高減振降噪微孔聚氨酯彈性體研究

鄒美帥，李曉東，張旭東，蘇醒，甄茂民

（北京理工大學材料學院，北京 100081）

振動與噪聲伴隨現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生，對建筑安全、交通工具性能、人員健康、精密儀器精度等有著非常重大的影響[1]，未經(jīng)處理的振動與噪聲還會造成材料老化甚至斷裂等，產(chǎn)生安全隱患。隨著6 月《中華人民共和國噪聲污染防治法》的施行，開發(fā)新型減振降噪材料，最大程度減小振動和噪聲對建筑物、交通工具、人員的負面影響，關系到更高效率和更環(huán)保的生產(chǎn)和生活，必須引起高度重視[2]。

聚氨酯彈性體由聚醚/聚酯多元醇和多元異氰酸酯反應生成，其獨特的分子內(nèi)、分子間氫鍵和軟硬段結構，賦予了材料較好的機械強度、柔韌性、耐磨性等，廣泛應用于各種領域[3]。微孔結構聚氨酯彈性體結合了空氣彈簧減振原理，可以通過黏滯、內(nèi)摩擦和熱傳導等方式降低外界噪聲[4,5]，是當前工程領域解決振動噪聲的主要手段[6-8]。高性能微孔聚氨酯彈性體不僅具有優(yōu)異的動態(tài)減振隔聲效果，而且兼具耐磨、耐老化、耐低溫、耐油、耐介質(zhì)腐蝕、高絕緣等特性，可滿足復雜環(huán)境中高效抑制振動與噪聲的需求。與普通聚氨酯相比，聚氨酯彈性體具有更優(yōu)的使用性能和更長的使用壽命，在軌道交通、航空航天、國防軍事、建筑機械等多個領域得到了廣泛應用。長期以來，我國高性能聚氨酯減振降噪材料一直依賴進口，實現(xiàn)其自主國產(chǎn)化，對推動我國振動與噪聲控制技術進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義[9,10]。

本文通過研究多元醇種類、多元醇分子量及擴鏈劑種類等對聚氨酯彈性體材料性能的影響，成功研制出一種高性能聚微孔氨酯彈性體材料，具有低動靜態(tài)模量比和低固有頻率，可在寬溫域范圍和寬振動頻率下表現(xiàn)出理想的減振降噪效果。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），萬華化學集團股份有限公司提供；聚四氫呋喃醚二醇（PTMG-2000），德國巴斯夫公司提供；聚己內(nèi)酯多元醇（PCL-2000），日本株式會社大賽璐公司提供；聚環(huán)氧丙烷醚二元醇（DL-2000），山東藍星東大有限公司提供；1,4-丁二醇（BDO），天津福晨化學試劑廠提供；一縮二乙二醇（DEG），漢克化工（上海）有限公司提供；2-甲基-1,3-丙二醇（MPO），武漢卡諾斯生物科技有限公司提供。

1.2 實驗儀器

雙組分聚氨酯低壓灌注機（DGDY-R303），東友機械設備有限公司提供；萬能材料試驗機（GDWEW-10），上海皆準儀器設備有限公司提供；動靜剛度疲勞測試儀（UTM-9100S），浙江禮顯試驗儀器制造有限公司提供。

1.3 微孔聚氨酯彈性體的制備

1.3.1 預聚體的制備

A 組分：將已脫水的聚醚多元醇、擴鏈劑、催化劑、勻泡劑和發(fā)泡劑等，按照配比加入反應釜內(nèi)，充分混合均勻，密封保存。

B 組分：取定量MDI 于三口燒瓶中，將已脫水的聚醚多元醇按配比加入瓶內(nèi)，在80℃—85℃條件下反應3—4h，降至室溫后，密封保存。

1.3.2 聚氨酯彈性體的制備

使用雙組分聚氨酯低壓灌注機將A 組和B 組分別注入涂有脫模劑的模具中，在60℃—70℃的烘箱中放置10min 后脫模，室溫放置5d 后，檢測性能。

2 微孔聚氨酯彈性體的性能影響因素

2.1 多元醇種類對微孔聚氨酯彈性體性能的影響

選取PTMG-2000、PCL-2000、DL-2000 這三種分子量為2000 的多元醇，擴鏈劑用BDO，異氰酸酯用MDI，探究多元醇種類對微孔聚氨酯彈性體性能的影響（見表1）。

表1 多元醇種類對聚氨酯彈性體性能的影響

從表1 中可以看出，PCL-2000 型彈性體的強度和模量最高，DL-2000 型彈性體的各項性能均較差。PTMG-2000 型彈性體的動靜模量比值最低、耐疲勞性能最好、壓縮永久變形率最低。這是由于以PTMG-2000 為軟段的聚氨酯彈性體的分子鏈結構較為規(guī)整，分子間容易形成物理交聯(lián)點，具有較高的強度；其主鏈鏈段長度適中，而且含有大量柔性的醚鍵，在動態(tài)振動條件下，與硬段連接的軟段分子鏈可在平衡位置附近較為容易地發(fā)生往復運動，因而對應力響應快，具有更低的動靜模量比值。DL-2000 存在大量的側甲基，分子間間距增大，分子間作用力和形成的物理交聯(lián)點大幅度減少，因而制得的聚氨酯彈性體強度低、回彈率低、動靜模量比值最高。以PCL-2000 為軟段制備的聚氨酯彈性體的基體分子結構較為規(guī)整，而且引入大量高極性、高鍵能的酯基基團，分子間易形成氫鍵，大幅增加了分子間的作用力，約束了分子鏈的運動，因而強度最高、延伸率較低。但其分子鏈內(nèi)存在大量極性較大的酯基和氨基甲酸酯基形成的硬段，與非極性亞甲基和弱極性醚鍵形成的軟段間的熱力學相容性較差，更易形成微相分離結構，導致軟段與硬段間存在較為明顯的分界，軟段容易在應力作用下發(fā)生較大形變，從而導致動靜模量比值偏高。

