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摘要： 鉴于黏弹性阻尼材料在建筑结构抗震减震及抗风方面的重要性，以丁腈橡胶为基体、基于DMA法，首先考察了氯化聚丙烯（CPP）、短碳纤维（CARB）、200目石墨粉（GRAP）、鳞片石墨（FLAKE）、云母粉（MICA）等与基体材料共混物的基本力学性能，其次研究了掺合剂对基体材料的影响，并给出了组分比对基体胶阻尼性能的影响效果对比分析。研究结果满足了两个设计要求：1.改进了材料的阻尼性能，使损耗因子提高至1.26；2.使原材料的温位Tg从28.2℃调整至15℃左右，并大大拓展了tanδ>0.5的温域。并且研究发现，单纯添加200目石墨粉的效果最佳，粒径大的炭黑类材料如高耐磨炭黑（FEF）和软质快压出炭黑（HAF）对NBR材料的改进效果不大。关键词： 抗震减震； 丁腈橡胶； 掺合料； DMA； 损耗因子
中图分类号：TU951； TB324文献标志码： A文章编号： 10044523（2015）02020308
DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2015.02.005
1概述
中国建筑结构消能减震设计于2001年首次被纳入《建筑抗震设计规范（GB500112001）》[1]，并在2010版中[2]得到了进一步加强与应用推广，消能减震设计在建筑结构减灾防灾方面发挥着不可或缺的重要职能。
黏弹性阻尼装置是建、构筑结构被动控制中主要的耗能构件，由钢板夹层黏弹性阻尼材料构造而成（如图1），通过钢板间夹层材料的剪切变形而使输入的动荷载衰减[3，4]。
而该耗能装置的核心材料，则通常采用阻尼系数较高的丁腈橡胶，丁腈橡胶图1黏弹性阻尼器初始构件（Nitrile Butadiene Rubber，简称NBR）是由丁二烯与丙烯腈共聚而制得的一种合成橡胶[5]，分子结构如图2，具有损耗因子较大、耐油、耐老化性能较好的优良特质，因此得以推广应用于建筑结构抗震减震设计。
黏弹性材料是一种既有弹性性质又表现出黏性流体特性的高分子聚合物，这种特性使得输入结构的外荷载一部分能量得到储存，另一部分能量得以耗散[6]，这种阻尼耗能是力学弛豫引起的物理过程[7]。该特质为建、构筑结构在受到地震动时提供良好的消能减震功能，对结构的加速度和位移有较好的控制作用。很多相关学者对阻尼材料的阻尼性能进行了如下研究：
黄光速[8]制备了一种宽温宽频的聚硅氧烷/聚丙烯酸酯新型阻尼材料，使得tanδ的最宽跨越温度约为100℃，tanδ=1.1～0.9；符刚等[9]对丁腈橡胶/聚氯乙烯共混物的研究发现，其交联密度增大，损耗因子峰向高温方向移动，峰值升高，损耗因子不小于0.5的温度区域变窄；Finegan[10]等人在剪切应变区域内加入高阻尼材料，也是增加结构聚合物阻尼材料阻尼性能的有效手段；Kaneko[11]等在研究聚乙基丙烯酸乙酯（AR）/氯化聚乙烯（CPE）体系时发现，共混使材料的阻尼性能得到了很大的改善，AR和CPE玻璃转化区的凹谷上升为平坦区，阻尼效果变得更佳；Ping Xiang[12]研究了NBR/PVC/AO60C共混物的阻尼性能，该共混物的损耗因子最大值接近1.20，峰值向高温向移动，tanδ值随着AO80添加量的增加而成上升状态。
