李夢 徐梓軒 趙欣 解傲寒 邢一龍

摘要：介紹了水性阻尼涂料的阻尼機(jī)理及3種主要組成成分，探究了為了提升水性阻尼涂料的阻尼性能，拓寬其阻尼溫域而采用的改性方法，主要總結(jié)了共混、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、分子超支化和常規(guī)填料填充等改性方法及其相關(guān)研究，助劑的種類以及用量對于涂料阻尼性能的影響，最后簡述了水性阻尼涂料應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：水性阻尼涂料;改性方法;應(yīng)用

中圖分類號：TQ637 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）02-0001-06

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)、科技和工業(yè)的不斷發(fā)展，因?yàn)闄C(jī)械工作而產(chǎn)生的振動和噪音問題越來越受到關(guān)注，劇烈的機(jī)械振動和噪音會對機(jī)械本身產(chǎn)生損害，降低機(jī)械質(zhì)量，影響設(shè)備精度，縮短工作壽命，同時(shí)巨大的噪聲也會對人體造成傷害。因此，人們需要尋找一種辦法來解決這些問題，使得阻尼材料應(yīng)運(yùn)而生。阻尼材料是能夠?qū)⒐腆w機(jī)械振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿牟牧希粡V泛地應(yīng)用于減振和降噪吸聲。常用的阻尼材料按產(chǎn)品狀態(tài)可分為片狀阻尼材料，復(fù)合阻尼材料和阻尼涂料。阻尼涂料又可分為水性阻尼涂料和溶劑型阻尼涂料。早期的阻尼涂料主要采用瀝青基體和特定填料制成，由于油性的瀝青基阻尼涂料含有大量的揮發(fā)性有機(jī)物（volatile Organic Compound，VOC），對環(huán)境污染較大，還對人體健康造成損害，已經(jīng)被逐漸淘汰，取而代之的則是水性阻尼涂料。

水性阻尼涂料一般由高分子乳液、助劑、填料等組成。高分子乳液是水性阻尼涂料的基礎(chǔ)，也是阻尼性能的主要提供者，不同的助劑和填料對涂料的各方面性能有著不同的改變。水性阻尼涂料具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可噴涂，不受施工基材形狀的限制;②水性阻尼涂料是以水為分散介質(zhì)，甲醛和VOC含量很少，環(huán)保安全，對環(huán)境友好;③粘度高，可厚涂施工，自然干燥過程中不會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。因此，水性阻尼涂料在汽車、鐵道客車、艦船船舶、航空航天、機(jī)械設(shè)備和建筑等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

1阻尼機(jī)理

阻尼涂料的高分子基體材料是一種粘彈性材料，在交變應(yīng)力的作用下，會產(chǎn)生形變滯后于應(yīng)力變化的現(xiàn)象，在每個(gè)應(yīng)力循環(huán)的過程中都會有能量的損耗。當(dāng)噪聲或振動傳遞到高分子材料時(shí)，機(jī)械振動會被轉(zhuǎn)化成鏈段或大分子鏈的運(yùn)動，然后通過分子間的內(nèi)摩擦，把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而起到阻尼的效果。通常用損耗因子tan8（形變落后于應(yīng)力的相位切角的正切值）的大小來衡量阻尼性能。

tanδ=E/E （1）

其中E“為虛數(shù)模量，即損耗模量，反應(yīng)材料變形時(shí)能量損耗的大小;E為實(shí)數(shù)模量，即儲能模量，反應(yīng)材料變形時(shí)能量儲存的大小。

一般情況下，在阻尼涂料的高分子基體材料處于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度附近時(shí)，由于其模量大幅度下降，具有較高的損耗因子，可以吸收大量的振動能量，因而表現(xiàn)出較為顯著的力學(xué)阻尼特性。工程實(shí)踐表明，為滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，良好的阻尼材料應(yīng)在至少應(yīng)在60～80°C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出較高的損耗因子（tanδ>0.3）。因此，通常也把tanδ>0.3時(shí)對應(yīng)的溫度范圍稱作有效阻尼溫域。

