1、聚合物基阻尼材料研究進(jìn)展聚合物基阻尼材料研究進(jìn)展張張 誠，盛江峰，吳鴻飛，徐意誠，盛江峰，吳鴻飛，徐意（浙江工業(yè)大學(xué) 化學(xué)工程與材料學(xué)院，浙江 杭州 310032）摘要：摘要：阻尼材料廣泛應(yīng)用于交通工具、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、建筑土木、家用電器、精密儀器和軍事裝備等領(lǐng)域的減振降噪。聚合物是一類傳統(tǒng)的阻尼材料，當(dāng)其受到外部交變應(yīng)力時，通過高分子鏈內(nèi)部或鏈之間的內(nèi)摩擦將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗，從而達(dá)到減振降噪的目的。本文闡述了聚合物材料的阻尼機(jī)理與阻尼結(jié)構(gòu)，介紹了幾種常用的阻尼改性方法，綜述了國內(nèi)外互穿網(wǎng)絡(luò)(IPN)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電壓電型阻尼、有機(jī)雜化等新型聚合物基阻尼材料的研究現(xiàn)狀，并展望了聚合物基阻尼材料研究的

2、發(fā)展趨勢和前景。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：聚合物；阻尼材料；研究進(jìn)展中圖分類號中圖分類號：O631.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)示碼文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A 文章編號文章編號：1006-4303(2005)01-0000-00Research Progress in Polymer Based Damping MaterialsZHANG Cheng, SHENG Jiang-feng, WU Hong-fei, XU Yi(College of Chemical Engineering and Materials Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310

3、032, China)Abstract: Damping materials are extensively used in various fields such as vehicles, industrial machines, construct and buildings, home appliances, precise instruments, military equipments and so on. A polymer is one kind of traditional damping materials. When a polymer is offered by an a

4、lternating stress, both the intermolecular and intramolecular internal frictions transform a mechanical energy into a heat energy, in turn reduce vibration and noise. Damping mechanism, damping structure and several used modification approaches for polymeric damping materials are introduced in this

5、article. Recent researches on new types of damping materials such as interpenetrating network (IPN) structure, conductive-piezoelectric damping and organic hybrids are reviewed. The development trend and prospect of polymeric damping materials are investigated.Key words：polymer；damping materials；res

6、earch progress0 前前 言言隨著社會的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備趨于高速和自動化，隨之引起的振動、噪聲和疲勞斷裂問題亦越來越突出。振動和噪聲限制機(jī)械設(shè)備性能的提高，嚴(yán)重破壞機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，并污染環(huán)境，危害人們的身心健康，因此減振降噪，改善人機(jī)工作環(huán)境是一個亟待解決的問題。收稿日期：收稿日期：2004-05-07作者簡介：作者簡介：張誠（1966-） ，男，山東淄博人，教授，博士，主要從事聚合物基功能復(fù)合材料的研究。阻尼材料作為一類環(huán)保產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于交通工具、產(chǎn)業(yè)機(jī)械、建筑土木、家用電器、精密儀器和軍事裝備等領(lǐng)域的減振降噪，其研究開發(fā)不僅能產(chǎn)生重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，而且具有

7、廣闊的應(yīng)用前景，所以深受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。歐美等發(fā)達(dá)國家十分重視阻尼材料的研究和應(yīng)用開發(fā)，于 20 世紀(jì) 50 年代起開展了以軍事為目的的高阻尼材料的研究，當(dāng)時主要以金屬材料為主，但金屬基阻尼材料的阻尼效果符合質(zhì)量定律，即通過增加重量來更有效地降低振動與噪音1。而聚合物基阻尼材料由于比重輕、易于加工，并且能夠產(chǎn)生較大的內(nèi)耗，所以具有更廣泛的應(yīng)用前景。本文將主要介紹聚合物基阻尼材料的研究狀況。1 聚合物的阻尼機(jī)理與阻尼結(jié)構(gòu)聚合物的阻尼機(jī)理與阻尼結(jié)構(gòu)粘彈性是高分子材料的一個重要特性，高分子材料在受到交變力作用下發(fā)生的滯后現(xiàn)象和力學(xué)損耗是其產(chǎn)生阻尼作用的根本原因。人們將應(yīng)變落后于應(yīng)力的相角差稱為力

