水性阻尼涂料的研制

李 崇，張衛(wèi)軍，張金平，高之香，李士學

（三友（天津）高分子技術(shù)有限公司，天津 300211）

水性阻尼涂料的研制

李 崇，張衛(wèi)軍，張金平，高之香，李士學

（三友（天津）高分子技術(shù)有限公司，天津 300211）

介紹了一種水性阻尼涂料的制備方法，重點討論了丙烯酸樹脂、填料和助劑對產(chǎn)品性能的影響，確定了水性阻尼涂料的配方和生產(chǎn)工藝。水性阻尼涂料的最佳配方為：乳液60份、粉料34份、保濕劑2.5份、分散劑0.9份、增稠劑2份和消泡劑0.6份；所得產(chǎn)品在常溫48 h內(nèi)可以完全干透，涂膜外觀良好無裂紋，附著力較好，產(chǎn)品減震效果較佳。

丙烯酸樹脂；損耗因子；地鐵

當前，世界地鐵機車車輛的需求量處在不斷增長期。在我國，地鐵的新線建設也一直處于快速發(fā)展階段[1]。地鐵的發(fā)展給人們的出行提供了方便,但隨之而來的噪聲卻給人們的生活環(huán)境帶來負面影響,由于噪聲污染的日益嚴重和大家對環(huán)保的逐步重視,地鐵的噪聲問題已經(jīng)到了必須解決的時候[2]。水性阻尼涂料是一種發(fā)揮減振降噪功能的環(huán)保涂料。該涂料由丙烯酸乳液、阻尼顏填料、阻燃劑和助劑等組成。與吸聲材料不同，這是一種主動降噪材料，其原理是將振動機械能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，即從聲（振）源上有效地控制振動和噪聲[3]。水性阻尼涂料以水為分散介質(zhì)，VOC含量較低，安全環(huán)保，作為水性涂料的一個分支，具有一般水性涂料的環(huán)保性能。目前國內(nèi)外水性阻尼涂料有多種形式，如標準型水性阻尼涂料、低溫型水性阻尼涂料、高溫型水性阻尼涂料、寬溫域型水性阻尼涂料、厚漿型水性阻尼涂料和烘烤型水性阻尼涂料等。應用領(lǐng)域也較多，如高速列車動車組、大型船舶、車輛、工業(yè)設備和建筑等領(lǐng)域。目前水性阻尼涂料的技術(shù)優(yōu)勢仍被國外大公司掌握，國內(nèi)水性阻尼涂料廠家雖較多，但產(chǎn)品性能與國外產(chǎn)品還有很大差距。本試驗擬研制一款寬溫域的水性阻尼涂料，在兼顧其他性能的同時，在高、中和低溫條件下均具有良好的阻尼減振性能。

1 實驗部分

1.1 原料與設備

丙 烯 酸 乳 液[ACOUSTICRYLT MSD-22（50%）]，陶氏化學（中國）投資有限公司；丙烯酸乳液（R1）,江陰國聯(lián)化工有限公司；苯乙烯-丙烯酸酯乳液（R2）,巴德富有限公司；消泡劑（NXZ）、分散劑（TAMOLT M1254），陶氏化學（中國）投資有限公司；納米碳酸鈣（STP1000目），上海卓越集團；云母粉（325目），滁州市珠龍廣衛(wèi)絹云母粉廠；膨脹劑（Expancel031WU40），上海艦邦實業(yè)有限公司；增稠劑[ACRYSOLT MASE-60（1：1 稀釋）]，佛山市佳孚貿(mào)易有限公司；保濕劑丙二醇，工業(yè)級，天津市昶潤商貿(mào)有限公司。

GJB系列真空攪拌釜，秦皇島精本機械有限公司；動態(tài)熱機械分析儀（DMA），德國耐馳儀器制造有限公司；HC30型脫泡分散機，深圳市匯沃科技有限公司。

1.2 工藝工程

（1）在盛有乳液的塑料盒中分別加入分散劑、消泡劑、保濕劑和增塑劑，并攪拌均勻。

（2）稱取重鈣、云母，分別少量多次加入到乳液中，每次加入后攪拌至無團聚物，顏色、黏度均勻為標準。

（3）加入多功能助劑，調(diào)節(jié)pH值為8～9。再將增稠劑與去離子水以1：1（質(zhì)量比）混合均勻，少量多次滴加至乳液中，每次滴加后迅速攪拌均勻。

