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丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料的制备及性能
2012-05-13 | 阅:  转:  |  分享 
  
复合材料学报

第28卷



第6期

12



2011



犃犮狋犪犕犪狋犲狉犻犪犲犆狅犿



狅狊犻狋犪犲犛犻狀犻犮犪Vol.28No.6December2011

文章编号:1000

-3851



2011



06-0045-05

收到初稿日期:2010

-11-19

;收到修改稿日期:

2011-04-07

;网络出版时间:

2011-07-2014



22



00

网络出版地址:www.cnki.net/kcms/detail/11.1801.TB.20110720.1422.028.html

DOI



CNKI



11-1801



TB.20110720.1422.028

基金项目:国家自然科学基金(10962006);江西省教育厅科技项目(GJJ10519)

通讯作者:李明俊,博士,教授,主要从事环境功能复合材料等方面的研究

E-mail



lmj58@126.com

丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料的制备及性能

李明俊

*1





,刘







,徐泳文



,武化民



,曹义华





1.南昌航空大学环境材料室

,南昌

330063



2.北京航空航天大学航空科学与工程学院

,北京

100191







要:



针对丁腈橡胶(NBR)黏度过大和相转化时间较长难于纺制中空纤维的问题,采用先与聚氯乙烯(PVC)

共混改性再用干



湿相转化的方法制备出轻质、低耗材的丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料,探讨了NBR与PVC质

量比和共混聚合物质量分数对NBR中空纤维阻尼及力学性能的影响。结果表明:中空纤维结构阻尼性能明显优

于对应的平板膜结构;调整NBR与PVC质量比和共混聚合物质量分数可优化NBR中空纤维的拉伸性能及阻尼

性能;可通过提高NBR与PVC质量比使NBR中空纤维阻尼材料的损耗因子峰值所对应的温度向低温方向偏移。

共混聚合物质量分数为25%,NBR与PVC质量比为80∶20时,NBR中空纤维阻尼损耗因子最大,达到0.78。

关键词:



中空纤维;阻尼材料;丁腈橡胶;聚氯乙烯;共混

中图分类号:

TB332

文献标志码:



Preparationandproperty



ofanewdamping



nitrile-butadienerubberholowfiber

LIMingjun

*1

,2



LIUMin





XUYongwen





WUHuamin





CAOYihua





1.DivisionofEcomaterials



NanchangHangkongUniversity



Nanchang330063



China



2.SchoolofAeronauticScienceandTechnology



BeihangUniversity



Beijing100191



China



Abstract



NBR



nitrile-butadienerubber



holowfibershavebeenpreparedbythemethodofdry-wetphase

inversion



inwhichPVC



polyvinylchloride



wasblendedtoavoidtheproblemsofNBRbecauseofbeingtooviscous

andtoolongtimeofphaseinversion.TheNBRholowfibersmaybeanewlightweightandconsumptionreducing

dampingmaterial.ThemechanicalpropertyofNBRholowfibersarousedbychangingNBR



PVCmassratioand

polymermassfractionhavebeenstudied.Theresultsshowthatthedampingpropertyoftheholowfiberstructureisbetter

thanthatoftheplatemembranestructureunderthesameconditions.ThestretchinganddampingpropertyofNBR

holowfibercanbeoptimizedbychangingNBR



PVCmassratioandpolymermassfraction.Thedampingpeak

temperatureofNBRholowfiberdecreasesbyincreasingtheNBR



PVCmassratio.Whenpolymermassfractionis

25%andmassratioofNBR



PVCis80∶20



thedampingfactorofNBRholowfiberisthelargest



whichis0.78.

Keywords



holowfiber



dampingmaterial



nitrile-butadienerubber



NBR

);

polyvinylchloride



PVC

);

blend



中空纤维膜技术是资源、能源、环境等领域的

高新技术,已成为节能减排,特别是水处理领域最

受关注的核心技术

[1

-2



。文献[



]对于中空纤维阻尼

复合材料进行了初步研究,将丁腈橡胶(

NBR

)制成

中空纤维以作为新型高阻尼复合材料应用到阻尼减

振领域尚未见其他报道。

NBR

是由丁二烯与丙烯腈共聚制得的一种合

成橡胶,具有高弹性和良好的耐油性、耐水性、气

密性及优良的粘结性能,也常用作阻尼材料的原

料,在汽车、航空、石油、复印等行业中成为必不

可少的弹性材料

[4

-5



。然而它不是常规纺丝材料,

存在黏度过大和相转化时间较长,难于纺制中空纤

维的问题。本文作者成功将其与成膜性能较好的聚

氯乙烯(

Polyvinylchloride



PVC



[6]

共混改性,解决



NBR

难于纺制中空纤维的问题。共混改性按共

混时物料的状态,分为熔融共混、溶液共混、乳液

共混等

[7]

