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高性能水性阻尼涂料的研究高性能水性阻尼涂料的研究陈依然

时间:2022年09月20日

高性能水性阻尼涂料的研究,高性能水性阻尼涂料的研究

【中国牛涂网,NTW360.com新闻资讯】张鹏,赵庆军,姚海龙( 石家庄市油漆厂,石家庄050051)   摘要:介绍了高分子材料的阻尼机理,采用乳液共混的方法来实现拓宽阻尼温域。通过对乳液共混方法、云母粉粒径和添加量的选择、增稠剂和纤维的筛选,研制的阻尼涂层具有阻尼温域宽、复合损耗因数高、减振降噪性能好、机械性能佳等特性。 关键词:水性阻尼涂料; 复合损耗因数; 阻尼性能; 减振降噪 中图分类号: TQ 630. 7 文献标识码: A 文章编号: 0253 - 4312( 2012) 08 - 0039 - 04 随着我国铁路行业的高速发展,运营里程的不断延长,运营时速的持续提高,实验列车速度已超500 km/h列车在高速运行过程中,各种机械部件都会产生振动,由此会产生噪音,而振动的大小直接关系到产生噪音的强弱。根据试验和国外资料介绍,铁路列车在80 km/h 以上速度运行时,速度每增加10km/h,车内噪声相应提高0. 5 ~ 1. 0 dB,即如果车速从80 km/h增加到300 km/h 时,车内噪声将提高11 ~ 22 dB。因此如果按现行标准制造的车辆用于提速或高速运行,车内噪声将会明显提高。强大的噪声将会影响乘坐的舒适性,所以降低整车的振动和噪音,将会显得更加重要。随着铁路高速、轻量化进程的加快,以及人民生活条件的改善,上述问题会显得更加突出。本研究采用2 种乳液共混的方法来实现拓宽阻尼温域。 试验发现,混容性好、Tg值相差较大的乳液共混可以得到阻尼温域宽、复合损耗因数高的阻尼涂料。通过添加筛选后的片状填料、增强涂膜性能的纤维、改善涂膜表观的增稠剂等研制的水性阻尼涂料,具有优异的隔音、减震、降噪、保温、阻燃、环保的特点,在高速铁路领域具有较高的推广应用价值。 1· 实验部分 1. 1 原料 乳液R1: Tg = 0 ℃,保定晟达化工有限公司; 乳液R2: Tg =42 ℃,中国化工橡胶株洲研究设计院; 云母粉: 河北灵寿; 增稠剂638: 原科宁公司; 分散剂3204: 原科宁公司; 消泡剂334: 原科宁公司; 聚丙烯纤维: 河北保定鑫骅合成纤维厂。 1. 2 配方 水性阻尼涂料配方见表1。

1. 3 性能测试结果 1. 3. 1 样板制备方法 样板的制备按GB/T 1727—1992 规定进行。首先在基板上涂覆一道符合TB/T 2260—1991《铁路机车辆用防锈底漆供货技术条件》规定的或由供需双方商定的防锈底漆,干膜厚度为( 23 ± 3) μm,干燥48 h 后,采用刮涂或喷涂的方法制备阻尼涂料的涂膜,干膜厚度为( 2. 0 ± 0. 2) mm。样板在室温下干燥7 d; 或先在室温下放置24 h,然后在( 60 ± 2) ℃条件下烘烤2 h,取出后在室温下再放置16 ~ 24 h 后进行试验。 1. 3. 2 阻尼性能的检测 阻尼涂料是一种功能型涂料,其主要作用是减震降噪,因此复合损耗因数ηc为主要性能指标。文中采用GB/T16406—1996《声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》规定的方法B 自由悬梁法进行ηc的测定,该方法适用于在10 ~1 000 Hz频率范围内,储能模量的测量范围下限可达0. 5 MPa,损耗因数测量范围为10 - 2 ~ 10 - 1 量级。其测量结果用于评价各种复合结构试样的振动阻尼效果。 1. 3. 3 性能测试 水性阻尼涂料性能测试结果见表2。

