阻尼涂料原材料对阻尼性能的影响

张永胜，高之香，李建武

(三友(天津)高分子技术有限公司，天津 300211)

振动和噪声给人们的生产生活带来很大干扰。人们在乘坐汽车、火车等交通工具时，都希望获得安静的乘坐环境。精密电子仪器约有三分之一的故障是由意外振动产生的。抑制振动和降低噪声的阻尼涂料，已经广泛应用在交通工具和精密仪器等领域。

声音是由振动产生的，减振、隔音的本质是降低材料的振动。当振动传播到涂装有阻尼涂料的表面时，内部高分子聚合物的分子间链段间、填料间以及高聚物与填料间相互摩擦，将振动的动能转化为热能耗散掉，从而造成振动衰减，这种衰减被称为力学损耗，而产生力学损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、填料和助剂等，而聚合物作为涂料的基础，对涂料的性能起决定性的作用。

1 聚合物对阻尼性能的影响

阻尼性能的好坏可从其阻尼峰值的高低和有效阻尼温域等方面衡量[1]。阻尼峰值是由材料的内摩擦力决定的：内摩擦力越大，动能转化为热能越多，阻尼峰值越高；阻尼温域越宽，材料使用温度越广，阻尼能力越优。因此，可以从提高阻尼峰值、拓宽阻尼温域两种办法提升阻尼性能。

1.1 提高阻尼峰值

从聚合物角度增大内摩擦力，可以从改变分子链结构入手。

(1)增加主链的长度和柔性：聚合物主链越长、柔性越大，相互缠结能力就越强，外界振动时作用到材料表面时，摩擦阻力越大，力学损耗也就越大。因此，主链柔性越好，阻尼性能越优异。一般长链单体聚合可以得到柔性更好的聚合物，例如带醚键单体。还可以通过在聚合物中接入硅氧键等基团，来提高分子链的柔性。此外，在聚合过程中加入扩链剂，同样可以提高聚合物链段的柔性。

(2)侧链的影响：聚合物分子链上引入支链，尤其是有较长的支链，可以使分子链间的缠绕程度更大。而支化程度越多，发生缠绕的面积就会越大，甚至形成部分互穿网格结构。同时，还可以在支链上引入柔性基团，柔性越大，支链越容易发生缠绕[2]。而侧链的极性越大时，链段间的移动势必需要消耗更多能量。这些都可以提高材料的力学损耗。

(3)交联的影响：物理缠绕的方式增大分子间的摩擦，而通过化学键将分子链段交联在一起，形成网络结构，同样可以有效地提高分子间的缠绕与摩擦。一般情况下交联度越大，材料阻尼性能越越优异。当交联网络存在支链时，对提升阻尼性能更为明显，同时还可以拓宽阻尼温域[3]。

1.2 拓宽阻尼温域

众所周知，单一聚合物的阻尼温域通常只有20～30 ℃，而冬夏气温差可超过60 ℃。因此，单一聚合物很难满足使用要求。而高、低玻璃化温度的聚合物搭配使用，可以扩宽材料的阻尼温域[4]。新聚合物阻尼峰间的波谷变的平滑，形成连续的有效阻尼温域。但并非玻璃化温度的差值越大越好。Chen等[5]研究表明玻璃化温度相差50 ℃时，混合体系的阻尼温域可达到100 ℃，但当玻璃化温度相差过大时，阻尼温域变窄。

1.3 聚合物的制备方法

在阻尼涂料中，常用共混法、共聚法、互穿网络法[6]获取高性能的聚合物。

(1)共混法。将一定相容性的聚合物共混，得到宏观均相，微观分离结构的聚合物。原聚合物阻尼峰间的波谷连接到一起，形成新的阻尼温域[7]。波谷间的平滑程度受相容性影响。完全相容的组分，只有一个较窄的阻尼峰；完全不容的组分，是完全独立的阻尼峰；只有部分相容的聚合物，其阻尼峰间的波谷才会相连到一起，且相容性越好波谷弧度越小，从而越适合用于拓宽阻尼温域[6]。共混法的优点是制备简单，经济易得。缺点是阻尼性能极大的依赖组分的相容性。

