快干水性环保轻量化阻尼防火涂料的开发与应用

戴润达，郭 俊，范国栋，李德斌，陈翔宇，贺玉平

（1.中铁山桥集团有限公司，河北秦皇岛 066200；2.株洲飞鹿高新材料技术股份有限公司，湖南株洲 412007）

控制车内噪声一直是各车辆制造商努力的方向，车内噪声水平的高低很大程度上反映了车辆制造商的设计和工艺水平[1]。随着噪声环保控制法规的日益严格以及乘客对乘车舒适性要求的不断提高[2]，车内振动噪声（NVH）已成为判断汽车舒适性的主要指标之一。我国汽车工业发展规划，已把降低车内噪声作为亟待解决的主要问题之一[1]。人们已研究出多种解决噪声污染的措施，其中阻尼材料应用广泛，水性阻尼涂料阻尼温域宽，环保安全，施工简便，逐渐得到了人们的青睐。

目前，高阻尼、快干型轻量化的水性阻尼涂料是研究重点之一[3]，通过高温烘烤形成稳定、高厚度漆膜的水性阻尼涂料逐步成为研究热点。国内外研究人员进行了大量的研究，如通过合成核-壳结构乳胶[4]、分子超支化聚合物[5]、互穿网络聚合物[6]以拓宽漆膜阻尼温域，通过加入功能性填料来弥补乳胶在高温或低温域内阻尼性能不足、干燥速率慢、漆膜易开裂、涂装后车体笨重等问题[7-10]。本文通过探讨阻尼乳胶的混合比例、功能性填料种类、颜基比等影响因素，以期制备出快干水性环保轻量化阻尼涂料，为车辆“减负”。

1 实验部分

1.1 主要原料

阻尼乳胶T-1、阻尼乳胶T-2：丙烯酸乳胶，乳白色液体，黏度≥10 mPa·s，固体含量≥40%，pH=8～9，市售；40目绢云母、80目多腔阻燃刚性填料：滁州格锐矿业有限责任公司；高岭土：400目，山西鑫晶泰科技有限公司；硅藻土：400目，森大硅藻土材料有限公司；阻燃剂：400目，上海聚千化工有限公司；石墨烯：10%的石墨烯水分散体，上海茂果纳米科技有限公司；棉绒纤维：长度为1 mm，长沙赛博特；分散剂、消泡剂DH202、防冻剂丙二醇、黑色水性无树脂色浆YP506、杀菌剂MB-11、流变助剂RHEOLATE299：株洲飞鹿高新材料技术股份有限公司；以上原料均为工业级。

1.2 阻尼涂料的制备

水性阻尼涂料的基础配方如表1所示。

表1 水性阻尼涂料的基础配方Table 1 The basic formulation of waterborne damping coatings

将阻尼乳胶T-1、T-2按一定质量比（1∶0、0∶1、2∶1、1∶1和1∶2，后三者分别对应T-3、T-4、T-5）加入搅拌釜中，在搅拌状态下依次加入pH调节剂、分散剂、消泡剂、成膜助剂和防冻剂，然后1200 r/min搅拌30 min，得均匀分散液；在上述分散液中边搅拌边加入棉绒纤维、绢云母、石墨烯、多腔阻燃刚性填料、高岭土、阻燃剂、黑色浆料、杀菌剂、去离子水和流变助剂，1500 r/min搅拌50 min，采用腻子稠度测定仪测稠度（10.0±0.3）cm合格后，过胶体磨包装。

1.3 样板的制备

按GB/T 1727—1992制备样板。采用符合GB/T 2520—2008的100 mm×30 mm×0.3 mm的马口铁板测柔韧性，其他性能测试均采用250 mm×l00 mm×1.0 mm冷轧08AL钢板。其中马口铁板按GB/T 9271—2008中的4.3处理；冷轧钢板需经磷化处理。2种板材均需涂有配套的购自株洲飞鹿高新材料技术股份有限公司的双组分铁红环氧磷酸锌防锈底漆，厚度18～22μm。

