水性甲板阻尼涂料的研制*

杨 丹，殷雯青，李秦龙，陈赛赛，沈国川，倪建平，武小荣,俞成丙**

(1．上海大学 高分子材料与工程系，上海 201800；2．太仓市兰燕甲板敷料涂料有限公司，江苏 太仓 215427)

阻尼材料作为一种复合材料，其工程化应用领域和范围越来越大，日益受到人们的重视，已经成为一种重要的功能材料，在工程机械、工民建筑、航天航空、运输交通等许多领域得到了十分广泛的应用[1-4]。由于可利用阻尼材料在转换状态时产生的高阻尼特性，耗散振动能量，将部分机械能转变为热能，从而抑制结构响应，有效地达到减振降噪目的[5]，因而阻尼材料在船舶中得到了广泛的应用[6-7]。

根据国际海事组织(IMO)提出的隔声船舶规范要求《船上噪声等级规则》，甲板阻尼涂料的开发和应用已成为甲板敷料发展的必要条件，以满足居住处所之间的隔声要求。太仓市兰燕甲板敷料涂料有限公司和上海大学通过大量研究和实验，开发出一款水性甲板阻尼涂料，并通过了三方机构有关船用产品的各项性能测试。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

特种苯丙乳液：LIPN型，中国化工橡胶株洲研究设计院；云母粉和重晶石粉：工业级，富阳云母制品厂；阻燃剂：无烟型，上海旭森非卤消烟阻燃剂有限公司；流变助剂：工业级，海川化工有限公司；其它涂料助剂：工业级，太仓市兰燕甲板敷料涂料有限公司。

傅立叶变换红外光谱仪：Magna-IR560E S P，美国尼高力(Nicolet)公司；明暗场金相显微镜：BXM-750，上海炳宇光学仪器有限公司；差示扫描热分析仪(DSC)：Q2000，美国TA仪器公司；实验分散机组：400 W，上海德雨机电设备有限公司；唧筒：外套由圆铁旋成，内径29.7 mm，深29 mm，容积20.07 mL，唧筒塞恰好放入外套内。

1.2 阻尼涂料的配制

将乳液按照规定的质量比放入容器中，低速搅拌规定的时间。加入部分涂料助剂，然后将填料、阻燃剂按一定质量比加入上一步配制的水性乳液中，先低速搅拌均匀，然后高速搅拌。再在上述溶液中加入其它涂料助剂，慢速搅拌，最后用增稠剂调节涂料的稠度，即制得水性甲板阻尼涂料。

1.3 涂料的性能测试

1.3.1 稠度测试

按照标准GBT1749—1979 《厚漆、腻子稠度测定法》对涂料的稠度进行测试。将试样装满唧筒，用塞子将涂料推出，用玻璃板中央，再将另一块玻璃板轻轻压上，在上面放置一个2 kg砝码，用秒表计时，1 min后测量试样扩展的直径(cm)即为阻尼涂料的稠度。

1.3.2 玻璃化转变温度(Tg)的测试

采用差示扫描热分析仪(DSC)进行测试，测试气氛为氮气，测试范围：-20～100 ℃，升温速率为 3 ℃/min，二次升温消除热历史。

1.3.3 涂膜的微观结构观察

将涂膜充分干燥，用细砂皮纸充分磨平，清净上面的粉尘后，放在明暗场金相显微镜对涂膜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 乳液的确定

在所有的阻尼材料中，目前研究最多、应用最广的是粘弹性阻尼材料，即高分子阻尼材料。水性涂料除降低涂料的成本外，还避免了因有机溶剂存在而导致的危害性，符合环保要求，且具有节约资源和能源的优点，因此水性涂料成为研究的热门和方向。

