一 材料簡介
阻尼材料是一種能吸收振動機(jī)械能，并將之轉(zhuǎn)化為熱能而耗散的功能材料，阻尼減振降噪技術(shù)利用阻尼材料在變形時把動能轉(zhuǎn)變成為熱能的原理，降低結(jié)構(gòu)的共振振幅，增加疲勞壽命和降低結(jié)構(gòu)噪聲。各類阻尼材料已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船、汽車工業(yè)等許多領(lǐng)域。高聚物阻尼材料因其自身的粘彈特性，是一種能夠有效吸收振動能量的能材料。高分子阻尼材料的種類非常多，其中以聚氨酯(PU)為基體的阻尼材料是研究時間最早、研究最深入的高分子阻尼材料之一，聚氨酯可以通過設(shè)計控制其交聯(lián)密度、分子結(jié)構(gòu)中軟硬段的種類和比例、填料的種類和含量以及采用互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段獲得復(fù)合應(yīng)用要求的聚氨酯阻尼材料。聚氨酯阻尼材料按用途可分為阻尼黏合劑、阻尼泡沫、阻尼涂料、阻尼彈性體等，這些材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶制造、精密儀器、建筑裝飾等國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域。文中介紹了近年來聚氨酯基阻尼材料的研究進(jìn)展，重點討論了聚氨酯阻尼材料的制備方法、機(jī)理研究以及影響其相關(guān)性能的因素。
二 阻尼機(jī)理
高分子材料具有黏彈性，在受到交變外力作用時，應(yīng)變落后于應(yīng)力，存在滯后現(xiàn)象。在每一循環(huán)過程中，要發(fā)生力學(xué)耗散而消耗能量即產(chǎn)生內(nèi)耗，從而起到阻尼的作用。高分子阻尼材料屬于粘彈性阻尼材料，兼有某些粘性液體在一定流動的狀態(tài)下?lián)p耗能量的特性和彈性固體材料儲存能量的特性。高分子聚合物由于其特殊結(jié)構(gòu)，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，即在Tg附近，有很好的阻尼減震性能。從高分子鏈段運動的角度來看，在玻璃化轉(zhuǎn)變Tg以下，高分子鏈段的自由運動是完全被凍結(jié)的。整個高分子處于玻璃固體狀態(tài)，模量很高，不能散發(fā)機(jī)械能，只能將機(jī)械能作為位能儲存起來。在Tg以上的高彈性，鏈段可以自由運動，整個高分子材料顯示出高彈態(tài)固體特征，模量低，亦不能散發(fā)機(jī)械能只能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為形變能儲存起來。在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，高分子鏈段是由完全凍結(jié)狀態(tài)向自由運動狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過程，在外力作用下，軟硬鏈段發(fā)生摩擦，從而將一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉，因而有較好的阻尼性能。從高分子固有的粘彈性來看，高分子由長的、柔軟的卷曲和互相糾纏的分子組成，直徑/長度 =1/100000。分子間除了相互糾纏外，還有化學(xué)耦合，因而減少和阻止分子間的真正流動，使其呈現(xiàn)出類似液體的粘性。在高分子材料承受外力時，一方面使卷曲的分子鏈段拉伸，另一方面會使分子與分子之間發(fā)生滑移。當(dāng)外力消失后，被拉伸的部分恢復(fù)原位，還原外力所做的功，而分子之間的鏈段滑移就在粘性的影響下不能完全恢復(fù)，這部分功將遵循能量守恒定律以熱能的形式耗散掉。在Tg以下，高分子鏈段是堅硬的玻璃態(tài)，分子間鏈段的滑移極少。在Tg以上的高彈態(tài)，鏈段間的滑移絕大部分都可恢復(fù)。唯在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，分子間的鏈段不可逆滑移增大，故高分子材料在Tg附近的阻尼性能較好。
