阻尼涂料原材料對阻尼性能的影響

張永勝，高之香，李建武

(三友(天津)高分子技術有限公司，天津 300211)

振動和噪聲給人們的生產生活帶來很大干擾。人們在乘坐汽車、火車等交通工具時，都希望獲得安靜的乘坐環境。精密電子儀器約有三分之一的故障是由意外振動產生的。抑制振動和降低噪聲的阻尼涂料，已經廣泛應用在交通工具和精密儀器等領域。

聲音是由振動產生的，減振、隔音的本質是降低材料的振動。當振動傳播到涂裝有阻尼涂料的表面時，內部高分子聚合物的分子間鏈段間、填料間以及高聚物與填料間相互摩擦，將振動的動能轉化為熱能耗散掉，從而造成振動衰減，這種衰減被稱為力學損耗，而產生力學損耗是材料阻尼作用的根本。

阻尼涂料原料主要有高分子聚合物、填料和助劑等，而聚合物作為涂料的基礎，對涂料的性能起決定性的作用。

1 聚合物對阻尼性能的影響

阻尼性能的好壞可從其阻尼峰值的高低和有效阻尼溫域等方面衡量[1]。阻尼峰值是由材料的內摩擦力決定的：內摩擦力越大，動能轉化為熱能越多，阻尼峰值越高；阻尼溫域越寬，材料使用溫度越廣，阻尼能力越優。因此，可以從提高阻尼峰值、拓寬阻尼溫域兩種辦法提升阻尼性能。

1.1 提高阻尼峰值

從聚合物角度增大內摩擦力，可以從改變分子鏈結構入手。

(1)增加主鏈的長度和柔性：聚合物主鏈越長、柔性越大，相互纏結能力就越強，外界振動時作用到材料表面時，摩擦阻力越大，力學損耗也就越大。因此，主鏈柔性越好，阻尼性能越優異。一般長鏈單體聚合可以得到柔性更好的聚合物，例如帶醚鍵單體。還可以通過在聚合物中接入硅氧鍵等基團，來提高分子鏈的柔性。此外，在聚合過程中加入擴鏈劑，同樣可以提高聚合物鏈段的柔性。

(2)側鏈的影響：聚合物分子鏈上引入支鏈，尤其是有較長的支鏈，可以使分子鏈間的纏繞程度更大。而支化程度越多，發生纏繞的面積就會越大，甚至形成部分互穿網格結構。同時，還可以在支鏈上引入柔性基團，柔性越大，支鏈越容易發生纏繞[2]。而側鏈的極性越大時，鏈段間的移動勢必需要消耗更多能量。這些都可以提高材料的力學損耗。

(3)交聯的影響：物理纏繞的方式增大分子間的摩擦，而通過化學鍵將分子鏈段交聯在一起，形成網絡結構，同樣可以有效地提高分子間的纏繞與摩擦。一般情況下交聯度越大，材料阻尼性能越越優異。當交聯網絡存在支鏈時，對提升阻尼性能更為明顯，同時還可以拓寬阻尼溫域[3]。

1.2 拓寬阻尼溫域

眾所周知，單一聚合物的阻尼溫域通常只有20～30 ℃，而冬夏氣溫差可超過60 ℃。因此，單一聚合物很難滿足使用要求。而高、低玻璃化溫度的聚合物搭配使用，可以擴寬材料的阻尼溫域[4]。新聚合物阻尼峰間的波谷變的平滑，形成連續的有效阻尼溫域。但并非玻璃化溫度的差值越大越好。Chen等[5]研究表明玻璃化溫度相差50 ℃時，混合體系的阻尼溫域可達到100 ℃，但當玻璃化溫度相差過大時，阻尼溫域變窄。

1.3 聚合物的制備方法

在阻尼涂料中，常用共混法、共聚法、互穿網絡法[6]獲取高性能的聚合物。

(1)共混法。將一定相容性的聚合物共混，得到宏觀均相，微觀分離結構的聚合物。原聚合物阻尼峰間的波谷連接到一起，形成新的阻尼溫域[7]。波谷間的平滑程度受相容性影響。完全相容的組分，只有一個較窄的阻尼峰；完全不容的組分，是完全獨立的阻尼峰；只有部分相容的聚合物，其阻尼峰間的波谷才會相連到一起，且相容性越好波谷弧度越小，從而越適合用于拓寬阻尼溫域[6]。共混法的優點是制備簡單，經濟易得。缺點是阻尼性能極大的依賴組分的相容性。