水性阻尼涂料是由特定功能的高分子材料、填料和助剂配制而成的。高分子材料兼有粘性液体的性质，在一定流动状态下可损耗能量。粘弹性是高分子材料的一个重要特性，高分子材料在受到交变力的作用下发生的滞后现象和力学损耗是其产生阻尼作用的根本原因。在玻璃化转变区(Tg)附近和适当的频率时，链段运动将与外力发生共振，会使内摩擦力增大，将出现一个内耗的极大值，这意味着该区是高分子用作阻尼材料的最佳使用温度区。因而，要开发一款性能优良的阻尼涂料，必须找到一款玻璃化转变温度(Tg)在使用温度区域的高分子乳液。

通过测试和比较各种乳液的玻璃化温度，确定了一款特种乳液配制的甲板阻尼涂料，该乳液是以苯乙烯和丙烯酸酯等多种单体共聚而成的多元共聚物，具有互穿网络结构，粒径大小均匀，机械、冻融、化学稳定性好，产品质量稳定，用它制成的涂料，具有很好的阻尼效果。用该乳液配制阻尼涂层的DSC曲线图见图1。

t/℃图1 特种乳液的DSC曲线

从图1可以看出，涂层的玻璃化转变温度(Tg)约20 ℃，并且其峰宽度较宽在10～30 ℃，说明非常适合配制常温使用的阻尼涂料，因而这款乳液完全符合本款阻尼涂料的技术要求。

2.2 填料的确定

在水性甲板阻尼涂料的组分中，除了有特定功能的高分子乳液外，填料对于涂料的阻尼性能也有着很大的影响。添加填料是扩大阻尼温域的方法之一，它可使玻璃化温度向高温方向移动，此外还有补强、降低成本的作用。填料填充于粘弹性的高分子体系，一方面它占据了高分子链段堆砌的空间，会降低低温区的阻尼值；另一方面，在玻璃化转变区，填料与聚合物及填料的摩擦作用随着分子运动而加剧，从而提高涂层的阻尼值，因此在水性甲板阻尼涂料中，加入一定比例的白云母作为阻尼功能填料。

涂层的密实程度直接影响着涂料的阻尼性能和隔音性能，如果制备的涂层结构疏松，则涂料的阻尼性能差，同时涂层的质量小，不利于隔音性能的提高。相反，如果能得到致密的涂层，则有利于获得较好的阻尼性能和隔音性能。

填料类型和粒径大小的选用对制得结构致密的涂层有重大的影响。不同粒径的白云母配比下制得的水性甲板阻尼涂料的涂层微结构见图2。

a

b

c

d图2 不同涂料形成的涂层微结构

图2a是 10份0.42 mm白云母、15份0.147 mm白云母配上75份0.044 mm重晶石得到的涂料，其涂层非常密实，较大的固体颗粒是0.42 mm白云母，中等大小的固体颗粒是0.147 mm白云母，均匀地散布在0.42 mm白云母周围，这些颗粒的旁边被更小的固体颗粒(0.044 mm重晶石)包围，并被连续的高分子连续相固定；图2b是10份0.42 mm白云母、15份0.075 mm白云母配上75份0.02 mm重晶石得到涂料形成涂层的微结构，与上面得到的涂层微结构非常相似，非常密实，但后者制得的水性甲板阻尼涂料的施工性不如前者，容易出现粘刮刀现象。另外，从该图也可以看出，20份0.42 mm白云母、20份0.147 mm白云母配上60份0.044 mm重晶石得到的涂层则微结构较为疏松，各种粒径的固体颗粒没有较好地堆砌在一起，结构上不如上面两款涂层紧凑(图2c)；而30份0.42 mm白云母、30份0.147 mm白云母配上40份0.044 mm重晶石得到的涂层结构最为疏松(图2d)。

2.3 稠度的调节

实际上，涂料的制备和应用与流变性能的关系很大，涂料的流变性质是构成漆膜外观和性能的重要影响因素之一。涂料组分很多，组分间相互作用极为复杂，这些相互作用都会影响流变性。它可影响到涂料贮存中的颜料沉底，施工中湿膜的流平性和流挂性，以及施工时的粘度，这些影响的最终结果将表现在干膜的质量上。