文献[13，14]介绍了航天材料及工艺研究所在1970年以来所研制的黏弹性阻尼材料在航天领域的应用状况。以往建筑结构用黏弹性材料大多取自航天领域材料，对建筑结构用材料的专门研究较少，且存在材料的损耗因子偏小、应用频率偏高及与使用环境的符合程度不高等问题，随着黏弹性阻尼装置应用需求和应用领域的不断扩大以及结构设计的更高要求，现有阶段的黏弹性阻尼材料在满足所需要求上达不到相关目标，故提高现有阻尼材料的耗能性能已成为亟待解决的关键问题。提高黏弹性阻尼材料的损耗因子，则会大大提高减震装置对建筑结构提供的附加阻尼，从而降低地震对建筑结构的破坏。本文基于阻尼材料要达到良好的阻尼效果必须满足的如下相应条件[15]：1）材料损耗因子峰值要高、峰值温度要和材料使用的工作温度相一致；2）大损耗因子的温度范围要宽等，提出以下研究构想：1）提高黏弹材料的阻尼性能，即提高DMA曲线中的损耗因子峰值；2）拓宽黏弹材料的高阻尼使用功能区，使黏弹材料大阻尼温域尽可能与建、构筑结构环境使用温度重合。本文以丁腈橡胶为基体，分别加入氯化聚丙烯、短碳纤维、200目石墨粉、鳞片石墨、云母粉等掺合料，基于DMA法对丁腈胶的损耗因子、大阻尼温域开展了一系列相关性能改进试验研究。
2试验准备
2.1材料设计基体材料为丁腈橡胶（NBR），依次掺合氯化聚丙烯、短碳纤维、200目石墨粉、鳞片石墨、云母粉、高耐磨炭黑、快压出炭黑。并依据材料配方制定加载顺序，列表如1。
2.2DMA热分析方法
评价阻尼性能的实验方法有：动态扭摆法TB A、受迫共振法和受迫振动非共振法，即DMA（即动态力学分析，Dynamic Mechanical Analysis简称DMA）以及差示扫描量热分析法DSC。DMA是测试 黏弹材料在指定温度范围和频率下、在交变应力（或应变）作用下的应变（或应力）响应的重要试验手段。本次采用应用较为广泛的DMA法，该法可直接给出模量与温度、损耗因子与温度的关系曲线[16，17]；并且地震荷载是一种无规律的动态荷载，为真实反映黏弹材料的受力状况，应采用动态加载模式分析其在动载作用下的黏弹性能。动态力学试验中最常用的交变应力是正弦应力，依据橡胶类材料的力学特性，本次试验采用动态剪切模式，加载示意图如图3，应力应变响应如图3所示，P2与P2′固定在刚性构架上，激振力施加在相连的P1与P1′上，从而带动试样作剪切振动。正弦交变剪切应力表示为τ（t）=τ0sinωt，而且DMA方法在施荷过程中不会对材料本身结构造成影响和破坏，被认为在研究多相、多组分聚合物材料的相态结构方面具有巨大的优势。 2.3加载工况
升温速率为3 ℃/min；频率为3.5 Hz；该材料用于建筑结构，因此依据建筑使用温度区间、本次试验温度范围取为-20～50 ℃。
试验以达到提高材料在建、构筑使用温度范围的阻尼为目标，其考量公式即阻尼值提高幅度为：φ=ηi-η0η0×100%，其中，ηi为掺入添加剂后的阻尼值，η0为基体丁腈材料初始阻尼值。
3试验结果与讨论分析
3.1共混物基本力学性能试验除了重点考察材料的阻尼性能，该材料基本力学参数应满足相关要求，本文完成的材料基本力学性能试验如表2，表中参数皆可满足材料在黏弹性耗能装置构件中的应用标准。
3.2基体材料DMA曲线
由图5可知，当材料达到玻璃态转变温度即温位Tg为28.2 ℃时损耗因子亦达到峰值，大小为0.97。该温度远高于建筑使用的室温20 ℃，且损耗因子大于0.5的温域为21.2～31.5 ℃，为10.3 ℃温度差，显示出一个非常窄的损耗因子转变峰。
（2）掺合料的添加使tanδ峰值向低温方向移动，逐渐向建、构筑结构的室温靠拢。添加60份200目石墨粉，使得tanδ不小于 0.5的阻尼温域拓宽至31.3，且石墨粉用量越少，反而影响大阻尼温域的拓展。
（3）在同样添加石墨粉的情况下，HAF和FEF炭黑类对阻尼性能的影响几乎可忽略不计，且FEF和HAF影响效果基本相同。可尝试不同粒径类炭黑。在添加石墨粉的基础上，其他掺合料则对损耗因子峰值和大阻尼温域起衰减作用，由此单纯添加石墨粉的效果最佳。
参考文献：
[1]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范（GB500112001）[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.
