阻尼涂料原材料對(duì)阻尼性能的影響

張永勝，高之香，李建武

(三友(天津)高分子技術(shù)有限公司，天津 300211)

振動(dòng)和噪聲給人們的生產(chǎn)生活帶來很大干擾。人們在乘坐汽車、火車等交通工具時(shí)，都希望獲得安靜的乘坐環(huán)境。精密電子儀器約有三分之一的故障是由意外振動(dòng)產(chǎn)生的。抑制振動(dòng)和降低噪聲的阻尼涂料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在交通工具和精密儀器等領(lǐng)域。

聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，減振、隔音的本質(zhì)是降低材料的振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)傳播到涂裝有阻尼涂料的表面時(shí)，內(nèi)部高分子聚合物的分子間鏈段間、填料間以及高聚物與填料間相互摩擦，將振動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，從而造成振動(dòng)衰減，這種衰減被稱為力學(xué)損耗，而產(chǎn)生力學(xué)損耗是材料阻尼作用的根本。

阻尼涂料原料主要有高分子聚合物、填料和助劑等，而聚合物作為涂料的基礎(chǔ)，對(duì)涂料的性能起決定性的作用。

1 聚合物對(duì)阻尼性能的影響

阻尼性能的好壞可從其阻尼峰值的高低和有效阻尼溫域等方面衡量[1]。阻尼峰值是由材料的內(nèi)摩擦力決定的：內(nèi)摩擦力越大，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能越多，阻尼峰值越高；阻尼溫域越寬，材料使用溫度越廣，阻尼能力越優(yōu)。因此，可以從提高阻尼峰值、拓寬阻尼溫域兩種辦法提升阻尼性能。

1.1 提高阻尼峰值

從聚合物角度增大內(nèi)摩擦力，可以從改變分子鏈結(jié)構(gòu)入手。

(1)增加主鏈的長度和柔性：聚合物主鏈越長、柔性越大，相互纏結(jié)能力就越強(qiáng)，外界振動(dòng)時(shí)作用到材料表面時(shí)，摩擦阻力越大，力學(xué)損耗也就越大。因此，主鏈柔性越好，阻尼性能越優(yōu)異。一般長鏈單體聚合可以得到柔性更好的聚合物，例如帶醚鍵單體。還可以通過在聚合物中接入硅氧鍵等基團(tuán)，來提高分子鏈的柔性。此外，在聚合過程中加入擴(kuò)鏈劑，同樣可以提高聚合物鏈段的柔性。

(2)側(cè)鏈的影響：聚合物分子鏈上引入支鏈，尤其是有較長的支鏈，可以使分子鏈間的纏繞程度更大。而支化程度越多，發(fā)生纏繞的面積就會(huì)越大，甚至形成部分互穿網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。同時(shí)，還可以在支鏈上引入柔性基團(tuán)，柔性越大，支鏈越容易發(fā)生纏繞[2]。而側(cè)鏈的極性越大時(shí)，鏈段間的移動(dòng)勢必需要消耗更多能量。這些都可以提高材料的力學(xué)損耗。

(3)交聯(lián)的影響：物理纏繞的方式增大分子間的摩擦，而通過化學(xué)鍵將分子鏈段交聯(lián)在一起，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同樣可以有效地提高分子間的纏繞與摩擦。一般情況下交聯(lián)度越大，材料阻尼性能越越優(yōu)異。當(dāng)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)存在支鏈時(shí)，對(duì)提升阻尼性能更為明顯，同時(shí)還可以拓寬阻尼溫域[3]。

1.2 拓寬阻尼溫域

眾所周知，單一聚合物的阻尼溫域通常只有20～30 ℃，而冬夏氣溫差可超過60 ℃。因此，單一聚合物很難滿足使用要求。而高、低玻璃化溫度的聚合物搭配使用，可以擴(kuò)寬材料的阻尼溫域[4]。新聚合物阻尼峰間的波谷變的平滑，形成連續(xù)的有效阻尼溫域。但并非玻璃化溫度的差值越大越好。Chen等[5]研究表明玻璃化溫度相差50 ℃時(shí)，混合體系的阻尼溫域可達(dá)到100 ℃，但當(dāng)玻璃化溫度相差過大時(shí)，阻尼溫域變窄。

1.3 聚合物的制備方法

在阻尼涂料中，常用共混法、共聚法、互穿網(wǎng)絡(luò)法[6]獲取高性能的聚合物。

(1)共混法。將一定相容性的聚合物共混，得到宏觀均相，微觀分離結(jié)構(gòu)的聚合物。原聚合物阻尼峰間的波谷連接到一起，形成新的阻尼溫域[7]。波谷間的平滑程度受相容性影響。完全相容的組分，只有一個(gè)較窄的阻尼峰；完全不容的組分，是完全獨(dú)立的阻尼峰；只有部分相容的聚合物，其阻尼峰間的波谷才會(huì)相連到一起，且相容性越好波谷弧度越小，從而越適合用于拓寬阻尼溫域[6]。共混法的優(yōu)點(diǎn)是制備簡單，經(jīng)濟(jì)易得。缺點(diǎn)是阻尼性能極大的依賴組分的相容性。

