水性阻尼涂料的研制

2016-12-22张卫军张金平高之香李士学

粘接 2016年12期

关键词：消泡剂增稠剂分散剂

李崇，张卫军，张金平，高之香，李士学

（三友（天津）高分子技术有限公司，天津 300211）

水性阻尼涂料的研制

李崇，张卫军，张金平，高之香，李士学

（三友（天津）高分子技术有限公司，天津 300211）

介绍了一种水性阻尼涂料的制备方法，重点讨论了丙烯酸树脂、填料和助剂对产品性能的影响，确定了水性阻尼涂料的配方和生产工艺。水性阻尼涂料的最佳配方为：乳液60份、粉料34份、保湿剂2.5份、分散剂0.9份、增稠剂2份和消泡剂0.6份；所得产品在常温48 h内可以完全干透，涂膜外观良好无裂纹，附着力较好，产品减震效果较佳。

丙烯酸树脂；损耗因子；地铁

当前，世界地铁机车车辆的需求量处在不断增长期。在我国，地铁的新线建设也一直处于快速发展阶段[1]。地铁的发展给人们的出行提供了方便,但随之而来的噪声却给人们的生活环境带来负面影响,由于噪声污染的日益严重和大家对环保的逐步重视,地铁的噪声问题已经到了必须解决的时候[2]。水性阻尼涂料是一种发挥减振降噪功能的环保涂料。该涂料由丙烯酸乳液、阻尼颜填料、阻燃剂和助剂等组成。与吸声材料不同，这是一种主动降噪材料，其原理是将振动机械能转化为热能耗散掉，即从声（振）源上有效地控制振动和噪声[3]。水性阻尼涂料以水为分散介质，VOC含量较低，安全环保，作为水性涂料的一个分支，具有一般水性涂料的环保性能。目前国内外水性阻尼涂料有多种形式，如标准型水性阻尼涂料、低温型水性阻尼涂料、高温型水性阻尼涂料、宽温域型水性阻尼涂料、厚浆型水性阻尼涂料和烘烤型水性阻尼涂料等。应用领域也较多，如高速列车动车组、大型船舶、车辆、工业设备和建筑等领域。目前水性阻尼涂料的技术优势仍被国外大公司掌握，国内水性阻尼涂料厂家虽较多，但产品性能与国外产品还有很大差距。本试验拟研制一款宽温域的水性阻尼涂料，在兼顾其他性能的同时，在高、中和低温条件下均具有良好的阻尼减振性能。

1 实验部分

1.1 原料与设备

丙烯酸乳液[ACOUSTICRYLT MSD-22（50%）]，陶氏化学（中国）投资有限公司；丙烯酸乳液（R1）,江阴国联化工有限公司；苯乙烯-丙烯酸酯乳液（R2）,巴德富有限公司；消泡剂（NXZ）、分散剂（TAMOLT M1254），陶氏化学（中国）投资有限公司；纳米碳酸钙（STP1000目），上海卓越集团；云母粉（325目），滁州市珠龙广卫绢云母粉厂；膨胀剂（Expancel031WU40），上海舰邦实业有限公司；增稠剂[ACRYSOLT MASE-60（1：1 稀释）]，佛山市佳孚贸易有限公司；保湿剂丙二醇，工业级，天津市昶润商贸有限公司。