綜上可知，要達(dá)到制備寬溫域高阻尼強(qiáng)度的聚氨酯阻尼材料，就要增大分子間滑移時的摩擦，使其在受到外力的影響下，能量以更多的熱能的形式耗散掉，同時混合各種不同Tg阻尼材料的共混，提高其溫域，從而制備高性能聚氨酯阻尼材料。
三 聚氨酯阻尼材料的制備
由于聚氨酯的結(jié)構(gòu)與性能可設(shè)計性很強(qiáng)，其也被稱為可縫合的材料。根據(jù)制備方式的不同，可分為：共聚型聚氨酯基阻尼材料、共混型聚氨酯基阻尼材料、互穿網(wǎng)絡(luò)型聚氨酯基阻尼材料、結(jié)構(gòu)阻尼型聚氨酯基阻尼材料等幾類。
3.1 共聚型
共聚型聚氨酯基阻尼材料是指通過化學(xué)反應(yīng)，將聚氨酯基體與另一種單體進(jìn)行反應(yīng)聚合，得到含有2種重復(fù)單元的聚合物。共聚型聚氨酯基阻尼材料包括嵌段共聚聚氨酯基阻尼材料和接枝共聚聚氨酯基阻尼材料 2 種。
3.1.1 嵌段共聚聚氨酯基阻尼材料
在聚氨酯線性主鏈上引入另一種單體或聚合物，從而達(dá)到改變聚合物分子結(jié)構(gòu)和改性的目的。其優(yōu)點是反應(yīng)較為簡單，生產(chǎn)效率高，不足之處在于不能有效控制嵌段共聚物中嵌段的長度，嵌段的長度將會影響相分離、混合的程度，對材料的性能有很大影響。所以，能否在嵌段聚合中有效地控制嵌段長度尤為重要。在嵌段型聚氨酯基阻尼材料的制備研究過程中，原料的選擇和配方的設(shè)計直接決定著材料的最終性能，同時各種新原料的不斷涌現(xiàn)也為研究人員提供了更多的思路和選擇。
3.1.2 接枝共聚聚氨酯基阻尼材料
運用化學(xué)接枝的方法，將第二種單體或聚合物連到聚氨酯鏈上，是制備聚氨酯基阻尼材料的另一種方法。這種方法的優(yōu)點在于制備得到的材料是單一的材料，無相分離等缺陷的存在，但反應(yīng)過程較復(fù)雜，控制難度較高。
3.2 共混型
采用機(jī)械共混的方式，將聚氨酯與其他半相容而玻璃化溫度有一定差異的聚合物混合，或?qū)⒕郯滨ヅc具有不同玻璃化溫度的其他聚合物通過適當(dāng)?shù)脑鋈輨┗旌希箖烧咧g的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)的凹谷上升為平坦區(qū)，呈現(xiàn)單一組分的特性，是制備具有滿意阻尼性能的聚氨酯基復(fù)合材料的有效手段和研究熱點之一。謝剛等人使利用雙螺桿擠出機(jī)以熔融共混的方式對聚甲醛(POM)增韌改性，并對POM/TPU共混體系的力學(xué)性能、流動性能和形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測試分析。研究表明，隨著聚氨酯彈性體用量的增加，共混體系的沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率增大，韌性變大，但拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和硬度下降，剛性變差。另外，還可通過添加填料的方式提高和增加聚氨酯材料的阻尼性能。根據(jù)對聚合物材料阻尼機(jī)制的研究表明，聚合物分子鏈與填料粒子的擦以及填料粒子之間的摩擦，都將會對聚合物材料阻尼性能產(chǎn)生較大影響。一般情況下，填料能使聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度略微上升，阻尼峰半寬溫度略有增加。賴強(qiáng)等人把經(jīng)過硅烷偶聯(lián)劑表面處理的納米二氧化硅加入到澆注型聚氨酯反應(yīng)體系中，制備了納米二氧化硅增強(qiáng)的聚氨酯彈性體，并研究了納米二氧化硅的分散情況，彈性體的力學(xué)性能、耐熱性能和阻尼性能。結(jié)果表明，納米二氧化硅顆?？梢暂^均勻地分散到聚氨酯基體中，從而提高材料的力學(xué)性能、耐熱性能和阻尼性能。
3.3 互穿網(wǎng)絡(luò)型
