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缓冲减振用弹性胶泥阻尼材料

时间: 2011-07-06 15:00 来源: 作者: 株洲时代新材料科技股份有限公司 朱闰平 点击:
摘要:介绍了缓冲减振用新型橡胶—弹性胶泥的特点、主体材料结构、工作原理、可供选用的有机聚硅氧烷以及弹性胶泥缓冲器产品。
关键词:弹性胶泥;有机硅;阻尼材料;弹性胶泥缓冲器

液压油、金属弹簧、橡胶是常用的三种缓冲减振介质或材料,由它们制作的缓冲减振产品称为缓冲器或减振器。液压缓冲器使用液压油作为缓冲介质,利 用液压油在外力作用下的流动摩擦生热来吸收能量,但一直以来都存在液压油密封问题难以解决,没有得到广泛应用;金 属弹簧缓冲器是利用弹簧的刚弹性,通过弹簧摩擦吸收能量,但其自重较大,弹簧磨损快,使用寿命短;橡胶作为缓冲、减振材料使用历史悠久。一般是将加有硫化剂、填充剂等配合剂的橡胶放入模具内加热加压硫化成各种形状,利 用硫化橡胶的弹性来达到缓冲、减振目的。硫化后的橡胶其体积是不可压缩的 [1] ;由于硫化橡胶在使用过程中受到的疲劳破坏、永久变形、老化等原因,其使用寿命也有限。一般情况下,上 述三种缓冲器产品的维修期为一年。而利用未硫化橡胶的粘弹性、流动性和体积可压缩性来制作的弹性胶泥是一种新型特种橡胶粘弹性高阻尼材料,由它制作的弹性胶泥缓冲器克服了液压缓冲器、刚弹簧缓冲器和硫化橡胶缓冲器的缺点,集 合了它们的优点,具有特殊的减振缓冲性能和理想的使用寿命。

国外对弹性胶泥的研究在二十世纪六十年代就已开始,欧 洲国家在八十年代的这项技术已经相当成熟,并在军事装备、工程机械、钢铁工业、桥梁建筑、机车车辆等方面获得广泛的应用;国内对弹性胶泥的研究和使用始于二十世纪九十年代 [2,3] ,主要生产低容量的弹性胶泥缓冲减振器,其应用领域相对有限,可 用于铁路机车车辆等方面的高容量弹性胶泥研究刚刚起步,技术尚不成熟。因此,开发弹性胶泥配方和弹性胶泥缓冲器系列产品具有重要的经济和战略意义。

研究和应用弹性胶泥必须了解其可选用的主体材料、特点和工作原理。

1 弹性胶泥材料

1.1 弹性胶泥的组成

弹性胶泥是一种由有机硅高分子化合物、填充剂、抗压剂、增塑剂、着色剂等化学成分组成的材料 [3] 。其主体材料“有机硅高分子化合物”是未经交联的,它决定了弹性胶泥的基本性能;调节弹性胶泥的粘度、压缩比和阻尼性能,一方面可使用有机硅高分子化合物,另一方面也可使用低分子增塑剂和填充剂,同时还可降低配方成本;由于弹性胶泥是在密闭的耐高压金属缓冲器中通过压缩、摩擦和流动而工作的,抗压剂可在金属缓冲器表面形成牢固的保护膜,当金属因为摩擦结点受压而温度升高时,加入抗压剂可减少金属表面的磨损。

1.2 弹性胶泥用有机硅高分子化合物的选择

有机硅高分子化合物品种很多,性能及用途各异,正确选择有机硅材料是弹性胶泥配方的关键。

有机硅高分子化合物主要有硅油、室 温硫化硅橡胶、混炼型硅橡胶、硅树脂以及聚硅烷等 [4] 。其中:室温硫化硅橡胶是在室温下发生交联后使用的;硅树脂是具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷,一 般为坚硬的或弹性较小的固体,主要用作电绝缘漆及涂料;聚硅烷是主链仅由硅原子组成、多为不溶不熔的固体化合物,主要用作光学材料;这些材料都不具有可流动性和可压缩性,显然都不能用作弹性胶泥的主体材料。可以满足弹性胶泥性能要求的有机硅高分子化合物主要是烃基硅油和混炼型硅橡胶两类;其中硅油有甲基硅油和甲基苯基硅油等,硅橡胶有甲基硅橡胶和甲基乙烯基苯基硅橡胶等,它们的性能 [4,5,6] 列于表一。