China Academy of Building Research. Code for seismic design of building （GB500112001）[S]. Beijing： China Architecture Building Press， 2001.
[2]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范（GB500112010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
China Academy of Building Research. Code for seismic design of building （GB500112010）[S]. Beijing： China Architecture Building Press， 2010.
[3]李爱群.工程结构减振控制[M].北京：机械工业出版社，2007.
Li Aigum. Vibration Control of Engineering Structure[M]. Beijing： China Machine Press， 2007.
[4]Soong T T， Constantine M C. Passive and Active Structural Vibration Control in Civil Engineering[M]. New York： SpringerVerlag， 1994.
[5]梁守智，钟延壎，张丹秋. 橡胶工业手册[M].北京：化学工业出版社， 1989.
Liang Shouzhi， Zhong Yanxun， Zhang Danqiu. Handbook of Bubber Industry[M]. Beijing： Chemical Industry Press， 1989.
[6]Kirekawa A， Ito Y， Asano K. A study of structural control using viscoelastic material， earthquake engineering[A]. Tenth World Conference[C]. Baklava， Rotterdam， 1992.
[7]黄光速.聚硅氧烷/聚丙烯酸酯阻尼材料的合成及性能研究[D].成都：四川大学，2002.
Huang Guangsu. Investigation on the synthesis and properties of the dmaping material based on polysiloxane/polyacrylate[D]. Chengdu： Sichuan University， 2002.
[8]符刚，张德志，单国荣.丁腈橡胶/聚氯乙烯共混物的阻尼性能[J].合成橡胶工业，2009，32（4）：317—320.
Fu Gang， Zhang Dezhi， Shan Guorong. Damping properties of acrylonitrilebutadiene rubber/polyvinyl chloride blends[J]. China Synthetic Rubber Industry， 2009，32（4）：317—320.
[9]Ioana C Finegan， Ronald F Gibson. Analytical modeling of damping at micromechanical level in polymer composites reinforced with coated fibers[J]. Composites Science and Technology， 2000，60：1 077—1 084.
[10]Hajime Kaneko， Kiyohiro Inoue， Yoichi Tominaga， et al. Damping performance of polymer blend/organic filler hybrid materials with selective compatibility[J]. Materials Letters， 2002，52：96—99. [11]Ping Xiang， Xiu Ying Zhao， Da Ling Xiao， et al. The structure and dynamic properties of nitrilebutadiene rubber/poly （vinyl chloride）/hindered phenol crosslinked composites[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2008，109：106—114.
[12]赵云峰.高性能黏弹性阻尼材料及其应用[J].宇航材料工艺，2009，2：1—6.
Zhao Yunfeng. Properties and application of advanced viscoelastic damping materials[J]. Aerospace Materials & Technology， 2009，2：1—6.
[13]赵云峰.ZN系列黏弹性阻尼材料的性能及应用[J].宇航材料工艺，2001，5：19—23.
Zhao Yunfeng. Properties and application of ZN series viscoelastic damping materials[J]. Aerospace Materials & Technology， 2001，5：19—23.
[14]戴德沛.阻尼技术的工程应用[M].北京：清华大学出版社，1991.
[15]Ferry J. Viscoelastic Properties of Polymers[M]. New York： John Wiley， 1961.
[16]Gearing J. in： R. Brown （Ed.）. Handbook of Polymer Testing， Physical Methods[M]. New York： Marcel Dekker， 1999.
[17]吴刚.填充类导电复合材料结构与动态粘弹行为研究[D].杭州：浙江大学，2004.
