高性能水性阻尼涂料研究進(jìn)展（上）

苗志軍

（天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，天津，300384）

1 背景介紹

阻尼涂料是一種具有減振、降噪等功能的涂料，該涂料由高分子樹脂加入適量的填料以及輔助材料配制而成。通過特殊的涂層結(jié)構(gòu)將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，即從聲（振）源上有效地控制振動(dòng)和噪聲[1]。阻尼涂料按分散劑的不同分為油性阻尼涂料和水性阻尼涂料[2]，早期的阻尼涂料主要采用瀝青基體和特定填料組成，由于油性的瀝青基阻尼涂料以有機(jī)溶劑為分散介質(zhì)，含有大量有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)（Volatile Organic Compound，VOC），在制造和使用過程中會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，對人體健康造成較大傷害，已經(jīng)被逐漸淘汰，因此水性阻尼涂料替代油性阻尼涂料已成為阻尼涂料的必然發(fā)展趨勢。

水性阻尼涂料主要是以樹脂乳液為基質(zhì)，加入大量片層結(jié)構(gòu)的云母粉等功能填料，并添加適量的助劑而制成。水性阻尼涂料具有以下特點(diǎn)[3]：（1）生產(chǎn)和施工過程中對環(huán)境無污染。水性阻尼涂料以水作為分散介質(zhì)，其含有的VOC非常少，符合國家的環(huán)保政策法規(guī)。（2）水性阻尼涂料不受施工基材形狀的限制，可在形狀復(fù)雜基面施工，在干濕界面上均可施工。由于水性阻尼涂料是厚漿型、高固體份涂料，因此單次成膜厚度高。水性阻尼涂料可采用噴涂、刮涂、滾涂等多種工藝進(jìn)行施工，施工效率高。（3）水性阻尼涂料為高固體份涂料，粘度高?？珊裢渴┕?，干燥過程體積收縮率低，不會(huì)出現(xiàn)因體積收縮率過大而導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象。（4）阻燃性能好，耐水性、耐候性、耐腐蝕性良好。（5）水性阻尼涂料具有很高的復(fù)合損耗因子，且生產(chǎn)成本相對于傳統(tǒng)的油性阻尼涂料低。（6）水性阻尼涂料也存在一些先天性的不足，主要表現(xiàn)在由于成分中存在大量的水分，當(dāng)一次施工厚度過大時(shí)，其干燥速度比較慢。

2 水性阻尼涂料的應(yīng)用領(lǐng)域

隨著我國“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及對環(huán)境要求的提高，水性阻尼涂料已經(jīng)在汽車、軌道交通、艦船、航空航天、機(jī)械設(shè)備和建筑等領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。受篇幅所限，本文僅對水性阻尼涂料在汽車、軌道交通和艦船等三個(gè)具有代表性的行業(yè)的應(yīng)用情況進(jìn)行簡要總結(jié)。

2.1 汽車領(lǐng)域

在汽車領(lǐng)域中，由于水性阻尼涂料無毒、無異味、不污染環(huán)境，可以極大地改善汽車車內(nèi)空氣質(zhì)量，提高了NVH（噪聲Noise、振動(dòng)Vibration、聲振粗糙度Harshness）性能。沃爾沃汽車成都工廠的楊波等[4]介紹了水性阻尼涂料在轎車領(lǐng)域的應(yīng)用情況。文中介紹了水性阻尼涂料是由機(jī)器人噴涂在車身內(nèi)部鋼板上來提高其結(jié)構(gòu)阻尼、抑制共振等性能；水性阻尼涂料常常噴涂于車內(nèi)地板和擋風(fēng)等部位，噴涂膜厚度一般控制在2～4mm。

一汽公司的白揚(yáng)等[5]介紹了水性阻尼涂料在汽車行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢，主要包括車身輕量化、環(huán)境友好性、阻尼性優(yōu)良、施工柔性強(qiáng)、運(yùn)行成本低等。與傳統(tǒng)的瀝青阻尼墊片相比，在同等厚度下，水性阻尼涂料阻尼性能更優(yōu)且可調(diào)控，能夠滿足不同車型的需求；水性阻尼涂料使用機(jī)器人進(jìn)行噴涂，可有效地規(guī)避錯(cuò)裝/漏裝問題、多款車型共線生產(chǎn)時(shí)存在的瀝青墊片鋪設(shè)區(qū)域空間不足及混亂問題、切換流程復(fù)雜、成本高等問題。

上海蔚來汽車的雷蕾等[6]介紹了水性阻尼材料的優(yōu)勢、阻尼性能驗(yàn)證、輕量化貢獻(xiàn)等。水性阻尼涂料可以滿足汽車輕量化的要求。由于水性阻尼涂料的密度比瀝青阻尼墊要低20%～40%，并且由于水性阻尼涂料是以水為分散介質(zhì)，在烘干后重量再減輕20%～25%，因此相比瀝青阻尼墊，噴涂同樣厚度的水性阻尼涂料可以減重30%～50%。水性阻尼涂料在車身上的實(shí)際噴涂效果如圖1所示。

