聚氨酯阻尼材料的制备和表征方法

聚氨酯阻尼材料的制备及表征方法一材料简介阻尼材料是一种能吸收振动机械能，并将之转化为热能而耗散的功能材料，阻尼减振降噪技术利用阻尼材料在变形时把动能转变成为热能的原理，降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低结构噪声。

各类阻尼材料已广泛应用于导弹、卫星、飞机、舰船、汽车工业等许多领域。

高聚物阻尼材料因其自身的粘弹特性，是一种能够有效吸收振动能量的能材料。

高分子阻尼材料的种类非常多，其中以聚氨酯(PU)为基体的阻尼材料是研究时间最早、研究最深入的高分子阻尼材料之一，聚氨酯可以通过设计控制其交联密度、分子结构中软硬段的种类和比例、填料的种类和含量以及采用互穿聚合物网络技术等手段获得复合应用要求的聚氨酯阻尼材料。

聚氨酯阻尼材料按用途可分为阻尼黏合剂、阻尼泡沫、阻尼涂料、阻尼弹性体等，这些材料已广泛应用于航空航天、汽车、船舶制造、精密仪器、建筑装饰等国民经济各个领域。

文中介绍了近年来聚氨酯基阻尼材料的研究进展，重点讨论了聚氨酯阻尼材料的制备方法、机理研究以及影响其相关性能的因素二阻尼机理高分子材料具有黏弹性，在受到交变外力作用时，应变落后于应力，存在滞后现象。

在每一循环过程中，要发生力学耗散而消耗能量即产生内耗，从而起到阻尼的作用。

高分子阻尼材料属于粘弹性阻尼材料，兼有某些粘性液体在一定流动的状态下损耗能量的特性和弹性固体材料储存能量的特性。

高分子聚合物由于其特殊结构，在玻璃化转变区域内，即在Tg附近，有很好的阻尼减震性能。

从高分子链段运动的角度来看，在玻璃化转变Tg以下，高分子链段的自由运动是完全被冻结的。

整个高分子处于玻璃固体状态，模量很高，不能散发机械能，只能将机械能作为位能储存起来。

在Tg以上的高弹性，链段可以自由运动，整个高分子材料显示出高弹态固体特征，模量低，亦不能散发机械能只能将机械能转化为形变能储存起来。

在玻璃化转变区内，高分子链段是由完全冻结状态向自由运动状态转变的过程，在外力作用下，软硬链段发生摩擦，从而将一部分机械能转化为热能耗散掉，因而有较好的阻尼性能。

从高分子固有的粘弹性来看，高分子由长的、柔软的卷曲和互相纠缠的分子组成，直径/长度 =1/100000。

分子间除了相互纠缠外，还有化学耦合，因而减少和阻止分子间的真正流动，使其呈现出类似液体的粘性。

在高分子材料承受外力时，一方面使卷曲的分子链段拉伸，另一方面会使分子与分子之间发生滑移。

当外力消失后，被拉伸的部分恢复原位，还原外力所做的功，而分子之间的链段滑移就在粘性的影响下不能完全恢复，这部分功将遵循能量守恒定律以热能的形式耗散掉。

在Tg以下，高分子链段是坚硬的玻璃态，分子间链段的滑移极少。

在Tg以上的高弹态，链段间的滑移绝大部分都可恢复。

唯在玻璃化转变区域内，分子间的链段不可逆滑移增大，故高分子材料在Tg附近的阻尼性能较好。

综上可知，要达到制备宽温域高阻尼强度的聚氨酯阻尼材料，就要增大分子间滑移时的摩擦，使其在受到外力的影响下，能量以更多的热能的形式耗散掉，同时混合各种不同Tg阻尼材料的共混，提高其温域，从而制备高性能聚氨酯阻尼材料。

