聚合物基阻尼材料研究進展

楊 陽，黃微波，張曉麗，馮艷珠，梁龍強 （青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

聚合物基阻尼材料研究進展

楊 陽，黃微波，張曉麗，馮艷珠，梁龍強 （青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033）

聚合物基阻尼材料因其優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于船舶、航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域的振動與噪聲控制。綜述了聚合物基阻尼材料的阻尼耗能機理。介紹了常用的阻尼材料改性方法，包括共混改性、共聚改性、填充改性和互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）結(jié)構(gòu)。最后指出了聚合物基阻尼材料的發(fā)展趨勢，即開發(fā)具有高阻尼、寬溫域、智能化、環(huán)保等綜合性能的新型阻尼材料。

聚合物基阻尼材料；阻尼機理；改性方法；發(fā)展趨勢

0 引言

振動和噪聲現(xiàn)象廣泛存在于人們的日常生產(chǎn)和生活中，它能夠影響結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性、舒適度以及人體的健康，已被列為影響人們生活的七大環(huán)境公害之一［1］。阻尼減振降噪技術(shù)是利用阻尼材料耗能，使振動或噪聲衰減的技術(shù)。阻尼材料是一種振動衰減材料，在振動過程中通過自身形變進行耗能。其中，聚合物基阻尼材料是使用最廣泛的非金屬型阻尼材料，是一種利用材料內(nèi)耗，將振動能量轉(zhuǎn)化為熱能，來減輕結(jié)構(gòu)振動的功能材料，被廣泛應(yīng)用于船舶、汽車等領(lǐng)域的振動與噪聲控制［2］。聚合物基阻尼材料具有優(yōu)異的阻尼減振降噪性能，并且相對密度小、易于加工，已成為阻尼材料的主要研究方向。以下簡述了聚合物基阻尼材料的阻尼機理，綜述了4種常用的阻尼改性方法，同時展望了聚合物基阻尼材料未來的發(fā)展方向。

1 聚合物基阻尼材料的阻尼機理

聚合物基阻尼材料是高分子聚合物和各種添加劑的復(fù)合體系，它的一個重要特征是粘彈性，即同時具有彈性和粘性兩種不同機理的形變。在外力作用下，阻尼材料內(nèi)部分子鏈會產(chǎn)生拉伸、扭曲等變形，同時也會產(chǎn)生相對滑移、扭轉(zhuǎn)。當(dāng)外力作用去除后，變形的分子鏈會復(fù)位，鏈段之間的相對運動也會部分恢復(fù)到原來的情況，即材料呈現(xiàn)出彈性；但分子鏈段不能完全恢復(fù)，產(chǎn)生了永久性的變形，即材料呈現(xiàn)出粘性。聚合物基阻尼材料的阻尼性能主要來源于材料的內(nèi)耗，在交變外力作用下，材料內(nèi)部分子鏈段需要克服內(nèi)摩擦阻力做功，導(dǎo)致應(yīng)變滯后于應(yīng)力，振動能量通過材料的粘性成分而被轉(zhuǎn)化成熱能耗散［3-4］。人們將應(yīng)變滯后于應(yīng)力的相位角δ稱為力學(xué)損耗角，通常用力學(xué)損耗角的正切tanδ，即損耗因子β來表示材料內(nèi)耗的大小。滯后現(xiàn)象越嚴(yán)重，說明材料內(nèi)摩擦能力越大，阻尼性能越好。

然而，并不是所有的聚合物都可以直接用作阻尼材料，只有那些結(jié)晶度不高或交聯(lián)度不高的聚合物在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)才具有較高的內(nèi)耗。當(dāng)材料處于玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)時，分子基團有一定的自由度，鏈段能充分運動，吸收大量的振動能量，即具有較大的阻尼作用。優(yōu)良阻尼材料的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)和材料工作溫度范圍一致，同時具有較高的內(nèi)耗和較寬的有效阻尼溫域。

