杨 阳，黄微波，张晓丽，冯艳珠，梁龙强 （青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

聚合物基阻尼材料研究进展

杨 阳，黄微波，张晓丽，冯艳珠，梁龙强 （青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

聚合物基阻尼材料因其优异的性能而被广泛应用于船舶、航空航天、交通运输等领域的振动与噪声控制。综述了聚合物基阻尼材料的阻尼耗能机理。介绍了常用的阻尼材料改性方法，包括共混改性、共聚改性、填充改性和互穿聚合物网络（IPN）结构。最后指出了聚合物基阻尼材料的发展趋势，即开发具有高阻尼、宽温域、智能化、环保等综合性能的新型阻尼材料。

聚合物基阻尼材料；阻尼机理；改性方法；发展趋势

0 引言

振动和噪声现象广泛存在于人们的日常生产和生活中，它能够影响结构的安全性、耐久性、舒适度以及人体的健康，已被列为影响人们生活的七大环境公害之一［1］。阻尼减振降噪技术是利用阻尼材料耗能，使振动或噪声衰减的技术。阻尼材料是一种振动衰减材料，在振动过程中通过自身形变进行耗能。其中，聚合物基阻尼材料是使用最广泛的非金属型阻尼材料，是一种利用材料内耗，将振动能量转化为热能，来减轻结构振动的功能材料，被广泛应用于船舶、汽车等领域的振动与噪声控制［2］。聚合物基阻尼材料具有优异的阻尼减振降噪性能，并且相对密度小、易于加工，已成为阻尼材料的主要研究方向。以下简述了聚合物基阻尼材料的阻尼机理，综述了4种常用的阻尼改性方法，同时展望了聚合物基阻尼材料未来的发展方向。

1 聚合物基阻尼材料的阻尼机理

聚合物基阻尼材料是高分子聚合物和各种添加剂的复合体系，它的一个重要特征是粘弹性，即同时具有弹性和粘性两种不同机理的形变。在外力作用下，阻尼材料内部分子链会产生拉伸、扭曲等变形，同时也会产生相对滑移、扭转。当外力作用去除后，变形的分子链会复位，链段之间的相对运动也会部分恢复到原来的情况，即材料呈现出弹性；但分子链段不能完全恢复，产生了永久性的变形，即材料呈现出粘性。聚合物基阻尼材料的阻尼性能主要来源于材料的内耗，在交变外力作用下，材料内部分子链段需要克服内摩擦阻力做功，导致应变滞后于应力，振动能量通过材料的粘性成分而被转化成热能耗散［3-4］。人们将应变滞后于应力的相位角δ称为力学损耗角，通常用力学损耗角的正切tanδ，即损耗因子β来表示材料内耗的大小。滞后现象越严重，说明材料内摩擦能力越大，阻尼性能越好。

然而，并不是所有的聚合物都可以直接用作阻尼材料，只有那些结晶度不高或交联度不高的聚合物在玻璃化转变区才具有较高的内耗。当材料处于玻璃化转变区时，分子基团有一定的自由度，链段能充分运动，吸收大量的振动能量，即具有较大的阻尼作用。优良阻尼材料的玻璃化转变区和材料工作温度范围一致，同时具有较高的内耗和较宽的有效阻尼温域。

2 常用的阻尼改性方法

聚合物基材料的阻尼性能受环境温度、荷载频率等外部条件的影响很大。一般均聚物和共聚物的玻璃化转变温度（Tg）范围比较窄，产生有效阻尼的温度范围大致为Tg附近的±（10～15）℃，不能达到宽温域、宽频率阻尼的工程要求，并且材料的Tg不一定在结构正常使用的温度范围内。常见塑料类材料的Tg均在室温以上，而橡胶类聚合物基材料的Tg则大多在室温以下，都不能很好地满足实际工程的要求［5］。因此，常采用共混改性、共聚改性、填充改性和互穿网络结构等方法来改善材料的阻尼性能，以达到特定的使用要求。

2.1 共混改性

单一聚合物基阻尼材料的有效阻尼温域较窄，不能很好地满足工程要求。为改变材料的Tg和拓宽有效阻尼温域，将两种或多种聚合物进行共混改性是最常用的方法［6-7］。共混改性要求共混组分的相容性较好，且各组分的Tg不能相差太大（一般为20～30℃），同时各组分的阻尼峰值有较多的重叠部分。聚合物组分的相容性越好，两阻尼峰相距越近，低阻尼区范围越窄［8］。通过调整共混组分的比例，使其两个（或多个）玻璃化转变区的凹谷上升为平坦区，呈现单一组分特性，并且有较宽的有效阻尼范围［9］。共混改性主要包括橡胶与橡胶、橡胶与塑料、橡胶与纤维共混等。