2 ·结果与讨论 2. 1 阻尼机理 高分子材料因其特有的黏弹性而被广泛用于阻尼材料的研制和使用。其一般在Tg区域内表现出的阻尼性能最好[1]。 这是因为当温度在Tg区域内时,高分子链段刚好处于能够自由运动的黏弹状态,体系黏度很高,链段运动受到的摩擦阻力很大,故不可逆滑动增加,形变滞后于应力变化,导致体系内耗较大; 当温度低于Tg时,高分子链段处于坚硬的玻璃态( 自由运动被冻结) ,分子间链段的滑移现象极少,外力作用于高分子材料时只引起键长和键角的改变,而这种形变很小、很快,足以跟得上应力的变化,故体系内耗较小; 当温度高于Tg时,高分子链段处于高弹态,链段运动较自由,链段间的滑动能够很快恢复,故体系内耗也较小。 高分子材料在黏弹态时,在交变应力的作用下形变落后于应力的现象称作滞后现象[2]。由于滞后,在每一次作用下都有能量的损耗,称之为力学损耗或“内耗”,消耗的功以“热”的形式释放出来。实际过程是将一定的动量、机械能变为热能,从而起到减振降噪的阻尼作用。 目前对阻尼材料的评价还缺乏统一的标准[3],比较常见的评价方法是动态力学谱法。通过材料在应力作用下的损耗因子或阻尼因子( tanδ) 来表征材料的力学损耗或内耗的大小,如式( 1) 所示。 tanδ = E″ /E’ 式( 1) 其中: E’为实数模量( 或储能模量) ; E″为虚数模量( 或损耗模量) ; δ( 力学损耗角) 为应变落后于应力的相位角。阻尼因子越大,阻尼温域越宽,则材料的阻尼性能越好。 均匀材料自身的损耗因数以tanδ 表示,当试样为不同材料复合组成时,所测定的损耗因数称为复合损耗因数ηc,当阻尼层与基材的厚度比一定时,ηc正比于阻尼材料本身的tanδ。阻尼涂料的复合损耗因数ηc为0. 03 时就有阻尼效果,ηc为0. 05 时就有实际的应用价值,日本规定ηc > 0. 08[4]。 2. 2 乳液的选择 水性阻尼涂料通常以乳液为基料。但单一的乳液阻尼温域狭窄,弹性模量过低,无法满足实际应用中宽温域、宽频率阻尼的需要[5]。为拓宽阻尼材料的玻璃化转变区,提高材料的阻尼性能和弹性模量,将2 种或多种乳液共混改性是最常用的方法。 图1为单个乳液ηc与温度的关系。

从图1 可知,R1 乳液在- 2. 9 ℃时,ηc的峰值为0. 45,R2乳液在40. 2 ℃时,ηc的峰值为0. 54。 R1 乳液和R2 乳液共混后的阻尼性能见图2,其中R3 乳液为m( R1) ∶ m( R2) =1∶ 2 的共混乳液; R4 乳液为m( R1) ∶ m( R2) =1∶1 的共混乳液; R5 乳液为m( R1) ∶ m( R2) =2∶ 1 的共混乳液。

由图2 可知,2 种乳液共混后,ηc峰值均出现了明显变化,且只出现了1 个峰值,说明这2 种乳液的相容性较好。在R1 和R2 共混时,ηc曲线随不同的共混比例而改变,当m( R1) ∶ m( R2) 为2∶ 1时,其阻尼温域最宽,ηc大于0. 08 时的温度范围为- 20 ~ 60 ℃。虽然阻尼峰值比乳液单组分时有所下降,但可以满足高速铁路客车车体的使用要求。 2. 3 增稠剂的选择 水性涂料具有良好的施工性、优异的表观效果、理想的贮存稳定性,其很大程度上取决于增稠剂的选择。目前市场上可选用的增稠剂品种主要有无机增稠剂、纤维素类、丙烯酸碱溶胀类和聚氨酯缔合型增稠剂等4 类。不同种类的增稠剂增稠机理各不相同,赋予涂膜的各种性能也不尽相同,见表3。

无机增稠剂如膨润土、蒙脱石等具有增稠性强、触变性好、稳定性好等优点,但涂膜流平性较差,表观不平整[6]。纤维素类增稠剂是通过疏水主链与周围水分子通过氢键缔合,提高聚合物本身流体体积,减少颗粒自由活动空间,来提高体系黏度。由于其为天然高分子,易受到微生物的攻击被降解,影响涂料的贮存稳定性。丙烯酸碱溶胀增稠剂一般带有较多数量的羧基,与水相中的碱中和,生成聚合物盐类,由颗粒状变成带大量支链结构的立体棒状,又因相互交叉形成网络结构。因而其具有较强的亲水性,耐水性能欠佳。聚氨酯缔合型增稠剂是具有亲水基和疏水基的高分子聚合物,疏水基团与涂膜的基体有较强的亲合性,可增强涂膜的耐水性,具有增稠性较强、流平性较好、耐水性、生物稳定性好等特性。 2. 4 填料的选择 添加填料可以有效地扩大阻尼温域,片状云母粉是最为常用的添加填料之一。当片状云母粉配合高分子材料制成的涂膜遇到振动或噪声辐射时,云母粉这种片状材料会沿着振动和噪声传播的垂直方向运动,与其周边的高分子链和云母粉产生摩擦,将机械能转化成热能,从而起到阻尼减振的作用。 谭亮红等[7]研究认为随着云母粒径的减小,ηc峰值不断提高,玻璃化转变温域变窄; 随着云母粒径的增大,高阻尼温域变宽,阻尼峰值有所下降; 随着云母粉用量的提高,大粒径的云母阻尼性能有上升趋势,而小粒径的云母阻尼性能有下降趋势。不同粒径云母粉对阻尼性能的影响见图3,添加量对性能的影响见表4。