2改性方法

為了提高水性阻尼涂料的阻尼性能，拓寬其阻尼溫域，人們進(jìn)行了大量研究，相關(guān)方面的研究報(bào)道也較為豐富。這些報(bào)道主要集中在共混、共聚、互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)、分子超支化和常規(guī)填料填充等水性涂料改性方法的研究方向上。

2.1共混

共混法是將兩種或多種乳液進(jìn)行物理共混的方法，用共混法制備寬溫域、高損耗因子的關(guān)鍵是：首先，進(jìn)行共混的各個(gè)聚合物必須有高的損耗因子;其次，聚合物之間需要有一定的相容性，共混后，相容性好的共混物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度峰還是表現(xiàn)為單一的，相容差或不相容的表現(xiàn)出的則不是單一的峰，也就達(dá)不到拓寬阻尼溫域的目的。

張金平等用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為0℃和16℃的2種水性丙烯酸乳液共混作為基料，研制得到了在-10～50℃內(nèi)均有良好阻尼性能的烘烤型水性阻尼涂料。并發(fā)現(xiàn)乳液含量在30%～40%時(shí)損耗因子較大，在20℃時(shí)可達(dá)0.28。張鵬等用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為0℃的乳液R1和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為42℃的乳液R2共混，發(fā)現(xiàn)當(dāng)R1：R2的質(zhì)量比為2：1時(shí)，其阻尼溫域最寬，達(dá)到20～60℃。陸文卿等將苯丙乳液s1（Tg=22℃）和丙烯酸酯乳液S2（Tg=-8%）共混，實(shí)驗(yàn)得到當(dāng)s2在乳液總量中占比60%時(shí)，涂料的有效阻尼溫域最寬，為-5.2～35.3℃，損耗因子峰值達(dá)0.481。張曉君等通過乳液共混法將丙烯酸乳液R1與苯乙烯一丙烯酸酯乳液R2按40：10的比例進(jìn)行共混時(shí)，可得到一個(gè)-5-50～C的有效阻尼溫域。

除了基本的二元共混外，多元共混也有大量的研究報(bào)道。章波等將純丙乳液、聚乙烯醇乳液、聚醋酸乙烯乳液進(jìn)行共混，并加人其他填料和助劑，得到了阻尼溫域一為30℃～90℃的水性阻燃阻尼涂料。李國英等將具有核殼結(jié)構(gòu)的苯丙乳液（R2-2、R2-3）和具有IPN結(jié)構(gòu)的丙烯酸乳液R3-1按1：1：1的質(zhì)量比共混，得到的乳液有效溫域明顯拓寬，并且損耗因子曲線依然是單峰分布。蔣巍將乳液A（Tg=45℃）、乳液B（Tg=0℃）和乳液c（Tg=-20℃）按質(zhì)量比為1：2：1共混，得到的乳液阻尼溫域明顯擴(kuò)寬，使得在-30～40℃條件下，涂料具有良好的阻尼性能。Wang等睬用自制的3種水性丙烯酸按1：1：1進(jìn)行共混，發(fā)現(xiàn)制得的水性阻尼涂層在-10℃、20℃和50℃時(shí)均能滿足要求。在50℃高溫下，涂層的損耗因子較高，具有較好的阻尼性能。

2.2互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）

互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（Interpenetrating Polymer Net-works，IPN）是由兩種或多種各自交聯(lián)和相互穿透的聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的高分子混合物。其合成方法主要有同步法和分步法兩種。IPN含有能夠使兩種或兩種以上的高分子聚合物形成強(qiáng)迫相容的互穿網(wǎng)絡(luò)，使不同類型聚合物的分子相互纏結(jié)成一個(gè)整體，能夠獲得有較寬的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍和更好的阻尼性能的新型高分子基體材料?，F(xiàn)在主要的IPN類別有丙烯酸酯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。

唐冬雁等選用聚醚氨酯和聚甲基丙烯酸甲酯為基，形成了互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)體系，并通過改變組分比例，研究得出，當(dāng)聚醚氨酯與聚甲基丙烯酸甲酯組分比為40：60時(shí)，IPN體系的阻尼性能較好，玻璃化溫度范圍在-10-50℃時(shí)，損耗因子范圍為0.1-0.2。