Abstract： In view of the effectiveness and importance of viscoelastic material to seismic resistance and windresistant of building structure， with nitrile rubber as substrate， based on DMA means， the effect of mixture such as CPP， short carbon fiber， 200 graphite powder， flake graphite， mica powder and et al to the damping performance of NBR is discussed， and the influence of component ratio to the substrate is given. Research results meet two design requirements， firstly， the damping properties of materials was improved， and the loss factor was increased to 1.26， the second， Tg is adjusted from 28.2℃ to 15℃， and the temperature range which tanδ value is higher than 0.5. The research shows that， just added 200 graphite powder， it achieves the best effect. Improvement of particle size large of carbon black material such as FEF and HAF has little effect.
Key words： seismic resistance； NBR； admixture； DMA； loss factor
中图分类号：TU951； TB324文献标志码： A文章编号： 10044523（2015）02020308
DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2015.02.005
1概述
中国建筑结构消能减震设计于2001年首次被纳入《建筑抗震设计规范（GB500112001）》[1]，并在2010版中[2]得到了进一步加强与应用推广，消能减震设计在建筑结构减灾防灾方面发挥着不可或缺的重要职能。
黏弹性阻尼装置是建、构筑结构被动控制中主要的耗能构件，由钢板夹层黏弹性阻尼材料构造而成（如图1），通过钢板间夹层材料的剪切变形而使输入的动荷载衰减[3，4]。
而该耗能装置的核心材料，则通常采用阻尼系数较高的丁腈橡胶，丁腈橡胶图1黏弹性阻尼器初始构件（Nitrile Butadiene Rubber，简称NBR）是由丁二烯与丙烯腈共聚而制得的一种合成橡胶[5]，分子结构如图2，具有损耗因子较大、耐油、耐老化性能较好的优良特质，因此得以推广应用于建筑结构抗震减震设计。
黏弹性材料是一种既有弹性性质又表现出黏性流体特性的高分子聚合物，这种特性使得输入结构的外荷载一部分能量得到储存，另一部分能量得以耗散[6]，这种阻尼耗能是力学弛豫引起的物理过程[7]。该特质为建、构筑结构在受到地震动时提供良好的消能减震功能，对结构的加速度和位移有较好的控制作用。很多相关学者对阻尼材料的阻尼性能进行了如下研究：
黄光速[8]制备了一种宽温宽频的聚硅氧烷/聚丙烯酸酯新型阻尼材料，使得tanδ的最宽跨越温度约为100℃，tanδ=1.1～0.9；符刚等[9]对丁腈橡胶/聚氯乙烯共混物的研究发现，其交联密度增大，损耗因子峰向高温方向移动，峰值升高，损耗因子不小于0.5的温度区域变窄；Finegan[10]等人在剪切应变区域内加入高阻尼材料，也是增加结构聚合物阻尼材料阻尼性能的有效手段；Kaneko[11]等在研究聚乙基丙烯酸乙酯（AR）/氯化聚乙烯（CPE）体系时发现，共混使材料的阻尼性能得到了很大的改善，AR和CPE玻璃转化区的凹谷上升为平坦区，阻尼效果变得更佳；Ping Xiang[12]研究了NBR/PVC/AO60C共混物的阻尼性能，该共混物的损耗因子最大值接近1.20，峰值向高温向移动，tanδ值随着AO80添加量的增加而成上升状态。