互穿網(wǎng)絡(luò)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一類新型多相高聚物體系，它是指由 2 種或 2 種以上的交聯(lián)聚合物相互貫穿而形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)，是聚合物改性的一個新領(lǐng)域。由于交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之間的相互貫穿、纏結(jié)而產(chǎn)生強(qiáng)迫互熔和協(xié)同效應(yīng)，使得IPN材料具有宏觀上的不分相和微觀上的相分離特點，以致在很寬的溫度范圍內(nèi)都具有阻尼能力，從而為制備高性能的阻尼材料提供了一種有效手段。根據(jù)原料的不同，聚氨酯基互穿網(wǎng)絡(luò)體系主要有聚氨酯/乙烯基樹脂和聚氨酯/環(huán)氧樹脂兩大體系，目前研究的重點已經(jīng)由單一的兩組分體系向多組分體系方向發(fā)展。
3.4 結(jié)構(gòu)阻尼型
通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，將聚氨酯基材料與其他材料(主要是金屬材料)構(gòu)成復(fù)合材料，利用受限的聚合物層提供剪切變形，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，也可以達(dá)到提高材料阻尼性能的目的。朱錫等人選用纖維復(fù)合材料與聚氨酯阻尼材料組成的三明治夾芯結(jié)構(gòu)作為復(fù)合舵殼，利用有限元方法分析了這種舵殼復(fù)合材料在流體壓力作用下的應(yīng)力和變形，以及在瞬態(tài)載荷作用下舵殼的振動響應(yīng)。研究表明，采用碳/玻璃纖維混雜復(fù)合材料與聚氨酯阻尼吸聲材料組成的夾芯結(jié)構(gòu)，可以代替鋼板使得舵的綜合性能大大改善，從而降低舵的整體振動噪聲，提高整體聲隱身能力。楊雪等人制備了不同類型的多層黏彈性阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)，并研究了結(jié)構(gòu)與材料阻尼性能之間的關(guān)系，結(jié)果表明，多層黏彈弱約束阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)的阻尼性能明顯優(yōu)于多層黏彈自由阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)。
四 影響聚氨酯基阻尼性能的因素
4.1 分子結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)是決定材料性能的根本因素，因此研究各種分子結(jié)構(gòu)對聚氨酯阻尼材料的影響是提高其性能的根本途徑。胡聰?shù)热藢⒖寡鮿?nbsp;245 羧基化，得到具有一定反應(yīng)活性的受阻酚基團(tuán)，通過與多亞甲基多苯基多異氰酸酯(PAPI)反應(yīng)，合成了帶、受阻酚側(cè)鏈的多異氰酸酯，并最終制備得到了受阻酚型聚氨酯阻尼材料，討論了羧基受阻酚含量、抗氧劑以及異氰酸根/羥基摩爾比對聚氨酯材料阻尼性能的影響。結(jié)果表明，引入羧基受阻酚基團(tuán)，對聚氨酯材料阻尼性能有較大的提高，阻尼因子值從 0.32 提升到了 0.60，阻尼因子＞0.30的阻尼溫域從不足 20℃拓寬到了接近 80℃。宋穎薇等人在以甲苯二異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯、聚四氫呋喃醚二醇和蓖麻油為原料的聚氨酯體系中引入含有懸掛鏈的二元醇為擴(kuò)鏈劑，研究了硬段及交聯(lián)劑的種類和配比對聚氨酯材料阻尼性能的影響。結(jié)果表明，懸掛鏈結(jié)構(gòu)二元醇擴(kuò)鏈劑的加入，材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以后，阻尼因子隨溫度的升高再次上升，并可以保持一個較大的平臺區(qū)，且阻尼因子＞0.40，大大提高了阻尼能耗區(qū)的面積，阻尼因子＞0.35 的溫域范圍最大可達(dá) 100℃，從而有效提高了聚氨酯材料在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后的阻尼因子，顯著改善了其阻尼性能。
4.2 工藝條件
