新型高分子阻尼材料的研究

4 阻尼行为的表征
［ ］ / 衡量高分子材料阻尼特性的参数一般有 6 （6 ） 法和 5 （ （* ） 。 * & 7 7 ( * 8 9 : * ; 8 9 : , 4 ( 3 6 * 评价方法 ［ ， ］ " 3 该量取决于体系中单个组分的分子结构 ， 分子主链和直接连在主链上的 6 * 法是与分子特性有关的量， ） 如： 溶剂的极 基团对耗散模量贡献较大。但应用基团贡献分析理论必须注意以下两点： （ 0 6 * 值与链节环境， 性、 内部氢键等可能对 6 值有相当大的影响。 （ ） 对相分离材料， 如： 存在晶区， 将使 值减小。 * ! 6 *
" 高分子阻尼材料
具有高阻尼和适宜的使用温度范围的高分子阻尼材料的制作方法 （物理和化学） 很多， 归纳起来主要有以下 三类： " ! # 共混 用单一高分子材料作为阻尼材料的玻璃化转化区较狭窄， 不适合宽温宽频减振阻尼的使用要求， 为增宽玻璃 化转化区和改变玻璃化温度， 共混是最常用的方法。共混的组分必须是部分互溶的， 部分互溶将使二组分 （或多 组分） 的玻璃化温度产生相对位移和靠近。使二个玻璃化转变区的凹谷上升为平坦区， 呈现单一组分的特性， 另 外共混高分子阻尼材料还具有较宽的有效阻尼范围。有价值的共混聚合物有： 聚苯乙烯—苯乙烯 ／ 丁二烯； 聚氯 乙烯—丙烯晴 ／ 丁二烯和聚氯乙烯—乙烯 ／ 醋酸乙烯酯等。也可以采用共混填料来提高和增宽阻尼值的方法。一 般填料能使高分子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， 某些特殊填料， 如片状石墨和云 ［ ］ 5 母加入后可增加片层与高分子间的摩擦并转化为热， 从而产生很好的阻尼性能 。 " ! ! 共聚 共聚又有接枝和嵌段之分： （ ）接枝共聚： 用化学方法把第二种单体接到另一高聚物主链上。如： 环氧丙烷 ／ 苯乙烯接枝共聚物， 通过聚 ( 环氧丙烷与顺丁烯二酸酐的反应， 制成端乙烯基大分子单体， 再与苯乙烯接枝， 固化即得产物。大分子单体起增 塑剂作用， 含量增加将增加接枝共聚物结构中支链数目， 链与链之间缠结趋于加剧表现出较高的阻尼值。 （ ） 嵌段共聚： 把两种或多种不同链段按着尾 尾或头 ’ 1 1头方式联接在一起。如聚醋酸乙烯酯—丙烯酸酯类 ［ ］ 6 橡胶体系阻尼材料 ， 它是第一成分、 第二成分嵌段共聚而成， 它要求第一成分的玻璃化温度较低并有柔软性的 酯类， 第二成分是少量的高 & ， 有硬性的酯类能使共聚物呈现胶粘性或内聚力， 必要时可加入官能团的单体， 加 $ 强分子链之间的交联， 结果是体系的损耗因子变大， 阻尼性能明显改善。 互串网络系 " ! " 互串网络系可分互串网络 （ ， 同步互串网络 （9 ， 半互串网络 （9 — 7 , 8） 7 8） 7 , 8） （ ） 互串网络 （ ） ： 是 年代发展起来的新型多相高聚物体系， 具有两种以上高聚物网络相互贯穿的 ( 7 , 8 7 , 8 6 * 结构， 因而形成永久性缠结或链结， 从而限制了微区间的相尺寸和相分离。由于两相的混合较广泛而又不完全使 材料在横跨两组分的转变温度之间具有连续平坦、 高的阻尼特性。若以聚甲基丙烯酸乙酯为聚合物"， 以聚丙烯 酸正丁酯为聚合物#， 然而也可以用所有的丙烯酸酯单体， 苯乙烯和其它可形成胶乳的单体， 如果聚合物 # 是合 ［ ］ : 适的弹性体， 那么可以制成好的薄膜。用这个方法可制造许多适合于阻尼噪音和振动的高分子阻尼材料 。又 ［ ］ ; ! ( 3 如国内学者采用乳液聚合方法制成了系列乳胶型的7 。它的特点是将交联的聚合物 " 作为种 , 8 阻尼材料 子， 加入单体#， 交联剂和引发剂， 但不加入新的乳化剂， 使单体 # 在种子乳胶粒表面进行聚合和交联， 从而生成 万方数据 有核—壳结构， 此系列的7 , 8 具有较好的高温阻尼性能和抗蠕变性。