8、學(xué)損耗角，通常用力學(xué)損耗角正切 tan表示內(nèi)耗的大小。力學(xué)損耗與阻尼性能關(guān)系非常密切，聚合物的內(nèi)耗愈大則阻尼效果愈好。tan和模量的關(guān)系如下：E=E+iEtan=E/E式中 E實數(shù)模量，稱貯能模量，表示應(yīng)力作用下能量在試樣中的貯存；E虛數(shù)模量，稱為損耗模量，表示能量的損耗。當(dāng)振動或噪音傳遞到高分子材料時，機(jī)械能被轉(zhuǎn)化為分子鏈或鏈段的運(yùn)動，通過分子間的內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)附近，高分子鏈段能運(yùn)動，但又不充分，所以滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，出現(xiàn)一個內(nèi)耗的極大值，阻尼效果最好。材料的內(nèi)耗峰愈高、玻璃化轉(zhuǎn)變溫域愈大、溫域值與外部環(huán)境愈符合，阻尼效果愈好。一般要求 tan0.7，溫域范圍5

9、0。在選擇設(shè)計阻尼聚合物時，通常根據(jù)阻尼材料使用時的環(huán)境溫度來選擇合適的聚合物或共混物，使其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與環(huán)境溫度一致，這樣阻尼材料才具有最大的阻尼效果。例如聚醋酸乙烯酯的玻璃化溫度為 27，以此為原料的阻尼涂料很適合常溫下使用，國外早期用其作為汽車的內(nèi)壁涂料2。聚合物阻尼材料常以自由阻尼層或約束阻尼層的形式與部件結(jié)合進(jìn)行吸振，統(tǒng)稱為阻尼結(jié)構(gòu)（圖 1） 。圖中 t k、t c和 t s分別代表金屬片、高聚物阻尼材料和被減振部件的厚度。圖圖 1 1 采用聚合物作為阻尼材料的阻尼結(jié)構(gòu)采用聚合物作為阻尼材料的阻尼結(jié)構(gòu)自由阻尼型的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)為： （Ec / E s）* (t c / t s)2(a

10、) 自由阻尼型結(jié)構(gòu)自由阻尼型結(jié)構(gòu)(b) 約束阻尼型結(jié)構(gòu)約束阻尼型結(jié)構(gòu)t ct k聚合物聚合物阻尼層阻尼層聚合物阻尼層聚合物阻尼層t t s被減振部件被減振部件t ct t s金屬或剛性金屬或剛性復(fù)合材料復(fù)合材料被減振部件被減振部件式中 Ec和E s分別表示高聚物阻尼材料的損耗模量和被減振部件的楊氏模量。采用自由阻尼型結(jié)構(gòu)時，要求高聚物阻尼材料具有高的損耗模量值。約束阻尼型的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)為： tan (t c / t s)式中 tan表示力學(xué)損耗角正切。當(dāng)采用約束阻尼型結(jié)構(gòu)，要求高聚物阻尼材料具有高的力學(xué)損耗角正切 tan值，高聚物阻尼材料承受剪切形變，可獲得較好的阻尼效果。2 聚合物阻尼材料的

11、改性方法聚合物阻尼材料的改性方法2.1 共混共混改性改性單一高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)化區(qū)較狹窄，作為阻尼材料使用經(jīng)常無法滿足寬溫域、寬頻率阻尼的要求。為拓寬阻尼材料的玻璃化轉(zhuǎn)化區(qū)，將兩種或多種聚合物共混改性是最常用的方法。其原理是通過共混使聚合物合金具有微觀相分離的結(jié)構(gòu)從而擴(kuò)展阻尼峰的半峰寬，使其兩個(或多個)玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的凹谷上升為平坦區(qū)。所以要求共混的聚合物組分必須是部分相容的，這時兩組分(或多組分)的玻璃化溫度產(chǎn)生相對位移和靠近。苗傳威等3的研究發(fā)現(xiàn)，聚甲基丙烯酸甲酯/聚丙烯酸乙酯/聚丙烯酸正丁酯以共混比為33/33/33混合后，共混物的阻尼性能較好，共混體系在0以上形成了一個tan值大于0