。文献[

8-13

]利用混炼技术制备了平板结

构的

NBR

阻尼材料,但利用纺丝工艺制备成中空

纤维结构的阻尼材料目前尚未见公开报道。本文中

首先采用溶液共混对

NBR

改性,然后采用干



湿相

转化方法制备出

NBR

中空纤维阻尼新材料,探讨

了中空纤维的结构、

NBR



PVC

共混质量比和铸膜

液质量分数对该复合材料阻尼性能的影响。



实验部分

1.1

原材料及试剂

丁腈橡胶

NBR-2707

,兰州石化公司;聚氯乙

烯(

PVC

),河南三门峡捷马电化有限公司产;二甲

基乙酰胺(

DMAc

),上海青析化工科技有限公司。

1.2NBR

中空纤维阻尼材料的制备

用于纺制纤维的高聚物,一般要求分子链中单

体单元排列规整,聚合物结晶性能较好,强度高,便

于抽丝和拉伸

[14]



NBR

是由丁二烯与丙烯腈共聚制

得的一种无规立构体,属于合成橡胶。通过前期实

验也证明了

NBR

黏性较大,相转化时间较长,无法

直接用来纺制中空纤维膜,因此需对其进行改性。

PVC

是由氯乙烯单体“头



尾”键接聚合而成,其分子

链中单体单元排列规整,便于纺丝,并且

NBR

与含

氯的聚合物具有较好的相容性,便于共混。

由于

NBR



PVC

都属于强极性的聚合物,且

NBR

中的—

CN

(氰基)与

PVC

中的—

Cl

(氯)能形成

氢键,相互间作用力较强,故需要选择内直径较大的

中空喷丝头,以使内芯液能把铸膜液冲成中空。另

外,

NBR

分子链单体单元排列不规整,链柔性较好,

刚性较差,故选用的喷丝头壁厚需达一定要求,以免

纺制出的纤维出现扁膜现象。本实验中选用的中空

环隙喷丝头,内径为

0.8mm

,外径为

2mm





NBR



PVC

分别按

50∶50



60∶40



70∶30



80∶20

的共混质量比溶解在

DMAc

中,

配制成质量分数依次为

15%



18%



20%



22%



25%

的铸膜液,倒入纺丝机的搅拌釜,加热到

60℃

,溶解搅拌

12h

,静置脱泡

48h

后,调节挤出

速度和绕丝速度均为

30mL





,芯液流速为

0.5mL





,干纺程(喷丝头距离凝胶浴水平液面的

高度)

