水性阻尼涂料的阻尼性能研究與應用發(fā)展

李夢 徐梓軒 趙欣 解傲寒 邢一龍

摘要：介紹了水性阻尼涂料的阻尼機理及3種主要組成成分，探究了為了提升水性阻尼涂料的阻尼性能，拓寬其阻尼溫域而采用的改性方法，主要總結了共混、互穿聚合物網(wǎng)絡、分子超支化和常規(guī)填料填充等改性方法及其相關研究，助劑的種類以及用量對于涂料阻尼性能的影響，最后簡述了水性阻尼涂料應用領域。

關鍵詞：水性阻尼涂料;改性方法;應用

中圖分類號：TQ637 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0001-06

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟、科技和工業(yè)的不斷發(fā)展，因為機械工作而產(chǎn)生的振動和噪音問題越來越受到關注，劇烈的機械振動和噪音會對機械本身產(chǎn)生損害，降低機械質(zhì)量，影響設備精度，縮短工作壽命，同時巨大的噪聲也會對人體造成傷害。因此，人們需要尋找一種辦法來解決這些問題，使得阻尼材料應運而生。阻尼材料是能夠?qū)⒐腆w機械振動能轉變?yōu)闊崮艿牟牧?，被廣泛地應用于減振和降噪吸聲。常用的阻尼材料按產(chǎn)品狀態(tài)可分為片狀阻尼材料，復合阻尼材料和阻尼涂料。阻尼涂料又可分為水性阻尼涂料和溶劑型阻尼涂料。早期的阻尼涂料主要采用瀝青基體和特定填料制成，由于油性的瀝青基阻尼涂料含有大量的揮發(fā)性有機物（volatile Organic Compound，VOC），對環(huán)境污染較大，還對人體健康造成損害，已經(jīng)被逐漸淘汰，取而代之的則是水性阻尼涂料。

水性阻尼涂料一般由高分子乳液、助劑、填料等組成。高分子乳液是水性阻尼涂料的基礎，也是阻尼性能的主要提供者，不同的助劑和填料對涂料的各方面性能有著不同的改變。水性阻尼涂料具有以下優(yōu)點：①可噴涂，不受施工基材形狀的限制;②水性阻尼涂料是以水為分散介質(zhì)，甲醛和VOC含量很少，環(huán)保安全，對環(huán)境友好;③粘度高，可厚涂施工，自然干燥過程中不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，水性阻尼涂料在汽車、鐵道客車、艦船船舶、航空航天、機械設備和建筑等領域有著廣泛的應用前景。

1阻尼機理

阻尼涂料的高分子基體材料是一種粘彈性材料，在交變應力的作用下，會產(chǎn)生形變滯后于應力變化的現(xiàn)象，在每個應力循環(huán)的過程中都會有能量的損耗。當噪聲或振動傳遞到高分子材料時，機械振動會被轉化成鏈段或大分子鏈的運動，然后通過分子間的內(nèi)摩擦，把機械能轉化為熱能，從而起到阻尼的效果。通常用損耗因子tan8（形變落后于應力的相位切角的正切值）的大小來衡量阻尼性能。

tanδ=E/E （1）

其中E“為虛數(shù)模量，即損耗模量，反應材料變形時能量損耗的大小;E為實數(shù)模量，即儲能模量，反應材料變形時能量儲存的大小。

一般情況下，在阻尼涂料的高分子基體材料處于玻璃態(tài)轉變溫度附近時，由于其模量大幅度下降，具有較高的損耗因子，可以吸收大量的振動能量，因而表現(xiàn)出較為顯著的力學阻尼特性。工程實踐表明，為滿足實際應用的需求，良好的阻尼材料應在至少應在60～80°C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的損耗因子（tanδ>0.3）。因此，通常也把tanδ>0.3時對應的溫度范圍稱作有效阻尼溫域。

