填料對(duì)WPUA阻尼性能的影響

吳軍玲，劉方方（河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院 河北 石家莊 050018）

填料對(duì)WPUA阻尼性能的影響

吳軍玲，劉方方
（河北科技大學(xué)紡織服裝學(xué)院 河北 石家莊 050018）

以聚氨酯為殼層、聚丙烯酸酯為核的核-殼結(jié)構(gòu)的乳液作基體材料，研究了5種不同填料及其組合對(duì)阻尼涂料阻尼性能的影響。比較填料加入后在不同溫度下的損耗因子，結(jié)果表明：有機(jī)小分子SOM［4，4'-硫代雙（6-叔丁基-3-甲基苯酚）］作為填料，損耗因子的峰值雖然最高，但在-10℃損耗因子卻是最低的；玻璃微珠作為填料，損耗因子的峰值最低且損耗因子≥0.3的溫域范圍最窄；以玻璃鱗片和云母各一半做為填料，綜合效果最佳。

阻尼涂料；功能填料；阻尼性能；損耗因子；高附著力

隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大功率的機(jī)械設(shè)備不斷增多，其所引起的振動(dòng)、噪聲等問題也日益增加。為了解決工程中的振動(dòng)問題，人們研究并開發(fā)了多種方法和技術(shù)措施，其中阻尼技術(shù)是控制結(jié)構(gòu)共振的有效方法，是解決減振問題的重要手段。根據(jù)使用對(duì)象及使用環(huán)境的需要，阻尼涂料往往具有一定的阻尼、隔熱、隔聲等功能。其基本原理是利用高分子材料所具有的粘彈性能，吸收振動(dòng)源的一部分振動(dòng)能，再以“熱”的形式釋放出去，即發(fā)生所謂的力學(xué)損耗，以達(dá)到抑制振動(dòng)、降低噪聲的目的［1］。

近年來(lái)，鍍鋅板和不銹鋼蒙皮在我國(guó)高鐵和高檔客車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但國(guó)產(chǎn)阻尼涂料在蒙皮上的附著力較差，寬溫域阻尼性能欠佳。本文采用核-殼乳液共聚法，以制備的含親水基團(tuán)的聚氨酯水分散體作為種子乳液，然后加入引發(fā)劑和丙烯酸系單體，在種子乳液中聚合形成了PU為殼層、PA為核的核-殼結(jié)構(gòu)復(fù)合乳液（WPUA）。在PU主鏈上引入側(cè)基或增大側(cè)基的體積，可以破壞主鏈的結(jié)晶度，少量龐大側(cè)基的引入，可以明顯地改善阻尼性能，利用特殊丙烯酸單體的特殊結(jié)構(gòu)，形成對(duì)鍍鋅板等難粘材料的高附著力，同時(shí)得到高阻尼、寬溫域、無(wú)污染的高性能阻尼材料，配合功能填料，制備高附著力、寬溫域阻尼涂料。填料是阻尼涂料的重要組成部分，影響材料的多種性能。本文主要研究不同填料加入對(duì)阻尼涂料性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

選用自制的WPUA乳液作為基料，并按一定比例添加填料、去離子水和助劑，攪拌均勻得到水性阻尼涂料，然后在隔離紙上制膜，待涂層干燥后用裁刀裁成測(cè)試要求尺寸的樣品。

1.2 性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）由DMA Q800 測(cè)定；附著力按GB 2791膠粘劑T剝離強(qiáng)度測(cè)定方法測(cè)得。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同填料對(duì)涂料阻尼性能的影響

目前對(duì)阻尼材料常用的評(píng)價(jià)方法是動(dòng)態(tài)力學(xué)譜法，通過材料在應(yīng)力作用下的損耗因子或阻尼因子（tanδ）來(lái)表征材料的力學(xué)損耗或內(nèi)耗的大小。一般而言，tanδ≥0.3時(shí)材料具有較好的阻尼性能。

經(jīng)過工藝優(yōu)化，通過核殼乳液聚合制得的WPUA乳液，具有優(yōu)良的性能，其tanδ-t圖如圖1所示。其在-10℃、20℃、50℃的損耗因子分別達(dá)到了0.24、1.35、0.33，峰值在12.36℃達(dá)到了1.84。數(shù)據(jù)表明，該材料在較寬的溫域范圍內(nèi)具有較高的阻尼性能。

