聚合物基阻尼材料的研究进展_肖大玲

第2期聚合物基阻尼材料的研究进展肖大玲1,刘俊杰2,赵秀英3,张立群3(1.北京橡胶工业研究设计院,北京 100143;2.中化化工科学技术研究总院,北京 100083;3.北京化工大学先进弹性体材料研究中心,北京 100029) 摘要:结合近年来聚合物基阻尼材料的研究成果,综述聚合物基阻尼材料的阻尼机理和国内外制备阻尼材料的传统技术方法和新技术方法。重点介绍压电阻尼材料、磁性阻尼材料、梯度阻尼材料和有机杂化阻尼材料的研究进展。指出阻尼材料的发展方向:一是制备具有宽温域范围、高阻尼因子的阻尼材料,二是制备功能化阻尼材料,三是制备绿色环保阻尼材料。 关键词:阻尼材料;温域范围;阻尼因子;压电;磁性;梯度;有机杂化中图分类号:TQ336.4+2 文献标识码:B 文章编号:1000-890X(2010)02-0121-07 作者简介:肖大玲(1981-),女,湖北鄂州人,北京橡胶工业研究设计院助理工程师,硕士,5橡胶工业65轮胎工业6杂志编辑。 随着现代工业的发展,在工程中,机械振动造成的危害日趋严重,阻尼材料的应用可削减机械振动带来的噪声污染和延长仪器的使用寿命;在军事领域,阻尼材料的应用有助于飞机和核潜艇进行隐身。阻尼材料也可称为振动衰减材料,其原理是将材料经受的机械振动能量转化为热能耗散出去,从而达到减震降噪效果[1]。与金属类和无机类阻尼材料相比,聚合物基阻尼材料具有阻尼性能好、强度高、韧性好、易于加工成型和成本低的优点。聚合物材料特有的粘弹性使其具有粘滞性,是一种优良的阻尼材料基体;聚合物大分子链上带有大量的侧基和强极性取代基,在外力作用下,分子链段产生运动,侧基间内摩擦阻力使材料阻尼作用显著增强[2]。但在实际应用中,由于许多产生振动噪声的系统自身温度随外界条件的变化而不断变化,因此要求通用型聚合物基阻尼材料的玻璃化转变区温度范围至少为40~50e,同时具有较高的损耗因子(tanD)值。未改性聚合物材料的玻璃化转变区温度范围一般都较窄,只有20~30e,因此不适合直接用于宽温宽频阻尼减震材料领域[3],需对其进行加工改性。本文简要介绍聚合物基阻尼材料的阻尼机理与国内外制备聚合物基阻尼材料的研究进展。1 阻尼机理聚合物材料在动态周期性正弦(或余弦)外应力(R)的作用下,产生周期性正弦(或余弦)应变(E),由于聚合物材料的粘弹特性,使其具有粘滞性阻力作用,材料的E滞后于R,R正弦波与E正弦波产生相位差,即在周期性R的作用下,E总是落后于R一定的相位角D(也称为损耗角D),tanD等于耗能模量(Ed)与储能模量(Ec)的比值。聚合物材料R与E的关系曲线如图1所示。图1 聚合物材料的R-E迟滞回线从图1可以看出,R与E的关系不是直线关系,而是形成稳定的滞后圈。滞后圈面积就是聚合物材料在每一振动循环变形周期内以热的形式损耗的能量($W),即为材料的阻尼值,通过积分计算得公式如下:$W=PR0E0sinD从上式可以看出,材料阻尼值的大小主要由tanD值的大小决定。121肖大玲等.聚合物基阻尼材料的研究进展随着温度的升高,聚合物材料力学行为一般表现出3个区域,一为低温玻璃态区,在此区域分子主链处于冻结状态,只有键长、键角及1~4个主链原子的运动,力学损耗很低,材料tanD值很小;二为玻璃-橡胶转变区,分子链段开始运动,50~100个主链原子获得足够的热能以协同方式运动,链间产生摩擦,此区域的力学损耗很大,材料tanD值很大;三为橡胶-弹性平台区,高温下大分子链易适应外力作用而伸展或卷曲,大分子链段易发生运动,此区域的力学损耗很小,材料的tanD值很小。综合聚合物材料在以上3个区域的力学行为,可推断出其用作阻尼材料的有效区域为玻璃-橡胶转变区[4-6]。