高性能水性阻尼涂料研究進展（下）

苗志軍

高性能水性阻尼涂料研究進展（下）

苗志軍

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

本文首先介紹了阻尼涂料的定義和分類，概述了水性阻尼涂料的特點，總結了水性阻尼涂料在汽車、軌道交通、艦船等領域的最新應用情況。通過介紹高聚物的阻尼原理和水性阻尼涂料阻尼性能的評價方法，總結了通過共混、互穿網(wǎng)絡、超支化等高聚物乳液方面改性，以及填料、助劑等方面對阻尼性能的影響。

水性阻尼涂料；阻尼原理；改性

3.2 阻尼涂料阻尼性能的常用評價方法

阻尼涂料常涂敷下鋼板等基材上，因此在實際應用中，要測定阻尼涂料與基材復合后試樣的復合損耗因子η。GB/T 16406-1996《聲學材料阻尼性能的彎曲共振測試方法》中規(guī)定了η的測定方法有懸臂梁法和自由梁法兩種。材料的損耗因子，即材料或試樣在簡諧力作用下，經過1周期振動，阻尼耗散的能量與儲存的應變能的二π倍之比。復合損耗因子，即試樣為基材和阻尼涂料復合組成時，所測定的損耗因子稱為復合損耗因子η，復合損耗因子η值越大，阻尼越明顯，阻尼性能越好[11]。

4 提升阻尼涂料阻尼性能的改性研究總結

水性阻尼涂料主要是由聚合物乳液、填料和功能助劑（如分散劑、消泡劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑和流平劑等）經過共混而獲得，典型配方如下表1所示[12]。

表1 水性阻尼涂料的典型配方

水性阻尼涂料的阻尼性能與其材料本身高聚物的結構密切相關，一方面是高聚物內部的鏈段之間的摩擦對阻尼性能的貢獻；另一方面是填料與高聚物鏈段之間的摩擦以及填料與填料之間的摩擦對材料阻尼性能的貢獻。為了提高水性阻尼涂料的阻尼性能、拓寬阻尼溫域，近年來國內做了大量的改性研究。受篇幅所限，本文僅對乳液改性、填料和特種助劑等三方面研究進行簡要總結和舉例。

4.1 高聚物乳液改性對阻尼性能的影響

水性阻尼涂料的阻尼性能主要由具有粘彈性的高聚物基體賦予，高聚物基體的阻尼性能直接影響到阻尼涂料產品的阻尼性能。因而，水性阻尼涂料用聚合物乳液除了需要具備一般乳液所要具備的穩(wěn)定性之外，還需要具備較寬的玻璃化轉變溫域以及高的損耗因子[13]。由阻尼機理可知，在玻璃態(tài)到高彈態(tài)的轉變區(qū)域，高聚物具有最優(yōu)越的阻尼性能。而單一的高聚物只在很窄的玻璃化轉變溫域，一般的均聚物無法滿足實際應用要求。為了得到具有寬玻璃化轉變溫域的乳液以滿足阻尼涂料的需求，一般需要對高聚物乳液進行改性。常用的改性方法有共混改性、互穿聚合物網(wǎng)絡和超支化聚合等三大類。

4.1.1 共混改性

將兩種或以上的具有不同玻璃化轉變溫度的乳液通過物理共混來拓寬阻尼溫域，是最常見的乳液改性方法之一。

天津的張金平等[14]選用玻璃化轉變溫度（Tg）為0℃和16℃的兩種水性丙烯酸乳液復配，所制備的水性阻尼涂料的阻尼性能在20℃時可達0.28，遠高于瀝青阻尼板的檢測結果。并發(fā)現(xiàn)配方中乳液的最佳含量為30%～40%，且該配方水性阻尼涂料在-10～50℃內均有良好阻尼性能。同濟大學的陸文卿等[15]將丙烯酸醋乳液S2（Tg=-8℃）與苯丙乳液S1（Tg=22℃）共混，實驗發(fā)現(xiàn)隨著S2乳液加入量的提高，阻尼溫域明顯增加。當S2加入量為24%時，阻尼涂料的有效阻尼溫域為-5.2～35.3℃，損耗因子峰值達0.481。

4.1.2 互穿網(wǎng)絡改性

為了拓寬阻尼溫域，通常采用阻尼系數(shù)較高的高聚物作為主基材和另一種Tg與之相差幾十度的高聚物形成互穿聚合物網(wǎng)絡（Interpenetrating Polymer Network，IPN），來達到擴大阻尼溫域的目的。IPN由于熱力學的不相容和物理纏繞的強迫相容這兩種作用形成微相分離結果，其結構示意圖[16]見圖4，通過調節(jié)微相分離的程度，就可以得到玻璃化轉變區(qū)域變寬、性能良好的阻尼材料。