12、.7、溫域達(dá)100的阻尼平臺。Kaneko等4在研究聚乙基丙烯酸酯(AR)/氯化聚乙烯(CPE)體系時發(fā)現(xiàn)，共混使材料的阻尼性能得到了很大的改善。在加入功能小分子后，AR和CPE玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的凹谷上升為平坦區(qū)，阻尼效果更佳。從理論上講，共混物的阻尼溫域不可能超過兩組分Tg的上、下限的溫度區(qū)域，而且對具有微觀相分離結(jié)構(gòu)的共混物，各組分的Tg會產(chǎn)生內(nèi)移效應(yīng)，所以為達(dá)到拓寬阻尼溫域的目的，要求共混各組分的Tg相隔要遠(yuǎn)一些。2.2 共聚共聚改性改性2.2.1 接枝共聚接枝共聚接枝共聚是用化學(xué)方法把另一種單體接到聚合物主鏈上。當(dāng)聚合物受外力作用時，具有一定長度的側(cè)鏈段也產(chǎn)生運(yùn)動和摩擦，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為

13、熱能。聚合物的側(cè)鏈越多，側(cè)鏈與側(cè)鏈之間的纏結(jié)越緊，共聚物的阻尼效果越好。由環(huán)氧丙烷接枝聚苯乙烯得到的接枝共聚物具有較寬的高阻尼溫域。交聯(lián)度、支鏈纏結(jié)等對阻尼性能有較大的影響。研究表明，聚環(huán)氧丙烷支鏈除了與聚苯乙烯主鏈以化學(xué)鍵連接外，還有支鏈之間的纏結(jié)。這種纏結(jié)含量高時，足以對分子間的相對運(yùn)動產(chǎn)生較大影響。當(dāng)受到外力作用時，分子間因產(chǎn)生較大摩擦而表現(xiàn)為高阻尼(tan1.1)5。在甲基丙烯酸甲酯接枝聚乙二醇酯碳酸鹽共聚體系中，動態(tài)力學(xué)分析表明，隨著甲基丙烯酸甲酯接枝含量和接枝率的提高，共聚物的阻尼峰位置會向高溫方向移動，從而使材料能適合不同的場合和環(huán)境條件6。2.2.2 嵌段共聚嵌段共聚嵌段共聚是

14、把兩種或多種不同聚合物鏈段按尾-尾或頭-頭方式聯(lián)接在一起。這種共聚方式使體系的內(nèi)聚能增大，而且?guī)Ч倌軋F(tuán)單體的加入也可以強(qiáng)化高分子鏈間的交聯(lián)，使共聚物的tan增大。對于由兩種成分嵌段共聚而成的聚醋酸乙烯酯-丙烯酸酯類橡膠體系阻尼材料，要求第一成分是玻璃化溫度較低的酯類，第二成分是少量的玻璃化溫度較高的酯類，同時加入帶有官能團(tuán)的單體，結(jié)果表明體系的損耗因子變大，阻尼性能明顯改善7。對于苯乙烯和雙官能團(tuán)單體二乙烯基苯嵌段共聚體系，可以通過調(diào)節(jié)兩種單體的配比來調(diào)節(jié)材料的阻尼峰位置。如果加入第三種單體二乙醚進(jìn)行三元嵌段共聚，材料的高阻尼范圍可以進(jìn)一步擴(kuò)大8。2.3 填充改性填充改性在聚合物中加入無機(jī)填料

15、可以提高阻尼效果，這是因為填料粒子相互接觸時粒子間產(chǎn)生摩擦，同時粒子與高分子界面也存在摩擦。該類無機(jī)填料被稱為減振無機(jī)填充劑，按其結(jié)構(gòu)形貌分類見表 19。表表 1 減振無機(jī)填充劑的分類減振無機(jī)填充劑的分類類別填充劑名稱層狀化合物云母、石墨、二硫化鉬、一氮化硼等針狀化合物硬硅鈣石、鈦酸鉀、石棉、碳纖維等粒狀、片狀化合物鐵素體、滑石粉、蛭石、陶土等在丁腈橡膠和聚氯乙烯共混體系中加入層狀填料云母后，共混體系的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向高溫方向移動，高阻尼溫域范圍變寬，同時材料的彈性模量提高，可以作為工程用阻尼材料使用10。Hajime 等11 將碳纖維填充到環(huán)氧樹脂基體，然后與各種熱塑性彈性體進(jìn)行疊層復(fù)合。復(fù)