陽紅軍用多步乳液聚合法制得了核殼結(jié)構(gòu)的PS/PA型LIPN。并且研究了交聯(lián)劑（DVB）用量和聚合物網(wǎng)絡(luò)配比等對乳液阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)只有在乳液合成的兩個(gè)階段中都加入交聯(lián)劑，才能形成完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)不加入交聯(lián)劑時(shí)，核層與殼層會出現(xiàn)相容性問題，導(dǎo)致DMA圖上出現(xiàn)兩個(gè)損耗因子峰。當(dāng)加入交聯(lián)劑時(shí)，不同的聚合物分子就會相互纏繞從而形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，DMA圖上就只有一個(gè)損耗因子峰出現(xiàn)，阻尼性能也大大提高。但是隨著交聯(lián)劑含量的增加，阻尼性能反而下降，最優(yōu)的交聯(lián)劑添加量為0.5%。而不同網(wǎng)絡(luò)配比也會改變?nèi)橐旱淖枘嵝阅埽糗浵嗑酆衔镞^多，會導(dǎo)致兩個(gè)損耗因子峰的出現(xiàn);若硬相聚合物過多，則會使損耗因子峰向著高溫轉(zhuǎn)移。晏欣等采用種子乳液聚合法合成了聚苯乙烯一聚丙烯酸正丁酯（PS/PBA）膠乳互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)。并發(fā)現(xiàn)隨著交聯(lián)劑DAAM的增加，最大損耗因子下降，有效溫域減少。而隨著交聯(lián)劑GMA的增加，最大損耗因子減小，而有效溫域先增后降，GMA用量為5%時(shí)，效果最佳，此時(shí)LIPN的最大損耗因子達(dá)到0.7，有效溫域達(dá)到68℃。

韓俐偉采用同步法制備了聚氨酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯的三元互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，得到了損耗因子大于等于0.6，有效阻尼溫域?yàn)?8～75℃的阻尼材料。并且對比二元互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)三元IPN阻尼峰值和有效溫域明顯高于二元IPN。呂東等用本體聚合法制備了聚氨酯/聚（甲基丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸丁酯）（PUlP（MMA-BMA））互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)聚合物。該IPN有較寬的有效阻尼溫域（100℃左右）。宋國晶采用兩步法，選用端羥基液體聚丁二烯（HT.PB）與擴(kuò)鏈劑等制備了PU預(yù)聚體，再與聚甲基丙烯酸酯進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互穿反應(yīng)合成了網(wǎng)絡(luò)互穿聚合物，當(dāng)兩者組分比為40：60時(shí)，有效阻尼溫域?yàn)?3℃。

晏欣等用種子乳液發(fā)合成了聚醋酸乙烯酯/聚丙烯酸丁酯（PVA/PBA）型LIPN，發(fā)現(xiàn)采用膠乳雙向互穿技術(shù)可以有效地提高兩種組分的相容性，增加乳液的阻尼性能。由于PBA與PVA兩組分極性不同，又采用了極性強(qiáng)的單體丙烯腈（AN）與BA共聚，從而來增強(qiáng)組分的極性，最終得到的PVA/P（BA-AN）型LIPN能有75℃的有效溫域，如表1所示。

現(xiàn)在對于互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的研究越來越多，技術(shù)也愈發(fā)成熟。不同于共混，互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)能夠更有效地解決乳液相容性問題，為合成得到阻尼性能優(yōu)異的乳液提供了更多的選擇與途徑。

2.3超支化聚合物

超支化聚合物一種具有三維樹枝狀結(jié)構(gòu)并高度支化的大分子，其支化度小、幾何異構(gòu)體多、相對分子質(zhì)量分布寬，含有大量的支鏈和端基。正是由于它擁有這種特殊的分子結(jié)構(gòu)，使得其分子運(yùn)動具有多重性，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）作交聯(lián)劑，合成了超支化聚氨酯/聚丙烯酸酯水性乳液。并與三羥甲基丙烷作交聯(lián)劑進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)使用前者更易反應(yīng)，得到的乳液具有優(yōu)良的阻尼性能。