三聚氨酯阻尼材料的制备由于聚氨酯的结构与性能可设计性很强，其也被称为可缝合的材料。

根据制备方式的不同，可分为：共聚型聚氨酯基阻尼材料、共混型聚氨酯基阻尼材料、互穿网络型聚氨酯基阻尼材料、结构阻尼型聚氨酯基阻尼材料等几类。

3.1 共聚型共聚型聚氨酯基阻尼材料是指通过化学反应，将聚氨酯基体与另一种单体进行反应聚合，得到含有2种重复单元的聚合物。

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 种。

3.1.1 嵌段共聚聚氨酯基阻尼材料在聚氨酯线性主链上引入另一种单体或聚合物，从而达到改变聚合物分子结构和改性的目的。

其优点是反应较为简单，生产效率高，不足之处在于不能有效控制嵌段共聚物中嵌段的长度，嵌段的长度将会影响相分离、混合的程度，对材料的性能有很大影响。

所以，能否在嵌段聚合中有效地控制嵌段长度尤为重要。

在嵌段型聚氨酯基阻尼材料的制备研究过程中，原料的选择和配方的设计直接决定着材料的最终性能，同时各种新原料的不断涌现也为研究人员提供了更多的思路和选择。

3.1.2 接枝共聚聚氨酯基阻尼材料运用化学接枝的方法，将第二种单体或聚合物连到聚氨酯链上，是制备聚氨酯基阻尼材料的另一种方法。

这种方法的优点在于制备得到的材料是单一的材料，无相分离等缺陷的存在，但反应过程较复杂，控制难度较高。

3.2 共混型采用机械共混的方式，将聚氨酯与其他半相容而玻璃化温度有一定差异的聚合物混合，或将聚氨酯与具有不同玻璃化温度的其他聚合物通过适当的增容剂混合，使两者之间的玻璃化转变区的凹谷上升为平坦区，呈现单一组分的特性，是制备具有满意阻尼性能的聚氨酯基复合材料的有效手段和研究热点之一。

谢刚等人使利用双螺杆挤出机以熔融共混的方式对聚甲醛(POM)增韧改性，并对POM/TPU共混体系的力学性能、流动性能和形态结构进行了测试分析。

研究表明，随着聚氨酯弹性体用量的增加，共混体系的冲击强度和断裂伸长率增大，韧性变大，但拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量和硬度下降，刚性变差。

另外，还可通过添加填料的方式提高和增加聚氨酯材料的阻尼性能。

根据对聚合物材料阻尼机制的研究表明，聚合物分子链与填料粒子的擦以及填料粒子之间的摩擦，都将会对聚合物材料阻尼性能产生较大影响。

一般情况下，填料能使聚合物材料的玻璃化转变温度略微上升，阻尼峰半宽温度略有增加。

赖强等人把经过硅烷偶联剂表面处理的纳米二氧化硅加入到浇注型聚氨酯反应体系中，制备了纳米二氧化硅增强的聚氨酯弹性体，并研究了纳米二氧化硅的分散情况，弹性体的力学性能、耐热性能和阻尼性能。

结果表明，纳米二氧化硅颗粒可以较均匀地分散到聚氨酯基体中，从而提高材料的力学性能、耐热性能和阻尼性能。

3.3 互穿网络型互穿网络是20世纪70年代发展起来的一类新型多相高聚物体系，它是指由 2 种或 2 种以上的交联聚合物相互贯穿而形成的聚合物网络，是聚合物改性的一个新领域。

由于交联网络之间的相互贯穿、缠结而产生强迫互熔和协同效应，使得IPN材料具有宏观上的不分相和微观上的相分离特点，以致在很宽的温度范围内都具有阻尼能力，从而为制备高性能的阻尼材料提供了一种有效手段。

根据原料的不同，聚氨酯基互穿网络体系主要有聚氨酯/乙烯基树脂和聚氨酯/环氧树脂两大体系，目前研究的重点已经由单一的两组分体系向多组分体系方向发展。

3.4 结构阻尼型通过结构设计，将聚氨酯基材料与其他材料(主要是金属材料)构成复合材料，利用受限的聚合物层提供剪切变形，将机械能转化为热能，也可以达到提高材料阻尼性能的目的。

朱锡等人选用纤维复合材料与聚氨酯阻尼材料组成的三明治夹芯结构作为复合舵壳，利用有限元方法分析了这种舵壳复合材料在流体压力作用下的应力和变形，以及在瞬态载荷作用下舵壳的振动响应。

研究表明，采用碳/玻璃纤维混杂复合材料与聚氨酯阻尼吸声材料组成的夹芯结构，可以代替钢板使得舵的综合性能大大改善，从而降低舵的整体振动噪声，提高整体声隐身能力。

杨雪等人制备了不同类型的多层黏弹性阻尼复合结构，并研究了结构与材料阻尼性能之间的关系，结果表明，多层黏弹弱约束阻尼复合结构的阻尼性能明显优于多层黏弹自由阻尼复合结构。

