高性能水性阻尼涂料研究进展（上）

2021-11-23苗志军

橡塑资源利用 2021年4期

苗志军

（天津市橡胶工业研究所有限公司，天津，300384）

1 背景介绍

阻尼涂料是一种具有减振、降噪等功能的涂料，该涂料由高分子树脂加入适量的填料以及辅助材料配制而成。通过特殊的涂层结构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[1]。阻尼涂料按分散剂的不同分为油性阻尼涂料和水性阻尼涂料[2]，早期的阻尼涂料主要采用沥青基体和特定填料组成，由于油性的沥青基阻尼涂料以有机溶剂为分散介质，含有大量有机挥发物质（Volatile Organic Compound，VOC），在制造和使用过程中会严重污染环境，对人体健康造成较大伤害，已经被逐渐淘汰，因此水性阻尼涂料替代油性阻尼涂料已成为阻尼涂料的必然发展趋势。

水性阻尼涂料主要是以树脂乳液为基质，加入大量片层结构的云母粉等功能填料，并添加适量的助剂而制成。水性阻尼涂料具有以下特点[3]：（1）生产和施工过程中对环境无污染。水性阻尼涂料以水作为分散介质，其含有的VOC非常少，符合国家的环保政策法规。（2）水性阻尼涂料不受施工基材形状的限制，可在形状复杂基面施工，在干湿界面上均可施工。由于水性阻尼涂料是厚浆型、高固体份涂料，因此单次成膜厚度高。水性阻尼涂料可采用喷涂、刮涂、滚涂等多种工艺进行施工，施工效率高。（3）水性阻尼涂料为高固体份涂料，粘度高。可厚涂施工，干燥过程体积收缩率低，不会出现因体积收缩率过大而导致的开裂现象。（4）阻燃性能好，耐水性、耐候性、耐腐蚀性良好。（5）水性阻尼涂料具有很高的复合损耗因子，且生产成本相对于传统的油性阻尼涂料低。（6）水性阻尼涂料也存在一些先天性的不足，主要表现在由于成分中存在大量的水分，当一次施工厚度过大时，其干燥速度比较慢。

2 水性阻尼涂料的应用领域

随着我国“碳达峰、碳中和”战略目标的提出和人们环保意识的增强以及对环境要求的提高，水性阻尼涂料已经在汽车、轨道交通、舰船、航空航天、机械设备和建筑等领域内被广泛应用。受篇幅所限，本文仅对水性阻尼涂料在汽车、轨道交通和舰船等三个具有代表性的行业的应用情况进行简要总结。

2.1 汽车领域

在汽车领域中，由于水性阻尼涂料无毒、无异味、不污染环境，可以极大地改善汽车车内空气质量，提高了NVH（噪声Noise、振动Vibration、声振粗糙度Harshness）性能。沃尔沃汽车成都工厂的杨波等[4]介绍了水性阻尼涂料在轿车领域的应用情况。文中介绍了水性阻尼涂料是由机器人喷涂在车身内部钢板上来提高其结构阻尼、抑制共振等性能；水性阻尼涂料常常喷涂于车内地板和挡风等部位，喷涂膜厚度一般控制在2～4mm。

一汽公司的白扬等[5]介绍了水性阻尼涂料在汽车行业应用的优势，主要包括车身轻量化、环境友好性、阻尼性优良、施工柔性强、运行成本低等。与传统的沥青阻尼垫片相比，在同等厚度下，水性阻尼涂料阻尼性能更优且可调控，能够满足不同车型的需求；水性阻尼涂料使用机器人进行喷涂，可有效地规避错装/漏装问题、多款车型共线生产时存在的沥青垫片铺设区域空间不足及混乱问题、切换流程复杂、成本高等问题。

