烘烤型水性阻尼涂料的外觀控制及其阻尼性能

張金平，高之香，李建武，李士學(xué)

（三友（天津）高分子技術(shù)有限公司，天津 300211）

市面上的阻尼材料有很多種，主要是硫化橡膠阻尼材料、瀝青阻尼材料、溶劑型阻尼涂料、水性阻尼涂料。目前汽車行業(yè)大多采用瀝青阻尼板，其成本低、使用方便，但是環(huán)保性能差[1，2]。

水基阻尼涂料以水為分散介質(zhì)，其中VOC含量非常低，安全環(huán)保；而且水性阻尼涂料具有卓越的阻尼性能。隨著汽車產(chǎn)業(yè)政策的要求和人們環(huán)保意識的增強，水性阻尼涂料將被各大主機廠所采用[1～6]。

瀝青阻尼板的固化條件是140℃烘烤30 min，本文研究的烘烤型水性阻尼涂料的固化條件相同。由于烘烤型水性阻尼涂料的涂層較厚，達1～2 mm，在140 ℃烘烤干燥時，水分急劇揮發(fā)導(dǎo)致出現(xiàn)鼓泡問題，因此烘烤型水性阻尼涂料的外觀控制是本研究的重點，也是難點之一，本文還研究了乳液的含量、填料粒徑及微球發(fā)泡劑對烘烤外觀的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

水性丙烯酸乳液，陶氏化學(xué)（中國）投資有限公司；Dispex CX4320羧酸共聚物鈉鹽分散劑，巴斯夫（中國）有限公司；Hydropalat WE 3485磺基琥珀酸酯潤濕劑，巴斯夫（中國）有限公司；FoamStar ST 2410星型聚合物消泡劑、Rheovis HS 疏水改性堿溶漲增稠劑，巴斯夫（中國）有限公司；F-36微球發(fā)泡劑，日本松本油脂制藥株式會社；云母粉，工業(yè)級，滁州市寶塔絹云母礦業(yè)有限責任公司；重質(zhì)碳酸鈣，工業(yè)級，石家莊艾倫礦產(chǎn)品有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

高速分散機GFJ-04，江陰市雙葉機械有限公司；GI-ODT型阻尼測試分析系統(tǒng)，上海泉眾科技有限公司；一般實驗室儀器。

1.3 性能測試

阻尼性能：按照GB/T 16406—1996《聲學(xué)材料阻尼性能的彎曲共振測試方法》測試所制備烘烤型水性阻尼涂料的復(fù)合損耗因子ηc。

制備測試樣件：冷軋鋼板尺寸為200 mm×10 mm×1 mm，阻尼涂層的尺寸為200 mm×10 mm，固化后的阻尼涂層厚度至少2 mm，固化條件為140℃烘烤30 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液的選擇

本文選用玻璃化溫度為0℃和16℃的2種水性丙烯酸乳液復(fù)配，固含量為70%左右，所制備的水性阻尼涂料的阻尼性能在20℃左右達到最佳值，在-10～50℃內(nèi)均具有優(yōu)良的阻尼性能。

根據(jù)DMA的測試結(jié)果，2種乳液復(fù)配后的玻璃化溫度在20℃左右，不同的配比稍有差異，高分子粘彈材料的阻尼性能在玻璃化溫度左右達到最佳值，但是填料的加入使得阻尼性能的峰值向高溫方向移動。

涂料配方中乳液含量過低，則烘烤后的涂層容易開裂；乳液含量過高，則烘烤固化過程中容易出現(xiàn)鼓泡現(xiàn)象。因此，乳液的含量在30%～40%內(nèi)時比較適宜，并在此范圍內(nèi)測試乳液含量對阻尼性能的影響，結(jié)果圖1所示。

圖1 乳液用量對復(fù)合損耗因子的影響Fig.1 Effect of emulsion content on composite loss factor

由圖1可以看出，在乳液用量30%～40%內(nèi)，隨著乳液用量的增大，-10～0℃的復(fù)合損耗因子沒有明顯變化；而0～50℃內(nèi)，復(fù)合損耗因子明顯降低，即適當減少乳液的用量有利于提高阻尼性能。這可能是由于適當降低配方中的乳液含量，則配方中水分含量降低，烘烤后涂膜會更加致密，即涂膜的干膜比重較大，增大比重有利于提高阻尼效果。

2.2 云母粉粒徑對阻尼性能的影響

本實驗選擇重質(zhì)碳酸鈣和云母粉作為填料。分別對不同粒徑的云母粉進行了實驗。實驗過程中發(fā)現(xiàn)，云母粒徑越小，越不利于烘烤固化過程中水分的蒸發(fā)，容易引起鼓泡問題；較粗糙的填料粒徑有利于水分的蒸發(fā)，大粒徑云母制備的阻尼涂料烘烤后不容易出現(xiàn)鼓泡問題；這可能是由于粗糙的調(diào)料比表面積小，表面能低，吸附性能也低。然而云母粒徑過大，烘烤后表面會過于粗糙，綜合考慮后，100～300目云母為最佳選擇。分別用100目、200目、300目云母配制樣品，測試阻尼性能，其結(jié)果如圖2所示：