2改性方法

為了提高水性阻尼涂料的阻尼性能，拓寬其阻尼溫域，人們進行了大量研究，相關方面的研究報道也較為豐富。這些報道主要集中在共混、共聚、互穿聚合物網(wǎng)絡、分子超支化和常規(guī)填料填充等水性涂料改性方法的研究方向上。

2.1共混

共混法是將兩種或多種乳液進行物理共混的方法，用共混法制備寬溫域、高損耗因子的關鍵是：首先，進行共混的各個聚合物必須有高的損耗因子;其次，聚合物之間需要有一定的相容性，共混后，相容性好的共混物玻璃化轉變溫度峰還是表現(xiàn)為單一的，相容差或不相容的表現(xiàn)出的則不是單一的峰，也就達不到拓寬阻尼溫域的目的。

張金平等用玻璃化轉變溫度（Tg）為0℃和16℃的2種水性丙烯酸乳液共混作為基料，研制得到了在-10～50℃內(nèi)均有良好阻尼性能的烘烤型水性阻尼涂料。并發(fā)現(xiàn)乳液含量在30%～40%時損耗因子較大，在20℃時可達0.28。張鵬等用玻璃化轉變溫度為0℃的乳液R1和玻璃化轉變溫度為42℃的乳液R2共混，發(fā)現(xiàn)當R1：R2的質(zhì)量比為2：1時，其阻尼溫域最寬，達到20～60℃。陸文卿等將苯丙乳液s1（Tg=22℃）和丙烯酸酯乳液S2（Tg=-8%）共混，實驗得到當s2在乳液總量中占比60%時，涂料的有效阻尼溫域最寬，為-5.2～35.3℃，損耗因子峰值達0.481。張曉君等通過乳液共混法將丙烯酸乳液R1與苯乙烯一丙烯酸酯乳液R2按40：10的比例進行共混時，可得到一個-5-50～C的有效阻尼溫域。

除了基本的二元共混外，多元共混也有大量的研究報道。章波等將純丙乳液、聚乙烯醇乳液、聚醋酸乙烯乳液進行共混，并加人其他填料和助劑，得到了阻尼溫域一為30℃～90℃的水性阻燃阻尼涂料。李國英等將具有核殼結構的苯丙乳液（R2-2、R2-3）和具有IPN結構的丙烯酸乳液R3-1按1：1：1的質(zhì)量比共混，得到的乳液有效溫域明顯拓寬，并且損耗因子曲線依然是單峰分布。蔣巍將乳液A（Tg=45℃）、乳液B（Tg=0℃）和乳液c（Tg=-20℃）按質(zhì)量比為1：2：1共混，得到的乳液阻尼溫域明顯擴寬，使得在-30～40℃條件下，涂料具有良好的阻尼性能。Wang等睬用自制的3種水性丙烯酸按1：1：1進行共混，發(fā)現(xiàn)制得的水性阻尼涂層在-10℃、20℃和50℃時均能滿足要求。在50℃高溫下，涂層的損耗因子較高，具有較好的阻尼性能。

2.2互穿聚合物網(wǎng)絡（IPN）

互穿聚合物網(wǎng)絡（Interpenetrating Polymer Net-works，IPN）是由兩種或多種各自交聯(lián)和相互穿透的聚合物網(wǎng)絡組成的高分子混合物。其合成方法主要有同步法和分步法兩種。IPN含有能夠使兩種或兩種以上的高分子聚合物形成強迫相容的互穿網(wǎng)絡，使不同類型聚合物的分子相互纏結成一個整體，能夠獲得有較寬的玻璃化轉變溫度范圍和更好的阻尼性能的新型高分子基體材料。現(xiàn)在主要的IPN類別有丙烯酸酯LIPN、苯乙烯一丙烯酸酯LIPN、聚氨酯一丙烯酸酯LIPN、醋酸乙烯酯一丙烯酸酯LPIN等。