文献[13，14]介绍了航天材料及工艺研究所在1970年以来所研制的黏弹性阻尼材料在航天领域的应用状况。以往建筑结构用黏弹性材料大多取自航天领域材料，对建筑结构用材料的专门研究较少，且存在材料的损耗因子偏小、应用频率偏高及与使用环境的符合程度不高等问题，随着黏弹性阻尼装置应用需求和应用领域的不断扩大以及结构设计的更高要求，现有阶段的黏弹性阻尼材料在满足所需要求上达不到相关目标，故提高现有阻尼材料的耗能性能已成为亟待解决的关键问题。提高黏弹性阻尼材料的损耗因子，则会大大提高减震装置对建筑结构提供的附加阻尼，从而降低地震对建筑结构的破坏。本文基于阻尼材料要达到良好的阻尼效果必须满足的如下相应条件[15]：1）材料损耗因子峰值要高、峰值温度要和材料使用的工作温度相一致；2）大损耗因子的温度范围要宽等，提出以下研究构想：1）提高黏弹材料的阻尼性能，即提高DMA曲线中的损耗因子峰值；2）拓宽黏弹材料的高阻尼使用功能区，使黏弹材料大阻尼温域尽可能与建、构筑结构环境使用温度重合。本文以丁腈橡胶为基体，分别加入氯化聚丙烯、短碳纤维、200目石墨粉、鳞片石墨、云母粉等掺合料，基于DMA法对丁腈胶的损耗因子、大阻尼温域开展了一系列相关性能改进试验研究。
2试验准备
2.1材料设计基体材料为丁腈橡胶（NBR），依次掺合氯化聚丙烯、短碳纤维、200目石墨粉、鳞片石墨、云母粉、高耐磨炭黑、快压出炭黑。并依据材料配方制定加载顺序，列表如1。
2.2DMA热分析方法
评价阻尼性能的实验方法有：动态扭摆法TB A、受迫共振法和受迫振动非共振法，即DMA（即动态力学分析，Dynamic Mechanical Analysis简称DMA）以及差示扫描量热分析法DSC。DMA是测试 黏弹材料在指定温度范围和频率下、在交变应力（或应变）作用下的应变（或应力）响应的重要试验手段。本次采用应用较为广泛的DMA法，该法可直接给出模量与温度、损耗因子与温度的关系曲线[16，17]；并且地震荷载是一种无规律的动态荷载，为真实反映黏弹材料的受力状况，应采用动态加载模式分析其在动载作用下的黏弹性能。动态力学试验中最常用的交变应力是正弦应力，依据橡胶类材料的力学特性，本次试验采用动态剪切模式，加载示意图如图3，应力应变响应如图3所示，P2与P2′固定在刚性构架上，激振力施加在相连的P1与P1′上，从而带动试样作剪切振动。正弦交变剪切应力表示为τ（t）=τ0sinωt，而且DMA方法在施荷过程中不会对材料本身结构造成影响和破坏，被认为在研究多相、多组分聚合物材料的相态结构方面具有巨大的优势。 2.3加载工况
升温速率为3 ℃/min；频率为3.5 Hz；该材料用于建筑结构，因此依据建筑使用温度区间、本次试验温度范围取为-20～50 ℃。
试验以达到提高材料在建、构筑使用温度范围的阻尼为目标，其考量公式即阻尼值提高幅度为：φ=ηi-η0η0×100%，其中，ηi为掺入添加剂后的阻尼值，η0为基体丁腈材料初始阻尼值。
3试验结果与讨论分析
3.1共混物基本力学性能试验除了重点考察材料的阻尼性能，该材料基本力学参数应满足相关要求，本文完成的材料基本力学性能试验如表2，表中参数皆可满足材料在黏弹性耗能装置构件中的应用标准。
3.2基体材料DMA曲线
由图5可知，当材料达到玻璃态转变温度即温位Tg为28.2 ℃时损耗因子亦达到峰值，大小为0.97。该温度远高于建筑使用的室温20 ℃，且损耗因子大于0.5的温域为21.2～31.5 ℃，为10.3 ℃温度差，显示出一个非常窄的损耗因子转变峰。
（2）掺合料的添加使tanδ峰值向低温方向移动，逐渐向建、构筑结构的室温靠拢。添加60份200目石墨粉，使得tanδ不小于 0.5的阻尼温域拓宽至31.3，且石墨粉用量越少，反而影响大阻尼温域的拓展。
（3）在同样添加石墨粉的情况下，HAF和FEF炭黑类对阻尼性能的影响几乎可忽略不计，且FEF和HAF影响效果基本相同。可尝试不同粒径类炭黑。在添加石墨粉的基础上，其他掺合料则对损耗因子峰值和大阻尼温域起衰减作用，由此单纯添加石墨粉的效果最佳。
参考文献：
[1]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范（GB500112001）[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.
China Academy of Building Research. Code for seismic design of building （GB500112001）[S]. Beijing： China Architecture Building Press， 2001.
[2]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范（GB500112010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
China Academy of Building Research. Code for seismic design of building （GB500112010）[S]. Beijing： China Architecture Building Press， 2010.