2 常用的阻尼改性方法

聚合物基材料的阻尼性能受環(huán)境溫度、荷載頻率等外部條件的影響很大。一般均聚物和共聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）范圍比較窄，產(chǎn)生有效阻尼的溫度范圍大致為Tg附近的±（10～15）℃，不能達到寬溫域、寬頻率阻尼的工程要求，并且材料的Tg不一定在結(jié)構(gòu)正常使用的溫度范圍內(nèi)。常見塑料類材料的Tg均在室溫以上，而橡膠類聚合物基材料的Tg則大多在室溫以下，都不能很好地滿足實際工程的要求［5］。因此，常采用共混改性、共聚改性、填充改性和互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方法來改善材料的阻尼性能，以達到特定的使用要求。

2.1 共混改性

單一聚合物基阻尼材料的有效阻尼溫域較窄，不能很好地滿足工程要求。為改變材料的Tg和拓寬有效阻尼溫域，將兩種或多種聚合物進行共混改性是最常用的方法［6-7］。共混改性要求共混組分的相容性較好，且各組分的Tg不能相差太大（一般為20～30℃），同時各組分的阻尼峰值有較多的重疊部分。聚合物組分的相容性越好，兩阻尼峰相距越近，低阻尼區(qū)范圍越窄［8］。通過調(diào)整共混組分的比例，使其兩個（或多個）玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的凹谷上升為平坦區(qū)，呈現(xiàn)單一組分特性，并且有較寬的有效阻尼范圍［9］。共混改性主要包括橡膠與橡膠、橡膠與塑料、橡膠與纖維共混等。

張曉君［10］通過乳液共混法將苯丙乳液、純丙乳液和氯化丁基橡膠粉、云母粉共混，研究了不同配比的多元共混體系的阻尼涂料，動態(tài)熱機械分析（DMA）測試結(jié)果表明：阻尼涂料的損耗因子峰值（tanδmax）可達0.59，tanδ超過0.4的溫域?qū)?6℃。苗傳威等［11］利用乳液共混法，將聚甲基丙烯酸甲酯（MMA）/聚甲基丙烯酸乙酯（EMA）/聚丙烯酸正丁酯（BA）按1∶1∶1比例（質(zhì)量比）混合后，能形成損耗因子>0.7、有效阻尼溫域達100℃的阻尼材料。同時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)共混聚合物組分Tg呈連續(xù)梯度變化時，共混后的體系阻尼性能更優(yōu)。Wu J H等［12］利用熔融共混法將苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）分別與熱塑性聚酯型PU（TPU-EX）和熱塑性聚醚型PU（TPU-ER）按不同比例進行共混，試驗結(jié)果表明：兩者的相容性較好，并且隨著TPU含量的增加，SBS的熱穩(wěn)定性和動態(tài)阻尼性能不斷增加。Ibrahim N A等［13］則通過熔融共混法，將聚氯乙烯（PVC）和對苯二甲酸丁酯共聚物（PBAT）共混，DMA測試結(jié)果表明：兩者的共混體系只有一個Tg，即兩者具有較好的相容性；隨著PBAT含量的增加，共混體系的損耗模量降低，儲能模量增大，材料的損耗因子降低。

2.2 共聚改性

共聚改性是利用兩種或兩種以上單體生成聚合物的過程，是合成具有優(yōu)異阻尼性能聚合物基阻尼材料的有效方法之一，主要包括接枝共聚和嵌段共聚。接枝共聚是利用化學(xué)方法在聚合物主鏈上接枝另一組分作為側(cè)鏈，當(dāng)有外力作用時，側(cè)鏈摩擦運動產(chǎn)生內(nèi)耗，從而起到增加阻尼的作用。接枝共聚具有獨立微相結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整各組分比例，使共聚體系的阻尼性能達到最優(yōu)。嵌段共聚是把多種不同聚合物鏈段按尾-尾、頭-頭或者頭-尾方式連接在一起，通過調(diào)整單體種類，軟、硬段的含量，引入特定性能的官能團增強組分間的交聯(lián)作用，從而達到提高材料阻尼性能、拓寬有效阻尼溫域的目的［14-15］。

