论文部分内容阅读
地震是一种破坏性极大的自然灾害。通过在建筑物和地基之间安装隔震支座,提高建筑物的抗震能力,能够有效减少地震造成的损害。叠层橡胶隔震支座应用最为广泛,主要有普通天然橡胶支座和铅芯橡胶支座两类,但二者存在天然橡胶阻尼性能较差及铅芯自恢复能力差、易发生剪切破坏、铅泄露污染环境等问题。开发高阻尼橡胶隔震支座可避免铅的使用,解决上述问题。高阻尼隔震支座用橡胶材料要求在大剪切应变下具备较高的阻尼性能,传统的橡胶阻尼材料难以满足支座使用要求。针对上述问题,我们利用高阻尼添加相共混改性、纳米阻尼技术等手段对橡胶材料进行阻尼改性。研究了不同改性方法的阻尼改性机理,探究了不同填料对橡胶复合材料阻尼性能的影响机理。并且,制备了在大剪切应变下具备高阻尼性能的高性能橡胶复合材料。本课题的主要研究内容如下:(1)首次将新型的滑动接枝共聚物(SGC)用于丙烯酸酯橡胶(ACM)的阻尼改性。我们以SGC与ACM橡胶的共混比为变量,结合橡胶加工分析仪(RPA)等表征,探究了 SGC对橡胶材料在大剪切应变下的阻尼性能的改性效果。结果表明,在较高的SGC填充量下,复合材料在剪切应变下的阻尼性能显著提高。ACM/SGC(100/40)复合材料的tanδ值约为纯ACM橡胶的1.94倍。随后,我们对SGC进行预硫化处理,改善了制备工艺,并探究了预硫化工艺对橡胶复合材料性能的影响。结果表明,预硫化处理后,橡胶复合材料的阻尼性能和力学性能均有明显提高。预硫化SGC/ACM复合材料的tanδ值比ACM/SGC复合材料高出12%。此外,利用改进后的制备工艺,制备了不同SGC含量的橡胶复合材料。结合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和原子力显微镜(AFM)等表征,证实了 SGC与ACM橡胶之间存在氢键作用,两相界面处存在较宽的相互作用区。而界面氢键作用和SGC独特的滑轮效应正是橡胶复合材料阻尼性能显著改善的原因。制备的ACM/SGC橡胶复合材料,在较大的剪切应变范围内具有较高的阻尼性能。ACM/SGC(100/40)复合材料的tanδ值约为纯ACM橡胶的1.84倍。(2)开发了一种低成本、绿色环保、操作简便的制备薄层石墨烯纳米片的新方法。以膨胀石墨为原料,在茶多酚的辅助下,通过超声剥离,制备了一种薄层的改性石墨烯纳米片(TEG)。利用AFM、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱等表征方法,证实了制备的TEG是一种多片层(6-7层)的、结构缺陷度较低的石墨烯纳米片。将制备的TEG纳米片和炭黑(CB)复合,制备了一种新型的TEG/CB杂化填料。采用乳液共絮凝法,制备了 TEG、CB和TEG/CB三种不同填料填充的丁苯橡胶(SBR)复合材料。结合万能材料试验机和RPA等表征手段,探究了不同类型填料对橡胶复合材料力学性能和阻尼性能的影响效果。结果表明,TEG/CB杂化填料表现出显著的协同效应,SBR/TEG/CB橡胶材料的力学性能显著高于其他填料填充体系。SBR/TEG/CB复合材料的拉伸强度约为20.6MPa,要比纯SBR橡胶高587%;填充炭黑的橡胶材料,在剪切应变下的阻尼性能显著改善,其中SBR/CB(100/20)材料的tanδ值为0.277,是SBR橡胶的1.9倍。SBR/TEG/CB橡胶复合材料具有较高的阻尼性能、最高的力学性能和导热性能,综合性能优异。(3)探究了导电炭黑(GCB)对橡胶材料在剪切应变下阻尼性能的影响效果,并与其他类型填料作对比,得出GCB填料对橡胶复合材料阻尼性能的影响机理。利用高分辨透射电子显微镜、XPS、BET 比表面积测试仪等表征手段对GCB的微观形貌等特性进行了分析,并与普通炭黑、氧化石墨烯的相关特性进行对比,得出了决定GCB高导电性的重要因素,分别为高比表面积、低密度、高结构度及表面洁净等。其次,制备了 GCB、TEG及二者杂化填料这三种不同填料填充的丁苯橡胶复合材料,表征了填料在基体中的分散情况,探究了不同填料对橡胶复合材料硫化性能、力学性能、导电导热性能及阻尼性能的影响。结果表明,填充GCB后,在橡胶中形成了较为完善的填料网络,由于填料网络破坏造成了界面摩擦耗能,橡胶材料在剪切应变下的阻尼性能显著改善。SBR/GCB(100/20)橡胶复合材料的tanδ值为0.527,约为纯SBR橡胶的6倍。此外,SBR/GCB橡胶复合材料具有较高的力学性能,其拉伸强度高达18.6MPa,是纯SBR橡胶的5.5倍。SBR/GCB橡胶复合材料还具有良好的导电、导热性能,综合性能优异。(4)探究了茶多酚对炭黑在橡胶中分散性的改善效果及对橡胶复合材料阻尼性能的影响。结合RPA及透射电子显微镜等表征,对茶多酚改性炭黑(TCB)在橡胶基体中的分散性进行研究。结果表明,茶多酚可以通过π-π共轭作用吸附在炭黑表面,防止颗粒团聚,改善炭黑在橡胶中的分散性。但是,添加过量的茶多酚会影响橡胶的硫化速度,降低交联密度。加入茶多酚后,橡胶复合材料在剪切应变下的阻尼性能显著改善,SBR/TCB的tanδ值为0.186,是SBR/CB复合材料的1.63倍,是SBR橡胶的2.07倍。此外,探究了茶多酚与炭黑的共混比对炭黑分散性及橡胶复合材料的硫化特性、力学性能及阻尼性能的影响。结果表明,通过调节茶多酚用量,可以获得具有较高的力学性能,同时在剪切应变下的阻尼性能又得到显著改善的、综合性能优异的橡胶复合材料。