[3]李爱群.工程结构减振控制[M].北京：机械工业出版社，2007.
Li Aigum. Vibration Control of Engineering Structure[M]. Beijing： China Machine Press， 2007.
[4]Soong T T， Constantine M C. Passive and Active Structural Vibration Control in Civil Engineering[M]. New York： SpringerVerlag， 1994.
[5]梁守智，钟延壎，张丹秋. 橡胶工业手册[M].北京：化学工业出版社， 1989.
Liang Shouzhi， Zhong Yanxun， Zhang Danqiu. Handbook of Bubber Industry[M]. Beijing： Chemical Industry Press， 1989.
[6]Kirekawa A， Ito Y， Asano K. A study of structural control using viscoelastic material， earthquake engineering[A]. Tenth World Conference[C]. Baklava， Rotterdam， 1992.
[7]黄光速.聚硅氧烷/聚丙烯酸酯阻尼材料的合成及性能研究[D].成都：四川大学，2002.
Huang Guangsu. Investigation on the synthesis and properties of the dmaping material based on polysiloxane/polyacrylate[D]. Chengdu： Sichuan University， 2002.
[8]符刚，张德志，单国荣.丁腈橡胶/聚氯乙烯共混物的阻尼性能[J].合成橡胶工业，2009，32（4）：317—320.
Fu Gang， Zhang Dezhi， Shan Guorong. Damping properties of acrylonitrilebutadiene rubber/polyvinyl chloride blends[J]. China Synthetic Rubber Industry， 2009，32（4）：317—320.
[9]Ioana C Finegan， Ronald F Gibson. Analytical modeling of damping at micromechanical level in polymer composites reinforced with coated fibers[J]. Composites Science and Technology， 2000，60：1 077—1 084.
[10]Hajime Kaneko， Kiyohiro Inoue， Yoichi Tominaga， et al. Damping performance of polymer blend/organic filler hybrid materials with selective compatibility[J]. Materials Letters， 2002，52：96—99. [11]Ping Xiang， Xiu Ying Zhao， Da Ling Xiao， et al. The structure and dynamic properties of nitrilebutadiene rubber/poly （vinyl chloride）/hindered phenol crosslinked composites[J]. Journal of Applied Polymer Science， 2008，109：106—114.
[12]赵云峰.高性能黏弹性阻尼材料及其应用[J].宇航材料工艺，2009，2：1—6.
Zhao Yunfeng. Properties and application of advanced viscoelastic damping materials[J]. Aerospace Materials & Technology， 2009，2：1—6.
[13]赵云峰.ZN系列黏弹性阻尼材料的性能及应用[J].宇航材料工艺，2001，5：19—23.
Zhao Yunfeng. Properties and application of ZN series viscoelastic damping materials[J]. Aerospace Materials & Technology， 2001，5：19—23.
[14]戴德沛.阻尼技术的工程应用[M].北京：清华大学出版社，1991.
[15]Ferry J. Viscoelastic Properties of Polymers[M]. New York： John Wiley， 1961.
[16]Gearing J. in： R. Brown （Ed.）. Handbook of Polymer Testing， Physical Methods[M]. New York： Marcel Dekker， 1999.
[17]吴刚.填充类导电复合材料结构与动态粘弹行为研究[D].杭州：浙江大学，2004.
Abstract： In view of the effectiveness and importance of viscoelastic material to seismic resistance and windresistant of building structure， with nitrile rubber as substrate， based on DMA means， the effect of mixture such as CPP， short carbon fiber， 200 graphite powder， flake graphite， mica powder and et al to the damping performance of NBR is discussed， and the influence of component ratio to the substrate is given. Research results meet two design requirements， firstly， the damping properties of materials was improved， and the loss factor was increased to 1.26， the second， Tg is adjusted from 28.2℃ to 15℃， and the temperature range which tanδ value is higher than 0.5. The research shows that， just added 200 graphite powder， it achieves the best effect. Improvement of particle size large of carbon black material such as FEF and HAF has little effect.
Key words： seismic resistance； NBR； admixture； DMA； loss factor