馬學(xué)強［16］制備并且研究了一種新型聚氨酯阻尼材料，研究發(fā)現(xiàn)：組分的硬段種類、含量和外界條件都會影響材料的阻尼性能。調(diào)整組分的硬段種類及含量，tanδmax和有效阻尼溫域都會改變，并且硬段含量的增加會降低tanδmax，同時使有效阻尼溫域變寬。Li F等［17］研究了苯乙烯和雙官能團單體二乙烯基苯嵌段共聚體系，通過調(diào)節(jié)單體配比達到改變阻尼峰值的目的。研究還表明：對苯乙烯、二乙烯和二乙醚進行三元嵌段共聚，可以更為有效地拓寬材料的有效阻尼范圍。Andjelkovic D D等［18］研究了苯乙烯，二乙烯基苯、大豆油等組分的共聚體系，通過調(diào)整聚合物體系中各單體所占比例，成功制得具有較高阻尼性能的塑料，研究發(fā)現(xiàn)：改變乙烯基單體、大豆油的種類以及引發(fā)劑的用量，可以使共聚體系的有效阻尼溫域達到110℃。Chu H H等［19］將醋酸乙烯酯（VAc）和丙烯酸丁酯（BA）共聚后發(fā)現(xiàn)：共聚體系中兩組分有一定的微相分離，同時具有較好的相容性，在所研究的溫度范圍內(nèi)，tanδmax高達1.76～1.80，損耗因子超過0.3，有效阻尼溫域較寬，另外共聚體系的阻尼性能隨著VAc含量的增加而增大。

2.3 填充改性

填料是構(gòu)成聚合物基阻尼材料的重要組分，對材料的阻尼性能影響很大。在聚合物中加入填料，能夠增大材料內(nèi)部的摩擦作用，進而增大滯后作用和耗能能力，同時還可以擴大材料的有效阻尼溫域。填料種類、用量以及結(jié)構(gòu)形態(tài)對阻尼改性效果都有影響。常用的填料主要有石墨、玻璃微珠、三氧化二鋁、炭黑、云母片、短碳纖維和玻璃纖維等。片狀石墨填料可增大阻尼材料內(nèi)部的摩擦作用與損耗能量；顆粒狀填料能增大材料的內(nèi)摩擦阻力，限制分子長鏈的運動，增大能量的轉(zhuǎn)化與損耗。另外，玻璃微珠石墨會改善聚合物材料的阻尼性能，三氧化二鋁則可使材料的Tg向高溫段移動［20］。

黃微波等［20-21］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)：在聚合物材料中填充云母、石墨等片狀填料，能明顯提高材料的阻尼作用；另外，片狀填料可增強材料的剪切運動，增大材料內(nèi)部界面間的能量耗散，而非片狀填料則作用不大。纖維的種類、數(shù)量和排列方式對其改性作用的影響較大，其中玻璃纖維和芳綸纖維的改性作用較好。研究表明：長纖維有利于改善聚合物材料的阻尼性能，而短纖維主要用于增強作用［22-25］。與傳統(tǒng)填充材料不同，在橡膠中加入碳納米管，不會顯著改變材料玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的損耗因子，但對材料高溫段的損耗因子具有較好的改善作用［26］。而在聚乙烯基體中加入碳納米管，可有效提高其阻尼性能，但體系的應(yīng)變水平對阻尼性能影響很大［27］?？招牟Ａ⒅槊芏刃　⒈缺砻娣e大、有較好的吸聲功能，在聚合物基阻尼材料中加入適量玻璃微珠能改善材料的阻尼作用。隨著玻璃微珠含量的增加，材料的Tg和tanδmax都有所降低，但是有效阻尼溫域變寬［28］。Rimdusit S［29］則用木屑對聚氯乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）共聚物復(fù)合體系進行改性，DMA測試結(jié)果表明：復(fù)合體系存在Tg，說明PVC和ABS復(fù)合體系是部分相容的，并且隨著木屑含量的增加，體系的彎曲模量增加，同時Tg向高溫方向移動。