GJB系列真空搅拌釜，秦皇岛精本机械有限公司；动态热机械分析仪（DMA），德国耐驰仪器制造有限公司；HC30型脱泡分散机，深圳市汇沃科技有限公司。

1.2 工艺工程

（1）在盛有乳液的塑料盒中分别加入分散剂、消泡剂、保湿剂和增塑剂，并搅拌均匀。

（2）称取重钙、云母，分别少量多次加入到乳液中，每次加入后搅拌至无团聚物，颜色、黏度均匀为标准。

（3）加入多功能助剂，调节pH值为8～9。再将增稠剂与去离子水以1：1（质量比）混合均匀，少量多次滴加至乳液中，每次滴加后迅速搅拌均匀。

（4）在脱泡分散机中分散15 min。

（5）取出装罐。

1.3 性能测试

（1）涂膜外观：目测。

（2）干燥时间（实干）：按照GB/T 1728—1979标准进行测定。

（3）附着力：按照GB/T 9286—1998标准进行测定（划格法）。

（4）复合损耗因子（ηc）：按照GB/T 16406—1996标准进行测定。

2 结果与讨论

讨论单一组分对水性阻尼涂料涂抹外观、干燥时间和复合损耗因子的影响时，设定其为变量，其他组分保持不变。

2.1 乳液的选择

在水性涂料中占绝对优势的是乳胶涂料，其中丙烯酸酯类乳胶涂料因具有优异的光泽、硬度、丰满度、耐碱性和耐候性等性能而倍受关注。但丙烯酸酯类乳胶涂料同时存在一些不足，如最低成膜温度（MFT）偏高、抗回粘性和耐水性较差等。核壳结构乳液聚合是通过2步或多步复合乳液聚合方法制备的一种具有特殊结构的乳液聚合，在粒子级别上实现了不同性能聚合物的复合。与常规共聚物乳液相比，核壳结构乳液具有更优异的性能，如明显降低成膜温度、增加对底材的附着力、提高涂膜的耐水性等[4]。不同结构的乳液对产品性能的影响如表1所示。由表1可知：不同结构的丙烯酸乳液对产品的性能影响较大。相对而言，核壳型乳液性能较优，故选择核壳型共聚乳液做试验。

表1 不同结构的乳液对产品性能的影响Tab.1 Effects of emulsions with different structure on product performance

2.2 填料的选择

在各种阻尼材料中,高聚物以其较高的阻尼系数而成为首选材料，但单一的高聚物阻尼温域较窄，弹性模量过低，难以满足实际应用的需要[5]。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，Ogawa等[6]采用了在丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸甲酯共聚物中加入填料的方法，考查了填料的种类与形态对阻尼性能的影响。云母粉是一种层状结构的硅酸盐，结构由2层硅氧四面体夹着一层铝氧八面体构成的复式硅氧层，解理完全，可劈成极薄的片状。云母粉的用量与产品损耗因子的关系如图1所示。

图1 云母粉的用量与产品损耗因子的关系Fig.1 Relationship between mica powder amount and product loss factor

阻尼材料阻尼性能通常用损耗因子tanδ来表征。为了获得较好的减振效果，tanδ需满足2点要求：①在制品使用的频率范围和温度区间，tanδ值较大；②tanδ峰较宽，以保证在较大的范围内减振效果较好，降低其对温度和频率的敏感性[6]。从图1可见，当云母的质量分数为10%时，产品的阻尼性能相对最好。

2.3 保湿剂的选择

丙二醇的用量对干燥时间的影响如图2所示。由图2可知：随着丙二醇用量地不断增大，干燥时间也随之增加，相对最佳的干燥时间为48 h，此时表面无裂纹。所以丙烯酸的质量分数为2.5%较为合适。

图2 丙二醇的用量对干燥时间的影响Fig.2 Effect of propylene glycol amount on drying time

图3 增稠剂的用量与贮存性的关系Fig.3 Relationship between thickener amount and storage stability