张晓君［10］通过乳液共混法将苯丙乳液、纯丙乳液和氯化丁基橡胶粉、云母粉共混，研究了不同配比的多元共混体系的阻尼涂料，动态热机械分析（DMA）测试结果表明：阻尼涂料的损耗因子峰值（tanδmax）可达0.59，tanδ超过0.4的温域宽56℃。苗传威等［11］利用乳液共混法，将聚甲基丙烯酸甲酯（MMA）/聚甲基丙烯酸乙酯（EMA）/聚丙烯酸正丁酯（BA）按1∶1∶1比例（质量比）混合后，能形成损耗因子>0.7、有效阻尼温域达100℃的阻尼材料。同时发现，当共混聚合物组分Tg呈连续梯度变化时，共混后的体系阻尼性能更优。Wu J H等［12］利用熔融共混法将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）分别与热塑性聚酯型PU（TPU-EX）和热塑性聚醚型PU（TPU-ER）按不同比例进行共混，试验结果表明：两者的相容性较好，并且随着TPU含量的增加，SBS的热稳定性和动态阻尼性能不断增加。Ibrahim N A等［13］则通过熔融共混法，将聚氯乙烯（PVC）和对苯二甲酸丁酯共聚物（PBAT）共混，DMA测试结果表明：两者的共混体系只有一个Tg，即两者具有较好的相容性；随着PBAT含量的增加，共混体系的损耗模量降低，储能模量增大，材料的损耗因子降低。

2.2 共聚改性

共聚改性是利用两种或两种以上单体生成聚合物的过程，是合成具有优异阻尼性能聚合物基阻尼材料的有效方法之一，主要包括接枝共聚和嵌段共聚。接枝共聚是利用化学方法在聚合物主链上接枝另一组分作为侧链，当有外力作用时，侧链摩擦运动产生内耗，从而起到增加阻尼的作用。接枝共聚具有独立微相结构，通过调整各组分比例，使共聚体系的阻尼性能达到最优。嵌段共聚是把多种不同聚合物链段按尾-尾、头-头或者头-尾方式连接在一起，通过调整单体种类，软、硬段的含量，引入特定性能的官能团增强组分间的交联作用，从而达到提高材料阻尼性能、拓宽有效阻尼温域的目的［14-15］。

马学强［16］制备并且研究了一种新型聚氨酯阻尼材料，研究发现：组分的硬段种类、含量和外界条件都会影响材料的阻尼性能。调整组分的硬段种类及含量，tanδmax和有效阻尼温域都会改变，并且硬段含量的增加会降低tanδmax，同时使有效阻尼温域变宽。Li F等［17］研究了苯乙烯和双官能团单体二乙烯基苯嵌段共聚体系，通过调节单体配比达到改变阻尼峰值的目的。研究还表明：对苯乙烯、二乙烯和二乙醚进行三元嵌段共聚，可以更为有效地拓宽材料的有效阻尼范围。Andjelkovic D D等［18］研究了苯乙烯，二乙烯基苯、大豆油等组分的共聚体系，通过调整聚合物体系中各单体所占比例，成功制得具有较高阻尼性能的塑料，研究发现：改变乙烯基单体、大豆油的种类以及引发剂的用量，可以使共聚体系的有效阻尼温域达到110℃。Chu H H等［19］将醋酸乙烯酯（VAc）和丙烯酸丁酯（BA）共聚后发现：共聚体系中两组分有一定的微相分离，同时具有较好的相容性，在所研究的温度范围内，tanδmax高达1.76～1.80，损耗因子超过0.3，有效阻尼温域较宽，另外共聚体系的阻尼性能随着VAc含量的增加而增大。

2.3 填充改性

填料是构成聚合物基阻尼材料的重要组分，对材料的阻尼性能影响很大。在聚合物中加入填料，能够增大材料内部的摩擦作用，进而增大滞后作用和耗能能力，同时还可以扩大材料的有效阻尼温域。填料种类、用量以及结构形态对阻尼改性效果都有影响。常用的填料主要有石墨、玻璃微珠、三氧化二铝、炭黑、云母片、短碳纤维和玻璃纤维等。片状石墨填料可增大阻尼材料内部的摩擦作用与损耗能量；颗粒状填料能增大材料的内摩擦阻力，限制分子长链的运动，增大能量的转化与损耗。另外，玻璃微珠石墨会改善聚合物材料的阻尼性能，三氧化二铝则可使材料的Tg向高温段移动［20］。