郝名揚(yáng)等采用一步法，用二乙醇胺（DEOA）和甲苯-2，4-二異氰酸酯（TDI）制備了超支化聚氨酯（HPU），其合成過程如圖1所示，并對末端羥基進(jìn)行改性制得了光固化超支化聚氨酯和超支化雜化聚氨酯。制得的阻尼涂層損耗因子都較高，當(dāng)tanδ≥0.5時(shí)，阻尼溫度范圍大于50℃。

Zhang用端異氰酸酯基PU預(yù)聚物、超支化多元醇（HP）和丙烯酸酯單體制備了一系列超支化水性聚氨酯一丙烯酸酯（HWPUA）雜化乳液。發(fā)現(xiàn)適量的HP能有效的改善阻尼性能，當(dāng)其含量為1%時(shí)，有效阻尼溫域最寬，最大阻尼因子達(dá)到0.66。

2助劑對阻尼性能的影響

助劑是涂料的一個(gè)重要組成部分，它的加入可以控制或增強(qiáng)涂料的性能，改善產(chǎn)品的品質(zhì)等。而助劑種類繁多，制造階段有分散劑、引發(fā)劑等;反應(yīng)階段有乳化劑和消泡劑等;成膜階段有固化劑和交聯(lián)劑等;還有一些賦予涂料特殊功能的阻燃劑等。

Song等研究了聚氨酯一聚苯乙烯（PU-PS）（重量60：40）互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的阻尼性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)交聯(lián)劑加入1%時(shí)，在阻尼因子曲線上發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)峰，當(dāng)達(dá)到2.5%時(shí)，只有一個(gè)寬峰，當(dāng)達(dá)到10%的HEMA的時(shí)候，只有一個(gè)窄峰，說明隨著交聯(lián)劑的增加，互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的形貌變得均勻。

周婕等采用半連續(xù)種子乳液聚合法，將己二酸二酰肼（ADH）和雙丙酮丙烯酰胺（DAAM）作為交聯(lián)單體，制備出自交聯(lián)苯丙乳液。并且研究了A-171和KH-570兩種硅烷偶聯(lián)劑對乳液性能的影響，發(fā)現(xiàn)1%的KH-570能夠拓寬乳液的有效阻尼溫域至50℃以上。

黃琛研究了固化劑（c 16）對乳液阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)添加了2%的固化劑比沒添加之前，損耗因子峰值從0.940增至1.043，有效阻尼溫域無明顯變化。

陸文卿等研究了堿式硫酸鎂晶須（MHNS）作為改性添加劑對于涂料的阻尼性能影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著MHSH用量的增加，損耗因子峰和有效阻尼溫域都是先增后減，在3%時(shí)，達(dá)到最優(yōu)，損耗因子峰值0.518，有效溫域51.3℃。

助劑種類繁多，在涂料的合成過程中，一般需要使用多種助劑，每種助劑會給涂料各種性能帶來不同的影響，增強(qiáng)一種性能的同時(shí)可能會削弱另一種性能，因此助劑的選擇使用需要根據(jù)設(shè)計(jì)的涂料所需性能來進(jìn)行。

3填料對阻尼性能的影響

水性阻尼涂料的一個(gè)重要組成即是填料，填料對水性阻尼涂料的阻尼性能也有著一定的影響。填料的種類，粒徑，用量等不同都會對阻尼涂料的阻尼性能有所改變。常用的填料有云母粉、重質(zhì)碳酸鈣、玻璃微珠、二氧化硅等。

吳軍玲等分別用玻璃鱗片、云100、玻璃微珠5019N、石墨200、小分子SOM和玻璃鱗片與云母1：1混合物作為填料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)含小分子SOM的樣品損耗因子峰值最高，含玻璃微珠的則為最低，而含玻璃鱗片與云母粉混合物的樣品的有效阻尼溫域范圍最廣。除了改變復(fù)配體系外，云母的用量不同也會影響涂料阻尼性能。王飛研究了云母、滑石粉、重質(zhì)碳酸鈣混合填料體系對涂料的阻尼性能影響。當(dāng)體系質(zhì)量不變，云母質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐步增加時(shí)，最大損耗因子逐步增加，tanδ>0.1的溫域先擴(kuò)寬后減小。之后又研究了聚丙烯纖維（PP）對涂料阻尼性能的影響，發(fā)現(xiàn)，隨著PP加入量的增大，損耗因子峰值逐步增大。由于PP的加入，其長徑比的微觀結(jié)構(gòu)與高分子鏈相互作用，增大了摩擦，從而增大了阻尼因子。不僅是云母的含量，云母的粒徑也會影響涂料的阻尼性能。張金平等研究了100目、200目和300目3種粒徑大小的云母粉，發(fā)現(xiàn)粒徑越大，阻尼因子峰值越大。