2.4 分散剂的选择

分散剂的选择类型为羧酸共聚物型。在初步确定填料为云母和重钙后，通过黏度试验的方法确定最佳分散剂用量。试验方法如下：

（1）称取500 g水，加入研磨容器中；

（2）开动高速分散机，以最低速度搅拌；

（3）往水中加入云母、重钙直至形成高黏度浆料，记下加入云母、重钙的质量；

（4）取出大约250 mL的浆料，放入300 mL的塑料瓶中，并记录质量；

（5）用Brookfield黏度计以12 r/min测定起始黏度；

（6）加入0.05%（质量/质量，相对颜料固体份）的分散剂，准确记录质量，高速分散后再测定其黏度；

（7）重复步骤6直至达到最小黏度，然后在方格绘图纸上绘制不同分散剂用量所对应的黏度曲线。

最后确定分散剂用量为达到最低黏度点时用量的1.5倍。每次配方改变云母和重钙的含量后，都必须用此方法重新测定分散剂的用量。

2.5 增稠剂的选择

增稠剂用量决定了产品贮存稳定性。根据贮存稳定性的试验标准GB/T 6753.3的试验方法，首先确定增稠剂的含量，然后改变分散剂的用量进行试验。再次确定分散剂的含量，改变增稠剂的用量，重复进行试验。相对最佳增稠剂用量的混合物体系具有相对最佳的贮存稳定性，且随着增稠剂用量的增加，混合体系的贮存稳定性提高。但增稠剂增加到一定量后，产品稳定性能不增反减。由图3可知：当增稠剂用量在2%左右时，产品的贮存性相对最佳。

2.6 消泡剂的选择

表面张力越低，体系形成泡沫所需的自由能就越小，就越容易产生泡沫。但是这样的泡沫并不稳定，只有当体系中含有能形成弹性膜的表面活性物质，如：分散剂、增稠剂和流平剂等，泡沫才能稳定。一般含硅的消泡剂效果较好，消泡剂的用量一般控制在总量的0.1%～1%之间，因此消泡剂的质量分数为0.6%相对最佳。

3 结语

试验确定水性阻尼涂料的最佳配方为（质量份）：乳液60份、粉料34份、保湿剂2.5份、分散剂0.9份、增稠剂2份和消泡剂0.6份，所得制品在常温48 h内可以完全干透，涂膜外观良好无裂纹，附着力良好，产品减震效果良好。产品实现了在兼顾其他性能的基础上，高、中和低温均具有良好的阻尼减振性能，是一款宽温域的水性阻尼涂料，在地铁减震、降噪领域应用前景广阔。

[1]谢小海.世界地铁机车车辆市场的现状及展望[J].国外机车车辆工艺,2016,47(2):1-4.

[2]刘英杰,卢贤丰,刘世华.城市地铁噪声分析与控制[A]//全国噪声与振动控制工程学术会议[C].2005.

[3]佚名.水性阻尼涂料[J].化工时刊,2014, 28(9):44.

[4]甘孟瑜,刘娟,杨治国.核壳结构丙烯酸酯乳液的合成及性能研究[J].涂料工业,2005,35(6):7-10,64.

[5]李东亦,于翘.阻尼结构与高聚物阻尼材料[J].材料科学与工程,1995,13(2):1-13.

[6]OwagaT,NishikawaT,OsawaS.Vibrationdamping properties of butyl acrylate/methylmethacry late copolymer containing fillers[J]. Material Technology,1997,15(6): 21-22

[7]张友南,杨军,贺才春,等.阻尼材料的研究与应用[J].噪声与振动控制,2006,26(2):38-41.

Development of waterborne damping coating

LI Chong, ZHANG Wei-jun, ZHANG Jin-ping, GAO Zhi-xiang, LI Shi-xue
(Sanyou (Tianjin) Macromolecular Technology Co.,Ltd., Tianjin 300211, China)

A method of preparing an waterborne damping coating was introduced, focusing on the effects of acrylic resins, fillers and some additives on the product performance. The formulation and production processing of the damping coating were determined. The optimal formulation of the damping coating was as follows: emulsion 60 phrs, powder filler 34 phrs, humectant 2.5 phrs, dispersant 0.9 phrs, thickening agent 2 phrs and antifoaming agent 0.6 phrs. The generated products can be completely dried at room temperature for 48 h, and the coating film has uniform apperence without any cracks, higher adhesion and batter damping effects..

acrylic resin; loss factor; subway

TQ 331.4

1001-5922（2016）12-0051-04