楊 丹，殷雯青，李秦龍，陳賽賽，沈國川，倪建平，武小榮,俞成丙**

(1．上海大學 高分子材料與工程系，上海 201800；2．太倉市蘭燕甲板敷料涂料有限公司，江蘇 太倉 215427)

阻尼材料作為一種復合材料，其工程化應用領(lǐng)域和范圍越來越大，日益受到人們的重視，已經(jīng)成為一種重要的功能材料，在工程機械、工民建筑、航天航空、運輸交通等許多領(lǐng)域得到了十分廣泛的應用[1-4]。由于可利用阻尼材料在轉(zhuǎn)換狀態(tài)時產(chǎn)生的高阻尼特性，耗散振動能量，將部分機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩种平Y(jié)構(gòu)響應，有效地達到減振降噪目的[5]，因而阻尼材料在船舶中得到了廣泛的應用[6-7]。

根據(jù)國際海事組織(IMO)提出的隔聲船舶規(guī)范要求《船上噪聲等級規(guī)則》，甲板阻尼涂料的開發(fā)和應用已成為甲板敷料發(fā)展的必要條件，以滿足居住處所之間的隔聲要求。太倉市蘭燕甲板敷料涂料有限公司和上海大學通過大量研究和實驗，開發(fā)出一款水性甲板阻尼涂料，并通過了三方機構(gòu)有關(guān)船用產(chǎn)品的各項性能測試。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

特種苯丙乳液：LIPN型，中國化工橡膠株洲研究設(shè)計院；云母粉和重晶石粉：工業(yè)級，富陽云母制品廠；阻燃劑：無煙型，上海旭森非鹵消煙阻燃劑有限公司；流變助劑：工業(yè)級，海川化工有限公司；其它涂料助劑：工業(yè)級，太倉市蘭燕甲板敷料涂料有限公司。

傅立葉變換紅外光譜儀：Magna-IR560E S P，美國尼高力(Nicolet)公司；明暗場金相顯微鏡：BXM-750，上海炳宇光學儀器有限公司；差示掃描熱分析儀(DSC)：Q2000，美國TA儀器公司；實驗分散機組：400 W，上海德雨機電設(shè)備有限公司；唧筒：外套由圓鐵旋成，內(nèi)徑29.7 mm，深29 mm，容積20.07 mL，唧筒塞恰好放入外套內(nèi)。

1.2 阻尼涂料的配制

將乳液按照規(guī)定的質(zhì)量比放入容器中，低速攪拌規(guī)定的時間。加入部分涂料助劑，然后將填料、阻燃劑按一定質(zhì)量比加入上一步配制的水性乳液中，先低速攪拌均勻，然后高速攪拌。再在上述溶液中加入其它涂料助劑，慢速攪拌，最后用增稠劑調(diào)節(jié)涂料的稠度，即制得水性甲板阻尼涂料。

1.3 涂料的性能測試

1.3.1 稠度測試

按照標準GBT1749—1979 《厚漆、膩子稠度測定法》對涂料的稠度進行測試。將試樣裝滿唧筒，用塞子將涂料推出，用玻璃板中央，再將另一塊玻璃板輕輕壓上，在上面放置一個2 kg砝碼，用秒表計時，1 min后測量試樣擴展的直徑(cm)即為阻尼涂料的稠度。

1.3.2 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的測試

采用差示掃描熱分析儀(DSC)進行測試，測試氣氛為氮氣，測試范圍：-20～100 ℃，升溫速率為 3 ℃/min，二次升溫消除熱歷史。

1.3.3 涂膜的微觀結(jié)構(gòu)觀察

將涂膜充分干燥，用細砂皮紙充分磨平，清凈上面的粉塵后，放在明暗場金相顯微鏡對涂膜進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 乳液的確定

在所有的阻尼材料中，目前研究最多、應用最廣的是粘彈性阻尼材料，即高分子阻尼材料。水性涂料除降低涂料的成本外，還避免了因有機溶劑存在而導致的危害性，符合環(huán)保要求，且具有節(jié)約資源和能源的優(yōu)點，因此水性涂料成為研究的熱門和方向。

