水性阻尼涂料的阻尼性能研究与应用发展

李梦 徐梓轩 赵欣 解傲寒 邢一龙

摘要：介绍了水性阻尼涂料的阻尼机理及3种主要组成成分，探究了为了提升水性阻尼涂料的阻尼性能，拓宽其阻尼温域而采用的改性方法，主要总结了共混、互穿聚合物网络、分子超支化和常规填料填充等改性方法及其相关研究，助剂的种类以及用量对于涂料阻尼性能的影响，最后简述了水性阻尼涂料应用领域。

关键词：水性阻尼涂料;改性方法;应用

中图分类号：TQ637 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）02-0001-06

随着现代社会经济、科技和工业的不断发展，因为机械工作而产生的振动和噪音问题越来越受到关注，剧烈的机械振动和噪音会对机械本身产生损害，降低机械质量，影响设备精度，缩短工作寿命，同时巨大的噪声也会对人体造成伤害。因此，人们需要寻找一种办法来解决这些问题，使得阻尼材料应运而生。阻尼材料是能够将固体机械振动能转变为热能的材料，被广泛地应用于减振和降噪吸声。常用的阻尼材料按产品状态可分为片状阻尼材料，复合阻尼材料和阻尼涂料。阻尼涂料又可分为水性阻尼涂料和溶剂型阻尼涂料。早期的阻尼涂料主要采用沥青基体和特定填料制成，由于油性的沥青基阻尼涂料含有大量的挥发性有机物（volatile Organic Compound，VOC），对环境污染较大，还对人体健康造成损害，已经被逐渐淘汰，取而代之的则是水性阻尼涂料。

水性阻尼涂料一般由高分子乳液、助剂、填料等组成。高分子乳液是水性阻尼涂料的基础，也是阻尼性能的主要提供者，不同的助剂和填料对涂料的各方面性能有着不同的改变。水性阻尼涂料具有以下优点：①可喷涂，不受施工基材形状的限制;②水性阻尼涂料是以水为分散介质，甲醛和VOC含量很少，环保安全，对环境友好;③粘度高，可厚涂施工，自然干燥过程中不会出现开裂现象。因此，水性阻尼涂料在汽车、铁道客车、舰船船舶、航空航天、机械设备和建筑等领域有着广泛的应用前景。

1阻尼机理

阻尼涂料的高分子基体材料是一种粘弹性材料，在交变应力的作用下，会产生形变滞后于应力变化的现象，在每个应力循环的过程中都会有能量的损耗。当噪声或振动传递到高分子材料时，机械振动会被转化成链段或大分子链的运动，然后通过分子间的内摩擦，把机械能转化为热能，从而起到阻尼的效果。通常用损耗因子tan8（形变落后于应力的相位切角的正切值）的大小来衡量阻尼性能。

tanδ=E/E （1）

其中E“为虚数模量，即损耗模量，反应材料变形时能量损耗的大小;E为实数模量，即储能模量，反应材料变形时能量储存的大小。

一般情况下，在阻尼涂料的高分子基体材料处于玻璃态转变温度附近时，由于其模量大幅度下降，具有较高的损耗因子，可以吸收大量的振动能量，因而表现出较为显著的力学阻尼特性。工程实践表明，为满足实际应用的需求，良好的阻尼材料应在至少应在60～80°C的温度范围内表现出较高的损耗因子（tanδ>0.3）。因此，通常也把tanδ>0.3時对应的温度范围称作有效阻尼温域。

2改性方法

为了提高水性阻尼涂料的阻尼性能，拓宽其阻尼温域，人们进行了大量研究，相关方面的研究报道也较为丰富。这些报道主要集中在共混、共聚、互穿聚合物网络、分子超支化和常规填料填充等水性涂料改性方法的研究方向上。

2.1共混

共混法是将两种或多种乳液进行物理共混的方法，用共混法制备宽温域、高损耗因子的关键是：首先，进行共混的各个聚合物必须有高的损耗因子;其次，聚合物之间需要有一定的相容性，共混后，相容性好的共混物玻璃化转变温度峰还是表现为单一的，相容差或不相容的表现出的则不是单一的峰，也就达不到拓宽阻尼温域的目的。