黄微波等［20-21］经研究发现：在聚合物材料中填充云母、石墨等片状填料，能明显提高材料的阻尼作用；另外，片状填料可增强材料的剪切运动，增大材料内部界面间的能量耗散，而非片状填料则作用不大。纤维的种类、数量和排列方式对其改性作用的影响较大，其中玻璃纤维和芳纶纤维的改性作用较好。研究表明：长纤维有利于改善聚合物材料的阻尼性能，而短纤维主要用于增强作用［22-25］。与传统填充材料不同，在橡胶中加入碳纳米管，不会显著改变材料玻璃化转变区的损耗因子，但对材料高温段的损耗因子具有较好的改善作用［26］。而在聚乙烯基体中加入碳纳米管，可有效提高其阻尼性能，但体系的应变水平对阻尼性能影响很大［27］。空心玻璃微珠密度小、比表面积大、有较好的吸声功能，在聚合物基阻尼材料中加入适量玻璃微珠能改善材料的阻尼作用。随着玻璃微珠含量的增加，材料的Tg和tanδmax都有所降低，但是有效阻尼温域变宽［28］。Rimdusit S［29］则用木屑对聚氯乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）共聚物复合体系进行改性，DMA测试结果表明：复合体系存在Tg，说明PVC和ABS复合体系是部分相容的，并且随着木屑含量的增加，体系的弯曲模量增加，同时Tg向高温方向移动。

2.4 互穿聚合物网络结构阻尼材料

互穿聚合物网络（Interpenetrating Polymer Network，IPN）概念在20世纪50年代提出，70年代，Sperling L H等［30］利用该技术制备了一系列新型高分子材料。IPN利用特殊共混的方法使多种聚合物相互贯穿，协同作用，形成一种交织网络聚合物材料［31］。IPN独特的拓扑结构使相容性不好的高聚物连接起来，具有强迫互容、界面互穿、协同作用等性能特征，所以有效阻尼温域更宽、阻尼效果更佳。

Qin C L等［32］对聚氨酯（PU）和乙烯基酯树脂（VER）互穿聚合物网络结构体系进行了研究，结果表明：两种组分的配比对体系的阻尼性能有很大影响，当m（PU）∶m（VER）为60/40时，材料在-36～54℃温度区间内，损耗因子的峰值>0.5，当IPN体系中加入甲基丙烯酸甲酯，阻尼效果更佳。蒋笃孝等［33］制备并研究了聚丙烯酸酯/聚硅氧烷互穿聚合物网络体系，原子力显微镜（AFM）测试结果表明：制备的互穿聚合物网络体系微相结构既有一定的互穿，又有一定的分离，具有较好的阻尼性能，并且当聚甲基丙烯酸甲酯和聚硅氧烷的质量比为80∶20时，互穿体系的tanδmax为1.4。

聚氨酯可以与多种聚合物形成IPN，将聚氨酯预聚体（PU）和环氧树脂（EP）作用，生成的IPN聚合物损耗因子高达1.3，且有效温域宽52℃。在上述IPN体系中加入不饱和聚酯树脂（UP），能进一步拓宽材料的有效阻尼温度范围，当m（PU） ∶m （EP）∶m（UP）=50∶25∶25 时，损耗因子>0.7的温域达到60℃［34］。赵培仲等［35］用种子乳液聚合法合成了乙酸乙烯酯/丙烯酸丁酯胶乳型IPN和甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸乙酯胶乳型IPN，然后将两者共混，研究发现：共混IPN的阻尼性能很好，损耗因子>0.3的温域超过200℃。

3 结语

自20世纪90年代起，阻尼材料在我国的汽车、航空航天、舰船等领域开始推广并全面使用。随着科技的发展，对阻尼材料的要求也越来越高。常规的阻尼改性方法虽然克服了聚合物基阻尼材料的一些缺陷，但是也存在一定的局限性，微相分离扩大材料使用范围的同时，也降低了材料的损耗因子峰值；互穿聚合物网络结构材料的阻尼性能好，有效温域宽，但工艺复杂，溶剂去除困难。在实际工程应用中，要选用适宜的改性方法，同时运用新的改性方法，开发高性能、宽温域、宽频域的功能材料。从发展趋势来看，研发结构功能一体化的阻尼材料将成为研究热点。未来的聚合物基阻尼材料将会是一类高阻尼、宽温域、智能化、环境友好的功能材料。

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The Research Progress in the Polymer Based Damping Materials

Yang Yang，Huang Weibo，Zhang Xiaoli，Feng Yanzhu，Liang Longqiang
（School of Civil Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao Shandong，266033，China）

The polymer based damping materials have been widely used in the ships，aerospace and transportation fields to reduce vibration and noise because of excellent performance. The damping energy dissipation mechanism of polymer based damping materials and their common modification methods，including blending，copolymerization，filling and interpenetrating polymer networks（IPN）were reviewed. The development trend of polymer based damping materials was pointed out，that is developing novel damping maternal with high damping property，wide temperature range，intelligence and environmental protection etc. comprehensive properties.

polymer based damping material；damping mechanism；modification method；development trend

TB 34

A

1009-1696（2016）06-0029-05

2016-08-16

杨阳（1990—），男，硕士研究生，研究方向为粘弹阻尼材料和减振降噪。