高性能水性阻尼涂料研究进展（下）

2021-02-25苗志军

橡塑资源利用 2021年6期

苗志军

高性能水性阻尼涂料研究进展（下）

苗志军

（天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）

本文首先介绍了阻尼涂料的定义和分类，概述了水性阻尼涂料的特点，总结了水性阻尼涂料在汽车、轨道交通、舰船等领域的最新应用情况。通过介绍高聚物的阻尼原理和水性阻尼涂料阻尼性能的评价方法，总结了通过共混、互穿网络、超支化等高聚物乳液方面改性，以及填料、助剂等方面对阻尼性能的影响。

水性阻尼涂料；阻尼原理；改性

3.2 阻尼涂料阻尼性能的常用评价方法

阻尼涂料常涂敷下钢板等基材上，因此在实际应用中，要测定阻尼涂料与基材复合后试样的复合损耗因子η。GB/T 16406-1996《声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》中规定了η的测定方法有悬臂梁法和自由梁法两种。材料的损耗因子，即材料或试样在简谐力作用下，经过1周期振动，阻尼耗散的能量与储存的应变能的二π倍之比。复合损耗因子，即试样为基材和阻尼涂料复合组成时，所测定的损耗因子称为复合损耗因子η，复合损耗因子η值越大，阻尼越明显，阻尼性能越好[11]。

4 提升阻尼涂料阻尼性能的改性研究总结

水性阻尼涂料主要是由聚合物乳液、填料和功能助剂（如分散剂、消泡剂、偶联剂、阻燃剂和流平剂等）经过共混而获得，典型配方如下表1所示[12]。

表1 水性阻尼涂料的典型配方

水性阻尼涂料的阻尼性能与其材料本身高聚物的结构密切相关，一方面是高聚物内部的链段之间的摩擦对阻尼性能的贡献；另一方面是填料与高聚物链段之间的摩擦以及填料与填料之间的摩擦对材料阻尼性能的贡献。为了提高水性阻尼涂料的阻尼性能、拓宽阻尼温域，近年来国内做了大量的改性研究。受篇幅所限，本文仅对乳液改性、填料和特种助剂等三方面研究进行简要总结和举例。

4.1 高聚物乳液改性对阻尼性能的影响

水性阻尼涂料的阻尼性能主要由具有粘弹性的高聚物基体赋予，高聚物基体的阻尼性能直接影响到阻尼涂料产品的阻尼性能。因而，水性阻尼涂料用聚合物乳液除了需要具备一般乳液所要具备的稳定性之外，还需要具备较宽的玻璃化转变温域以及高的损耗因子[13]。由阻尼机理可知，在玻璃态到高弹态的转变区域，高聚物具有最优越的阻尼性能。而单一的高聚物只在很窄的玻璃化转变温域，一般的均聚物无法满足实际应用要求。为了得到具有宽玻璃化转变温域的乳液以满足阻尼涂料的需求，一般需要对高聚物乳液进行改性。常用的改性方法有共混改性、互穿聚合物网络和超支化聚合等三大类。

4.1.1 共混改性

将两种或以上的具有不同玻璃化转变温度的乳液通过物理共混来拓宽阻尼温域，是最常见的乳液改性方法之一。

天津的张金平等[14]选用玻璃化转变温度（Tg）为0℃和16℃的两种水性丙烯酸乳液复配，所制备的水性阻尼涂料的阻尼性能在20℃时可达0.28，远高于沥青阻尼板的检测结果。并发现配方中乳液的最佳含量为30%～40%，且该配方水性阻尼涂料在-10～50℃内均有良好阻尼性能。同济大学的陆文卿等[15]将丙烯酸醋乳液S2（Tg=-8℃）与苯丙乳液S1（Tg=22℃）共混，实验发现随着S2乳液加入量的提高，阻尼温域明显增加。当S2加入量为24%时，阻尼涂料的有效阻尼温域为-5.2～35.3℃，损耗因子峰值达0.481。

4.1.2 互穿网络改性

为了拓宽阻尼温域，通常采用阻尼系数较高的高聚物作为主基材和另一种Tg与之相差几十度的高聚物形成互穿聚合物网络（Interpenetrating Polymer Network，IPN），来达到扩大阻尼温域的目的。IPN由于热力学的不相容和物理缠绕的强迫相容这两种作用形成微相分离结果，其结构示意图[16]见图4，通过调节微相分离的程度，就可以得到玻璃化转变区域变宽、性能良好的阻尼材料。