张金平等用玻璃化转变温度（Tg）为0℃和16℃的2种水性丙烯酸乳液共混作为基料，研制得到了在-10～50℃内均有良好阻尼性能的烘烤型水性阻尼涂料。并发现乳液含量在30%～40%时损耗因子较大，在20℃时可达0.28。张鹏等用玻璃化转变温度为0℃的乳液R1和玻璃化转变温度为42℃的乳液R2共混，发现当R1：R2的质量比为2：1时，其阻尼温域最宽，达到20～60℃。陆文卿等将苯丙乳液s1（Tg=22℃）和丙烯酸酯乳液S2（Tg=-8%）共混，实验得到当s2在乳液总量中占比60%时，涂料的有效阻尼温域最宽，为-5.2～35.3℃，损耗因子峰值达0.481。张晓君等通过乳液共混法将丙烯酸乳液R1与苯乙烯一丙烯酸酯乳液R2按40：10的比例进行共混时，可得到一个-5-50～C的有效阻尼温域。

除了基本的二元共混外，多元共混也有大量的研究报道。章波等将纯丙乳液、聚乙烯醇乳液、聚醋酸乙烯乳液进行共混，并加人其他填料和助剂，得到了阻尼温域一为30℃～90℃的水性阻燃阻尼涂料。李国英等将具有核壳结构的苯丙乳液（R2-2、R2-3）和具有IPN结构的丙烯酸乳液R3-1按1：1：1的质量比共混，得到的乳液有效温域明显拓宽，并且损耗因子曲线依然是单峰分布。蒋巍将乳液A（Tg=45℃）、乳液B（Tg=0℃）和乳液c（Tg=-20℃）按质量比为1：2：1共混，得到的乳液阻尼温域明显扩宽，使得在-30～40℃条件下，涂料具有良好的阻尼性能。Wang等睬用自制的3种水性丙烯酸按1：1：1进行共混，发现制得的水性阻尼涂层在-10℃、20℃和50℃时均能满足要求。在50℃高温下，涂层的损耗因子较高，具有较好的阻尼性能。

2.2互穿聚合物网络（IPN）

互穿聚合物网络（Interpenetrating Polymer Net-works，IPN）是由两种或多种各自交联和相互穿透的聚合物网络组成的高分子混合物。其合成方法主要有同步法和分步法两种。IPN含有能够使两种或两种以上的高分子聚合物形成强迫相容的互穿网络，使不同类型聚合物的分子相互缠结成一个整体，能够获得有较宽的玻璃化转变温度范围和更好的阻尼性能的新型高分子基体材料。现在主要的IPN类别有丙烯酸酯LIPN、苯乙烯一丙烯酸酯LIPN、聚氨酯一丙烯酸酯LIPN、醋酸乙烯酯一丙烯酸酯LPIN等。

唐冬雁等选用聚醚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯为基，形成了互穿聚合物网络体系，并通过改变组分比例，研究得出，当聚醚氨酯与聚甲基丙烯酸甲酯组分比为40：60时，IPN体系的阻尼性能较好，玻璃化温度范围在-10-50℃时，损耗因子范围为0.1-0.2。

阳红军用多步乳液聚合法制得了核壳结构的PS/PA型LIPN。并且研究了交联剂（DVB）用量和聚合物网络配比等对乳液阻尼性能的影响，发现只有在乳液合成的两个阶段中都加入交联剂，才能形成完整的网络结构，当不加入交联剂时，核层与壳层会出现相容性问题，导致DMA图上出现两个损耗因子峰。当加入交联剂时，不同的聚合物分子就会相互缠绕从而形成互穿网络结构，DMA图上就只有一个损耗因子峰出现，阻尼性能也大大提高。但是随着交联剂含量的增加，阻尼性能反而下降，最优的交联剂添加量为0.5%。而不同网络配比也会改变乳液的阻尼性能，若软相聚合物过多，会导致两个损耗因子峰的出现;若硬相聚合物过多，则会使损耗因子峰向着高温转移。晏欣等采用种子乳液聚合法合成了聚苯乙烯一聚丙烯酸正丁酯（PS/PBA）胶乳互穿聚合物网络。并发现随着交联剂DAAM的增加，最大损耗因子下降，有效温域减少。而随着交联剂GMA的增加，最大损耗因子减小，而有效温域先增后降，GMA用量为5%时，效果最佳，此时LIPN的最大损耗因子达到0.7，有效温域达到68℃。

