王紹宸，郭艷宏

科研與開發(fā)

聚氨酯基約束阻尼復(fù)合材料的制備及性能研究*

王紹宸，郭艷宏*

（哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

研究了以聚醚多元醇、甲苯二異氰酸酯以及正丁基醇為原料，通過預(yù)聚體法合成聚氨酯預(yù)聚物，將其與功能填料混合制備聚氨酯基阻尼層材料。利用動(dòng)態(tài)力學(xué)熱分析儀（DMA）對(duì)阻尼層材料樣品熱性能進(jìn)行了研究。將該阻尼材料與纖維復(fù)合鋁箔復(fù)合制備了復(fù)合約束型阻尼材料。利用模態(tài)測(cè)試對(duì)其進(jìn)行放大樣品阻尼比測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合約束阻尼材料的阻尼比達(dá)到20.03，較市售阻尼材料阻尼比（8.64）提高近一倍。

聚氨酯；彈性體；約束阻尼；復(fù)合材料

由于高鐵及大型機(jī)械等的振動(dòng)噪聲污染不可忽視，尤其低頻噪聲對(duì)人體的危害尤其嚴(yán)重。阻尼減振降噪技術(shù)是吸收噪聲和振動(dòng)極為有效的方法之一[1]。聚合物基阻尼材料因具有可設(shè)計(jì)性及其耗能的性質(zhì)，而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航空、航天、航海、交通運(yùn)輸、大型機(jī)械設(shè)備等各大領(lǐng)域，控制由機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲及疲勞失效等問題，長(zhǎng)期以來是阻尼材料的研究熱點(diǎn)[2-7]。

高鐵廂板采用的是瀝青基阻尼材料，其有如下缺點(diǎn)：高溫下有異味；低溫時(shí)材料變硬，阻尼效果降低；且瀝青基阻尼材料屬于自由阻尼結(jié)構(gòu)，減振降噪效果有限。本文采用約束阻尼結(jié)構(gòu)，利用分子鏈的內(nèi)摩擦以及基體材料與約束層間約束振動(dòng)協(xié)同阻尼減振機(jī)制，研制了約束結(jié)構(gòu)聚氨酯復(fù)合阻尼材料。本文采用自制阻尼材料作為阻尼層，采用改性環(huán)氧作為約束層，并對(duì)阻尼層進(jìn)行一系列表征探究，并對(duì)不同約束層對(duì)阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性的影響進(jìn)行探索，得到工程上最適阻尼結(jié)構(gòu)材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

聚氧化丙烯二醇2000（PPG2000）、聚氧化丙烯二醇1000（PPG1000）、三羥甲基丙烷（TMP）、聚醚胺類固化劑（D2000），以上均為工業(yè)級(jí)；甲苯二異氰酸酯（TDI）、正丁醇（n-butanol）、環(huán)氧樹脂（E-44）、二甲硫基甲苯二胺（DADMT）、鹽酸、二正丁胺，以上均分析純；玄武巖（BASALT）；蛭石（Vermiculite）。

DMA 50型環(huán)境力學(xué)測(cè)試分析儀（法國(guó)METRAVIB公司）；DMA+450型材料動(dòng)態(tài)力學(xué)粘彈譜儀（法國(guó)METRAVIB公司）；FT-IR Spectrum100型傅里葉紅外光譜儀（美國(guó)Perkin Elmer公司）；FEI Sirion 200型掃描電子顯微鏡（荷蘭Philips公司）；209F3型熱重分析儀（德國(guó)耐馳儀器制造有限公司）；FA2004型電子分析天平（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；ZD-2型電位滴定儀（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；真空干燥箱數(shù)據(jù)采集分析儀（上海一恒科學(xué)儀器有限公司美國(guó)B*K公司）；沖擊力錘（美國(guó)B*K公司）。

1.2 具有約束結(jié)構(gòu)復(fù)合阻尼材料制備

1.2.1 阻尼層制備本試驗(yàn)室自制聚氨酯預(yù)聚體制備1～2mm厚阻尼材料待用。

1.2.2 約束層制備約束層分別采用環(huán)氧樹脂復(fù)合材料、不同厚度的纖維復(fù)合鋁箔。

環(huán)氧樹脂復(fù)合材料以聚醚胺、二甲硫基甲苯二胺為固化劑、E-44環(huán)氧樹脂、玄武巖、蛭石等制備2～4mm復(fù)合環(huán)氧材料作約束層待用。