唐冬雁等選用聚醚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯為基，形成了互穿聚合物網(wǎng)絡體系，并通過改變組分比例，研究得出，當聚醚氨酯與聚甲基丙烯酸甲酯組分比為40：60時，IPN體系的阻尼性能較好，玻璃化溫度范圍在-10-50℃時，損耗因子范圍為0.1-0.2。

陽紅軍用多步乳液聚合法制得了核殼結構的PS/PA型LIPN。并且研究了交聯(lián)劑（DVB）用量和聚合物網(wǎng)絡配比等對乳液阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)只有在乳液合成的兩個階段中都加入交聯(lián)劑，才能形成完整的網(wǎng)絡結構，當不加入交聯(lián)劑時，核層與殼層會出現(xiàn)相容性問題，導致DMA圖上出現(xiàn)兩個損耗因子峰。當加入交聯(lián)劑時，不同的聚合物分子就會相互纏繞從而形成互穿網(wǎng)絡結構，DMA圖上就只有一個損耗因子峰出現(xiàn)，阻尼性能也大大提高。但是隨著交聯(lián)劑含量的增加，阻尼性能反而下降，最優(yōu)的交聯(lián)劑添加量為0.5%。而不同網(wǎng)絡配比也會改變?nèi)橐旱淖枘嵝阅?，若軟相聚合物過多，會導致兩個損耗因子峰的出現(xiàn);若硬相聚合物過多，則會使損耗因子峰向著高溫轉移。晏欣等采用種子乳液聚合法合成了聚苯乙烯一聚丙烯酸正丁酯（PS/PBA）膠乳互穿聚合物網(wǎng)絡。并發(fā)現(xiàn)隨著交聯(lián)劑DAAM的增加，最大損耗因子下降，有效溫域減少。而隨著交聯(lián)劑GMA的增加，最大損耗因子減小，而有效溫域先增后降，GMA用量為5%時，效果最佳，此時LIPN的最大損耗因子達到0.7，有效溫域達到68℃。

韓俐偉采用同步法制備了聚氨酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯的三元互穿聚合物網(wǎng)絡，得到了損耗因子大于等于0.6，有效阻尼溫域為28～75℃的阻尼材料。并且對比二元互穿聚合物網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)三元IPN阻尼峰值和有效溫域明顯高于二元IPN。呂東等用本體聚合法制備了聚氨酯/聚（甲基丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸丁酯）（PUlP（MMA-BMA））互穿聚合物網(wǎng)絡聚合物。該IPN有較寬的有效阻尼溫域（100℃左右）。宋國晶采用兩步法，選用端羥基液體聚丁二烯（HT.PB）與擴鏈劑等制備了PU預聚體，再與聚甲基丙烯酸酯進行網(wǎng)絡互穿反應合成了網(wǎng)絡互穿聚合物，當兩者組分比為40：60時，有效阻尼溫域為63℃。

晏欣等用種子乳液發(fā)合成了聚醋酸乙烯酯/聚丙烯酸丁酯（PVA/PBA）型LIPN，發(fā)現(xiàn)采用膠乳雙向互穿技術可以有效地提高兩種組分的相容性，增加乳液的阻尼性能。由于PBA與PVA兩組分極性不同，又采用了極性強的單體丙烯腈（AN）與BA共聚，從而來增強組分的極性，最終得到的PVA/P（BA-AN）型LIPN能有75℃的有效溫域，如表1所示。

現(xiàn)在對于互穿聚合物網(wǎng)絡的研究越來越多，技術也愈發(fā)成熟。不同于共混，互穿聚合物網(wǎng)絡能夠更有效地解決乳液相容性問題，為合成得到阻尼性能優(yōu)異的乳液提供了更多的選擇與途徑。

2.3超支化聚合物

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(zhì)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。

周月姣等以自制的超支化聚氨酯（HBPU）作交聯(lián)劑，合成了超支化聚氨酯/聚丙烯酸酯水性乳液。并與三羥甲基丙烷作交聯(lián)劑進行對比，發(fā)現(xiàn)使用前者更易反應，得到的乳液具有優(yōu)良的阻尼性能。