16、合材料不僅具有很高的硬度，而且阻尼效果顯著，阻尼性能和力學(xué)性能不僅取決于彈性體的粘彈性，還與碳纖維在疊層復(fù)合中的排列方式有關(guān)。3 新型聚合物基阻尼材料新型聚合物基阻尼材料3.1 互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻尼材料互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻尼材料互穿網(wǎng)絡(luò)（IPN）結(jié)構(gòu)是由2種或者2種以上聚合物相互貫穿而形成的一種交織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，也包括同步互穿網(wǎng)絡(luò)(SIN)，半互穿網(wǎng)絡(luò)(S-IPN)等結(jié)構(gòu)。該類聚合物材料具有強(qiáng)迫互容、界面互穿、雙相連續(xù)、協(xié)同作用等獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能特征，可以使不相容或半相容的聚合物組分通過IPN方式結(jié)合起來，形成物理互鎖，從而得到玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)溫度范圍寬、阻尼峰高的阻尼材料12-14。自1974年Sperlin

17、g將IPN結(jié)構(gòu)引入阻尼材料研究領(lǐng)域以來，IPN結(jié)構(gòu)一直是研究的熱點(diǎn)之一。李強(qiáng)等15研究了聚苯基硅氧烷/聚甲基丙烯酸酯同步互貫聚合物網(wǎng)絡(luò)(SIN)。結(jié)果表明，若聚合物組分相容性好，則SIN材料阻尼值最高，tan極大值可達(dá)1.4，但只有一個玻璃化溫度轉(zhuǎn)變峰，其微觀結(jié)構(gòu)為兩相連續(xù)；若聚合物組分介于相容與不相容之間時，則SIN樣品的tan0.3的溫度范圍最寬，可達(dá)170，微觀結(jié)構(gòu)為單相連續(xù)；若組分相容性差，則SIN阻尼材料有兩個獨(dú)立的內(nèi)耗峰；所以該類材料的阻尼性能可以通過調(diào)節(jié)組分的相容性進(jìn)行控制。晏欣等16制備了聚乙酸乙烯酯/聚丙烯酸正丁酯乳膠互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)阻尼材料，在兩聚合物組分半相容情況下，其tan

18、0.3的溫度范圍可達(dá)90，是一種寬溫域的阻尼材料。 對于聚氨酯(PU)和乙烯基酯樹脂(VER)互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，隨著兩種成分的配比不同，材料顯示不同的阻尼性能，特別是PU與VER配比為60:40時，在-3654溫度范圍內(nèi)，材料出現(xiàn)一個tan0.5的阻尼平臺17。3.2 導(dǎo)電壓電型阻尼材料導(dǎo)電壓電型阻尼材料傳統(tǒng)聚合物阻尼材料的吸振機(jī)理基于粘彈阻尼，所以其適用溫度和阻尼性能強(qiáng)烈依賴于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。20 世紀(jì) 90 年代，日本東京工業(yè)大學(xué)住田雅夫教授18提出將導(dǎo)電炭黑與壓電陶瓷粒子填充到聚合物基體中，制備導(dǎo)電壓電型阻尼復(fù)合材料的設(shè)想。由于該類復(fù)合材料的吸振機(jī)理基于振動機(jī)械能電能熱能的轉(zhuǎn)換損

19、耗而非傳統(tǒng)的粘彈阻尼，故不依賴于聚合物基體的玻璃化轉(zhuǎn)變，這將大大拓展其應(yīng)用溫度范圍。因為該類阻尼復(fù)合材料理論上可以用任何一種聚合物作為基體，具有傳統(tǒng)聚合物吸振材料無可比擬的優(yōu)越性，引起了廣大阻尼材料研究者的興趣。Hori 等19以 PZT 壓電陶瓷微粒為填料，與環(huán)氧樹脂復(fù)合制得 PZT/高分子復(fù)合膜，并使其極化產(chǎn)生壓電性。研究結(jié)果表明，該復(fù)合材料的吸聲性能增加。如果再加入一定量的導(dǎo)電碳黑填料，材料的吸聲效果更佳。晏雄等 20-21用具有壓電、介電效應(yīng)的有機(jī)材料替代無機(jī)壓電陶瓷，在高分子材料氯化聚乙烯(CPE)中，填充導(dǎo)電的氣相成長超細(xì)碳纖維和具有強(qiáng)介電性能的N，N-二環(huán)己基-2-苯并噻唑基亞磺