采用刮涂的方法制备漆膜，干膜厚度（2±0.2）mm，固化条件：在GB/T 9278—2008规定的温度和湿度下表干1 h，然后在120℃条件下烘烤20 min，恒温室放置24 h后检测性能。

1.4 性能测试与表征

按GB/T 1748—197测漆膜柔韧性；按GB/T 1771—2007测漆膜耐盐雾性；按GB/T 1732—1993测漆膜耐冲击性；按GB/T 9274—1988测漆膜耐酸碱性；按GB/T 1740—2007测漆膜耐湿热性。按GB/T 1735—2009测漆膜耐热性，按以下方法进行耐冷热交替试验：漆膜样板按规定的时间干燥后，每日进行2次-20℃的冷冻，每次冷冻3 h，在2次冷冻间隔期间将样板置于室温下的水中2 h，另室温下放置16 h，此为1个周期。通过损耗因数表征阻尼性能，按GB/T 16406—1996测复合损耗因数。按Q/CR581—2017中规定的方法测试阻尼涂料的干燥速度、漆膜密度、漆膜柔韧性、45°角燃烧性能、固含、漆膜外观，进行X切割实验。

2 结果与讨论

2.1 阻尼乳胶对漆膜阻尼性能的影响

乳胶对漆膜的阻尼性能起到关键作用[11]。一般在Tg～Tm（Tg为高聚物的玻璃化转变温度，Tm为高聚物的熔融温度）范围内，高聚物处于高弹态，乳胶表现出良好的阻尼性能，但单一乳胶Tg～Tm范围较窄，能产生有效阻尼性能的温度范围也较窄（20～30℃）；而阻尼涂料使用时的环境温度在-20～50℃，为使阻尼涂料能在较宽的温域发挥其阻尼效果，需拓宽乳胶的高弹态分布范围，通常采用将几种乳胶共混的方法，使其在特定温域内具有较强的阻尼性能。将乳胶直接涂覆在基材表面，测试了T-1、T-2及两者按不同质量比共混成膜后在-20～50℃范围的材料复合损耗因数η，测试原理如图1所示。

图1 阻尼复合损耗因数测试原理Fig.1 Principle of damping composite loss factor test

评价材料的阻尼效果一般采用复合损耗因数，即当黏弹性材料与基材结合时的复合损耗因数，单一乳胶制备的漆膜复合损耗因数测试结果如图2所示。

从图2可以看出，乳胶T-1所制漆膜在低温区η较高，且在约-5℃时达到峰值，在高温区η较低，20℃以后基本趋于稳定；而乳胶T-2在低温区η较低，-10℃以前基本趋于平稳，然后逐渐上升，在高温区η较高，且在25℃时达到峰值，从实验结果分析可知，单一的阻尼乳胶是无法满足-20～50℃的宽温域的阻尼效果。将T-1、T-2按不同质量比共混后制备漆膜，其复合损耗因子测试结果如图3所示。

图2 乳胶T-1、T-2的η曲线Fig.2 Theηgraph of emulsion T-1 and T-2

图3 2种乳胶共混后的η曲线Fig.3 Theηgraph of the blending system with different mass ratio

2种乳胶共混后，η峰值发生了明显的变化，且都只出现1个峰，这说明二者相容性较好，η随混合比例不同而改变，当二者质量比为1∶1时，所得漆膜阻尼温域最宽，高性能阻尼材料要求温度范围为-20～50℃下，复合损耗因数>0.3，，乳胶共混后符合使用要求。

2.2 功能性填料的选择

添加功能性填料可有效扩大漆膜阻尼复合损耗因数，在玻璃化转变区，填料与填料、填料与聚合物以及聚合物与聚合物之间的摩擦作用随震动的增强而加剧，产生应力滞后，将动能转变成内能，以热能的形式释放出来，从而提高阻尼值[12]。为研究不同种类的填料对漆膜阻尼性能的影响，本文分别选用了多腔阻燃刚性填料、绢云母、硅藻土、高岭土作填料，制备水性阻尼涂料，分别测其复合损耗因数，测试方法为取40%混合乳胶，采用单一因素分析法分别加入50%的功能填料，分散搅拌均匀，剩余的10%为水，用来调节涂料的稠度在合适的刮涂范围内，测试结果如图4所示。