郝名揚等采用一步法，用二乙醇胺（DEOA）和甲苯-2，4-二異氰酸酯（TDI）制備了超支化聚氨酯（HPU），其合成過程如圖1所示，并對末端羥基進行改性制得了光固化超支化聚氨酯和超支化雜化聚氨酯。制得的阻尼涂層損耗因子都較高，當tanδ≥0.5時，阻尼溫度范圍大于50℃。

Zhang用端異氰酸酯基PU預聚物、超支化多元醇（HP）和丙烯酸酯單體制備了一系列超支化水性聚氨酯一丙烯酸酯（HWPUA）雜化乳液。發(fā)現(xiàn)適量的HP能有效的改善阻尼性能，當其含量為1%時，有效阻尼溫域最寬，最大阻尼因子達到0.66。

2助劑對阻尼性能的影響

助劑是涂料的一個重要組成部分，它的加入可以控制或增強涂料的性能，改善產(chǎn)品的品質(zhì)等。而助劑種類繁多，制造階段有分散劑、引發(fā)劑等;反應階段有乳化劑和消泡劑等;成膜階段有固化劑和交聯(lián)劑等;還有一些賦予涂料特殊功能的阻燃劑等。

Song等研究了聚氨酯一聚苯乙烯（PU-PS）（重量60：40）互穿聚合物網(wǎng)絡的阻尼性能，發(fā)現(xiàn)當交聯(lián)劑加入1%時，在阻尼因子曲線上發(fā)現(xiàn)了兩個峰，當達到2.5%時，只有一個寬峰，當達到10%的HEMA的時候，只有一個窄峰，說明隨著交聯(lián)劑的增加，互穿聚合物網(wǎng)絡的形貌變得均勻。

周婕等采用半連續(xù)種子乳液聚合法，將己二酸二酰肼（ADH）和雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）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)1%的KH-570能夠拓寬乳液的有效阻尼溫域至50℃以上。

黃琛研究了固化劑（c 16）對乳液阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加了2%的固化劑比沒添加之前，損耗因子峰值從0.940增至1.043，有效阻尼溫域無明顯變化。

陸文卿等研究了堿式硫酸鎂晶須（MHNS）作為改性添加劑對于涂料的阻尼性能影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著MHSH用量的增加，損耗因子峰和有效阻尼溫域都是先增后減，在3%時，達到最優(yōu)，損耗因子峰值0.518，有效溫域51.3℃。

助劑種類繁多，在涂料的合成過程中，一般需要使用多種助劑，每種助劑會給涂料各種性能帶來不同的影響，增強一種性能的同時可能會削弱另一種性能，因此助劑的選擇使用需要根據(jù)設計的涂料所需性能來進行。

3填料對阻尼性能的影響

水性阻尼涂料的一個重要組成即是填料，填料對水性阻尼涂料的阻尼性能也有著一定的影響。填料的種類，粒徑，用量等不同都會對阻尼涂料的阻尼性能有所改變。常用的填料有云母粉、重質(zhì)碳酸鈣、玻璃微珠、二氧化硅等。

吳軍玲等分別用玻璃鱗片、云100、玻璃微珠5019N、石墨200、小分子SOM和玻璃鱗片與云母1：1混合物作為填料進行研究，發(fā)現(xiàn)含小分子SOM的樣品損耗因子峰值最高，含玻璃微珠的則為最低，而含玻璃鱗片與云母粉混合物的樣品的有效阻尼溫域范圍最廣。除了改變復配體系外，云母的用量不同也會影響涂料阻尼性能。王飛研究了云母、滑石粉、重質(zhì)碳酸鈣混合填料體系對涂料的阻尼性能影響。當體系質(zhì)量不變，云母質(zhì)量分數(shù)逐步增加時，最大損耗因子逐步增加，tanδ>0.1的溫域先擴寬后減小。之后又研究了聚丙烯纖維（PP）對涂料阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)，隨著PP加入量的增大，損耗因子峰值逐步增大。由于PP的加入，其長徑比的微觀結構與高分子鏈相互作用，增大了摩擦，從而增大了阻尼因子。不僅是云母的含量，云母的粒徑也會影響涂料的阻尼性能。張金平等研究了100目、200目和300目3種粒徑大小的云母粉，發(fā)現(xiàn)粒徑越大，阻尼因子峰值越大。