(2)共聚法。包括接枝共聚和嵌段共聚。接枝共聚是将小分子基团作为侧链接枝到聚合物主链上。嵌段共聚是将两种或两种以上，具有一定玻璃化温度差值的聚合物链段，连接到一起形成新的聚合物主链。共聚法可以增大聚合物的内聚能和阻尼值[8]。由于聚合物链段是化学键链接，合成难度较大。共聚法的优点是不受组分相容性的影响；可以在分子层面上设计和制备需要的聚合物。

(3)互穿网络法。由两种或两种以上的聚合物相互贯穿而形成的一种交织网状结构，起到强迫互溶和协同作用，使不相容或难以共聚的聚合物形成物理缠绕，既可以增大分子内摩擦力，又可以有效的拓宽阻尼温域[6]。例如，Sperling等[9]用PMMA(Tg=-27.7 ℃)和PBA(Tg=135.7 ℃)制备没有形成互穿网络结构的聚合物，其tanδ>0.3的阻尼温域为120.7～141.8 ℃之间。温域值仅为21.1 ℃。而Li等[4]引入丙烯腈结构单元，使材料形成互穿网络结构，使得tanδ>0.4的有效阻尼温域为-50～72.6 ℃。温域值为112.6 ℃。互穿网络法可以明显的提高阻尼峰值和阻尼温域。但高成本的缺点也是显而易见的。

2 填料对阻尼性能的影响

填料分散在聚合物中，可以增大分子链段的摩擦力，而填料具有温度惰性，因此，适当的加入填料即可以提高阻尼峰值，还可以拓宽阻尼温域。此外填料还可以提高力学性能、降低成本。

2.1 填料的种类对阻尼性能的影响。

云母是阻尼材料中最常用的填料，尤其是片层结构的湿法云母。片层结构比表面积较大，与聚合物分子的摩擦面积增大，从而提供更多的摩擦力。但并非所有的片层填料对阻尼性能都有提升，如片状玻璃粉会降低阻尼性能，可能是由于其比重较大，造成局部颜基比过高导致的[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、添加量对阻尼性能的影响

不同结构的填料形成的界面不同，与分子链段的作用方式也不相同[12]。如：纤维类填料的纤维长度越长，对阻尼性能提高越大[13]；云母的粒径减小，材料的最大阻尼值减小，使用温域增大[14]。随填料加入量的增多，阻尼性能呈先升高后降低的趋势。这是由于少量填料对提高材料内部的内摩擦有利，当填料加入到一定量，造成材料粘结性下降，导致阻尼性能的降低。

3 助剂对阻尼性能的影响

助剂用量虽小，但产品整体性能影响较大。例如，消泡剂可以消除气泡，减少由结构缺陷引起的阻尼性能下降；润湿剂、分散剂、抗沉降剂等，可以使填料更加均匀的分布在材料中并且稳定存在，解决由于局部的颜基比的差异导致阻尼性能的下降。此外，像防锈剂、防腐剂、防冻剂、成膜剂等，通过改变材料的微观结构，提升阻尼性能和使用性能。因此，助剂是涂料阻尼性能的重要保障。

除了上述涂料组成对材料阻尼性能影响外，涂膜厚度对材料的阻尼性能影响也很大，通常状况下，涂膜厚度越厚，阻尼效果越明显。例如，涂覆在轨道车辆的中的阻尼涂料，只有达到一定厚度，才能起到良好的减振降噪的作用。

4 结 语

为了获得高阻尼性能的材料，聚合物需要具有：高柔性的较长主链；较大极性、高支化度的柔性侧链；高交联度。聚合物制备可以根据使用性能要求进行选择。填料可以选择片状的湿法云母、空心玻璃微珠等，但需要确定最优添加量。助剂的加入可以解决材料的结构性缺陷、提升稳定性、改变微观结构等，从而提升阻尼性能。

阻尼涂料相比于其他方式的减振降噪，具有经济快捷，使用方便等优点。目前基于环保要求，高有机挥发物的阻尼材料已经逐渐退出市场，而水性材料还存在诸多问题。市面上较高性能的水性阻尼涂料大部分都是进口或是外资产品。为了缩短国内外产品性能的差距，对于从业者来说任重而道远。