表一 烃基硅油和混炼型硅橡胶的品种和特点

硅油和硅胶都是以聚硅氧烷为主链结构的线型有机硅材料。表一表明二者的主要区别在于聚合度高低不同。一 般情况下常温呈半固态的称为硅橡胶,常温下呈液态的称为硅油;而 它们的品种是根据侧链取代基的名称来分类的。在同一品种的硅油中,由于聚合度的不同又可分为不同黏度的硅油;在同一品种的硅橡胶中,由于侧基取代基的百分含量不同又可分为不同含量的取代基硅橡胶。聚合度、侧链取代基的品种和含量决定了有机硅高分子材料的特性。因此可根据阻尼性能要求来选择不同聚合度的硅油或硅橡胶。通常,低聚合度的液体硅油可作缓冲阻尼液,它是性能优异的“液体弹簧”;高聚合度的硅油和硅橡胶可作为弹性胶泥的主体材料(下文统称为“高聚合度线型聚硅氧烷”) 。

2 弹性胶泥性能

2.1 高阻尼粘弹性

未交联的弹性胶泥粘度可达107mPa.s [7] 。高阻尼粘弹性是由于“高聚合度线型聚硅氧烷”的 每个结构单元上都有对称的取代基,取代基数目多而且结构对称,链段和分子链运动时的内摩擦阻力较大,可产生高阻尼效应,使 聚硅氧烷具有良好的吸振性;而且聚合度越高的硅橡胶,其粘弹性和阻尼效应越显著。弹性胶泥在外力作用下运动时,由于“高聚合度线型聚硅氧烷”的分子链段和整个分子链的运动发生位移要克服很大的阻力,可产生极强的粘稠摩擦力,从而吸收外力所产生的能量,并将部分能量转化为热能,导致外能消散,使振动的振幅减小,从而产生阻尼作用达到减振和缓冲目的 [8] 。

2.2 体积可压缩性

弹性胶泥的主体材料是未交联的“高聚合度线型聚硅氧烷”。 它的可压缩性是聚硅氧烷呈螺旋状结构、有机侧基(甲基)朝外排列、并绕 SiO键旋转,引起体积变大所致 [4] ;由于具有这种特殊的分子结构,当受到很大外力作用时,体积可以压缩变小;其体积压缩率随摩尔质量的提高而降低 [4] ,而且还与取代侧基的品种和数量有关。在外力作用下,“ 高聚合度线型聚硅氧烷”体积压缩过程中要接收部分能量并转化为弹性势能贮存,同时产生弹性;外力去除后在压缩弹性作用下会自行膨胀使体积复原。当外压力达 500MPa 时,弹性胶泥的体积压缩率不小于 17% [7] 。

2.3 可流动性及良好抗剪切稳定性

弹性胶泥是由“高聚合度线型聚硅氧烷”和其它配合剂组成的材料,粘度控制在一定的范围内。其主体材料—“高聚合度线型聚硅氧烷”分子结构中,主链 SiO键易内旋转,分子链柔顺,内聚能密度低,分子间作用力小,分子易于滑移;因此,弹性胶泥具有一定的流动性,其流动粘度可根据缓冲器不同容量的需求进行调节;“ 高聚合度线型聚硅氧烷”在高压力作用下流动通过窄缝时其粘度变化很小,当外力消除后又能恢复,这是由于其分子结构具有特殊的柔顺性,而且 SiO键的键能高,稳定性好;其粘度降低非分子被切断所致,而是 SiOSi键角的改变,因此具有极好的抗剪切稳定性,明显优于一般的液压油和润滑油 [4] ,这也是弹性胶泥具有良好抗剪切稳定性的原因。