圖4 互穿聚合物網(wǎng)絡的結構示意圖

華南理工大學的陽紅軍[17]用多步乳液聚合法制得了核殼結構的聚苯乙烯（PS）/聚丙烯酸（PA）型膠乳互穿網(wǎng)絡（Latex Interpenetrating Polymer Network，LIPN）。研究發(fā)現(xiàn)，為得到最佳阻尼性能，LIPN的乳液聚合物網(wǎng)絡最佳質量比為50/50，并且研究了交聯(lián)劑二乙烯基苯（DVB）用量對乳液阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)LIPN乳液的阻尼性能隨著DVB的用量先增強后減弱，DVB的最佳加入量為0.5%。動態(tài)粘彈譜儀（DMA）測試顯示該乳液具有高達1.12的損耗因子、跨度為114.7℃的阻尼溫域和較寬的損耗因子峰。

海軍工程大學的晏欣等[18]采用種子乳液聚合法合成了聚苯乙烯/聚丙烯酸正丁醋(PS/PBA)室溫界面自交聯(lián)膠乳互穿聚合物網(wǎng)絡。研究發(fā)現(xiàn)隨著交聯(lián)劑雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）的增加，阻尼性能降低；而隨著交聯(lián)劑甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）的增加，阻尼性能先增后降，GMA用量為5%時，LIPN的阻尼效果最佳，此時的最大損耗因子達到0.8，有效溫域達到68℃。

4.1.3 超支化聚合改性

超支化聚合物一種具有三維樹枝狀結構并高度支化的大分子，其支化度小、幾何異構體多、相對分子質量分布寬，含有大量的支鏈和端基。正是由于它擁有這種特殊的分子結構，使得其分子運動具有多重性，也使得超支化聚合物涂料能有具有良好阻尼性能的可能[11]。

安徽大學的周月嬌等[19]以超支化聚氨酯（HBPU，結構圖如圖5所示）為交聯(lián)劑，合成的水性聚氨酯/聚丙烯酸酯接枝乳液具有優(yōu)良的阻尼性能，阻尼損耗因子tanδ約為0.75，溫域范圍約60℃。還發(fā)現(xiàn)超支化聚合物粘度小，反應易進行，有利于大規(guī)模生產，具有一定的實用價值。

圖5 超支化聚氨酯結構圖

4.2 填料對阻尼性能的影響

在水性阻尼涂料中加入填料能夠增加填料與聚合物的內摩擦力以及填料與填料之間的摩擦力，能夠有效增加涂料的阻尼性能。水性阻尼涂料配方中常見的填料有云母粉、碳酸鈣、滑石粉、高嶺土、各種纖維等，其中關于云母粉對阻尼性能的影響最為明顯。

北京化工大學的王飛[20]研究了云母粉添加量對苯丙復合乳液為基材的阻尼涂料阻尼性能影響。結果表明隨著云母粉的加入能十分有效的提高涂料的阻尼性能，就tanδ＞0.1對應的溫域范圍來看，云母粉添加量達到涂料質量分數(shù)30%時，tanδ＞0.1對應的溫域范圍較未加入云母時提高了81.7%。單懸臂梁測試結果表明，涂料最大損耗因子為0.458，tanδ＞0.1對應的溫域范圍為53.2℃。

4.3 助劑對阻尼性能的影響

水性阻尼涂料的制備過程中需要加入一定量的功能助劑，來改善涂料的施工條件、賦予涂料特殊功能等，常見的功能助劑有分散劑、消泡劑、偶聯(lián)劑、阻燃劑、流平劑、防霉劑、防凍劑、防沉劑等。

上海大學的周婕等[21]采用半連續(xù)種子乳液聚合法，以陰離子、反應型乳化劑復配體系為復合乳化劑，引入A-171和KH-570兩種硅烷偶聯(lián)劑，并以雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）、己二酸二酰肼（ADH）作為交聯(lián)單體，制備出自交聯(lián)苯丙乳液。并且研究了A-171和KH-570兩種硅烷偶聯(lián)劑對乳液性能的影響，發(fā)現(xiàn)KH-570含量1%時，改性苯丙乳液在25～75℃區(qū)間具有顯著的阻尼效果（tanδ＞0.3），阻尼溫域約為50℃，約40℃達到阻尼峰值約為1.92。

青島的李國英等[22]選用氮系（FR-101和MAM）、膨脹石墨（LM-8083）、復合型（FR-508A）、含鹵型（HT-101）等4種阻燃劑，制備了一系列丙烯酸類阻尼材料。結果表明，阻燃劑對丙烯酸類阻尼涂料具有明顯的阻燃效果，阻燃劑FR-101添加量為樹脂用量的30%、阻燃劑MAM添加量為樹脂用量的20%時能達到最佳阻燃效果；但阻燃劑FR-101和MAM加入阻尼材料中提高了材料的Tg，降低了Tg以下低溫區(qū)的阻尼性能，提高了Tg以上高溫區(qū)的阻尼性能，并且降低了材料的結構損耗因子峰值。

5 結語

環(huán)境友好的產品已成為本世紀工業(yè)產品中的發(fā)展主題，水性阻尼涂料是阻尼材料中發(fā)展比較迅速的一個領域，已有不少成熟的產品和技術問世。隨著人們對水性阻尼涂料的研究不斷深入，其應用范圍也會越來越廣。

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苗志軍（1981～）男，正高級工程師?，F(xiàn)任職于天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，主要從事特種橡膠制品的設計和開發(fā)。