2.2 多元醇分子量對微孔聚氨酯彈性體性能的影響

低聚物多元醇分子鏈形成聚氨酯彈性體基體的軟段，其分子量的大小決定了形成硬段的氨基甲酸酯基之間連接的軟段長度。以3 種不同分子量的PTMG在相同條件下制備了相同密度的聚氨酯彈性體，數(shù)據(jù)見表2。

表2 多元醇分子量對聚氨酯彈性體性能的影響

從表2 中可以看出，PTMG 型聚氨酯彈性體的靜態(tài)模量、拉伸強度均隨著聚醚多元醇的分子量增大而下降，其原因是：聚醚多元醇分子量增大，分子鏈段中軟段長度增加，軟硬段間距增大，分子間的氫鍵作用減弱，力學性能下降；隨著多元醇分子量的增加，柔性鏈長度增加，形成的彈性體柔性增加，彈性變好，靜態(tài)模量有所下降；隨著多元醇分子量的增加，總羥值減少，固化劑用量減少，剛性基團苯環(huán)和極性基團氨基甲酸酯基含量減少，強度和模量降低。

分子量為1000 的PTMG 制備的聚氨酯彈性體的軟段過短，分子結構規(guī)整，在30%形變下，分子間形成不可逆形變，壓縮永久變形率偏高。分子量為3000 的PTMG 制備的微孔聚氨酯彈性體，由于軟段過長，軟段容易發(fā)生卷曲形變，在應力作用下，分子間容易發(fā)生滑移，形成不可逆形變，壓縮永久變形率偏高，材料耐疲勞性能變差。分子量為2000 的PTMG 制備的微孔聚氨酯彈性體的軟段長度適中，在30%形變下，分子間可在平衡位置間發(fā)生可逆形變，因而具有較低的動靜模量比值和最低的壓縮永久變形率，材料具有較好的耐疲勞和減振性能。

2.3 擴鏈劑對微孔聚氨酯彈性體性能的影響

使用3 種擴鏈劑BDO、DEG、MPO 制備了微孔聚氨酯彈性體，性能見表3。

表3 擴鏈劑種類對聚氨酯彈性體性能的影響

從表3 中可以看出，不同擴鏈劑對制備的聚氨酯彈性體性能有顯著影響。以BDO 作擴鏈劑的聚氨酯彈性體，拉伸強度、模量、動靜模量比值、壓縮永久變形率等均優(yōu)于以DEG 和MPO 制備的聚氨酯彈性體。這是因為BDO 分子結構規(guī)整，聚合后形成的分子鏈規(guī)整性較好，分子間距較小，分子間物理交聯(lián)度較高，作用力較大，表現(xiàn)為高強度、高模量、低動靜模量比。DEG 分子中含有柔性的醚鍵，增加了分子鏈的柔順性，分子鏈容易在應力作用下發(fā)生位移形變，導致強度和模量較低，動靜模量比偏高。MPO分子鏈較短，不含醚鍵，但其分子中含有1 個側甲基，增大了分子鏈間距離，在一定程度上破壞了聚氨酯彈性體硬段的規(guī)整性，降低了硬段內(nèi)部的交聯(lián)密度和兩相分離程度，使聚氨酯彈性體強度變低、斷裂伸長率增加、壓縮永久變形率升高。

3 減振降噪效果評價

3.1 固有頻率低、隔振頻譜寬

材料的低固有頻率對于寬頻率范圍內(nèi)的降噪性能具有重要意義。低固有頻率的材料在處理相近頻率的聲波時，可通過共振效應產(chǎn)生劇烈的內(nèi)摩擦，從而將聲能高效率地轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)高度降噪。下圖為外界力載荷對聚氨酯彈性體的固有頻率的影響。從下圖可以看出，外界力載荷增大時，聚氨酯彈性體的絕對變形量也隨之增大，聚氨酯彈性體在大變形下內(nèi)部物理鍵位部分被解離，導致其固有頻率降低。

外界力載荷對聚氨酯彈性體的固有頻率的影響圖

3.2 動靜模量比值和損耗因子低，實現(xiàn)高效振動隔離

制備的微孔聚氨酯彈性體，其應變滯后于應力的程度顯著小于發(fā)泡橡膠材料，動靜模量比值低于1.3，損耗因子低于0.1，具有優(yōu)異的隔振效果，隔振效率可達95%以上，隔聲量可達30dB，其性能對比見表4。

表4 微孔聚氨酯彈性體和發(fā)泡橡膠性能對比

4 結語

本文成功合成了一種高性能聚氨酯減振降噪彈性體，其動靜態(tài)模量比低于1.3，耐300 萬次疲勞試驗，靜態(tài)模量及厚度下降率不超過10%，低溫-35℃下靜態(tài)模量變化率不超過10%，壓縮永久形變率小于3%。材料應用于動態(tài)環(huán)境下，具有隔振頻譜寬、隔振效果好、使用壽命長等顯著優(yōu)勢。該彈性體在較低的頻率下依然具有較好的隔振效果，隔振率可高達95%以上，振動傳遞率可達30dB 以上，性能在同類減振降噪材料中處于領先水平。