60mm

,凝胶浴温为

25℃

,在

0.25MPa

的氮

气压力下,将铸膜液从喷丝头挤出,利用导轮牵引

纤维经过凝胶浴进行相转化后,缠绕在集丝槽中的

绕丝轮上,收集后清水浸泡

48h

,彻底洗脱溶剂,

再用

30%

的甘油水溶液浸泡

72h

,充分晾干。

1.3NBR

平板膜的制备



NBR



PVC

分别按

50∶50



60∶40



70∶30



80∶20

的共混质量比溶解在

DMAc

中,

配制成质量分数依次为

15%



18%



20%



22%



25%

的铸膜液后刮制平板膜,浸入与纺丝条件相同

的凝胶浴中,使液



液相分离,得到

NBR

平板膜。

1.4

性能测试

随机抽取经过处理晾干后的

NBR

中空纤维膜,

剪成长度为

3cm

的样品,在

PC



LLY-06

电子单纤维

强力仪上进行拉伸测试,拉伸速度为

10mm



min



采用美国

TA

公司生产的动态热机械分析仪



DMA



Q800

)测其阻尼性能。测试模式:拉伸;试件

规格:长

15~20mm

,宽

2~3mm

,厚

0.5~2mm



测试条件:温度范围为

-40~100℃

,应变量为

0.05%

,频率为

1Hz

,升温速度为

3℃



min





结果与讨论

2.1

中空纤维膜与平板膜阻尼性能对比分析

选取质量分数为

15%



NBR



RVC

共混聚

合物溶液,对

NBR

中空纤维膜结构与平板膜结构

的阻尼性能进行对比测试,其阻尼因子变化对比曲

线如图



所示。可以看出:中空纤维结构的阻尼损

耗因子比相对应的平板膜结构的阻尼损耗因子高。

图1



中空纤维结构与平板膜结构的阻尼性能对比

Fig.1Comparisonofdampingpropertybetweenholow

fiberandplatestructures

·

64

·复合材料学报

这与中空结构的附加缓冲变形产生耗能作用可以消

耗部分振动能量的推断相一致,说明中空纤维结构

在减振降噪方面具有很大的优势。由于中空纤维具

有空腔结构,相同质量的物质制成中空纤维后所产

出的阻尼材料数量要比平板膜的阻尼材料多,从而

达到轻质和节约资源的效果。

2.2

共混质量比及聚合物质量分数对

NBR

中空纤

维拉伸性能的影响



受纺制中空纤维工艺的条件约束,配制共混聚

合物的质量分数分别为

15%



18%



20%



22%



25%



NBR



PVC

质量比分别为

50∶50



60∶40



70∶30



80∶20

的铸膜液,纺制成的

PVC



NBR



空纤维膜,分别测试其拉伸强度和断裂伸长率。实

验结果见表



和表



。可以看出,在实验条件范围

内,对于相同质量分数,共混物两者中

PVC

分子

间的作用力相对较大,表现出玻璃态性质,起到约

束形变的作用,故减小

NBR



PVC

质量比可提高拉

伸强度但断裂伸长率则降低。而对于相同质量比,

当聚合物质量分数升高时,单位体积内的极性基团

以及

NBR



PVC

之间形成的氢键密度增大,故拉

伸强度增大;另外,质量分数提高也使得高聚物分

子链段更容易聚集起来,形成更多的聚集体,使共

混中空纤维膜结构更致密,从而导致断裂伸长率也

表1

NBR



PVC质量比和聚合物质量分数对

NBR中空纤维拉伸强度的影响

Table1InfluenceofNBR



PVCmassratioandpolymer

massfractionontensilestrengthofNBRholowfiberMPa

15%18%20%22%25%

50∶502.0712.5503.4315.1135.260

60∶401.8842.0233.2864.7664.857

70∶301.1781.9282.8624.3724.528

80∶200.7921.2501.8442.8903.152

表2

NBR



PVC质量比及聚合物质量分数对

NBR中空纤维断裂伸长率的影响

Table2InfluenceofNBR



PVCmassratioandpolymer

massfractiononlongationatbreakofNBRholowfiber%

15%18%20%22%25%

50∶502.4722.7473.8424.0004.154

60∶403.1513.4544.0034.7524.890

70∶303.7834.5114.5985.6255.670

80∶204.3755.8236.0587.2067.517

在实验范围内随之增大。

2.3

共混质量比对

NBR

中空纤维阻尼损耗因子的

影响



针对聚合物质量分数分别为

15%



18%



22%



25%

和不同共混质量比的

NBR

中空纤维阻尼材料,

测得其阻尼损耗因子变化曲线如图



所示。可以看

图2



不同聚合物质量分数和NBR/PVC质量比对NBR中空纤维阻尼损耗因子的影响

Fig.2InfluenceofNBR



PVCmassratioandpolymermassfractionondampingfactorsofNBRholowfiber

·

74

·李明俊,等:丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料的制备及性能

出:当

NBR



PVC

质量比为

80∶20

时,损耗因

子峰值最大,达到

0.78

,且随着

NBR



PVC

质量

比的减小,损耗因子峰值基本上呈减小趋势,损耗

因子峰向温度高的方向移动,说明可通过调节质量

比来满足实际应用中温度的小范围(约

30℃

)变化。

值得注意的是图中多次出现

50∶50

阻尼峰值高于

60∶40

的现象,说明共混物的阻尼性能除了与质

量比有关,还可能与分子间相互作用力有关,有待

今后进一步深入探讨。

2.4

聚合物质量分数对

NBR

中空纤维阻尼损耗因

子的影响





NBR



PVC

质量比分别为

50∶50



60∶40



70∶30



80∶20

,不同聚合物质量分数的

NBR



空纤维阻尼材料,测得其阻尼损耗因子变化曲线分

别如图



所示。可以看出,在实验条件范围内,四

种共混质量比的

NBR

中空纤维阻尼材料的阻尼损

耗因子峰值都随聚合物质量分数的增大而增大,并

且随着质量分数的增大,





均呈现出向温度高的

方向轻微偏移的趋势。这是由于质量分数增大时,

NBR



PVC

间产生的单位体积内的氢键密度增

大,分子间的内摩擦增大,链段运动变困难,从而

使得





和阻尼损耗因子都增大。















NBR

中空纤维阻尼材料的阻尼性能比同

材料的平板膜结构更好,说明该中空纤维结构在减

振降噪方面具有较大的优势。





)相同聚合物质量分数的

NBR

中空纤维阻

尼材料,

NBR



PVC

质量比为

80∶20

的阻尼损

耗因子最大,且随着

NBR



PVC

质量比的减小,

损耗因子峰值减小,损耗因子峰向高温的方向移

动,说明可通过调节质量比来满足实际应用中温度

的小范围(约

30℃

)变化。





)相同

NBR



PVC

质量比的

NBR

中空纤

维阻尼材料,其阻尼性能和玻璃化转变温度均随聚

合物质量分数的增大而提高,但聚合物质量分数的

增大受纺制中空纤维工艺条件的约束。







NBR



PVC

质量比的提高和聚合物质量

图3



不同NBR/PVC质量比和不同聚合物质量分数对NBR中空纤维阻尼损耗因子的影响

Fig.3InfluenceofNBR



PVCmassratioandpolymermassfractionondampingfactorsofNBRholowfiber

·

84

·复合材料学报

分数的减小均会使

NBR

中空纤维阻尼材料的拉伸

强度减小,而

NBR



PVC

质量比的提高和聚合物

质量分数的增大都会使其断裂伸长率增大;减小

NBR



PVC

的质量比可提高拉伸强度但断裂伸长

率则降低。





)在实验条件范围内,聚合物质量分数为

25%



NBR



PVC

质量比为

80∶20

时,

NBR



空纤维阻尼损耗因子相对最大,阻尼损耗因子达到

0.78



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·李明俊,等:丁腈橡胶中空纤维阻尼新材料的制备及性能

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