四影响聚氨酯基阻尼性能的因素4.1 分子结构结构是决定材料性能的根本因素，因此研究各种分子结构对聚氨酯阻尼材料的影响是提高其性能的根本途径。

胡聪等人将抗氧剂 245 羧基化，得到具有一定反应活性的受阻酚基团，通过与多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)反应，合成了带、受阻酚侧链的多异氰酸酯，并最终制备得到了受阻酚型聚氨酯阻尼材料，讨论了羧基受阻酚含量、抗氧剂以及异氰酸根/羟基摩尔比对聚氨酯材料阻尼性能的影响。

结果表明，引入羧基受阻酚基团，对聚氨酯材料阻尼性能有较大的提高，阻尼因子值从 0.32 提升到了 0.60，阻尼因子＞0.30的阻尼温域从不足 20℃拓宽到了接近 80℃。

宋颖薇等人在以甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、聚四氢呋喃醚二醇和蓖麻油为原料的聚氨酯体系中引入含有悬挂链的二元醇为扩链剂，研究了硬段及交联剂的种类和配比对聚氨酯材料阻尼性能的影响。

结果表明，悬挂链结构二元醇扩链剂的加入，材料在玻璃化转变温度以后，阻尼因子随温度的升高再次上升，并可以保持一个较大的平台区，且阻尼因子＞0.40，大大提高了阻尼能耗区的面积，阻尼因子＞0.35 的温域范围最大可达 100℃，从而有效提高了聚氨酯材料在玻璃化转变温度后的阻尼因子，显著改善了其阻尼性能。

4.2 工艺条件在关注分子结构的同时，不同的制备工艺对聚氨酯材料阻尼性能也有非常明显的影响。

陈焕江等人比较了2种不同的动态硫化混炼方法对热塑性聚氨酯弹性体/乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(TPU/EVM)共混体系的影响，探讨了密炼室转子转速和混炼温度对动态硫化共混物性能的影响，通过微观结构分析表明，动态硫化后的共混体系力学性能明显优于未硫化体系，提高了柔性链的模量和弹性；同时通过2种不同硫化法制备得到的共混物性能相比较，确定在转速为30 r/min和混炼温度为150℃的工艺条件下，材料中两相明显呈现互锁结构，相畴较小且均匀，综合力学性能最优。

刘宇等人采用物理共混法制得了苯基硅橡胶与不同比例聚氨酯的共混胶，分析了其力学性能和形态结构，研究表明随着聚氨酯在复合体系中质量分数的增加，材料的力学性能增大，阻尼因子升高，有效阻尼温域加宽。

随着苯基摩尔分数的增加，共混胶的弹性模量增大，损耗角正切变大，玻璃化转变温度向高温方向移动，并形成了海岛结构。

五聚氨酯阻尼材料性能的提高1 无机填料提高聚氨酯阻尼性能无机填料有助于提高聚氨酯弹性体的阻尼性能和弹性模量。

常用的无机填料有：锰粉、硫酸钡、滑石粉、云母粉等。

不同的填料对浇注型聚氨酯弹性体的影响也不完全相同，如玻璃纤维有利于提高材料阻尼性能和力学性能，特殊结构的玻璃纤维(如短玻纤维)对提高材料的力学性能尤为明显，起到增强作用。

黄微波等研究认为片状云母、石墨可提高弹性体的弹性量，而非片状材料则作用不大。

特定填料可提高聚氨酯材料某些特殊性能，但在实际浇注型聚氨酯弹性体的生产过程中，特别是对于一些大型阻尼制品，需要用聚氨酯专用的浇注机器来生产，如何将填料加入到体系中，使其均匀分散成稳定的一个组分是一个非常关键的问题。

利用填料来提高阻尼性能的浇注型聚氨酯弹性体仅对质量较轻且要求不高的手工操作的制品适合(填料可以加入到扩链剂或预聚体组分中直接搅拌混合)，对质量要求较高或大型制品就困难得多，这也是限制该项技术广泛应用的缺点之一。

2 用IPN技术提高聚氨酯阻尼性能IPN 技术是另一种可以有效提高浇注型聚氨酯阻尼材料阻尼性能的方法。