随着云母粉目数的增大,粒径的减小,ηc峰值不断增高,低温阻尼损耗因数减小,高温阻尼因素数增大; 随着云母粉目数的减小,粒径的增大,玻璃化转变温域不断扩宽,低温阻尼损耗因数增大,高温阻尼损耗因数减小。 表4 中云母粉选择60 目和600 目混合使用, 60 目与600 目云母粉质量比为1∶ 2,由图3 可知添加60 目云母粉对低温时的复合损耗因数有较大的提高,添加600 目云母粉对高温时的复合损耗因数有明显的帮助,由于粒径较小的云母粉在阻尼涂料中分散的较为致密,产生相互摩擦的几率较大,阻尼效果明显,所以以粒径较小的600 目云母粉占较大比例为宜。由表4 可知,随着云母粉添加量的不断增加,阻尼涂料的耐冲击性能增强,柔韧性下降。其中云母粉在阻尼涂料中的添加量在40% ~ 50%之间,其涂膜的综合性能达到最佳。 2. 5 纤维的选择 阻尼涂料为达到消音减振的效果,一般要求涂膜的厚度较厚,涂膜在干燥的过程中由于内应力较大容易产生开裂现象。为解决这一现象需要在涂料中加入加强筋,增加涂膜的抗张力。通常应用于涂膜的加强筋有: 石棉纤维、玻璃纤维、钢纤维和合成纤维。其中,石棉纤维被发现对人体有致癌作用,已被国际上禁止使用; 玻璃纤维由于耐碱性差,不能通过耐碱性实验; 钢纤维存在加入量大、成本高、操作复杂、对机器磨损大、易腐蚀等问题。而聚丙烯合成纤维由于安全环保且具有提高抗裂能力、抗渗透能力、抗冲击能力、抗冻能力、抗震能力和能提高涂膜柔韧性、延展性、耐磨性等特性而被广泛应用。表5 为不同纤维长度的聚丙烯纤维对阻尼涂料性能的影响。

根据表5 可知,选用长于4 mm 的聚丙烯纤维在进行施工时极易产生纤维抱团堵塞枪嘴的现象,而在选用短于3 mm 纤维时,其加强作用小于涂膜干燥过程中内聚力的收缩,出现涂膜表面开裂的现象,同时未起到增强涂膜耐冲击性和柔韧性的作用,因此选择4 mm 的纤维较为适宜。 3· 结语 ( 1) 选用多种乳液共混来达到拓宽阻尼温域时,要求不同乳液的Tg值相差的尽量远些,且相容性要好,乳液之间Tg值相差的大小,决定了共混乳液的阻尼温域的宽窄; 相容性的好坏,决定了阻尼峰值的大小。 ( 2) 通过添加云母粉来达到调节阻尼温域和阻尼峰值的目的,添加大粒径的云母粉,可拓宽阻尼温域,提高低温区的阻尼值,但降低高温区域的阻尼值; 添加小粒径的云母粉,可提高阻尼峰值,但降低低温区的阻尼值。 ( 3) 选用有效的增稠剂可改善阻尼体系的稠度,提高涂膜的流平性、耐水性和贮存稳定性,提供良好的施工性能等。 ( 4) 添加聚丙烯纤维,选择合适的纤维长度,提高涂膜的抗开裂性能,满足施工喷涂的要求。 采用以上方法研制的水性阻尼涂料,实现了在- 20 ~60 ℃的环境下,复合损耗因数ηc大于0. 08 的阻尼效果,具有宽温域高阻尼及良好的机械性能,完全满足TB/T2932—1998《铁路机车辆阻尼涂料供货技术条件》的要求,适用于高速铁路车体的减振降噪,具有较高的实际应用价值。参考文献[1]何曼君,陈维孝,董西侠. 高分子物理[M]. 上海: 复旦大学出版社,2004.[2]刘国杰. 特种功能性涂料[M]. 北京: 化学工业出版社,2002.[3]邓建国,王建华,贺传兰. 聚氨酯阻尼材料研究进展[J]. 聚氨酯工业,2001,16( 2) : 1 - 4.[4]杨松柏,席时俊. 铁路机车用阻尼涂料[J]. 涂料工业,1999,29( 5) : 13 - 16.[5]张晓君,丁智平,王进,等. 乳液共混法制备水性阻尼涂料[J]. 化工时刊,2007,21( 5) : 59 - 60.[6]周新华,廖列文,宋光泉,等. 水性涂料中增稠剂的选择及其应用[J]. 广东化工,2006,33( 8) : 54 - 57.[7]谭亮红,周志诚,贺才春. 水性阻尼涂料的动态力学性能研究[J]. 涂料工业,2006,36( 11) : 5 - 7.

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