上海蔚来汽车的雷蕾等[6]介绍了水性阻尼材料的优势、阻尼性能验证、轻量化贡献等。水性阻尼涂料可以满足汽车轻量化的要求。由于水性阻尼涂料的密度比沥青阻尼垫要低20%～40%，并且由于水性阻尼涂料是以水为分散介质，在烘干后重量再减轻20%～25%，因此相比沥青阻尼垫，喷涂同样厚度的水性阻尼涂料可以减重30%～50%。水性阻尼涂料在车身上的实际喷涂效果如图1所示。

图1 水性阻尼涂料在车身上的实际喷涂效果图

2.2 轨道交通领域

轨道车辆运行时，车内产生的噪声主要来源于轮轨噪声、气动噪声及设备件噪声向车内的传播。噪声的传播主要通过车体和门窗上的缝隙直接传入车内以及车外轮轨噪声、设备件噪声以振动的形式传播到车体内部。降低这种振动噪声普遍采用的方法是在振动构件上紧贴或喷涂一层高阻尼的材料。南车公司的戴惠新等[7]介绍了水性阻尼涂料的施工工艺（人员、设备、操作工艺等），并详细介绍了水性阻尼涂料的环保安全优势、减振降噪优势、施工优势和其他如易维护等优势。

中车公司的刘晓等[8]介绍了目前在轨道交通车辆上使用的阻尼涂料一般为水性丙烯酸阻尼涂料，主要涂覆在车辆的车体内表面和底架的外表面。阻尼涂料的阻尼性能与环境温度有着密切关系，为适应不同的环境温度，动车组选用的阻尼涂料根据不同温度下的复合损耗因数分为通用型和低温型两类。水性阻尼涂料在铝合金车体内部应用如图2所示。

图2 水性阻尼涂料在铝合金车体内部应用图

2.3 舰船领域

舰船上的噪声大部分来源于机械噪声、推进器噪声和水动力噪声，噪声会影响舰船的隐蔽性和船员的舒适性。阻尼涂料可以在不改变舰船原有设计和设备的情况下进行有效降噪，同时便于常温下刮涂施工，以及在各种复杂面、拐角等处施工，因此在造船行业以框架结构为主的减振降噪处理方面广泛应用。孙云[9]介绍了沪东船厂研制的HZ_1型新型高性能舰船用阻尼涂料，通过优化阻尼层和约束层的组分体系，提高了约束-阻尼复合损耗因子，实现了该涂料的高性能、宽温域和施工的方便性，对提高舰船的安静性和舒适性具有重要作用，满足现代化高科技战争对舰船的隐身性要求。

除了军事上的作用外，在民用领域特别是高速船舶方向，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。在船体上喷涂水性阻尼涂料对于减轻船体振动、降低噪声亦是一种行之有效的方法。此外，水性阻尼涂料还可用于水翼船的水翼减噪、舰艇底板、隔板、座椅的降噪等，因此近年来使用越来越多。谢光能[10]介绍了某高速豪华交通船的综合减振降噪方案，其中在机舱的前壁、后壁、舷侧、舱顶和主甲板的机舱进风口等位置使用了水性阻尼涂料，根据实船航行试验各项指标均满足设计要求。

3 水性阻尼涂料的阻尼原理及评价方法

3.1 高聚物的阻尼机理

高聚物在交变应力的作用下由于所特有的粘弹性，形变的变化落后于应力的变化，发生滞后现象，部分能量以热或其他形式消耗掉，从而产生力学损耗并起到阻尼作用。高分子材料在玻璃化转变温度以下时，其在外力作用下的形变主要是由键长、键角的改变引起的小形变，这种变形速度很快，完全跟得上应力的变化，因此阻尼较小；在高弹态下，分子链段运动比较自由，内耗小，阻尼也不高；只有温度从玻璃态向高弹态过渡时，应力以适中的频率作用于高聚物，此时链段开始运动，但高聚物体系的粘度还很大，链段受到的摩擦阻力也较大，形变落后于应力变化，因此阻尼较大[11]。高聚物阻尼能力的大小与其使用温度和频率密切相关，图3为高聚物的阻尼性能随温度变化的曲线。