不同厚度的纖維復(fù)合鋁箔約束層以單層纖維鋁箔多層復(fù)合作為約束層待用。

1.2.3 復(fù)合組材料制備選取不同材料制備的約束層與阻尼層經(jīng)粘接復(fù)合，制成約束阻尼結(jié)構(gòu)。

2 表征

對(duì)聚氨酯復(fù)合阻尼材料制備前后材料樣品進(jìn)行紅外分析，紅外圖譜采用美國(guó)VARIAN公司的FT-IR 200型紅外光譜儀進(jìn)行測(cè)試，頻率范圍為400～4000cm-1，分辨率為4cm-1。

對(duì)割草機(jī)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化前，首先需要知道優(yōu)化前刀片的消耗功率。采用Fluent對(duì)割草機(jī)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，設(shè)置刀片的旋轉(zhuǎn)速度為3 200 r/min，流場(chǎng)穩(wěn)定后一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)刀片上的扭矩如圖8所示。刀片2(中間刀片)上的扭矩較大，扭矩約為1.56 N·m，且呈較明顯的周期性變化；刀片1(出口側(cè))和刀片3(封閉側(cè))上的扭矩較小；刀片3上的扭矩在1.5 N·m附近變動(dòng)，刀片1上的扭矩在1.48～1.5 N·m之間變動(dòng)。

圖1中，圖（a）為TDI-80的紅外光譜圖，圖（b）為聚氨酯基阻尼材料的紅外光譜圖。

圖1 聚氨酯基阻尼材料及TDI-80紅外光譜Fig.Infrared spectra polyurethane pre polymers before and after reaction）

由圖1（a）可知，2265cm-1處為對(duì)應(yīng)-NCO基團(tuán)的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1380cm-1附近對(duì)應(yīng)-NCO基團(tuán)的對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰；圖1（b）表明，-NCO基團(tuán)在2265cm-1處的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰完全消失，可見聚氨酯基阻尼材料試樣中-NCO基團(tuán)不存在，說明-NCO基團(tuán)在基體制備過程中反應(yīng)完全。圖1（b）接聚氨酯基阻尼材料的紅外圖譜上，3304cm-1、1223cm-1、1729cm-1分別對(duì)應(yīng)N-H鍵、C-O鍵和C=O鍵的伸縮振動(dòng)峰，對(duì)比于圖1（a），證明-NCO與-OH充分反應(yīng)生成了-NHCOO-（氨基甲酸酯）鍵，此為聚氨酯的特征基團(tuán)。

3 結(jié)果與討論

3.1 聚氨酯基阻尼材料DMA測(cè)試結(jié)果

對(duì)聚氨酯基阻尼材料進(jìn)行DMA動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試，采用法國(guó)METRAVIB公司生產(chǎn)的DMA50型號(hào)環(huán)境力學(xué)測(cè)試分析儀與DMA+450型號(hào)動(dòng)態(tài)粘彈譜儀對(duì)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行表征。測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 聚氨酯基阻尼材料DMA測(cè)試結(jié)果圖Fig.2Polyurethane damping material DMA test result

圖2 （a）表明，在阻尼溫域內(nèi)該復(fù)合阻尼材料的最大儲(chǔ)能模量為4.0×106Pa。

圖2（b）表明，阻尼材料的損耗因子峰值（tanδ=0.958）阻尼溫域?yàn)?11.17～34.86℃。

3.2 復(fù)合約束阻尼材料的阻尼性能對(duì)復(fù)合約束阻尼材料進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，模態(tài)測(cè)試使用沖擊力錘（B&K 8206-003）、數(shù)據(jù)采集分析儀（B&K 3053B-012）、單向ICP加速度計(jì)（B&K 4508B）利用錘擊法分別測(cè)量鋼板在無阻尼以及附加不同阻尼涂層情況下的自由模態(tài)并對(duì)阻尼大小進(jìn)行評(píng)價(jià)。試件采取自由懸掛的方式，錘擊方向以及加速度傳感器的測(cè)量方向與試件所在平面垂直。試件上均勻布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，用6個(gè)單向的ICP傳感器測(cè)量在脈沖激勵(lì)下試件的加速度響應(yīng)，脈沖激勵(lì)由沖擊力錘產(chǎn)生，脈沖信號(hào)由力錘內(nèi)置的力傳感器測(cè)量，并與加速度信號(hào)一起被數(shù)據(jù)采集分析儀采集，各項(xiàng)模態(tài)參數(shù)經(jīng)配套分析軟件計(jì)算，結(jié)果見圖3、4。