韩俐伟采用同步法制备了聚氨酯、环氧树脂、丙烯酸酯的三元互穿聚合物网络，得到了损耗因子大于等于0.6，有效阻尼温域为28～75℃的阻尼材料。并且对比二元互穿聚合物网络，发现三元IPN阻尼峰值和有效温域明显高于二元IPN。吕东等用本体聚合法制备了聚氨酯/聚（甲基丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸丁酯）（PUlP（MMA-BMA））互穿聚合物网络聚合物。该IPN有较宽的有效阻尼温域（100℃左右）。宋国晶采用两步法，选用端羟基液体聚丁二烯（HT.PB）与扩链剂等制备了PU预聚体，再与聚甲基丙烯酸酯进行网络互穿反应合成了网络互穿聚合物，当两者组分比为40：60时，有效阻尼温域为63℃。

晏欣等用种子乳液发合成了聚醋酸乙烯酯/聚丙烯酸丁酯（PVA/PBA）型LIPN，发现采用胶乳双向互穿技术可以有效地提高两种组分的相容性，增加乳液的阻尼性能。由于PBA与PVA两组分极性不同，又采用了极性强的单体丙烯腈（AN）与BA共聚，从而来增强组分的极性，最终得到的PVA/P（BA-AN）型LIPN能有75℃的有效温域，如表1所示。

现在对于互穿聚合物网络的研究越来越多，技术也愈发成熟。不同于共混，互穿聚合物网络能够更有效地解决乳液相容性问题，为合成得到阻尼性能优异的乳液提供了更多的选择与途径。

2.3超支化聚合物

超支化聚合物一种具有三维树枝状结构并高度支化的大分子，其支化度小、几何异构体多、相对分子质量分布宽，含有大量的支链和端基。正是由于它拥有这种特殊的分子结构，使得其分子运动具有多重性，也使得超支化聚合物涂料能有具有良好阻尼性能的可能。

周月姣等以自制的超支化聚氨酯（HBPU）作交联剂，合成了超支化聚氨酯/聚丙烯酸酯水性乳液。并与三羟甲基丙烷作交联剂进行对比，发现使用前者更易反应，得到的乳液具有优良的阻尼性能。

郝名扬等采用一步法，用二乙醇胺（DEOA）和甲苯-2，4-二异氰酸酯（TDI）制备了超支化聚氨酯（HPU），其合成过程如图1所示，并对末端羟基进行改性制得了光固化超支化聚氨酯和超支化杂化聚氨酯。制得的阻尼涂层损耗因子都较高，当tanδ≥0.5时，阻尼温度范围大于50℃。

Zhang用端异氰酸酯基PU预聚物、超支化多元醇（HP）和丙烯酸酯单体制备了一系列超支化水性聚氨酯一丙烯酸酯（HWPUA）杂化乳液。发现适量的HP能有效的改善阻尼性能，当其含量为1%时，有效阻尼温域最宽，最大阻尼因子达到0.66。

2助剂对阻尼性能的影响

助剂是涂料的一个重要组成部分，它的加入可以控制或增强涂料的性能，改善产品的品质等。而助剂种类繁多，制造阶段有分散剂、引发剂等;反应阶段有乳化劑和消泡剂等;成膜阶段有固化剂和交联剂等;还有一些赋予涂料特殊功能的阻燃剂等。

Song等研究了聚氨酯一聚苯乙烯（PU-PS）（重量60：40）互穿聚合物网络的阻尼性能，发现当交联剂加入1%时，在阻尼因子曲线上发现了两个峰，当达到2.5%时，只有一个宽峰，当达到10%的HEMA的时候，只有一个窄峰，说明随着交联剂的增加，互穿聚合物网络的形貌变得均匀。

周婕等采用半连续种子乳液聚合法，将己二酸二酰肼（ADH）和双丙酮丙烯酰胺（DAAM）作为交联单体，制备出自交联苯丙乳液。并且研究了A-171和KH-570两种硅烷偶联剂对乳液性能的影响，发现1%的KH-570能够拓宽乳液的有效阻尼温域至50℃以上。

黄琛研究了固化剂（c 16）对乳液阻尼性能的影响，发现添加了2%的固化剂比没添加之前，损耗因子峰值从0.940增至1.043，有效阻尼温域无明显变化。

陆文卿等研究了碱式硫酸镁晶须（MHNS）作为改性添加剂对于涂料的阻尼性能影响，研究发现，随着MHSH用量的增加，损耗因子峰和有效阻尼温域都是先增后减，在3%时，达到最优，损耗因子峰值0.518，有效温域51.3℃。

助剂种类繁多，在涂料的合成过程中，一般需要使用多种助剂，每种助剂会给涂料各种性能带来不同的影响，增强一种性能的同时可能会削弱另一种性能，因此助剂的选择使用需要根据设计的涂料所需性能来进行。