图4 互穿聚合物网络的结构示意图

华南理工大学的阳红军[17]用多步乳液聚合法制得了核壳结构的聚苯乙烯（PS）/聚丙烯酸（PA）型胶乳互穿网络（Latex Interpenetrating Polymer Network，LIPN）。研究发现，为得到最佳阻尼性能，LIPN的乳液聚合物网络最佳质量比为50/50，并且研究了交联剂二乙烯基苯（DVB）用量对乳液阻尼性能的影响，发现LIPN乳液的阻尼性能随着DVB的用量先增强后减弱，DVB的最佳加入量为0.5%。动态粘弹谱仪（DMA）测试显示该乳液具有高达1.12的损耗因子、跨度为114.7℃的阻尼温域和较宽的损耗因子峰。

海军工程大学的晏欣等[18]采用种子乳液聚合法合成了聚苯乙烯/聚丙烯酸正丁醋(PS/PBA)室温界面自交联胶乳互穿聚合物网络。研究发现随着交联剂双丙酮丙烯酰胺（DAAM）的增加，阻尼性能降低；而随着交联剂甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）的增加，阻尼性能先增后降，GMA用量为5%时，LIPN的阻尼效果最佳，此时的最大损耗因子达到0.8，有效温域达到68℃。

4.1.3 超支化聚合改性

超支化聚合物一种具有三维树枝状结构并高度支化的大分子，其支化度小、几何异构体多、相对分子质量分布宽，含有大量的支链和端基。正是由于它拥有这种特殊的分子结构，使得其分子运动具有多重性，也使得超支化聚合物涂料能有具有良好阻尼性能的可能[11]。

安徽大学的周月娇等[19]以超支化聚氨酯（HBPU，结构图如图5所示）为交联剂，合成的水性聚氨酯/聚丙烯酸酯接枝乳液具有优良的阻尼性能，阻尼损耗因子tanδ约为0.75，温域范围约60℃。还发现超支化聚合物粘度小，反应易进行，有利于大规模生产，具有一定的实用价值。

图5 超支化聚氨酯结构图

4.2 填料对阻尼性能的影响

在水性阻尼涂料中加入填料能够增加填料与聚合物的内摩擦力以及填料与填料之间的摩擦力，能够有效增加涂料的阻尼性能。水性阻尼涂料配方中常见的填料有云母粉、碳酸钙、滑石粉、高岭土、各种纤维等，其中关于云母粉对阻尼性能的影响最为明显。

北京化工大学的王飞[20]研究了云母粉添加量对苯丙复合乳液为基材的阻尼涂料阻尼性能影响。结果表明随着云母粉的加入能十分有效的提高涂料的阻尼性能，就tanδ＞0.1对应的温域范围来看，云母粉添加量达到涂料质量分数30%时，tanδ＞0.1对应的温域范围较未加入云母时提高了81.7%。单悬臂梁测试结果表明，涂料最大损耗因子为0.458，tanδ＞0.1对应的温域范围为53.2℃。

4.3 助剂对阻尼性能的影响

水性阻尼涂料的制备过程中需要加入一定量的功能助剂，来改善涂料的施工条件、赋予涂料特殊功能等，常见的功能助剂有分散剂、消泡剂、偶联剂、阻燃剂、流平剂、防霉剂、防冻剂、防沉剂等。

上海大学的周婕等[21]采用半连续种子乳液聚合法，以阴离子、反应型乳化剂复配体系为复合乳化剂，引入A-171和KH-570两种硅烷偶联剂，并以双丙酮丙烯酰胺（DAAM）、己二酸二酰肼（ADH）作为交联单体，制备出自交联苯丙乳液。并且研究了A-171和KH-570两种硅烷偶联剂对乳液性能的影响，发现KH-570含量1%时，改性苯丙乳液在25～75℃区间具有显著的阻尼效果（tanδ＞0.3），阻尼温域约为50℃，约40℃达到阻尼峰值约为1.92。

青岛的李国英等[22]选用氮系（FR-101和MAM）、膨胀石墨（LM-8083）、复合型（FR-508A）、含卤型（HT-101）等4种阻燃剂，制备了一系列丙烯酸类阻尼材料。结果表明，阻燃剂对丙烯酸类阻尼涂料具有明显的阻燃效果，阻燃剂FR-101添加量为树脂用量的30%、阻燃剂MAM添加量为树脂用量的20%时能达到最佳阻燃效果；但阻燃剂FR-101和MAM加入阻尼材料中提高了材料的Tg，降低了Tg以下低温区的阻尼性能，提高了Tg以上高温区的阻尼性能，并且降低了材料的结构损耗因子峰值。