（4）在脫泡分散機中分散15 min。

（5）取出裝罐。

1.3 性能測試

（1）涂膜外觀：目測。

（2）干燥時間（實干）：按照GB/T 1728—1979標準進行測定。

（3）附著力：按照GB/T 9286—1998標準進行測定（劃格法）。

（4）復合損耗因子（ηc）：按照GB/T 16406—1996標準進行測定。

2 結(jié)果與討論

討論單一組分對水性阻尼涂料涂抹外觀、干燥時間和復合損耗因子的影響時，設定其為變量，其他組分保持不變。

2.1 乳液的選擇

在水性涂料中占絕對優(yōu)勢的是乳膠涂料，其中丙烯酸酯類乳膠涂料因具有優(yōu)異的光澤、硬度、豐滿度、耐堿性和耐候性等性能而倍受關(guān)注。但丙烯酸酯類乳膠涂料同時存在一些不足，如最低成膜溫度（MFT）偏高、抗回粘性和耐水性較差等。核殼結(jié)構(gòu)乳液聚合是通過2步或多步復合乳液聚合方法制備的一種具有特殊結(jié)構(gòu)的乳液聚合，在粒子級別上實現(xiàn)了不同性能聚合物的復合。與常規(guī)共聚物乳液相比，核殼結(jié)構(gòu)乳液具有更優(yōu)異的性能，如明顯降低成膜溫度、增加對底材的附著力、提高涂膜的耐水性等[4]。不同結(jié)構(gòu)的乳液對產(chǎn)品性能的影響如表1所示。由表1可知：不同結(jié)構(gòu)的丙烯酸乳液對產(chǎn)品的性能影響較大。相對而言，核殼型乳液性能較優(yōu)，故選擇核殼型共聚乳液做試驗。

表1 不同結(jié)構(gòu)的乳液對產(chǎn)品性能的影響Tab.1 Effects of emulsions with different structure on product performance

2.2 填料的選擇

在各種阻尼材料中,高聚物以其較高的阻尼系數(shù)而成為首選材料，但單一的高聚物阻尼溫域較窄，彈性模量過低，難以滿足實際應用的需要[5]。為了拓寬高聚物的阻尼溫域，提高材料的阻尼性能和彈性模量，Ogawa等[6]采用了在丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物中加入填料的方法，考查了填料的種類與形態(tài)對阻尼性能的影響。云母粉是一種層狀結(jié)構(gòu)的硅酸鹽，結(jié)構(gòu)由2層硅氧四面體夾著一層鋁氧八面體構(gòu)成的復式硅氧層，解理完全，可劈成極薄的片狀。云母粉的用量與產(chǎn)品損耗因子的關(guān)系如圖1所示。

圖1 云母粉的用量與產(chǎn)品損耗因子的關(guān)系Fig.1 Relationship between mica powder amount and product loss factor

阻尼材料阻尼性能通常用損耗因子tanδ來表征。為了獲得較好的減振效果，tanδ需滿足2點要求：①在制品使用的頻率范圍和溫度區(qū)間，tanδ值較大；②tanδ峰較寬，以保證在較大的范圍內(nèi)減振效果較好，降低其對溫度和頻率的敏感性[6]。從圖1可見，當云母的質(zhì)量分數(shù)為10%時，產(chǎn)品的阻尼性能相對最好。

2.3 保濕劑的選擇

丙二醇的用量對干燥時間的影響如圖2所示。由圖2可知：隨著丙二醇用量地不斷增大，干燥時間也隨之增加，相對最佳的干燥時間為48 h，此時表面無裂紋。所以丙烯酸的質(zhì)量分數(shù)為2.5%較為合適。

圖2 丙二醇的用量對干燥時間的影響Fig.2 Effect of propylene glycol amount on drying time

圖3 增稠劑的用量與貯存性的關(guān)系Fig.3 Relationship between thickener amount and storage stability