水性阻尼涂料是由特定功能的高分子材料、填料和助劑配制而成的。高分子材料兼有粘性液體的性質(zhì)，在一定流動狀態(tài)下可損耗能量。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的作用下發(fā)生的滯后現(xiàn)象和力學損耗是其產(chǎn)生阻尼作用的根本原因。在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)(Tg)附近和適當?shù)念l率時，鏈段運動將與外力發(fā)生共振，會使內(nèi)摩擦力增大，將出現(xiàn)一個內(nèi)耗的極大值，這意味著該區(qū)是高分子用作阻尼材料的最佳使用溫度區(qū)。因而，要開發(fā)一款性能優(yōu)良的阻尼涂料，必須找到一款玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)在使用溫度區(qū)域的高分子乳液。

通過測試和比較各種乳液的玻璃化溫度，確定了一款特種乳液配制的甲板阻尼涂料，該乳液是以苯乙烯和丙烯酸酯等多種單體共聚而成的多元共聚物，具有互穿網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，粒徑大小均勻，機械、凍融、化學穩(wěn)定性好，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，用它制成的涂料，具有很好的阻尼效果。用該乳液配制阻尼涂層的DSC曲線圖見圖1。

t/℃圖1 特種乳液的DSC曲線

從圖1可以看出，涂層的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)約20 ℃，并且其峰寬度較寬在10～30 ℃，說明非常適合配制常溫使用的阻尼涂料，因而這款乳液完全符合本款阻尼涂料的技術(shù)要求。

2.2 填料的確定

在水性甲板阻尼涂料的組分中，除了有特定功能的高分子乳液外，填料對于涂料的阻尼性能也有著很大的影響。添加填料是擴大阻尼溫域的方法之一，它可使玻璃化溫度向高溫方向移動，此外還有補強、降低成本的作用。填料填充于粘彈性的高分子體系，一方面它占據(jù)了高分子鏈段堆砌的空間，會降低低溫區(qū)的阻尼值；另一方面，在玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)，填料與聚合物及填料的摩擦作用隨著分子運動而加劇，從而提高涂層的阻尼值，因此在水性甲板阻尼涂料中，加入一定比例的白云母作為阻尼功能填料。

涂層的密實程度直接影響著涂料的阻尼性能和隔音性能，如果制備的涂層結(jié)構(gòu)疏松，則涂料的阻尼性能差，同時涂層的質(zhì)量小，不利于隔音性能的提高。相反，如果能得到致密的涂層，則有利于獲得較好的阻尼性能和隔音性能。

填料類型和粒徑大小的選用對制得結(jié)構(gòu)致密的涂層有重大的影響。不同粒徑的白云母配比下制得的水性甲板阻尼涂料的涂層微結(jié)構(gòu)見圖2。

a

b

c

d圖2 不同涂料形成的涂層微結(jié)構(gòu)

圖2a是 10份0.42 mm白云母、15份0.147 mm白云母配上75份0.044 mm重晶石得到的涂料，其涂層非常密實，較大的固體顆粒是0.42 mm白云母，中等大小的固體顆粒是0.147 mm白云母，均勻地散布在0.42 mm白云母周圍，這些顆粒的旁邊被更小的固體顆粒(0.044 mm重晶石)包圍，并被連續(xù)的高分子連續(xù)相固定；圖2b是10份0.42 mm白云母、15份0.075 mm白云母配上75份0.02 mm重晶石得到涂料形成涂層的微結(jié)構(gòu)，與上面得到的涂層微結(jié)構(gòu)非常相似，非常密實，但后者制得的水性甲板阻尼涂料的施工性不如前者，容易出現(xiàn)粘刮刀現(xiàn)象。另外，從該圖也可以看出，20份0.42 mm白云母、20份0.147 mm白云母配上60份0.044 mm重晶石得到的涂層則微結(jié)構(gòu)較為疏松，各種粒徑的固體顆粒沒有較好地堆砌在一起，結(jié)構(gòu)上不如上面兩款涂層緊湊(圖2c)；而30份0.42 mm白云母、30份0.147 mm白云母配上40份0.044 mm重晶石得到的涂層結(jié)構(gòu)最為疏松(圖2d)。