(2)共聚法。包括接枝共聚和嵌段共聚。接枝共聚是將小分子基團作為側鏈接枝到聚合物主鏈上。嵌段共聚是將兩種或兩種以上，具有一定玻璃化溫度差值的聚合物鏈段，連接到一起形成新的聚合物主鏈。共聚法可以增大聚合物的內聚能和阻尼值[8]。由于聚合物鏈段是化學鍵鏈接，合成難度較大。共聚法的優點是不受組分相容性的影響；可以在分子層面上設計和制備需要的聚合物。

(3)互穿網絡法。由兩種或兩種以上的聚合物相互貫穿而形成的一種交織網狀結構，起到強迫互溶和協同作用，使不相容或難以共聚的聚合物形成物理纏繞，既可以增大分子內摩擦力，又可以有效的拓寬阻尼溫域[6]。例如，Sperling等[9]用PMMA(Tg=-27.7 ℃)和PBA(Tg=135.7 ℃)制備沒有形成互穿網絡結構的聚合物，其tanδ>0.3的阻尼溫域為120.7～141.8 ℃之間。溫域值僅為21.1 ℃。而Li等[4]引入丙烯腈結構單元，使材料形成互穿網絡結構，使得tanδ>0.4的有效阻尼溫域為-50～72.6 ℃。溫域值為112.6 ℃。互穿網絡法可以明顯的提高阻尼峰值和阻尼溫域。但高成本的缺點也是顯而易見的。

2 填料對阻尼性能的影響

填料分散在聚合物中，可以增大分子鏈段的摩擦力，而填料具有溫度惰性，因此，適當的加入填料即可以提高阻尼峰值，還可以拓寬阻尼溫域。此外填料還可以提高力學性能、降低成本。

2.1 填料的種類對阻尼性能的影響。

云母是阻尼材料中最常用的填料，尤其是片層結構的濕法云母。片層結構比表面積較大，與聚合物分子的摩擦面積增大，從而提供更多的摩擦力。但并非所有的片層填料對阻尼性能都有提升，如片狀玻璃粉會降低阻尼性能，可能是由于其比重較大，造成局部顏基比過高導致的[10]。而低比重的空心玻璃微珠可以提高阻尼性能[11]。

2.2 填料形貌、添加量對阻尼性能的影響

不同結構的填料形成的界面不同，與分子鏈段的作用方式也不相同[12]。如：纖維類填料的纖維長度越長，對阻尼性能提高越大[13]；云母的粒徑減小，材料的最大阻尼值減小，使用溫域增大[14]。隨填料加入量的增多，阻尼性能呈先升高后降低的趨勢。這是由于少量填料對提高材料內部的內摩擦有利，當填料加入到一定量，造成材料粘結性下降，導致阻尼性能的降低。

3 助劑對阻尼性能的影響

助劑用量雖小，但產品整體性能影響較大。例如，消泡劑可以消除氣泡，減少由結構缺陷引起的阻尼性能下降；潤濕劑、分散劑、抗沉降劑等，可以使填料更加均勻的分布在材料中并且穩定存在，解決由于局部的顏基比的差異導致阻尼性能的下降。此外，像防銹劑、防腐劑、防凍劑、成膜劑等，通過改變材料的微觀結構，提升阻尼性能和使用性能。因此，助劑是涂料阻尼性能的重要保障。

除了上述涂料組成對材料阻尼性能影響外，涂膜厚度對材料的阻尼性能影響也很大，通常狀況下，涂膜厚度越厚，阻尼效果越明顯。例如，涂覆在軌道車輛的中的阻尼涂料，只有達到一定厚度，才能起到良好的減振降噪的作用。

4 結 語

為了獲得高阻尼性能的材料，聚合物需要具有：高柔性的較長主鏈；較大極性、高支化度的柔性側鏈；高交聯度。聚合物制備可以根據使用性能要求進行選擇。填料可以選擇片狀的濕法云母、空心玻璃微珠等，但需要確定最優添加量。助劑的加入可以解決材料的結構性缺陷、提升穩定性、改變微觀結構等，從而提升阻尼性能。

阻尼涂料相比于其他方式的減振降噪，具有經濟快捷，使用方便等優點。目前基于環保要求，高有機揮發物的阻尼材料已經逐漸退出市場，而水性材料還存在諸多問題。市面上較高性能的水性阻尼涂料大部分都是進口或是外資產品。為了縮短國內外產品性能的差距，對于從業者來說任重而道遠。