2.4 分散劑的選擇

分散劑的選擇類型為羧酸共聚物型。在初步確定填料為云母和重鈣后，通過黏度試驗的方法確定最佳分散劑用量。試驗方法如下：

（1）稱取500 g水，加入研磨容器中；

（2）開動高速分散機，以最低速度攪拌；

（3）往水中加入云母、重鈣直至形成高黏度漿料，記下加入云母、重鈣的質(zhì)量；

（4）取出大約250 mL的漿料，放入300 mL的塑料瓶中，并記錄質(zhì)量；

（5）用Brookfield黏度計以12 r/min測定起始黏度；

（6）加入0.05%（質(zhì)量/質(zhì)量，相對顏料固體份）的分散劑，準確記錄質(zhì)量，高速分散后再測定其黏度；

（7）重復步驟6直至達到最小黏度，然后在方格繪圖紙上繪制不同分散劑用量所對應的黏度曲線。

最后確定分散劑用量為達到最低黏度點時用量的1.5倍。每次配方改變云母和重鈣的含量后，都必須用此方法重新測定分散劑的用量。

2.5 增稠劑的選擇

增稠劑用量決定了產(chǎn)品貯存穩(wěn)定性。根據(jù)貯存穩(wěn)定性的試驗標準GB/T 6753.3的試驗方法，首先確定增稠劑的含量，然后改變分散劑的用量進行試驗。再次確定分散劑的含量，改變增稠劑的用量，重復進行試驗。相對最佳增稠劑用量的混合物體系具有相對最佳的貯存穩(wěn)定性，且隨著增稠劑用量的增加，混合體系的貯存穩(wěn)定性提高。但增稠劑增加到一定量后，產(chǎn)品穩(wěn)定性能不增反減。由圖3可知：當增稠劑用量在2%左右時，產(chǎn)品的貯存性相對最佳。

2.6 消泡劑的選擇

表面張力越低，體系形成泡沫所需的自由能就越小，就越容易產(chǎn)生泡沫。但是這樣的泡沫并不穩(wěn)定，只有當體系中含有能形成彈性膜的表面活性物質(zhì)，如：分散劑、增稠劑和流平劑等，泡沫才能穩(wěn)定。一般含硅的消泡劑效果較好，消泡劑的用量一般控制在總量的0.1%～1%之間，因此消泡劑的質(zhì)量分數(shù)為0.6%相對最佳。

3 結(jié)語

試驗確定水性阻尼涂料的最佳配方為（質(zhì)量份）：乳液60份、粉料34份、保濕劑2.5份、分散劑0.9份、增稠劑2份和消泡劑0.6份，所得制品在常溫48 h內(nèi)可以完全干透，涂膜外觀良好無裂紋，附著力良好，產(chǎn)品減震效果良好。產(chǎn)品實現(xiàn)了在兼顧其他性能的基礎(chǔ)上，高、中和低溫均具有良好的阻尼減振性能，是一款寬溫域的水性阻尼涂料，在地鐵減震、降噪領(lǐng)域應用前景廣闊。

[1]謝小海.世界地鐵機車車輛市場的現(xiàn)狀及展望[J].國外機車車輛工藝,2016,47(2):1-4.

[2]劉英杰,盧賢豐,劉世華.城市地鐵噪聲分析與控制[A]//全國噪聲與振動控制工程學術(shù)會議[C].2005.

[3]佚名.水性阻 尼 涂料[J].化 工時刊,2014, 28(9):44.

[4]甘孟瑜,劉娟,楊治國.核殼結(jié)構(gòu)丙烯酸酯乳液的合成及性能研究[J].涂料工業(yè),2005,35(6):7-10,64.

[5]李東亦,于翹.阻尼結(jié)構(gòu)與高聚物阻尼材料[J].材料科學與工程,1995,13(2):1-13.

[6]OwagaT,NishikawaT,OsawaS.Vibrationdamping properties of butyl acrylate/methylmethacry late copolymer containing fillers[J]. Material Technology,1997,15(6): 21-22

[7]張友南,楊軍,賀才春,等.阻尼材料的研究與應用[J].噪聲與振動控制,2006,26(2):38-41.

Development of waterborne damping coating

LI Chong, ZHANG Wei-jun, ZHANG Jin-ping, GAO Zhi-xiang, LI Shi-xue
(Sanyou (Tianjin) Macromolecular Technology Co.,Ltd., Tianjin 300211, China)

A method of preparing an waterborne damping coating was introduced, focusing on the effects of acrylic resins, fillers and some additives on the product performance. The formulation and production processing of the damping coating were determined. The optimal formulation of the damping coating was as follows: emulsion 60 phrs, powder filler 34 phrs, humectant 2.5 phrs, dispersant 0.9 phrs, thickening agent 2 phrs and antifoaming agent 0.6 phrs. The generated products can be completely dried at room temperature for 48 h, and the coating film has uniform apperence without any cracks, higher adhesion and batter damping effects..

acrylic resin; loss factor; subway

TQ 331.4

A

1001-5922（2016）12-0051-04

2016-08-10

李崇（1986-），男，本科。研究方向：水性涂料、汽車NVH產(chǎn)品。E-mail：lichong198629100@sina.com 。