圖1 水性阻尼涂料在車身上的實(shí)際噴涂效果圖

2.2 軌道交通領(lǐng)域

軌道車輛運(yùn)行時(shí)，車內(nèi)產(chǎn)生的噪聲主要來源于輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲及設(shè)備件噪聲向車內(nèi)的傳播。噪聲的傳播主要通過車體和門窗上的縫隙直接傳入車內(nèi)以及車外輪軌噪聲、設(shè)備件噪聲以振動(dòng)的形式傳播到車體內(nèi)部。降低這種振動(dòng)噪聲普遍采用的方法是在振動(dòng)構(gòu)件上緊貼或噴涂一層高阻尼的材料。南車公司的戴惠新等[7]介紹了水性阻尼涂料的施工工藝（人員、設(shè)備、操作工藝等），并詳細(xì)介紹了水性阻尼涂料的環(huán)保安全優(yōu)勢、減振降噪優(yōu)勢、施工優(yōu)勢和其他如易維護(hù)等優(yōu)勢。

中車公司的劉曉等[8]介紹了目前在軌道交通車輛上使用的阻尼涂料一般為水性丙烯酸阻尼涂料，主要涂覆在車輛的車體內(nèi)表面和底架的外表面。阻尼涂料的阻尼性能與環(huán)境溫度有著密切關(guān)系，為適應(yīng)不同的環(huán)境溫度，動(dòng)車組選用的阻尼涂料根據(jù)不同溫度下的復(fù)合損耗因數(shù)分為通用型和低溫型兩類。水性阻尼涂料在鋁合金車體內(nèi)部應(yīng)用如圖2所示。

圖2 水性阻尼涂料在鋁合金車體內(nèi)部應(yīng)用圖

2.3 艦船領(lǐng)域

艦船上的噪聲大部分來源于機(jī)械噪聲、推進(jìn)器噪聲和水動(dòng)力噪聲，噪聲會(huì)影響艦船的隱蔽性和船員的舒適性。阻尼涂料可以在不改變艦船原有設(shè)計(jì)和設(shè)備的情況下進(jìn)行有效降噪，同時(shí)便于常溫下刮涂施工，以及在各種復(fù)雜面、拐角等處施工，因此在造船行業(yè)以框架結(jié)構(gòu)為主的減振降噪處理方面廣泛應(yīng)用。孫云[9]介紹了滬東船廠研制的HZ_1型新型高性能艦船用阻尼涂料，通過優(yōu)化阻尼層和約束層的組分體系，提高了約束-阻尼復(fù)合損耗因子，實(shí)現(xiàn)了該涂料的高性能、寬溫域和施工的方便性，對提高艦船的安靜性和舒適性具有重要作用，滿足現(xiàn)代化高科技戰(zhàn)爭對艦船的隱身性要求。

除了軍事上的作用外，在民用領(lǐng)域特別是高速船舶方向，由于追求輕量化的設(shè)計(jì)，因此其結(jié)構(gòu)一般不會(huì)有太多的富余，而高速船舶又配備了大功率的主機(jī)，因此振動(dòng)和噪音問題更為嚴(yán)重。在船體上噴涂水性阻尼涂料對于減輕船體振動(dòng)、降低噪聲亦是一種行之有效的方法。此外，水性阻尼涂料還可用于水翼船的水翼減噪、艦艇底板、隔板、座椅的降噪等，因此近年來使用越來越多。謝光能[10]介紹了某高速豪華交通船的綜合減振降噪方案，其中在機(jī)艙的前壁、后壁、舷側(cè)、艙頂和主甲板的機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口等位置使用了水性阻尼涂料，根據(jù)實(shí)船航行試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 水性阻尼涂料的阻尼原理及評價(jià)方法

3.1 高聚物的阻尼機(jī)理

高聚物在交變應(yīng)力的作用下由于所特有的粘彈性，形變的變化落后于應(yīng)力的變化，發(fā)生滯后現(xiàn)象，部分能量以熱或其他形式消耗掉，從而產(chǎn)生力學(xué)損耗并起到阻尼作用。高分子材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，其在外力作用下的形變主要是由鍵長、鍵角的改變引起的小形變，這種變形速度很快，完全跟得上應(yīng)力的變化，因此阻尼較??；在高彈態(tài)下，分子鏈段運(yùn)動(dòng)比較自由，內(nèi)耗小，阻尼也不高；只有溫度從玻璃態(tài)向高彈態(tài)過渡時(shí)，應(yīng)力以適中的頻率作用于高聚物，此時(shí)鏈段開始運(yùn)動(dòng)，但高聚物體系的粘度還很大，鏈段受到的摩擦阻力也較大，形變落后于應(yīng)力變化，因此阻尼較大[11]。高聚物阻尼能力的大小與其使用溫度和頻率密切相關(guān)，圖3為高聚物的阻尼性能隨溫度變化的曲線。

圖3 高聚物的損耗因子與溫度的關(guān)系曲線。

人們將應(yīng)變落后于應(yīng)力的相角差δ稱為力學(xué)損耗角，常用力學(xué)損耗角正切tanδ來表示高聚物內(nèi)耗/阻尼性能的大小。tanδ與模量的關(guān)系如式1和式2所示：

式中，E*——復(fù)合模量

E’——實(shí)數(shù)模量，或稱儲(chǔ)能模量，它反應(yīng)高聚物變形時(shí)能量儲(chǔ)存的大??；

E’’——虛數(shù)模量，或稱損耗模量，它反應(yīng)高聚物變形時(shí)能量損耗的大小。