Trakulsujaritchok等研究了二氧化硅對于涂料的性能影響，在0%-10%之間，發(fā)現(xiàn)隨著二氧化硅含量的增加，損耗因子峰值明顯增大。這是填料與聚合物鏈之間的內(nèi)摩擦力，以及填料顆粒本身的內(nèi)摩擦力增大所致。

陽紅軍研究了Expancel微球作填料對于涂料阻尼性能的影響，由于該材質(zhì)有優(yōu)良的回彈性，可膨脹壓縮，且不會破裂，使其對提升阻尼性能有著良好的效果。研究發(fā)現(xiàn)，在0%～10%的范圍內(nèi)，Expancel微球用量增加的同時，涂料阻尼性能也增大，并且在全溫域都有提升。

填料的加入能夠增加填料與聚合物的內(nèi)摩擦力以及填料之間的摩擦力，加入適合的填料能夠有效增加涂料的阻尼性能。

4水性阻尼涂料的應用

隨著水性阻尼涂料的發(fā)展，水性阻尼涂料已經(jīng)在越來越多的領域內(nèi)被應用。

在車輛領域中，使用阻尼材料可以實現(xiàn)汽車內(nèi)外部的減振降噪。用于汽車內(nèi)部的時候可以降低發(fā)動機產(chǎn)生的振動，減小噪音;用于車輛外部如擋泥板，底盤等位置的時候，則能夠有效的吸收行駛中碎石等撞擊產(chǎn)生的能量，起到減振降噪的作用，并且相比傳統(tǒng)瀝青阻尼更加綠色環(huán)保。同時，水性阻尼涂料還能滿足汽車輕量化的要求。水性阻尼涂料的密度比傳統(tǒng)的瀝青阻尼要低20%-40%，并且由于水性阻尼涂料是以水為分散介質(zhì)，在干燥后，重量還能在減輕20～25%，因此同樣厚度情況下，可以減重30%～50%，于車身上噴涂后效果如圖2所示。

在軌道交通中，噪聲主要來源為輪軌噪聲和車廂空氣動力噪聲等。目前在軌道交通中使用較多的為水性丙烯酸阻尼涂料，主要涂覆在車體的內(nèi)表面和車輛底架的外表面。

在船舶領域中，船舶噪聲來源于發(fā)動機、螺旋槳和艙壁水噪聲等，特別是高速船舶，由于追求輕量化的設計，因此其結構一般不會有太多的富余，而高速船舶又配備了大功率的主機，因此振動和噪音問題更為嚴重。阻尼材料的應用則能夠有效地控制這些問題。由于水性阻尼涂料具有輕量、無毒，施工方便等特點，因此近年來使用越來越多。Mascoat SoundControl-dB是Mascoat生產(chǎn)的一款船用水性阻尼涂料，其便于噴涂在狹小、異性位置，提高施工效率，被全球客戶認可。

不僅在上述領域中，水性阻尼涂料在航空航天、建筑、機械設備、日常生活中都有著廣泛的應用前景。

5結語

現(xiàn)在全世界都在倡導著綠色環(huán)保，以后涂料發(fā)展的趨勢也勢必會向著這方面。而水性阻尼涂料正是一種綠色涂料，且性能優(yōu)異，符合著人們的需求。隨著人們對于水性阻尼涂料的不斷深入研究，其技術將會愈發(fā)成熟，水性阻尼涂料的應用范圍也將會越來越廣。