2.3 稠度的調(diào)節(jié)

實際上，涂料的制備和應用與流變性能的關(guān)系很大，涂料的流變性質(zhì)是構(gòu)成漆膜外觀和性能的重要影響因素之一。涂料組分很多，組分間相互作用極為復雜，這些相互作用都會影響流變性。它可影響到涂料貯存中的顏料沉底，施工中濕膜的流平性和流掛性，以及施工時的粘度，這些影響的最終結(jié)果將表現(xiàn)在干膜的質(zhì)量上。

3329增稠劑為非離子聚氨酯締合型增稠劑，在其溶于水后，其所帶有的疏水性基團會破壞水本身的冰山結(jié)構(gòu)，由于疏水基團有自發(fā)進行疏水相互作用的趨勢，當不同分子上的疏水基團位于同一締合結(jié)構(gòu)時，不同水溶性聚合物分子就有可能相互連接在一起，以此類推，體系就可能形成一種立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導致體系在靜態(tài)時的粘度急劇上升，其增稠機理見圖3。

圖3 締合增稠機理示意圖

而1135增稠劑是在堿性環(huán)境下，由于增稠劑分子上的羧基離解，使其吸附水的能力急劇上升，從而導致體系的粘度上升。當這2種增稠劑配合使用時，3329增稠劑分子與乳液粒子通過疏水基團與乳液聚合物的疏水相互作用，使得3329增稠劑分子線團流體力學體積大大增加，體系粘度升高；1135增稠劑吸附網(wǎng)絡的水分，穩(wěn)定地分散在3329增稠劑分子與乳液粒子組成網(wǎng)絡孔隙中，鎖定其中的水分，從而形成一個穩(wěn)定的涂料體系。

同樣的特種乳液、填料及其它相關(guān)涂料助劑，不同流變助劑下制備的涂料稠度見圖4。從圖4中可以看出，1135和3329增稠劑均有較好的增稠效果，隨著它們質(zhì)量分數(shù)的增加，涂料的稠度下降明顯。但這2種增稠劑的增稠性能是不同的，隨著3329質(zhì)量分數(shù)的增加，體系的稠度急劇變小，說明3329的增稠能力很強，而1135的增稠效果則比3329弱得多。但體系中不能沒有1135，因為1135是通過吸附體系中的水而增稠，可以穩(wěn)定體系中的水分。通過大量實驗和比較后，認為加入質(zhì)量分數(shù)1.3%的1135和質(zhì)量分數(shù)0.5%的3329時涂料的性能最佳，此時涂料即便在鋼板施涂到6 mm厚度時，也不會出現(xiàn)流掛現(xiàn)象，可以滿足施工要求。

w(流變助劑)/%圖4 w(流變助劑)對涂料稠度的影響

3 結(jié) 論

通過研究和實驗，成功開發(fā)一種水性甲板阻尼涂料，該款阻尼涂料的玻璃化溫度峰約為20 ℃，并且其峰寬寬度在10～30 ℃。經(jīng)同濟大學聲學所按GB/T16406—1996的測試結(jié)果表明，常溫下該款涂料的材料損耗因素tanσ達到0.47，復合損耗因子ηC達到了0.197，說明該款涂料具有很高的阻尼性能。涂層微結(jié)構(gòu)分析表明，10份0.42 mm白云母、15份0.147 mm白云母配上75份0.044 mm重晶石得到的涂料，其涂層非常密實，具有較好的阻尼性能和隔音性能。不同類型的流變助劑混合使用，可以更好地滿足施工要求。

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