聚氨酯基约束阻尼复合材料的制备及性能研究*

王绍宸，郭艳宏

科研与开发

聚氨酯基约束阻尼复合材料的制备及性能研究*

王绍宸，郭艳宏*

（哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，黑龙江哈尔滨150001）

研究了以聚醚多元醇、甲苯二异氰酸酯以及正丁基醇为原料，通过预聚体法合成聚氨酯预聚物，将其与功能填料混合制备聚氨酯基阻尼层材料。利用动态力学热分析仪（DMA）对阻尼层材料样品热性能进行了研究。将该阻尼材料与纤维复合铝箔复合制备了复合约束型阻尼材料。利用模态测试对其进行放大样品阻尼比测试。实验结果表明，复合约束阻尼材料的阻尼比达到20.03，较市售阻尼材料阻尼比（8.64）提高近一倍。

聚氨酯；弹性体；约束阻尼；复合材料

由于高铁及大型机械等的振动噪声污染不可忽视，尤其低频噪声对人体的危害尤其严重。阻尼减振降噪技术是吸收噪声和振动极为有效的方法之一[1]。聚合物基阻尼材料因具有可设计性及其耗能的性质，而被广泛应用于现代航空、航天、航海、交通运输、大型机械设备等各大领域，控制由机械振动而产生的振动、噪声及疲劳失效等问题，长期以来是阻尼材料的研究热点[2-7]。

高铁厢板采用的是沥青基阻尼材料，其有如下缺点：高温下有异味；低温时材料变硬，阻尼效果降低；且沥青基阻尼材料属于自由阻尼结构，减振降噪效果有限。本文采用约束阻尼结构，利用分子链的内摩擦以及基体材料与约束层间约束振动协同阻尼减振机制，研制了约束结构聚氨酯复合阻尼材料。本文采用自制阻尼材料作为阻尼层，采用改性环氧作为约束层，并对阻尼层进行一系列表征探究，并对不同约束层对阻尼结构的阻尼性的影响进行探索，得到工程上最适阻尼结构材料。

1 实验部分

1.1 原料及仪器

聚氧化丙烯二醇2000（PPG2000）、聚氧化丙烯二醇1000（PPG1000）、三羟甲基丙烷（TMP）、聚醚胺类固化剂（D2000），以上均为工业级；甲苯二异氰酸酯（TDI）、正丁醇（n-butanol）、环氧树脂（E-44）、二甲硫基甲苯二胺（DADMT）、盐酸、二正丁胺，以上均分析纯；玄武岩（BASALT）；蛭石（Vermiculite）。

DMA 50型环境力学测试分析仪（法国METRAVIB公司）；DMA+450型材料动态力学粘弹谱仪（法国METRAVIB公司）；FT-IR Spectrum100型傅里叶红外光谱仪（美国Perkin Elmer公司）；FEI Sirion 200型扫描电子显微镜（荷兰Philips公司）；209F3型热重分析仪（德国耐驰仪器制造有限公司）；FA2004型电子分析天平（上海精密科学仪器有限公司）；ZD-2型电位滴定仪（上海精密科学仪器有限公司）；真空干燥箱数据采集分析仪（上海一恒科学仪器有限公司美国B*K公司）；冲击力锤（美国B*K公司）。

1.2 具有约束结构复合阻尼材料制备

1.2.1 阻尼层制备本试验室自制聚氨酯预聚体制备1～2mm厚阻尼材料待用。

1.2.2 约束层制备约束层分别采用环氧树脂复合材料、不同厚度的纤维复合铝箔。

环氧树脂复合材料以聚醚胺、二甲硫基甲苯二胺为固化剂、E-44环氧树脂、玄武岩、蛭石等制备2～4mm复合环氧材料作约束层待用。

不同厚度的纤维复合铝箔约束层以单层纤维铝箔多层复合作为约束层待用。

1.2.3 复合组材料制备选取不同材料制备的约束层与阻尼层经粘接复合，制成约束阻尼结构。

2 表征

对聚氨酯复合阻尼材料制备前后材料样品进行红外分析，红外图谱采用美国VARIAN公司的FT-IR 200型红外光谱仪进行测试，频率范围为400～4000cm-1，分辨率为4cm-1。

对割草机进行节能优化前，首先需要知道优化前刀片的消耗功率。采用Fluent对割草机的流场进行了分析，设置刀片的旋转速度为3 200 r/min，流场稳定后一个旋转周期内刀片上的扭矩如图8所示。刀片2(中间刀片)上的扭矩较大，扭矩约为1.56 N·m，且呈较明显的周期性变化；刀片1(出口侧)和刀片3(封闭侧)上的扭矩较小；刀片3上的扭矩在1.5 N·m附近变动，刀片1上的扭矩在1.48～1.5 N·m之间变动。

图1中，图（a）为TDI-80的红外光谱图，图（b）为聚氨酯基阻尼材料的红外光谱图。

图1 聚氨酯基阻尼材料及TDI-80红外光谱Fig.Infrared spectra polyurethane pre polymers before and after reaction）

由图1（a）可知，2265cm-1处为对应-NCO基团的不对称伸缩振动峰，1380cm-1附近对应-NCO基团的对称伸缩振动峰；图1（b）表明，-NCO基团在2265cm-1处的不对称伸缩振动峰完全消失，可见聚氨酯基阻尼材料试样中-NCO基团不存在，说明-NCO基团在基体制备过程中反应完全。图1（b）接聚氨酯基阻尼材料的红外图谱上，3304cm-1、1223cm-1、1729cm-1分别对应N-H键、C-O键和C=O键的伸缩振动峰，对比于图1（a），证明-NCO与-OH充分反应生成了-NHCOO-（氨基甲酸酯）键，此为聚氨酯的特征基团。