在關(guān)注分子結(jié)構(gòu)的同時，不同的制備工藝對聚氨酯材料阻尼性能也有非常明顯的影響。陳煥江等人比較了2種不同的動態(tài)硫化混煉方法對熱塑性聚氨酯彈性體/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(TPU/EVM)共混體系的影響，探討了密煉室轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和
五 聚氨酯阻尼材料性能的提高
1無機(jī)填料提高聚氨酯阻尼性能
無機(jī)填料有助于提高聚氨酯彈性體的阻尼性能和彈性模量。常用的無機(jī)填料有：錳粉、硫酸鋇、滑石粉、云母粉等。不同的填料對澆注型聚氨酯彈性體的影響也不完全相同，如玻璃纖維有利于提高材料阻尼性能和力學(xué)性能，特殊結(jié)構(gòu)的玻璃纖維(如短玻纖維)對提高材料的力學(xué)性能尤為明顯，起到增強(qiáng)作用。黃微波等研究認(rèn)為片狀云母、石墨可提高彈性體的彈性量，而非片狀材料則作用不大。特定填料可提高聚氨酯材料某些特殊性能，但在實際澆注型聚氨酯彈性體的生產(chǎn)過程中，特別是對于一些大型阻尼制品，需要用聚氨酯專用的澆注機(jī)器來生產(chǎn)，如何將填料加入到體系中，使其均勻分散成穩(wěn)定的一個組分是一個非常關(guān)鍵的問題。利用填料來提高阻尼性能的澆注型聚氨酯彈性體僅對質(zhì)量較輕且要求不高的手工操作的制品適合(填料可以加入到擴(kuò)鏈劑或預(yù)聚體組分中直接攪拌混合)，對質(zhì)量要求較高或大型制品就困難得多，這也是限制該項技術(shù)廣泛應(yīng)用的缺點之一。
2 用IPN技術(shù)提高聚氨酯阻尼性能
IPN 技術(shù)是另一種可以有效提高澆注型聚氨酯阻尼材料阻尼性能的方法。IPN 可以將 2 種或者 2 種以上相容性差的聚合物在合成過程中達(dá)到強(qiáng)迫互容的狀態(tài)，有效改善組分間的相容性，使材料表現(xiàn)為宏觀上的均一穩(wěn)定和微觀的多相區(qū)分離。IPN 之中存在物理貫穿，并無化學(xué)結(jié)合，這使得互不相容的高聚物IPN體系呈現(xiàn)較寬的阻尼溫域，加之不相容體系的微觀相分離作用，可以形成阻尼因子峰較高、溫域較寬的聚合物阻尼材料。
IPN 材料強(qiáng)迫互容特性是產(chǎn)生較好阻尼性能的重要原因之一，但這種特性也破壞聚氨酯組分中微觀的相分離，而這種相分離正是聚氨酯材料具有較高力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，作為可在工程實踐中應(yīng)用的阻尼聚氨酯彈性體，為了提高阻尼而
3 采用分子結(jié)構(gòu)設(shè)計的聚氨酯阻尼材料
聚氨酯是一種由剛性硬段和柔性軟段組成的多嵌段材料，由于軟段和硬段的熱力學(xué)不相容性導(dǎo)致了微觀的相分離，這種相分離的獨特結(jié)構(gòu)保證了聚氨酯具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，通過特殊的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計如調(diào)整軟段和硬段的不同種類、比例
有利于提高材料的損耗因子，而在擴(kuò)鏈劑中引入側(cè)基對阻尼性的貢獻(xiàn)大于在軟段中引入側(cè)基，其原因是在擴(kuò)鏈劑中引入側(cè)基不但增加了分子鏈運動阻力，而且由于空間位阻使鏈段不易聚集，分散于軟段中的硬段增大了運動阻尼，阻尼性能優(yōu)
六 結(jié)束語
隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無論是在國防、軍工、航天等特殊領(lǐng)域，還是在汽車、建筑、家居等民生領(lǐng)域，都對阻尼材料提出了更高的要求，在提高材料阻尼性能的同時，還應(yīng)加強(qiáng)聚合物反應(yīng)機(jī)理的研究，并利用分子設(shè)計的思想，建立各種基團(tuán)、填料、結(jié)構(gòu)與阻尼性能的關(guān)系，從而在分子層面設(shè)計出綜合性能更加優(yōu)良、品種更加齊全的高阻尼材料。
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