圖2 云母粒徑對復(fù)合損耗因子的影響Fig.2 Effect of mica particle size on composite loss factor

由圖2可以看出較大粒徑云母可以提高低溫段的阻尼性能，而較小粒徑云母有利于提高高溫段的阻尼性能。

2.3 微球發(fā)泡劑的選擇

微球發(fā)泡劑F-36的加入更好地控制了烘烤過程中的鼓泡問題。在加熱烘烤過程中，發(fā)泡微球體積膨脹產(chǎn)生微孔，從而有利于水分的蒸發(fā)，防止烘烤鼓泡。適宜的微球發(fā)泡劑應(yīng)具有如下特征：起始發(fā)泡溫度在80℃左右，最佳發(fā)泡溫度在100℃左右。

微球發(fā)泡劑的加入量也是有適宜的范圍的，加入量過少對于鼓泡控制效果不理想，而加入量過多則涂料的發(fā)泡率增大，固化后的涂層強度會明顯降低，而且表面易有裂紋。經(jīng)過實驗，微球發(fā)泡劑的加入量為0.2%～0.6%比較適合。微球發(fā)泡劑加入量對烘烤效果的影響如表1所示。

表1 微球發(fā)泡劑加入量對烘烤外觀的影響Tab.1 Effect of expandable microsphere content on baking appearance

2.4 阻尼性能檢測對比結(jié)果

根據(jù)GB/T 16406—1996《聲學(xué)材料阻尼性能的彎曲共振測試方法》測試了所制備樣件的復(fù)合損耗因子，該測量結(jié)果用于評價復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣的振動阻尼性能[7]。

對比樣件：自制烘烤型水性阻尼涂料與瀝青阻尼板。

制備3個平行樣件測試常溫20 ℃下的復(fù)合損耗因子，并計算平均值，結(jié)果如表2所示。

表2 20℃下復(fù)合損耗因子的檢測對比結(jié)果Tab.2 Comparative result of composite loss factors at 20℃

由表2可以看出，自制烘烤型水性阻尼涂 料的復(fù)合損耗因子最高值達到0.28，而在該溫度下瀝青阻尼板的復(fù)合損耗因子只有0.1，烘烤型水性阻尼涂料的阻尼性能遠高于瀝青阻尼板的阻尼性能。

然后各選取其中一條樣件測試-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃7個溫度下的復(fù)合損耗因子數(shù)值，繪制復(fù)合損耗因子隨溫度變化的曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 復(fù)合損耗因子變溫測試對比結(jié)果Fig.3 Comparison of composite loss factors at different temperatures

由圖3可以看出，在各個溫度點烘烤型水性阻尼涂料的阻尼性能均高于瀝青阻尼板。這是由于水性阻尼涂料用乳液屬于高分子材料，高分子材料特有的黏彈性使其形變滯后于應(yīng)力的變化，部分機械能以熱或其它形式消耗掉，通過產(chǎn)生力學(xué)損耗起到阻尼作用，一般在Tg區(qū)域內(nèi)表現(xiàn)出最佳的阻尼性能。當溫度在Tg區(qū)域內(nèi)時，高分子鏈段處于黏彈態(tài)，體系黏度高，鏈段運動受到的摩擦阻力大，形變滯后于應(yīng)力變化，導(dǎo)致體系內(nèi)耗較大，阻尼性能較高；當溫度低于Tg時，高分子鏈段處于堅硬的玻璃態(tài)，分子間鏈段的滑移現(xiàn)象極少，外力作用于高分子材料時只能引起鏈長和鍵角的改變，而這種形變很小，故體系的內(nèi)耗較小，阻尼性能也較低；當溫度高于Tg時，高分子鏈段處于高彈態(tài)，鏈段運動較自由，鏈段間的滑動能夠很快恢復(fù)，故體系內(nèi)耗也較小，相應(yīng)的阻尼性能也低[7]。

3 結(jié)論

（1）選用水性丙烯酸乳液的玻璃化溫度為0 ℃和16 ℃2種復(fù)配，所制備的水性阻尼涂料的阻尼性能在20 ℃左右達到最佳值。配方中乳液的最佳含量為30%～40%。

（2）填料的粒徑對烘烤外觀影響很大，選擇100～300目云母作為阻尼填料，烘烤后涂層外觀較好。

（3）微球發(fā)泡劑的加入可有效控制烘烤鼓泡的問題，所選發(fā)泡微球起始發(fā)泡溫度在80 ℃左右，最佳發(fā)泡溫度在100 ℃左右。微球發(fā)泡劑的最佳用量為0.2%～0.6%。

（4）制備的烘烤型水性阻尼涂料20 ℃的復(fù)合損耗因子最大值可達0.28，該值遠高于瀝青阻尼板的檢測結(jié)果。