3.2.1 填料對(duì)阻尼性能影響

圖3 不同樣本各階固有頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)阻尼比Fig.3Different samples of each order natural frequency corresponding to the modal damping ratio

表3 不同阻尼層與約束層對(duì)應(yīng)的阻尼比Tab.3Different damping layer and constraint layer corresponding to damping ratio

由圖3及表3表明，以玄武巖為填料的阻尼層材料的阻尼效果要高于以蛭石為填料的阻尼層材料；以玄武巖+環(huán)氧樹脂+纖維布為約束層阻尼比最大，為53.55，阻尼比隨著玄武巖含量的增加而增加，當(dāng)玄武巖含量為30%時(shí)，達(dá)到峰值。

3.2.2 約束層類型對(duì)材料阻尼性能的影響

圖4及表4表明，隨著纖維復(fù)合鋁箔的厚度增加，自制阻尼材料的阻尼比有顯著的提高。4號(hào)樣本阻尼比最高，為20.03，比瀝青基阻尼（8.64）提高了一倍以上。環(huán)氧樹脂基約束材料，阻尼比高，阻尼減振效果顯著，但其質(zhì)量大；而纖維復(fù)合鋁箔雖阻尼比低于環(huán)氧及約束阻尼材料，但具有良好的工藝性能，易彎曲，質(zhì)量小，這對(duì)于具約束結(jié)構(gòu)的阻尼材料的輕量化具有重要意義。

圖4 不同樣本對(duì)應(yīng)的總體模態(tài)阻尼比Fig.4Different samples corresponding to the overall modal damping ratio

表4 不同約束層對(duì)應(yīng)的阻尼比Tab.4Different constrained layer corresponding to damping ratio

4 結(jié)論

自制復(fù)合約束阻尼材料的阻尼比分別為53.55和20.03，阻尼比隨著玄武巖含量的增加而增加，當(dāng)玄武巖含量為30%時(shí)，達(dá)到峰值；市售阻尼材料樣品阻尼比為8.64。可見自制復(fù)合約束阻尼材料的阻尼效果顯著優(yōu)于市售阻尼材料。

［1］顧遠(yuǎn)，羅世凱，周秋明．聚氨酯阻尼材料的研究進(jìn)展［J］.化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2011，9（1）：46-54．

［2］孟丹.約束阻尼復(fù)合材料的制備及性能研究［D］.武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.

［3］戴德沛.阻尼減振降噪技術(shù)［M］.清化大學(xué)出版社，1991.

［4］霍冀川，雷永林，王海濱，等．玄武巖纖維的制備及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（5）：382-385．

［5］尚寶月，楊紹斌.玄武巖纖維聚合物復(fù)合材料的研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展，2011，30（8）：1766-1771．

［6］Liu Q,Shaw MT,ParnasRS.Investigation of basalt fiber composite aging behavior for applications in transportation［J］.Polymer Composites,2006,27（5）:475-483.

［7］Czigány T.Discontinuous basalt fiber-reinforced hybrid composites［J］.Polymer Composites,2005:309-328.

Preparation and properties of polyurethane-based damping composite material constraints*

WANG Shao-chen,GUO Yan-hong*
（College of Materials Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China）

A composite damping material based on polyurethane was prepared.The damping layer was prepared by utilizing polyether polyol,toluene diisocyanate and n-butyl alcohol as raw materials.The prepared damping layer was combined with a fiber reinforced aluminum film to produce the composite constraint damping materials.The damping property of the material was studied by DMA and damping modal test.The experimental results showed that the damping ratio of the composite material reached 20.03,much higher than the damping ratio of the commercial material（8.64）.

polyurethane;elastomers;constrained damping;composites

TQ316.33

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20170201

2016-10-10

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（No.GK210002063533）

王紹宸（1993-），男，2013級(jí)在讀本科生，化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向:高分子材料。

郭艷宏