不同填料對(duì)涂料的阻尼性能有不同影響。它不僅能夠占據(jù)高分子鏈段堆砌的空間，并且填料的加入可以與聚合物大分子鏈間相互摩擦，從而增加材料的內(nèi)損耗［2］。實(shí)驗(yàn)分別采用玻璃鱗片、云母100、玻璃微珠5019N、石墨200、小分子SOM［4，4'-硫代雙（6-叔丁基-3-甲基苯酚）］以及玻璃鱗片和云母各一半做為填料，研究上述不同填料對(duì)涂料阻尼性能的影響情況。填料的填充量為乳液基體質(zhì)量的50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1和表1所示。

圖1 WPUA乳液和添加各種填料的tanδ-t圖Fig.1 Tanδ-t curves of WPUA emulsions with different fillers

由圖1及表1可以看出，加入填料對(duì)涂料的損耗因子有明顯影響。加入小分子SOM的涂料樣品損耗因子峰值最高，達(dá)到1.37。峰值溫度也最高（28℃），但是在低溫環(huán)境下（-10℃）的損耗因子卻是最低的，即其在低溫環(huán)境下的阻尼效果較差。其tanδ≥0.3的溫域范圍為10～63℃，tanδ≥0.5的溫域范圍為14～49℃。近幾年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)［3-4］，聚合物分子鏈間具有氫鍵作用的受阻酚、受阻胺類芳香族化合物可以有效提高材料的阻尼性能。SOM是酚類物質(zhì)，其可以和基體材料間發(fā)生氫鍵作用。當(dāng)材料受到外力作用時(shí)，這些氫鍵會(huì)不斷重復(fù)斷鍵—成鍵—斷鍵的過程，在這個(gè)過程中會(huì)消耗能量。氫鍵是一種較強(qiáng)的分子間作用力，比運(yùn)動(dòng)時(shí)分子間的摩擦作用更強(qiáng)，消耗的能量也比分子間摩擦大，這也就是加入有機(jī)小分子后材料阻尼值提高的原因［5］。

表1 加入填料后涂料在不同溫度下?lián)p耗因子數(shù)據(jù)及峰值溫度Tab.1 The peak temperature and the damping factor of the coating at different temperatures after adding fillers

加入玻璃微珠的損耗因子峰值最低為0.89，其峰值溫度也是最低的（12.9℃）。其在高溫環(huán)境下（50℃）的損耗因子也最低，tanδ≥0.3的溫域范圍為0～39℃，tanδ≥0.5的溫域范圍為3～27℃，可見其tanδ≥0.3（0.5）的溫域范圍也明顯比較窄，在所測(cè)試的6種填料中，玻璃微珠在水性阻尼涂料中的添加效果最差。大部分不規(guī)則粒狀填料對(duì)涂料的阻尼性能都有不同程度地降低，尤其是高填充量時(shí)降低程度更明顯。玻璃微珠由于粒徑較大并且具有微孔結(jié)構(gòu)，其表面與高分子樹脂基體結(jié)合不緊密，因而損耗因子值較小。

加入云母100為填料，tanδ≥0.3的溫域范圍為4～80℃，tanδ≥0.5的溫域范圍為9～45℃。加入玻璃鱗片為填料，tanδ≥0.3的溫域范圍為2～52℃，tan δ≥0.5的溫域范圍為6～33℃。加入玻璃鱗片和云母各一半做為填料，其峰值變化不大，峰值溫度更接近于只加玻璃鱗片的情況。tanδ≥0.3的溫域范圍為2～95℃，tan δ≥0.5的溫域范圍為3～36℃。

加入石墨200為填料，tanδ≥0.3的溫域范圍為7～67℃，tanδ≥0.5的溫域范圍為11～49℃。

一般研究認(rèn)為，高分子聚合物材料的阻尼性能與材料本身的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，一方面是高分子材料內(nèi)部鏈段之間的摩擦對(duì)阻尼性能的貢獻(xiàn)；另一方面是填料與高分子鏈段及填料與填料對(duì)材料阻尼性能的貢獻(xiàn)［6］。在阻尼涂料中，主要的摩擦耗能是通過高分子聚合物內(nèi)部鏈段摩擦、高分子鏈段和填料之間的摩擦以及填料與填料之間的摩擦來(lái)貢獻(xiàn)的，而這幾種摩擦貢獻(xiàn)的大小是不一樣的。片狀填料能提高阻尼性能是因?yàn)檫@些填料的比表面積大，填料與聚合物分子鏈和填料之間接觸面積大，產(chǎn)生的振動(dòng)摩擦系數(shù)高，增加了片層結(jié)構(gòu)與聚合物的剪切變形，轉(zhuǎn)化的熱能相對(duì)大，損耗因子tanδ峰值高。當(dāng)涂料中使用一定量的云母粉，由于它特殊的片層結(jié)構(gòu)，增加填料與高分子鏈段之間的摩擦，填料與填料的摩擦、當(dāng)然也會(huì)因?yàn)樵颇傅募尤虢档土烁叻肿泳酆衔镌谧枘嵬苛现械谋壤?，使高分子鏈段的摩擦降低，所以最后阻尼涂料損耗的大小就決定于前2者引起損耗的增加和后者引起損耗的降低的貢獻(xiàn)大小了［7］。玻璃鱗片和石墨具有片狀結(jié)構(gòu)，添加效果類似于云母。