图4 不同种类填料对漆膜阻尼性能的影响Fig.4 The effects of different fillers on damping properties of coating

从图4可见，用多腔阻燃刚性填料制备的漆膜的复合损耗因数最大，其次是绢云母。多腔阻燃刚性填料能够得到较大的复合损耗因数主要得益于填料自身的多腔结构，多腔阻燃刚性填料的微观结构如图5所示，原图放大105倍。

图5 多腔阻燃刚性填料的微观结构图Fig.5 Microstructure diagram of multi-cavity flame-retardant rigid filler

从图5可以看出，多腔阻燃刚性填料是一种多空腔的圆形微珠结构，这种结构的添加在阻尼涂料中能够提供几个优良的特性，一是能够给涂料提供良好的流动性，易于涂料施工；二是吸油量低，减少溶剂和乳胶的添加量，降低涂料的VOC含量；三是密度小，添加后能够有效降低阻尼涂料的密度，做到轻量化；四是能够有效提高阻尼涂料的复合损耗因数。这主要得益于多腔阻燃刚性填料的多空腔结构，当噪音通过基材传播到阻尼涂料时，这种多空腔结构的结构能在声波的带动下产生震动，震动通过外腔壳逐步向内腔壳传递，最后在壳内形成无序运动产生相互碰撞，将动能转化成内能，最后以热能的形式将能量散发出来，完成了将声波能量转变成动能，再将动能转变内能，最后变成热能，将噪音以内耗的形式消耗掉，这是添加多腔阻燃刚性填料的漆膜复合损耗因数最大的原因。

以云母粉作填料时，漆膜也具有较好的复合损耗因数，这是因为绢云母本身特殊的片层状结构，比表面积大，具有良好的弹性与韧性，在涂料中能够提高填料与乳胶间的接触面积，当遇到外界振动时，其具有取向作用，增大了内摩擦力，所以漆膜的复合损耗因数增加了，同时云母粉以其自身的片状结构，能够有效阻挡噪音的传播，对音波的传播形成屏蔽和反射作用，进一步增加了复合损耗因数。

从上述实验结果分析可知，多腔阻燃刚性填料、绢云母、硅藻土、高岭土这4种功能填料都能提供一定的复合阻尼损耗因子，其贡献大小分别是多腔阻燃刚性填料>绢云母>硅藻土>高岭土。

2.3 颜基比对漆膜性能的影响

颜基比对漆膜复合损耗因数影响很大，而且对漆膜高温烘烤时出现的膨胀、开裂也有一定的影响。以共混乳胶T-4为基料，通过改变乳胶的用量来调节颜基比，25%多腔阻燃刚性填料、10%绢云母、5%硅藻土和5%高岭土为填料，对比了不同颜基比下，所得漆膜的相关性能及板面效果，结果如表2所示。

从表2可以看出，复合损耗因数随颜基比的增大逐渐减少，而当颜基比≥3.0时，漆膜开裂，且耐盐水、耐酸碱和耐盐雾试验中漆膜均出现起泡、脱落现象。这是因为随颜基比的增大，漆膜中树脂含量越来越少，弹性链段的减少不能有效缓冲震动所产生的能量，所以阻尼性能降低。且当颜基比≥3.0时，乳胶的交联密度低，不足以将全部填料包覆在漆膜中，漆膜的断裂伸长率降低，不能有效地将漆膜快速干燥中产生的应力释放掉，导致高温烘烤时出现开裂现象。当颜基比≤2.0时，由于乳胶用量过多，漆膜交联密度太高，则会导致漆膜太过致密，漆膜在高温烘烤的过程中由于表面气孔被乳胶粒子堵塞，漆膜中的水汽将不能有效排出，引起漆膜膨胀。因此从实验结果得出，当颜基比到达2.5时，漆膜各项指标达标，效果优良。

表2 不同颜基比对漆膜性能影响Table 2 The effect of varying pigment/binder ratio on the coating properties