评价聚合物基阻尼材料阻尼性能的试验方法有:动态扭摆法、强迫共振法和强迫振动非共振法(动态力学分析法)及差示扫描量热分析法等。其中以动态力学分析法的应用最为广泛,它能直接给出阻尼材料的Ed-T、Ec-T和tanD-T曲线。衡量材料阻尼特性参数的方法一般有2种:Ed-T曲线下包括的面积(LA法)和tanD-T曲线下包括的面积(TA法)[7-9]。但在计算曲线下包围面积前需做背景校正和扣除测量Ed的动态力学分析仪误差。LA法也可称为基团贡献分析法,计算的面积与聚合物分子特性有关,该方法假定单元结构对聚合物总阻尼峰峰面积的贡献具有可加和性。LA值取决于体系中单个组分的分子结构,分子主链和连在主链上的基团对Ed贡献较大。不同的结构单元和基团的损耗常数不相同,分子链中含有苯环、酯基等极性基团时,材料的阻尼值较大;峰面积的大小与结构单元的数量成正比。TA法计算的是tanD-T曲线下的面积,tanD值主要受玻璃化转变区温度范围和二级松弛转变温度范围的影响。聚合物玻璃化转变区温度范围越宽,tanD值越大,材料的阻尼性能越好。在实际研究中,TA法使用较多,一般将tanD值大于0.3的温度区域称为有效阻尼区,此区域温度范围越宽,材料的阻尼性能越好。2 传统阻尼材料传统聚合物基阻尼材料一般采用物理或化学方法对聚合物材料进行加工改性,使其满足工程应用的要求。原则是将玻璃化温度较低和较高的两种聚合物通过物理共混或化学共聚方法制备阻尼材料。2.1 物理共混物理共混主要包括橡胶并用、橡胶与塑料共混等。橡胶并用是制备共混型阻尼材料的方法之一。IsmailH等[10]研究了SBR/环氧化天然橡胶(ENR)共混体系的阻尼性能,结果表明,NR的加入使体系的阻尼性能下降,材料的弹性得到一定的提高。WangYB等[11]采用甲基乙烯基硅橡胶与IIR并用,制备了tanD值大于0.3的玻璃化转变温度范围为-50~+100e的阻尼材料,该材料具有较好的物理性能。张玉清等[12]制备了具有交替层状结构的CIIR/EPDM复合材料,与常规共混法制备的CIIR/EPDM复合材料阻尼性能相比,交替层状复合材料具有双连续相结构,tanD值增大,有效阻尼区的温度范围变宽,且随着其层数的增大,tanD值、Ed和Ec增大,有效阻尼区温度范围变宽,室温下CIIR/EPDM复合材料在100~110Hz的阻尼性能提高。由于橡胶材料的玻璃化温度一般都较低,橡胶并用不利于体系玻璃化转变区温度范围拓宽,同时材料高温阻尼性能较差。橡胶与塑料共混是制备聚合物基阻尼材料最常见的方法,其中NBR与聚氯乙烯(PVC)共混是目前工程应用中重要橡胶阻尼材料之一[13,14]。韩俐伟等[15]采用熔融共混工艺,制备了阻尼性能优异的NBR/PVC橡塑减震材料。当NBR/PVC共混比分别为80/20和60/40时,前者最大tanD值达到1.24,tanD值大于0.7的温度范围分别为-4~+28和4~42e。橡胶与塑料共混能有效拓宽共混物玻璃化转变区的温度范围,但其tanD值增大有限。2.2 化学共聚化学共聚主要包括接枝共聚、嵌段共聚和互穿网络聚合等方法。接枝共聚主要是指在聚合物主链上接有一定长度的侧链,使其受外力作用时,侧链段产生运动和摩擦,将机械能转化为热能耗散出去,从而起到阻尼作用。朱金华等[16]通过接枝共聚合成了软段类型不同、软段与硬段相容性

