复合材料学报
第28卷
第6期
12
月
2011
年
犃犮狋犪犕犪狋犲狉犻犪犲犆狅犿
狆
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
,
2
,刘
敏
1
,徐泳文
1
,武化民
1
,曹义华
2
(
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
)
摘
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:
A
Preparationandproperty
ofanewdamping
nitrile-butadienerubberholowfiber
LIMingjun
*1
,2
,
LIUMin
1
,
XUYongwen
1
,
WUHuamin
1
,
CAOYihua
2
(
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[
3
]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
了
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。
1
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
与
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
。
将
NBR
与
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
/
s
,芯液流速为
0.5mL
/
s
,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
将
NBR
与
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
。
2
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%
的
NBR
与
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
1
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
与
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
中
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
1
和表
2
。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
与
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
2
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
与
PVC
质量比为
80∶20
时,损耗因
子峰值最大,达到
0.78
,且随着
NBR
与
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
对
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
中
空纤维阻尼材料,测得其阻尼损耗因子变化曲线分
别如图
3
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,
T
g
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
与
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
T
g
和阻尼损耗因子都增大。
3
结
论
(
1
)
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。
(
2
)相同聚合物质量分数的
NBR
中空纤维阻
尼材料,
NBR
与
PVC
质量比为
80∶20
的阻尼损
耗因子最大,且随着
NBR
与
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。
(
3
)相同
NBR
与
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。
(
4
)
NBR
与
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
与
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
与
PVC
的质量比可提高拉伸强度但断裂伸长
率则降低。
(
5
)在实验条件范围内,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相对最大,阻尼损耗因子达到
0.78
。
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94
·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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