3 结果与讨论

3.1 聚氨酯基阻尼材料DMA测试结果

对聚氨酯基阻尼材料进行DMA动态力学测试，采用法国METRAVIB公司生产的DMA50型号环境力学测试分析仪与DMA+450型号动态粘弹谱仪对材料的动态力学性能进行表征。测试结果见图2。

图2 聚氨酯基阻尼材料DMA测试结果图Fig.2Polyurethane damping material DMA test result

图2 （a）表明，在阻尼温域内该复合阻尼材料的最大储能模量为4.0×106Pa。

图2（b）表明，阻尼材料的损耗因子峰值（tanδ=0.958）阻尼温域为-11.17～34.86℃。

3.2 复合约束阻尼材料的阻尼性能对复合约束阻尼材料进行模态测试，模态测试使用冲击力锤（B&K 8206-003）、数据采集分析仪（B&K 3053B-012）、单向ICP加速度计（B&K 4508B）利用锤击法分别测量钢板在无阻尼以及附加不同阻尼涂层情况下的自由模态并对阻尼大小进行评价。试件采取自由悬挂的方式，锤击方向以及加速度传感器的测量方向与试件所在平面垂直。试件上均匀布置6个测点，用6个单向的ICP传感器测量在脉冲激励下试件的加速度响应，脉冲激励由冲击力锤产生，脉冲信号由力锤内置的力传感器测量，并与加速度信号一起被数据采集分析仪采集，各项模态参数经配套分析软件计算，结果见图3、4。

3.2.1 填料对阻尼性能影响

图3 不同样本各阶固有频率对应的模态阻尼比Fig.3Different samples of each order natural frequency corresponding to the modal damping ratio

表3 不同阻尼层与约束层对应的阻尼比Tab.3Different damping layer and constraint layer corresponding to damping ratio

由图3及表3表明，以玄武岩为填料的阻尼层材料的阻尼效果要高于以蛭石为填料的阻尼层材料；以玄武岩+环氧树脂+纤维布为约束层阻尼比最大，为53.55，阻尼比随着玄武岩含量的增加而增加，当玄武岩含量为30%时，达到峰值。

3.2.2 约束层类型对材料阻尼性能的影响

图4及表4表明，随着纤维复合铝箔的厚度增加，自制阻尼材料的阻尼比有显著的提高。4号样本阻尼比最高，为20.03，比沥青基阻尼（8.64）提高了一倍以上。环氧树脂基约束材料，阻尼比高，阻尼减振效果显著，但其质量大；而纤维复合铝箔虽阻尼比低于环氧及约束阻尼材料，但具有良好的工艺性能，易弯曲，质量小，这对于具约束结构的阻尼材料的轻量化具有重要意义。

图4 不同样本对应的总体模态阻尼比Fig.4Different samples corresponding to the overall modal damping ratio

表4 不同约束层对应的阻尼比Tab.4Different constrained layer corresponding to damping ratio

4 结论

自制复合约束阻尼材料的阻尼比分别为53.55和20.03，阻尼比随着玄武岩含量的增加而增加，当玄武岩含量为30%时，达到峰值；市售阻尼材料样品阻尼比为8.64。可见自制复合约束阻尼材料的阻尼效果显著优于市售阻尼材料。

［1］顾远，罗世凯，周秋明．聚氨酯阻尼材料的研究进展［J］.化学推进剂与高分子材料，2011，9（1）：46-54．

［2］孟丹.约束阻尼复合材料的制备及性能研究［D］.武汉理工大学博士学位论文，2010.

［3］戴德沛.阻尼减振降噪技术［M］.清化大学出版社，1991.

［4］霍冀川，雷永林，王海滨，等．玄武岩纤维的制备及其复合材料的研究进展［J］.材料导报，2006，20（5）：382-385．

［5］尚宝月，杨绍斌.玄武岩纤维聚合物复合材料的研究进展［J］.化工进展，2011，30（8）：1766-1771．

［6］Liu Q,Shaw MT,ParnasRS.Investigation of basalt fiber composite aging behavior for applications in transportation［J］.Polymer Composites,2006,27（5）:475-483.

［7］Czigány T.Discontinuous basalt fiber-reinforced hybrid composites［J］.Polymer Composites,2005:309-328.

Preparation and properties of polyurethane-based damping composite material constraints*

WANG Shao-chen,GUO Yan-hong*
（College of Materials Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China）

A composite damping material based on polyurethane was prepared.The damping layer was prepared by utilizing polyether polyol,toluene diisocyanate and n-butyl alcohol as raw materials.The prepared damping layer was combined with a fiber reinforced aluminum film to produce the composite constraint damping materials.The damping property of the material was studied by DMA and damping modal test.The experimental results showed that the damping ratio of the composite material reached 20.03,much higher than the damping ratio of the commercial material（8.64）.

polyurethane;elastomers;constrained damping;composites

TQ316.33

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170201

2016-10-10

国家大学生创新训练项目（No.GK210002063533）

王绍宸（1993-），男，2013级在读本科生，化学工程与工艺专业，研究方向:高分子材料。

郭艳宏