决定ＮＢＲ。从微观结构分析，

橡胶材料动静刚度比的一个重要原因。分子链上侧基体积较大、数量多、极性大及分子间氢键多、作用强的橡胶阻尼系数较高，同时胶料的动静刚度比也相对高。因此，具有较多侧甲基或极性侧基的ＮＢＲ和ＣＲ的动静刚度比比ＮＲ要高。而硅橡胶分子主链为硅氧键，硅氧链呈螺旋形构型，分子链的柔韧性大，因此硅橡胶动静刚度比在所有胶料中是最低的。其中ＢＲ的动静刚度比同其分子结构式存在反常现象，考虑原因是，与ＳＢＲ和ＮＲ相比，同时炭ＢＲ对炭黑的浸湿能力更佳，

［］黑在Ｂ从而导致Ｒ中的分散性比ＳＢＲ优越５，

多，形成网状结构，这些因素导致较为强烈的粘弹滞后效应，最终导致ＢＲ动静刚度比较高

。

１－ＮＲ；２－ＩＲ；３－ＢＲ；４－ＳＢＲ；５－ＮＢＲ；６－ＣＲ硫；７－ＣＲ非硫；８－ＥＰＤＭ；９－ＭＶＱ。

图１　

不同生胶胶料标准试样动静刚度比试验结果

／／／１－ＮＲ；２－ＮＲＩＲ；３－ＮＲＢＲ；４－ＮＲＳＢＲ；

／／。硫调节型）５－ＮＲＮＢＲ；６－ＮＲＣＲ（

图２　ＮＲ及并用胶标准试样动静刚度比试验结果

／／／同时本工作对ＮＲ，ＮＲＩＲ，ＮＲＢＲ，ＮＲ

／／硫调节型）ＳＢＲ，ＮＲＮＢＲ和ＮＲＣＲ（６种生胶体

／系进行了对比试验，其中并用比均按７０３０来进结果如图２所示。从图中可看出，行研究，ＮＲ并用Ｎ动静刚度比最高，ＢＲ后，１００％ＮＲ的胶料，动静刚度比最低。进一步验证了在橡胶大分子链上，侧基体积较大、数量多、极性大、作用强的橡胶阻尼系数较高，同时动静刚度比也相对较高。其中ＮＲ并用Ｂ动静刚度比相对ＳＲ后，ＢＲ要高，与图１具有相同变化趋势和同样的原因解释。还可看出，单一的ＮＲ动静刚度比最低，ＮＲ共混了其他胶种后，动静刚度比均不同程度地有所升高。分析原因是，共混橡胶材料的各组分界面间有过渡层，采用共混和共聚的多项体系可达到扩大阻

６］

，但橡胶共混的过渡层同时也放尼温域的目的［

大了橡胶的粘弹滞后效应。

２．２　无机填料对标准试样动静刚度比的影响

无机填料具有亲水性，与橡胶的亲和性不好。

结合胶增ＢＲ大分子与炭黑粒子界面作用增强，

４０　特种橡胶制品第３３卷　第６期

（）在无机填料填充橡胶中表现为两方面：表面积１小，无机填料粒子容易结团，分散在胶料中的粒子凝聚，不能充分发挥填料粒子比表面积的作用，与）界面结合不良，有时橡胶间形成相应的界面。（２

７］

。无机填料粒子与橡胶间存在缝隙［

而硅藻土相对白炭黑粒径较大，同橡胶大分提高；

子链之间接触较少，当受到外力时，其粘弹滞后效应较小，损耗因子较低，从而表现出较低的动静刚度比。３　结论

）采用标准试样研究了胶料的动静刚度比，１

得出分子链上侧基体积较大、数量多、极性大的胶料动静刚度比相对较高的结论。

）ＮＲ并用其他胶种后，动静刚度比均明显２提高。

）对比了５种无机填料，白炭黑的动静刚度３比最大，硅藻土的动静刚度比最小。

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ａｌｓｔｓｓｔｅｍ［Ｐ］．ＥＰ：２０２０６０，１９８６１１２０．　－－ｙｙ

［］［４ｋｉａｍａＴａｋａｓｈｉ．ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｏｆｓｎｔｈｅｔｉｃｒｕｂｂｅｒＰ］．ＪＰ：　Ａ　　　　ｙｙ

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［］刘登祥，周鸣峦．橡胶工业手册［北京：化学工５Ｍ］．　谢遂志，

业出版社，１９８９：１９１１９２．－

［］韩俐伟，吴青．高分子聚合物力学阻尼材料的研究６　王俊峰，

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［］现代橡胶工艺学［北京：中国石化出版社，７Ｍ］．　杨清芝．

１９９７：２２１２２２．－

本工作使用５种不同无机填料（白炭黑、轻质碳酸钙、陶土、云母粉和硅藻土）进行了动静刚度结果如图３所示

。比试验，

１－白炭黑；２－轻质碳酸钙；３－陶土；４－云母粉；５－硅藻土。

图３　不同无机填料对胶料标准试样动静刚度比及阻尼

系数影响的试验结果

从图中可看出，白炭黑的动静刚度比最大，硅藻土的最小。这是由于白炭黑粒径显著小于其他白色填料，其表面使用硅烷偶联剂处理，提高了白炭黑同橡胶的亲和力、湿润性和相容性，与橡胶大结合胶增多，也就越易形成分子的界面作用增强，

网状结构，这些因素将导致更为强烈的粘弹滞后效应，增大滞后损失，最终导致胶料的动静刚度比

櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐櫐

现代橡胶技术》征订启事２０１３年《

现代橡胶技术》创刊于１由曙光橡胶９７５年，　　《

工业研究设计院主办，是一本以准确、快速、详细介绍国内外橡胶工业先进技术为特色的综合性技、《术期刊。本刊已被《中文科技期刊数据库》中国“期刊全文数据库》全文收录。主要栏目有：专论·综述”、“、“、“材料·配方”结构设计”试验·测、“、“、“、“试”工艺·设备”产品动态”市场频道”资等栏目，适合橡胶行业及相关行业的科技讯速递”

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