防震橡胶用新规阻尼材料的开发
发布时间：2011/12/11 作者: 普利司通株式会社 化工品材料开发部 真下成彦 来源: 中国橡胶网
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1. 序言1）
铅芯隔震橡胶支座是在积层橡胶的中心孔里填充了阻尼材料铅芯，它被广泛用作防震用积层橡胶。这种隔震橡胶的特点是，具备阻尼功能，可通过改变塞栓直径来调整阻尼量。我们研发了在中心孔里填充新型阻尼材料的积层橡胶，特此报告。如图1所示，阻尼材料是在塑性流体性状的高粘度高分子混合物（以下称为高粘性体）里填充铁粉混合而成，阻尼力由铁粉间流动的高粘性体的流动阻力和铁粉间的摩擦力引起。
用于本阻尼材料的高粘性体是在橡胶（天然橡胶·合成橡胶）中加入填充材料·补强材料混合而成，它和其他一般工业用橡胶材料的不同点是没有在橡胶分子间进行化学结合。因此，这种材料具有流动性，可进行材料间的压缩，性质类似工作用粘土。铁粉的形状不定、平均粒径约40μm。使用这种粒径容易和高粘性体混合，相比其它的大粒径，可得到相对大的阻尼力。铁粉的混入量以体积填充率〔=（铁粉体积）/（阻尼材料体积）×100％〕表示，大致为60%。鉴于均等球状铁粉的细密体积充填率74%，它算得上是相当高的体积填充率。图2为显微镜拍摄的阻尼材料放大照片。
本阻尼材料的阻尼特性很难直接调查，所以利用小型天然橡胶系积层橡胶数模（橡胶材料的剪切弹性模数0.39N/mm2，外径225mm，中心孔径45mm，1次形状参数S1=25，2次形状参数S2=5.0），在中心孔里填充阻尼材料，调查其特性。结果在图3中分别以积层橡胶的公称应力—公称应变关系表示：（a）中心孔里填充高粘性体单体时的特性；（b）高粘性体里填充混有铁粉的本阻尼材料时的特性。结果显示高粘性体单体虽然无法取得大的阻尼力，但是混合了铁粉后，阻尼力变大。
填充本阻尼材料的积层橡胶，作为复原力特性的一个实例，在积层橡胶（橡胶材料的剪切弹性模数0.39N/mm2，外径800mm，塞栓直径160mm，S1=37，S2＝4.9）上施加15MPa表面压力的状态下，对剪切应变振幅200％，250％的变形分别延长68循环、18循环后，检查内部的阻尼材料状态，然后切断积层橡胶（图4）。阻尼材料在积层橡胶侧咬边，表面出现凹凸，但是没有显著的缺损和裂缝。沿中心轴切断圆柱状阻尼材料，在内部也未发现明显的缺损和裂缝。
下面，从材料使用寿命的观点出发，考虑到新材料的长期耐久性，就必须进行热老化试验、环境暴露考核，现报告考核结果。依据防震橡胶长期耐久性预测中运用的活化能观点，对使用本材料的防震橡胶的长期耐久性3) 也进行了考察。
阻尼材料由高粘性体和铁粉制成。众所周知，高分子材料的热老化变化大于金属材料。因此，首先考核高粘性体单体的热老化。图6表示在氮气下，高粘性体暴露在各种温度下热老化后的粘弹性特性（Ｇ’, Tanδ）变化率。不管在哪种暴露温度下，Ｇ’都跟暴露日数成正比，越在高温下暴露越快速变大。另一方面，Tanδ与暴露日数成反比，越在高温下暴露越快速变小。
2．阻尼材料概要
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3．使用和实物一般大的隔震橡胶，重复变形
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对缩小试验体实施基本特性试验后，应变200%助力100循环。５(a)显示滞后曲线２）。这时的累计变形量约为36m。此外，试验条件为表面压力10N/mm2、加振频率0.33Hz。对应助力循环数，切片负荷Qd和等效粘性衰减Heq慢慢降低，图5（b）显示以第三循环为基准的变化率。到了50循环，切片负荷Qd大约下降30%，之后在第100循环后稳定。它的趋势类似铅栓积层橡胶。为了在反复试验2日后测量基本特性，助力应变100%, 200%, 250%。观察和图5（c）的初期基本特性试验比较过的滞后曲线，发现特性虽然在反复试验中下降，但是数日后就能得到恢复。
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4．热老化考核
材料是高粘度高分子混合物（以下简称为高粘性体）中混入数十μｍ大小铁粉形成的阻尼材料（以下简称为阻尼材料）。热老化考核是将这些材料置于氮气中，设定各种温度，考核放置前和放置后的各力学特性。环境暴露考核是将阻尼材料成型的塞栓置于40℃98％湿度下，观察状态变化。还将曝于各条件下的塞栓填充到免震橡胶，考核阻尼性能变化。
4．1．高粘性体的热老化考核结果
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4．2．塞栓的热老化考核结果
接下来，对阻尼材料（高粘性体里混合铁粉生成）成型的塞栓实施了热老化考核。这种塞栓的材料设计是为了使其在填充到防震橡胶的中心孔里后才发挥阻尼特性。所以，无法像高粘性体那样考核单个塞栓的粘弹性特性。这就需要测量塞栓的表面硬度，并根据热暴露测量变化。
图7显示热暴露引起的阻尼材料的硬度（肖氏D硬度）变化。和前面的单个高粘性体的粘弹性特性变化相比，混有铁粉的阻尼材料，在任何温度下表面硬度变化都在５％以内。为了参考，实施了空气中120℃的暴露实验，表面硬度虽然急剧变化，但是10日后稳定在20%左右。
5．塞栓的环境暴露考核
阻尼材料由铁粉制成，有可能在塞栓的制造流程中因雨水或湿气导致生锈。而且，填充到防震橡胶中以后，还可能发生防震橡胶浸水的情况。因此，采用非实际的过激条件，将塞栓放在湿热槽中（40℃98％湿度下）曝晒一个月，发现表面上长满了红锈（图8：塞栓上面的照片）。然而，切开塞栓后，并未发现锈斑波及内部。将在湿热槽里放置了1个月的塞栓填充到防震橡胶里，考核其阻尼性能。图9是防震橡胶的屈服剪切应力(τp ）的应变依存性，它和未老化塞栓的测量结果（初期）重记、并填充了湿热老化的塞栓。由此可知老化后在大变形区域τp虽有下降，但是最大不超过20%。
6．活化能的计算和长期耐久性预测
为了测量阻尼材料的长期耐久性，运用高粘性体（遇热变化大）热暴露时的物性变化数据（图6），估算阿列纽斯型的活化能大约是15Kcal/mol。预测阻尼材料的长期寿命需要多方面的实验验证，这里暂时假定整个塞栓可根据这个活化能来估算变化，120℃14日的条件，按室温换算估计相当于30年。不过，在氮气下的热暴露，几乎看不到变化（图7），所以将120℃空气中放置了14日、表面硬度变化最大的塞栓塞入防震橡胶中心孔，测量其阻尼特性的变化。图10是和未老化塞栓的测量结果（初期）重记的、老化塞栓的屈服剪切应力（τp）的应变依存性。由此可知，塞栓表面硬度虽然变化了20%，但是性能却几乎不变化。这暗示即使在空气中老化，塞栓内部几乎没有变化。
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