在本實(shí)驗(yàn)中，分別以玻璃鱗片、云母100、玻璃鱗片與云母100各占一半、石墨200為填料的涂料，均能使得損耗因子分別在低溫（-10℃）、室溫（20℃）、高溫（50℃）環(huán)境中達(dá)到0.08、0.8、0.3以上，在較寬的溫域中具有比較好的阻尼效果。但石墨作填料時(shí)，加入量大時(shí)就會(huì)使乳液產(chǎn)生破乳，而且黑色不利于調(diào)制其他顏色。綜合考慮，玻璃鱗片和云母各一半做為填料，tanδ≥0.3的溫域范圍明顯要寬于其他填料。

2.2 阻尼涂料的基本物理力學(xué)性能

按照TB/T 2932—1998對(duì)水性阻尼涂料進(jìn)行性能檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 阻尼涂料的性能Tab.2 Performance of damping coatings

3 結(jié)論

1）在實(shí)驗(yàn)條件下，SOM作為填料，其損耗因子的峰值最高，但其在低溫時(shí)的損耗因子最低，使用溫度范圍受限。

2）玻璃微珠作為填料，其損耗因子峰值最低，且tanδ≥0.3和tanδ≥0.5的溫域范圍也最窄。

3）綜合考慮，以玻璃鱗片和云母各一半做為填料，能使水性涂料獲得優(yōu)良阻尼效果。

［1］胡釗，類成林，楊濤.填料對(duì)水性阻尼涂料性能的影響［J］.涂料工業(yè)，2012，42（6）:52-54，59.

［2］羅娟，楚瓏晟，袁琪，等.填料對(duì)車用阻尼涂料阻尼隔聲性能的影響［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2013，16（9）:16-19.

［3］向平，肖大玲，趙秀英，等.受阻酚AO-80/NBR/PVC交聯(lián)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與動(dòng)態(tài)力學(xué)性能［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2007，24（6）:44-49.

［4］吳國(guó)章，伊藤哲也，住田雅夫.用于減振的涂料組合物及其制備方法［P］.中國(guó):01125419，2002-11-27.

［5］何利軍，趙云峰，詹茂盛，等.有機(jī)小分子雜化阻尼材料研究進(jìn)展［J］.宇航材料工藝，2007，37（3）:9-12.

［6］劉成樓，隗功祥.水性聚合物阻尼涂料性能的研究［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2011，14（10）:1-4.

［7］譚亮紅，周志誠(chéng)，賀才春.水性阻尼涂料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究［J］.涂料工業(yè)，2006，36 （11）:5-7.

Influence of fillers on damping properties of WPUA

WU Jun-ling， LIU Fang-fang
（College of Textiles and Garment， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

The influence of five kinds of fillers and their combinations on the damping properties of the damping coatings was investigated based on the emulsion which has the core shell structure with polyurethane as the shell and polyacrylate as the core. The loss factor of the damping coatings with different fillers at different temperatures was compared. The results were as follows: the peak of loss factor was the highest， but the loss factor was the lowest at -10℃， when using the organic small molecule SOM ［4，4'-thio-bis（6-tert-butyl-3-methyl phenol）］ as the filler， the peak of loss factor was the lowest and the temperature range of loss factor≥0.3 was the narrowest， when using the glass beads as the filler； the comprehensive effect was the best， when the glass flake and mica in each half were used as the filler.

damping coatings； functional fillers； damping properties； loss factor； high adhesion

TQ63

A

1001-5922（2015）12-0048-04

2015-10-10

吳軍玲（1971-），女，副教授，博士。主要從事紡織化學(xué)化工等領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用方面的研究工作。E-mail：13931993886@163.com。