3填料对阻尼性能的影响

水性阻尼涂料的一个重要组成即是填料，填料对水性阻尼涂料的阻尼性能也有着一定的影响。填料的种类，粒径，用量等不同都会对阻尼涂料的阻尼性能有所改变。常用的填料有云母粉、重质碳酸钙、玻璃微珠、二氧化硅等。

吴军玲等分别用玻璃鳞片、云100、玻璃微珠5019N、石墨200、小分子SOM和玻璃鳞片与云母1：1混合物作为填料进行研究，发现含小分子SOM的样品损耗因子峰值最高，含玻璃微珠的则为最低，而含玻璃鳞片与云母粉混合物的样品的有效阻尼温域范围最广。除了改变复配体系外，云母的用量不同也会影响涂料阻尼性能。王飞研究了云母、滑石粉、重质碳酸钙混合填料体系对涂料的阻尼性能影响。当体系质量不变，云母质量分数逐步增加时，最大损耗因子逐步增加，tanδ>0.1的温域先扩宽后减小。之后又研究了聚丙烯纤维（PP）对涂料阻尼性能的影响，发现，随着PP加入量的增大，损耗因子峰值逐步增大。由于PP的加入，其长径比的微观结构与高分子链相互作用，增大了摩擦，从而增大了阻尼因子。不仅是云母的含量，云母的粒径也会影响涂料的阻尼性能。张金平等研究了100目、200目和300目3种粒径大小的云母粉，发现粒径越大，阻尼因子峰值越大。

Trakulsujaritchok等研究了二氧化硅对于涂料的性能影响，在0%-10%之间，发现随着二氧化硅含量的增加，损耗因子峰值明显增大。这是填料与聚合物链之间的内摩擦力，以及填料颗粒本身的内摩擦力增大所致。

阳红军研究了Expancel微球作填料对于涂料阻尼性能的影响，由于该材质有优良的回弹性，可膨胀压缩，且不会破裂，使其对提升阻尼性能有着良好的效果。研究发现，在0%～10%的范围内，Expancel微球用量增加的同时，涂料阻尼性能也增大，并且在全温域都有提升。

填料的加入能够增加填料与聚合物的内摩擦力以及填料之间的摩擦力，加入适合的填料能够有效增加涂料的阻尼性能。

4水性阻尼涂料的应用

随着水性阻尼涂料的发展，水性阻尼涂料已经在越来越多的领域内被应用。

在车辆领域中，使用阻尼材料可以实现汽车内外部的减振降噪。用于汽车内部的时候可以降低发动机产生的振动，减小噪音;用于车辆外部如挡泥板，底盘等位置的时候，则能够有效的吸收行驶中碎石等撞击产生的能量，起到减振降噪的作用，并且相比传统沥青阻尼更加绿色环保。同时，水性阻尼涂料还能满足汽车轻量化的要求。水性阻尼涂料的密度比传统的沥青阻尼要低20%-40%，并且由于水性阻尼涂料是以水为分散介质，在干燥后，重量还能在减轻20～25%，因此同样厚度情况下，可以减重30%～50%，于车身上喷涂后效果如图2所示。

在轨道交通中，噪声主要来源为轮轨噪声和车厢空气动力噪声等。目前在轨道交通中使用較多的为水性丙烯酸阻尼涂料，主要涂覆在车体的内表面和车辆底架的外表面。

在船舶领域中，船舶噪声来源于发动机、螺旋桨和舱壁水噪声等，特别是高速船舶，由于追求轻量化的设计，因此其结构一般不会有太多的富余，而高速船舶又配备了大功率的主机，因此振动和噪音问题更为严重。阻尼材料的应用则能够有效地控制这些问题。由于水性阻尼涂料具有轻量、无毒，施工方便等特点，因此近年来使用越来越多。Mascoat SoundControl-dB是Mascoat生产的一款船用水性阻尼涂料，其便于喷涂在狭小、异性位置，提高施工效率，被全球客户认可。

不仅在上述领域中，水性阻尼涂料在航空航天、建筑、机械设备、日常生活中都有着广泛的应用前景。

5结语

现在全世界都在倡导着绿色环保，以后涂料发展的趋势也势必会向着这方面。而水性阻尼涂料正是一种绿色涂料，且性能优异，符合着人们的需求。随着人们对于水性阻尼涂料的不断深入研究，其技术将会愈发成熟，水性阻尼涂料的应用范围也将会越来越广。