(2)共聚法。包括接枝共聚和嵌段共聚。接枝共聚是將小分子基團(tuán)作為側(cè)鏈接枝到聚合物主鏈上。嵌段共聚是將兩種或兩種以上，具有一定玻璃化溫度差值的聚合物鏈段，連接到一起形成新的聚合物主鏈。共聚法可以增大聚合物的內(nèi)聚能和阻尼值[8]。由于聚合物鏈段是化學(xué)鍵鏈接，合成難度較大。共聚法的優(yōu)點(diǎn)是不受組分相容性的影響；可以在分子層面上設(shè)計(jì)和制備需要的聚合物。

(3)互穿網(wǎng)絡(luò)法。由兩種或兩種以上的聚合物相互貫穿而形成的一種交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，起到強(qiáng)迫互溶和協(xié)同作用，使不相容或難以共聚的聚合物形成物理纏繞，既可以增大分子內(nèi)摩擦力，又可以有效的拓寬阻尼溫域[6]。例如，Sperling等[9]用PMMA(Tg=-27.7 ℃)和PBA(Tg=135.7 ℃)制備沒有形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物，其tanδ>0.3的阻尼溫域?yàn)?20.7～141.8 ℃之間。溫域值僅為21.1 ℃。而Li等[4]引入丙烯腈結(jié)構(gòu)單元，使材料形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得tanδ>0.4的有效阻尼溫域?yàn)?50～72.6 ℃。溫域值為112.6 ℃?；ゴ┚W(wǎng)絡(luò)法可以明顯的提高阻尼峰值和阻尼溫域。但高成本的缺點(diǎn)也是顯而易見的。

2 填料對(duì)阻尼性能的影響

填料分散在聚合物中，可以增大分子鏈段的摩擦力，而填料具有溫度惰性，因此，適當(dāng)?shù)募尤胩盍霞纯梢蕴岣咦枘岱逯?，還可以拓寬阻尼溫域。此外填料還可以提高力學(xué)性能、降低成本。

2.1 填料的種類對(duì)阻尼性能的影響。

云母是阻尼材料中最常用的填料，尤其是片層結(jié)構(gòu)的濕法云母。片層結(jié)構(gòu)比表面積較大，與聚合物分子的摩擦面積增大，從而提供更多的摩擦力。但并非所有的片層填料對(duì)阻尼性能都有提升，如片狀玻璃粉會(huì)降低阻尼性能，可能是由于其比重較大，造成局部顏基比過高導(dǎo)致的[10]。而低比重的空心玻璃微珠可以提高阻尼性能[11]。

2.2 填料形貌、添加量對(duì)阻尼性能的影響

不同結(jié)構(gòu)的填料形成的界面不同，與分子鏈段的作用方式也不相同[12]。如：纖維類填料的纖維長度越長，對(duì)阻尼性能提高越大[13]；云母的粒徑減小，材料的最大阻尼值減小，使用溫域增大[14]。隨填料加入量的增多，阻尼性能呈先升高后降低的趨勢。這是由于少量填料對(duì)提高材料內(nèi)部的內(nèi)摩擦有利，當(dāng)填料加入到一定量，造成材料粘結(jié)性下降，導(dǎo)致阻尼性能的降低。

3 助劑對(duì)阻尼性能的影響

助劑用量雖小，但產(chǎn)品整體性能影響較大。例如，消泡劑可以消除氣泡，減少由結(jié)構(gòu)缺陷引起的阻尼性能下降；潤濕劑、分散劑、抗沉降劑等，可以使填料更加均勻的分布在材料中并且穩(wěn)定存在，解決由于局部的顏基比的差異導(dǎo)致阻尼性能的下降。此外，像防銹劑、防腐劑、防凍劑、成膜劑等，通過改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，提升阻尼性能和使用性能。因此，助劑是涂料阻尼性能的重要保障。

除了上述涂料組成對(duì)材料阻尼性能影響外，涂膜厚度對(duì)材料的阻尼性能影響也很大，通常狀況下，涂膜厚度越厚，阻尼效果越明顯。例如，涂覆在軌道車輛的中的阻尼涂料，只有達(dá)到一定厚度，才能起到良好的減振降噪的作用。

4 結(jié) 語

為了獲得高阻尼性能的材料，聚合物需要具有：高柔性的較長主鏈；較大極性、高支化度的柔性側(cè)鏈；高交聯(lián)度。聚合物制備可以根據(jù)使用性能要求進(jìn)行選擇。填料可以選擇片狀的濕法云母、空心玻璃微珠等，但需要確定最優(yōu)添加量。助劑的加入可以解決材料的結(jié)構(gòu)性缺陷、提升穩(wěn)定性、改變微觀結(jié)構(gòu)等，從而提升阻尼性能。

阻尼涂料相比于其他方式的減振降噪，具有經(jīng)濟(jì)快捷，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。目前基于環(huán)保要求，高有機(jī)揮發(fā)物的阻尼材料已經(jīng)逐漸退出市場，而水性材料還存在諸多問題。市面上較高性能的水性阻尼涂料大部分都是進(jìn)口或是外資產(chǎn)品。為了縮短國內(nèi)外產(chǎn)品性能的差距，對(duì)于從業(yè)者來說任重而道遠(yuǎn)。