2.4 优良的耐老化稳定性能

由于线型聚硅氧烷的分子主链完全是由SiOSi键组成的,SiO键的键能高,大于CC键能,主链又没有双键,使其具有优异的耐老化、耐高温性能;侧链是对称的非极性取代基,分子间作用力小,主链SiO键易内旋转,分子链柔顺,内聚能密度低,使“高聚合度线型聚硅氧烷”具有很好的耐低温性能。因此,由其配制的弹性胶泥在70℃~+250℃温度范围内稳定性非常好;而且具有特殊的化学稳定性或化学惰性;其抗老化稳定性寿命可达 30 年 [7] 。

“高聚合度线型聚硅氧烷”的上述特点决定了其是弹性胶泥的理想材料。我们通过对国外弹性胶泥样品的检测分析,已经确定了其所含“有机硅高分子化合物”的化学结构和品种,测出了其分子量和分子量分布以及弹性胶泥的灰份含量;并实验了具有弹性胶泥性质的配方,目 前正对其进行有关性能的检测。为进一步开发弹性胶泥技术及其系列产品奠定了技术基础。

3 弹性胶泥缓冲器

3.1 弹性胶泥缓冲器的工作原理

弹性胶泥是利用胶泥的粘弹性、流动性和体积可压缩性来工作的。上 述特点必然将其置于一密闭的容器中,以一定的机械结构来实现其减震、平衡、缓冲功能。工作原理[2,3,9] 如图一所示:


图一 弹性胶泥工作原理图

将弹性胶泥装入密闭容器中,根据需要使之产生一定的预压力,当活塞柱受到的外压力小于预压力时,活塞柱静止不动;当外压力大于预压力时,活塞柱向容器内移动,部份活塞柱进入容器内,此时弹性胶泥被压缩,体积缩小,并对活塞柱产生一反作用力,直至与外压力相等,在 这一过程中弹性胶泥接收部份外力动能并转化为胶泥的弹性势能;同时在外力作用下胶泥通过活塞与容器壁之间的间隙产生流动时发生摩擦以及弹性胶泥的分子运动、分 子链段和分子链的移动都要消耗部份外力动能并转化为热能而散失,从而起缓冲、减振作用;当外力减小或撤消后,弹性胶泥自行体积膨胀,将活塞推向或推回原位。

3.2 弹性胶泥缓冲器产品介绍

图 2 是常见的弹性胶泥缓冲器产品 [10] ,它具有容量大,能量吸收率高(不低于80%),体积小,重量轻,结构紧凑,安装方便,检修周期长(可达 10 年),耐温范围广(90250℃),并兼具有液压缓冲器和橡胶缓冲器的优点。是目前最理想的缓冲器产品。


图 2 弹性胶泥缓冲器

4 结语

弹性胶泥的配方及其缓冲、减 震产品在国际上是高新技术。随着国内机械、橡胶等行业对弹性胶泥工作原理、材 料特点的认识和不断的技术开发,相信在不久的将来,弹性胶泥及其缓冲器产品必将获得广泛的应用。

参考方献
[1] 何曼君,陈维孝等.高分子物理[M].上海:复旦大学出版社,297.
[2] 北京市捷瑞特弹性阻尼体技术研究中心,资料.
[3] 李克兴,戴家骥.弹性胶泥减振器在国内外的研究和应用(上、下)[J].铁道车辆,1 995,3 3(6):3 235,(7):1 719.
[4] 幸松民,王一璐.有机硅合成工艺及产品应用[M].北京:化学工业出版社,2000,371793.
[5] 兰州化学工业公司编著.合成橡胶工业手册[M].北 京:化 学工业出版社,1991,965975.
[6] 橡胶工业手册,第一分册,生胶与骨架材料[M].北 京:化 学工业出版社,1998,538544.
[7]д.A.CTУПIIH,等(俄). 俄罗斯货车用弹性胶泥缓冲器的研究[J].国 外铁道车辆,2000,37(1):2325.
[8] 林孔勇等.橡胶工业手册,第六分册,工业橡胶制品[M].北京:化学工业出版社,1998,229.
[9] 李克兴.国外客车缓冲器综述[J] .国外铁道车辆,1996,6:15
[10] 杨军,陈忠海.现代用弹性元件的开发与应用[J] .机车电传动,2003,现代轨道交通用关键材料专刊,13 .(end)

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