20、酸胺，制備導(dǎo)電壓電型阻尼材料。結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)形成時，材料的阻尼效果較好，因為這時復(fù)合材料內(nèi)部的能量損耗主要是靠振動機(jī)械能電能熱能的轉(zhuǎn)換損耗來實現(xiàn)的。3.3 有機(jī)雜化阻尼材料有機(jī)雜化阻尼材料盡管從原理上講，壓電導(dǎo)電型阻尼復(fù)合材料具有傳統(tǒng)聚合物阻尼材料無可比擬的優(yōu)越性，但由于無機(jī)填充粒子與聚合物基體之間的不匹配，能量轉(zhuǎn)換效率不高，所以吸振效果不明顯。近年來，有研究者利用功能性有機(jī)添加劑與聚合物形成雜化體制備高性能的阻尼材料，引起了人們的興趣與注意22。常用的功能添加劑有 AO-80、AO-6023和 ZKF（雙(2-羥基-3-環(huán)己基-5-甲基)-苯基甲烷）24等。Wu Chifei 等25將

21、位阻胺、位阻酚類有機(jī)添加劑加入氯化聚乙烯、聚丙烯酸酯等聚合物中，形成的二元有機(jī)雜化體具有特別優(yōu)異的阻尼性能。極性的氯化聚乙烯與含有雙官能團(tuán)的有機(jī)添加劑共混形成雜化體阻尼材料，tan值高達(dá) 5。對于功能性添加劑與聚合物的雜化體系，有機(jī)添加劑的選擇非常重要。功能性添加劑既可以是有機(jī)小分子，也可以是預(yù)聚體26-27，而且加入另外一種有機(jī)添加劑作為第三組分可使阻尼性能保持穩(wěn)定28-30。極性聚合物的有機(jī)雜化為開發(fā)高性能聚合物基阻尼材料提供了新的研究思路。4 聚合物基阻尼材料的發(fā)展前景聚合物基阻尼材料的發(fā)展前景聚合物基阻尼材料作為一類環(huán)保功能材料，將向著高性能、寬溫域、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展，而現(xiàn)有的

22、阻尼改性方法和研究手段都有一定的局限性。比如，具有微觀相分離結(jié)構(gòu)的聚合物合金在擴(kuò)展阻尼溫度范圍的同時，也不可避免地降低了阻尼峰的高度；加入小分子增塑劑盡管可以提高損耗因子，但這不僅會導(dǎo)致阻尼峰的半峰寬變窄，而且使材料的機(jī)械強(qiáng)度降低；寬溫域的聚合物基阻尼材料可以通過互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到，但一般用作涂料，很少作為結(jié)構(gòu)材料使用，而且互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合成工藝復(fù)雜，溶劑去除困難，成本較高；對于導(dǎo)電壓電型阻尼材料，盡管其阻尼機(jī)理不依賴于聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變，但由于無機(jī)填充粒子與聚合物基體之間的不匹配，能量轉(zhuǎn)換效率較低，吸振效果不佳，無法滿足實際需要。利用功能性添加劑與聚合物制備有機(jī)雜化阻尼材料，既能大幅度提高阻尼

23、峰高度，又可以調(diào)控阻尼峰的位置，是很有前途的一種阻尼改性方法，但其阻尼改性的機(jī)理尚未闡明，有待進(jìn)一步的理論探討。在實際研究工作中，可考慮綜合利用上述方法，開發(fā)吸振效率高、高阻尼溫度范圍寬、應(yīng)用領(lǐng)域廣、力學(xué)性能優(yōu)良、質(zhì)輕價廉、易加工的減振降噪阻尼材料。參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1 Zhang Jinmin，Robert J P，Catherine R WEffects of secondary phases on the damping behavior of metal，alloys and metal matrix compositesJMaterial Science and Engineeri

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