2.4 互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻尼材料

互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（Interpenetrating Polymer Network，IPN）概念在20世紀(jì)50年代提出，70年代，Sperling L H等［30］利用該技術(shù)制備了一系列新型高分子材料。IPN利用特殊共混的方法使多種聚合物相互貫穿，協(xié)同作用，形成一種交織網(wǎng)絡(luò)聚合物材料［31］。IPN獨特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使相容性不好的高聚物連接起來，具有強迫互容、界面互穿、協(xié)同作用等性能特征，所以有效阻尼溫域更寬、阻尼效果更佳。

Qin C L等［32］對聚氨酯（PU）和乙烯基酯樹脂（VER）互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系進行了研究，結(jié)果表明：兩種組分的配比對體系的阻尼性能有很大影響，當(dāng)m（PU）∶m（VER）為60/40時，材料在-36～54℃溫度區(qū)間內(nèi)，損耗因子的峰值>0.5，當(dāng)IPN體系中加入甲基丙烯酸甲酯，阻尼效果更佳。蔣篤孝等［33］制備并研究了聚丙烯酸酯/聚硅氧烷互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)體系，原子力顯微鏡（AFM）測試結(jié)果表明：制備的互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)體系微相結(jié)構(gòu)既有一定的互穿，又有一定的分離，具有較好的阻尼性能，并且當(dāng)聚甲基丙烯酸甲酯和聚硅氧烷的質(zhì)量比為80∶20時，互穿體系的tanδmax為1.4。

聚氨酯可以與多種聚合物形成IPN，將聚氨酯預(yù)聚體（PU）和環(huán)氧樹脂（EP）作用，生成的IPN聚合物損耗因子高達1.3，且有效溫域?qū)?2℃。在上述IPN體系中加入不飽和聚酯樹脂（UP），能進一步拓寬材料的有效阻尼溫度范圍，當(dāng)m（PU） ∶m （EP）∶m（UP）=50∶25∶25 時，損耗因子>0.7的溫域達到60℃［34］。趙培仲等［35］用種子乳液聚合法合成了乙酸乙烯酯/丙烯酸丁酯膠乳型IPN和甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸乙酯膠乳型IPN，然后將兩者共混，研究發(fā)現(xiàn)：共混IPN的阻尼性能很好，損耗因子>0.3的溫域超過200℃。

3 結(jié)語

自20世紀(jì)90年代起，阻尼材料在我國的汽車、航空航天、艦船等領(lǐng)域開始推廣并全面使用。隨著科技的發(fā)展，對阻尼材料的要求也越來越高。常規(guī)的阻尼改性方法雖然克服了聚合物基阻尼材料的一些缺陷，但是也存在一定的局限性，微相分離擴大材料使用范圍的同時，也降低了材料的損耗因子峰值；互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)材料的阻尼性能好，有效溫域?qū)?，但工藝?fù)雜，溶劑去除困難。在實際工程應(yīng)用中，要選用適宜的改性方法，同時運用新的改性方法，開發(fā)高性能、寬溫域、寬頻域的功能材料。從發(fā)展趨勢來看，研發(fā)結(jié)構(gòu)功能一體化的阻尼材料將成為研究熱點。未來的聚合物基阻尼材料將會是一類高阻尼、寬溫域、智能化、環(huán)境友好的功能材料。

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The Research Progress in the Polymer Based Damping Materials

Yang Yang，Huang Weibo，Zhang Xiaoli，F(xiàn)eng Yanzhu，Liang Longqiang
（School of Civil Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong，266033，China）

The polymer based damping materials have been widely used in the ships，aerospace and transportation fields to reduce vibration and noise because of excellent performance. The damping energy dissipation mechanism of polymer based damping materials and their common modification methods，including blending，copolymerization，filling and interpenetrating polymer networks（IPN）were reviewed. The development trend of polymer based damping materials was pointed out，that is developing novel damping maternal with high damping property，wide temperature range，intelligence and environmental protection etc. comprehensive properties.

polymer based damping material；damping mechanism；modification method；development trend

TB 34

A

1009-1696（2016）06-0029-05

2016-08-16

楊陽（1990—），男，碩士研究生，研究方向為粘彈阻尼材料和減振降噪。