122橡 胶 工 业 2010年第57卷第2期相差较大且阻尼性能不同的聚氨酯,其最大tanD值达到0.8,且玻璃化转变区的温度范围为-48~+120e,跨度超过160e。嵌段共聚是将2种或多种不同链段通过反应连接在一起。用作阻尼材料的嵌段共聚物一般含有柔顺性不同的链段,其中柔顺链段含量较低,硬链段含量较高,还可引入带特定官能团的单体,以加强各组分分子链段间的交联,由此可拓宽材料的有效阻尼区温度范围,提高阻尼性能[17]。互穿聚合物网络(IPN)材料具有强迫互容、界面互穿、双相连续和协同作用等独特的结构与性能特征,具有宏观上不分相和微观上相分离的特点,从而可以使不相容或半相容的聚合物组分通过IPN方式结合起来,形成物理互锁,得到玻璃化转变区温度范围宽、tanD值高的阻尼材料[18]。李永清等[19]制备了聚硅氧烷嵌段聚氨酯/环氧树脂IPN,该IPN在-100~+110e范围内tanD值大于0.3,是一种优良的阻尼材料,其性能与聚硅氧烷含量和相对分子质量大小密切相关。E-lAasserMS等[20]研究了以IPN为核、聚苯乙烯-丙烯腈共聚物为玻璃态壳的核-壳结构阻尼材料,其中聚丁二烯-苯乙烯组成抗冲击部分,丙烯酸酯共聚物作为阻尼成分,核-壳微结构阻尼材料的tanD值大于l。共聚法可得到玻璃化温度范围较宽和tanD值较大的阻尼材料,特别是IPN阻尼材料因其阻尼性能优异一度成为研究热点,但化学共聚涉及有机溶剂,对环境造成污染,不利于环保。3 新型阻尼材料3.1 压电阻尼材料压电阻尼材料是一种智能阻尼材料,一般可分为聚合物基压电阻尼材料和IPN压电阻尼材料。智能材料是一类对环境刺激信号可感知、处理且可响应的新型材料[21]。压电阻尼材料的原理[22]是:当声波或振动能等传递到压电材料时,由于压电效应而转化为电能,在材料内部产生交流电压,使振动发生衰减,达到阻尼效果。当材料内部电阻过大(相当于断路)或电阻过小(相当于短路)时,产生的电能未迅速消失,可再次转化为振动能,这种过程反复发生使振动衰减需持续一段时间,因此选择具有适当电导率的导电填料,在压电填料的周围形成电路,才可使振动迅速衰减,达到高减震的目的。韩兆芳等[23]根据新压电-导电原理和焦耳定律,将压电陶瓷粉体(PZT)和乙炔炭黑添加至传统的CIIR阻尼材料中,制备PZT/CIIR复合材料。试验结果表明,随着PZT用量的增大,复合材料tanD值增大,最大值达到1.6,tanD值大于0.3的温度范围为-50~+110e,跨度达160e。在传统阻尼原理的基础上,利用PZT的压电效应,将外部传来的振动能转换成电能,再利用乙炔炭黑形成的导电网络,可将电能转变为热能耗散出去,从而获得较好的阻尼效果。蔡俊等[24,25]以锆钛酸铅PZT为填料,制备PZT/PVC压电复合材料。研究结果表明,在声频为125~1600Hz的范围内,复合材料极化后吸声性能提高,而隔声量在低频增大,在中高频(500Hz以上)减小。随后,其制备的以不同含量炭黑为导电相的压电导电吸声复合材料在炭黑粉体的体积质量分数为0.04时,阻尼性能最好,且主要提高了低频段的阻尼性能。压电阻尼复合材料的缺点是PZT的压电系数较大,只有当PZT用量较大时,材料的减震效果才较好,但同时提高了材料的脆性。此外,由于压电陶瓷的刚度与聚合物基体材料相差较大,应力传递欠佳,对体系的机电转换效率易产生负面影响。3.2 磁性阻尼材料磁性阻尼材料按填料类别可分为铁磁性阻尼材料和稀土阻尼材料。磁性阻尼材料的机理是:当材料受到外界振动时,其总磁化强度被改变,形成宏观涡流,畴壁可逆移动和磁化矢量的转动形成微观涡流,畴壁不可逆移动产生磁力滞后阻尼能将机械振动能转变为热能耗散出去,达到阻尼效果。制备铁磁性阻尼材料主要是将含铁粉填料加入橡胶基体材料中,依靠粒子形状的各向异性获得磁性,从而得到一种同时具备磁性和阻尼性能的材料。SunTL等[26]成功制备了以含铁颗粒为功能添加剂、以各向同性和结构型磁性反式聚丁二烯为基体的磁性阻尼材料。当含铁颗粒的质123肖大玲等.聚合物基阻尼材料的研究进展