水性聚合物阻尼涂料性能的研究

data-full-width-responsive="true"> 0 引言随着现代科学技术的飞速发展，振动和噪声的危害日益突出，人们研究并开发出了多种解决振动和噪声的有效方法和技术措施[1]。其中高分子阻尼涂料以其优越的减振、降噪功能受到人们越来越多的关注。水性聚合物基阻尼涂料是一种以水性聚合物为基质，在填料和助剂的配合下制备的减振降噪涂料，将其喷涂在飞机、高速列车车箱、轮胎等内壁壳体上，可以达到抑制壳体振动和降低噪声的目的。聚合物材料在玻璃化转变温度区域具有较高的阻尼值，但是单一组分聚合物的玻璃化转变温度区域只有20 ~ 30 ℃，而环境温度的变化一般可以达到40 ℃左右，所以一种良好的高分子阻尼材料应该具有60 ℃以上的玻璃化转变区域，才能较好地满足不同场合的需要，显然这是单一组分聚合物材料所不能达到的[2]。为了拓宽高聚物的阻尼温域，提高材料的阻尼性能和弹性模量，采用互穿网络LIPN 或通过乳液共混方法，即将不同Tg 的2 种丙烯酸类乳液进行共混，然后加入填料和助剂配成涂料[3]。本研究分别以LIPN 乳液和共混乳液为基质，添加功能填料及助剂，制备阻尼涂料，其涂层具有减振降噪好、阻尼温域宽、力学性能优、隔热吸音好、阻燃性能佳、VOC 含量低的环保型特点。将其喷涂到高速列车铝合金车箱内壁，起到优异的抑振降噪、隔热吸音效果。1 试验部分11 原料及配方LIPN 乳液；弹性丙烯酸乳液A、丙烯酸乳液B、VAE 乳液C；填料：云母粉、石墨、硅铝基空心微珠；有机-无机复合阻燃剂；增强剂；助剂。水性聚合物阻尼涂料的基本配方见表1。12 制备工艺按配方中原料称量，依次加入到低速搅拌机中，混合均匀后经振动筛过滤出料。13 性能测试1）试样制备：按照GB/T 17271992 制备阻尼涂层，待涂层干燥后用裁刀裁成测试要求的样品尺寸。2）动态力学性能：用美国Rheometric ScientificTM公司生产的DMTA-IV 型动态热机械分析仪器进行DMTA 测试，升温速度为3 ℃/min，测试频率为10 Hz，试样尺寸为（24002）mm（6002）mm（2002）mm，测试温度范围为-80 ~ 80 ℃。3）物理性能按JG/T 8942001 标准进行测试。4）吸声性能测试按GB/T 143691993《声学材料样品插入损失和回声降低的测量方法》进行。5） 阻燃性氧指数按GB/T 24061993 进行测试，烟密度等级按GB/T 86271999 进行测试，烟气毒性按GA 1321996 进行测试。6）隔热性：导热系数按GB/T 204732006 标准进行测试。2 结果与讨论21 聚合物的阻尼机理单一的聚合物阻尼温域只有20 ~ 30 ℃，有效阻尼功能区狭窄，难以满足现实要求。通过多组分共聚、共混和互穿网络方法，可提高聚合物的减振降噪性能、拓宽阻尼温区。阻尼材料也叫振动衰减材料，当高分子聚合物与振动物体接触时，必将一部分机械振动能转变为热能耗散掉，从而使振动衰减下来，主要用于控制振动和噪音。材料的阻尼性能通常用阻尼系数（也叫作损耗正切tan 或损耗因子）来衡量，可按材料的损耗模量与贮存模量的比率来定义：式中：G1 为剪切模量的实数部分，又称为贮存剪切模量，它反映材料变形时能量贮存的大小即回弹能力；G2 为剪切模量的虚数部分，或称损耗剪切模量，它反映材料变形时转变成热的能量损耗。一般而言，tan03 时材料具有较好的阻尼性能。高分子聚合物材料的阻尼性能与材料本身的结构密切相关。当产生振动时，一方面是高分子材料内部链段之间的摩擦对阻尼性能的贡献；另一方面是填料与高分子链段及填料与填料对材料阻尼性能的贡献。高分子阻尼能力的大小与其使用温度和频率密切相关。高聚物的阻尼性能随温度变化曲线见图1。图1 高聚物的损耗因子与温度的关系曲线可见，高分子聚合物在玻璃态转变为高弹态这个温度转变区域，称之为玻璃化转变区域，这个转变温度称为玻璃化转变温度，用Tg 表示，聚合物在Tg 区域时，其阻尼峰值最高、减振降噪效果最好。这是因为在Tg 以下（玻璃态区）时，外力作用于高分子聚合物引起键长和键角改变，但这种改变既小又快，几乎与应力变化同步，因此内耗很小；在Tg 区（Tg 转变区）内，分子链刚开始运动，而体系黏度很大，链运动受到很大摩擦阻力，应变滞后于应力的变化，内耗很大；高于Tg 时，分子链运动变得比较自由，内耗能力减少[4]。因此，评价高分子聚合物材料阻尼性能的高低，可以从在Tg 区内损耗因子（tan 峰值）的高低和有效阻尼功能区温域宽窄两方面考量。优良的阻尼材料应满足3 个条件：1）在阻尼材料使用温度和频率范围内，tan 峰值要比较高；2）tan的峰值要宽，以保证阻尼材料在较大范围内有较高的阻尼性能，降低其对温度和频率的敏感性；3）复合多功能型，阻尼材料除具有宽温、宽频、高阻尼峰值外，还应具有吸声、吸波、隔热、阻燃、环保等功能。