2.4 快干水性环保轻量化阻尼涂料的性能

参照1.3中的阻尼涂料制备工艺按表3配方制备水性阻尼涂料，性能测试结果如表4所示。

表3 水性阻尼涂料配方Table 3 The formular of waterborne damping coatings

从表4实验结果可以看出，所开发的快干水性环保轻量化阻尼涂料完全能够满足Q/CR581—2017的要求。湿膜在120℃的高温烘烤条件下不鼓泡，不开裂，这主要得益于配方合理的颜基比，同时石墨烯的加入能够有效地传递热量，保证阻尼涂料内部温度的均一性，防止阻尼涂料在烘烤过程中局部温度过高，引起漆膜开裂或鼓包。棉绒纤维的加入一方面有效地防止了阻尼涂料的开裂，另一方面棉绒纤维对阻尼涂料里面的水分有虹吸作用，能够快速地将阻尼涂料中的水吸收到棉绒纤维中，确保水分能够在短时间内挥发掉。硅藻土的多孔疏松结构能够给水分的挥发提供有效的输送通道，确保了水汽能够及时从阻尼涂料的内部跑出而不引起漆膜膨胀，这也解释了快干水性环保轻量化阻尼涂料在自然干燥条件下能够快速干燥的原因，标准条件下18 h便能达到实干，远快于标准规定的36 h要求，这给现场施工带来极大的便利。其次快干水性环保轻量化阻尼涂料密度只有1.0 g/cm3，这主要是添加功能填料的结果，多腔阻燃刚性填料、绢云母、硅藻土和高岭土这些填料有一个共同的特性，即密度特别小，多腔阻燃刚性填料的多腔微球结构、云母粉的片层结构、硅藻土的多空隙结构，以及高岭土这几种填料相互配伍，在空间上能够进一步形成多空隙的结构，使得阻尼涂料的密度进一步降低，到达轻量化的目的。最后从复合损耗因数的测试结果得出，快干水性环保轻量化阻尼涂料的复合损耗因数要远远大于Q/CR581—2017的要求。

表4 水性阻尼涂料性能测试结果Table 4 The test results of waterborne damping coatings

2.5 水性防火阻尼涂料的应用

环保水性阻尼涂料在铁路客车上的应用如图6所示。

图6 铁路客车车体的喷涂效果Fig.6 Spraying effect of railway passenger cars

从图6的喷涂效果可知，快干水性环保轻量化阻尼涂料在车体底部和内部的喷涂效果良好，没有出现漆膜弊病，现场施工温度20℃，相对湿度56%，喷涂湿膜平均厚度5.5 mm，施工一次性完成，干膜平均厚度3.5 mm，相比传统的阻尼涂料每台车节约涂料350 kg左右，干燥速度快，当天下午3点钟喷完的车体内部，第二天上午就能进行其他的施工作业，大大节约了阻尼喷涂工序干燥的时间，现场工人反馈施工性能良好。

3 结 语

（1）选用了2种阻尼乳胶为成膜物质，以多腔阻燃刚性填料、绢云母、硅藻土、高岭土、石墨烯、棉绒纤维为主要功能性填料，制备了水性阻尼涂料。漆膜经120℃高温烘烤快速干燥无膨胀、无开裂现象，漆膜自然条件下18 h即可到达实干，有效缩短了施工周期。

（2）多腔阻燃刚性填料、绢云母能提高漆膜阻尼性能，石墨烯、棉绒纤维、硅藻土互配能有效防止漆膜高温烘烤过程中出现膨胀、开裂现象，显著提高了漆膜的干燥速度。颜基比为2.5时，漆膜阻尼性能较好，且湿膜120℃高温烘烤过程中无膨胀、无开裂现象，干膜密度1.0 g/cm3，为车辆的轻量化做出了贡献。

本文研制的快干水性环保轻量化阻尼涂料，采用互穿网络结构的乳胶共混，拓宽了漆膜阻尼温域，通过调节颜基比加入绢云母、多腔阻燃刚性填料、石墨烯、棉绒纤维等功能性填料，提高了漆膜的阻尼性能，同时也解决了漆膜在高温烘烤干燥过程出现的开裂、膨胀现象。很大程度上降低了阻尼涂料的干膜密度，切实为车辆起到了“减负”作用。