3329增稠剂为非离子聚氨酯缔合型增稠剂，在其溶于水后，其所带有的疏水性基团会破坏水本身的冰山结构，由于疏水基团有自发进行疏水相互作用的趋势，当不同分子上的疏水基团位于同一缔合结构时，不同水溶性聚合物分子就有可能相互连接在一起，以此类推，体系就可能形成一种立体网状结构，导致体系在静态时的粘度急剧上升，其增稠机理见图3。

图3 缔合增稠机理示意图

而1135增稠剂是在碱性环境下，由于增稠剂分子上的羧基离解，使其吸附水的能力急剧上升，从而导致体系的粘度上升。当这2种增稠剂配合使用时，3329增稠剂分子与乳液粒子通过疏水基团与乳液聚合物的疏水相互作用，使得3329增稠剂分子线团流体力学体积大大增加，体系粘度升高；1135增稠剂吸附网络的水分，稳定地分散在3329增稠剂分子与乳液粒子组成网络孔隙中，锁定其中的水分，从而形成一个稳定的涂料体系。

同样的特种乳液、填料及其它相关涂料助剂，不同流变助剂下制备的涂料稠度见图4。从图4中可以看出，1135和3329增稠剂均有较好的增稠效果，随着它们质量分数的增加，涂料的稠度下降明显。但这2种增稠剂的增稠性能是不同的，随着3329质量分数的增加，体系的稠度急剧变小，说明3329的增稠能力很强，而1135的增稠效果则比3329弱得多。但体系中不能没有1135，因为1135是通过吸附体系中的水而增稠，可以稳定体系中的水分。通过大量实验和比较后，认为加入质量分数1.3%的1135和质量分数0.5%的3329时涂料的性能最佳，此时涂料即便在钢板施涂到6 mm厚度时，也不会出现流挂现象，可以满足施工要求。

w(流变助剂)/%图4 w(流变助剂)对涂料稠度的影响

3 结 论

通过研究和实验，成功开发一种水性甲板阻尼涂料，该款阻尼涂料的玻璃化温度峰约为20 ℃，并且其峰宽宽度在10～30 ℃。经同济大学声学所按GB/T16406—1996的测试结果表明，常温下该款涂料的材料损耗因素tanσ达到0.47，复合损耗因子ηC达到了0.197，说明该款涂料具有很高的阻尼性能。涂层微结构分析表明，10份0.42 mm白云母、15份0.147 mm白云母配上75份0.044 mm重晶石得到的涂料，其涂层非常密实，具有较好的阻尼性能和隔音性能。不同类型的流变助剂混合使用，可以更好地满足施工要求。

[ 参 考 文 献 ]

[1] Weiguang Zheng,Yingfeng Lei,et al.Topology optimization of applied damping material for noise control[J].Advanced Materials Research,2013,629:530-535.

[2] Hajime Eguchi,Hiromitsu Masuda,et al.Improvement of damping performance by splitting damping material[J].Microsystem Technologies,2011,17(9):1497-1503.

[3] Osam Furuyau,Kengo Goda,et al.Study on new damping material for response control using urethane rubber[J].American Society of Mechanical Engineers,Pressure Vessels and Piping Division (Publication) PVP,2010，8:223-228.

[4] Marc Rébillat,Xavier Boutillon.Measurement of relevant elastic and damping material properties in sandwich thick plates[J].Journal of Sound and Vibration,2011,330(25):6098-6121.

[5] Weiyu Lu,Weihui Wang.Vibroacoustic attenuation effect of sandwich damping material on pipe flow noise[J].Journal of Marine Science and Technology,2009,17(1):34-41.

[6] 蔡国栋.船用阻尼材料应用概况及施工工艺探讨[J].材料开发与应用,2009,24(6):76-79.

[7] 孙巍,孙云,毛亮.新型高性能阻尼涂料的开发及应用研究[J].黑龙江科学,2010,1(2):55-57.