Trakulsujaritchok等研究了二氧化硅對于涂料的性能影響，在0%-10%之間，發(fā)現(xiàn)隨著二氧化硅含量的增加，損耗因子峰值明顯增大。這是填料與聚合物鏈之間的內(nèi)摩擦力，以及填料顆粒本身的內(nèi)摩擦力增大所致。

陽紅軍研究了Expancel微球作填料對于涂料阻尼性能的影響，由于該材質(zhì)有優(yōu)良的回彈性，可膨脹壓縮，且不會破裂，使其對提升阻尼性能有著良好的效果。研究發(fā)現(xiàn)，在0%～10%的范圍內(nèi)，Expancel微球用量增加的同時(shí)，涂料阻尼性能也增大，并且在全溫域都有提升。

填料的加入能夠增加填料與聚合物的內(nèi)摩擦力以及填料之間的摩擦力，加入適合的填料能夠有效增加涂料的阻尼性能。

4水性阻尼涂料的應(yīng)用

隨著水性阻尼涂料的發(fā)展，水性阻尼涂料已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域內(nèi)被應(yīng)用。

在車輛領(lǐng)域中，使用阻尼材料可以實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)外部的減振降噪。用于汽車內(nèi)部的時(shí)候可以降低發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的振動，減小噪音;用于車輛外部如擋泥板，底盤等位置的時(shí)候，則能夠有效的吸收行駛中碎石等撞擊產(chǎn)生的能量，起到減振降噪的作用，并且相比傳統(tǒng)瀝青阻尼更加綠色環(huán)保。同時(shí)，水性阻尼涂料還能滿足汽車輕量化的要求。水性阻尼涂料的密度比傳統(tǒng)的瀝青阻尼要低20%-40%，并且由于水性阻尼涂料是以水為分散介質(zhì)，在干燥后，重量還能在減輕20～25%，因此同樣厚度情況下，可以減重30%～50%，于車身上噴涂后效果如圖2所示。

在軌道交通中，噪聲主要來源為輪軌噪聲和車廂空氣動力噪聲等。目前在軌道交通中使用較多的為水性丙烯酸阻尼涂料，主要涂覆在車體的內(nèi)表面和車輛底架的外表面。

在船舶領(lǐng)域中，船舶噪聲來源于發(fā)動機(jī)、螺旋槳和艙壁水噪聲等，特別是高速船舶，由于追求輕量化的設(shè)計(jì)，因此其結(jié)構(gòu)一般不會有太多的富余，而高速船舶又配備了大功率的主機(jī)，因此振動和噪音問題更為嚴(yán)重。阻尼材料的應(yīng)用則能夠有效地控制這些問題。由于水性阻尼涂料具有輕量、無毒，施工方便等特點(diǎn)，因此近年來使用越來越多。Mascoat SoundControl-dB是Mascoat生產(chǎn)的一款船用水性阻尼涂料，其便于噴涂在狹小、異性位置，提高施工效率，被全球客戶認(rèn)可。

不僅在上述領(lǐng)域中，水性阻尼涂料在航空航天、建筑、機(jī)械設(shè)備、日常生活中都有著廣泛的應(yīng)用前景。

5結(jié)語

現(xiàn)在全世界都在倡導(dǎo)著綠色環(huán)保，以后涂料發(fā)展的趨勢也勢必會向著這方面。而水性阻尼涂料正是一種綠色涂料，且性能優(yōu)異，符合著人們的需求。隨著人們對于水性阻尼涂料的不斷深入研究，其技術(shù)將會愈發(fā)成熟，水性阻尼涂料的應(yīng)用范圍也將會越來越廣。