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武汉Βιβλιοθήκη 工业大学
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! 6 6 6年 Q月
（ ） 同步互穿网络 （" ： 预聚物、 线形聚合物、 交联剂等混合形成 ! # $） " # $ 的合成指的是把两种聚合体的单体、 均匀的液体， 然后两种组分独立地互不干扰地同时反应聚合。它可以： （ ） 两种聚合物同时凝胶化。 （ ） 预聚物混 % & ） 在两种聚合物间引入若干数量的接枝点。如最典型的 ， 它是用同时合成网络 合物的顺序聚合。 （ ’ " # $ ! 和交联 一个预制聚合物"制备的。聚合物"是丁基橡胶 （( ， 聚合物!是聚丙烯酸壬酯 （* ， 加入硫化剂， 用过氧化 )） $ +） 苯甲酯引发， 的交联网络是通过链转移到 —氢形成的。用红外光谱来测定凝胶和溶胶部分中 * $ + # * $ +和( ) 的浓度， 没有硫化剂时， 凝胶部分由 ( 在二硝 ) 组成。因此在这些条件下没有发生增长的 * $ + 链几枝到 ( ) 上， 基苯存在时 ( 形成了含有两种组分的互穿网络复合物， 具有良好的阻尼 ) 的硫化与 * $ + 网络的形成同时发生， 性能。又如将高和低 , 的聚氨酯制备的 " 具有较宽广 , 与峰， 制成泡沫， 当噪音以声压波形式接触泡沫结 # $， 构， 在泡沫结构内的声压波部分转化为热能而耗散掉， 而且对所有频率范围都呈现优越的声音吸收功能。 （. ） 半互串网络 （" — ： 在互串网络中仅一种高聚物交联， 而另一种为线形。如： 把在聚氨酯—丙烯酸酯 # * $） ［ ］ / 0 半互串网络 ， 在热塑性聚氨酯 （, ） 中贯穿缠绕有高分子量的丙烯酸酯， 在这个过程中， 可以使—. * 1 2 2 3 与— 以增加两组份分子间的互穿程度， 改变不同的组成和用量， 可以得到一系列不同 $ . 2 基团发生一定程度的反应， 性质的# 高分子阻尼材料。 * $
高分子阻尼减震材料是新发展起来的一种新型材料， 它是利用高分子的高粘性来吸收振动能量， 将吸收的机 械能或声能部分地转变为热能散逸掉， 这样就起到减少振幅或降低振幅的作用。高分子阻尼材料用作吸振材料， 能防止或减轻机械振动对部件的破坏， 已被广泛应用于火箭、 导弹、 人造卫星、 精密机床、 精密仪器以及预防地震 对高层建筑的破坏， 斜拉大桥钢索的颤振保护， 随着现代化工业和航天事业的发展， 高分子阻尼减震材料的应用 将越来越广泛。
3 聚合物的阻尼机理
高分子材料形变性质的重要特征是粘弹性， 高分子材料的阻尼作用机理直接与高聚物的动态力学松弛性质 相关。当高分子材料吸收振动能量时， 将吸收的机械能部分地转变为热能散逸掉， 起到阻尼作用， 高分子材料阻 ［ ］ 0 尼作用大小取决于滞后现象的大小， 高分子阻尼材料的应变滞后于应力 ， 由于滞后现象， 聚合物的拉伸—回缩 ［ ］ ! 。 循环变化均需克服链段间内摩擦阻力而内耗 高聚物在玻璃化转变温度 5 以下为玻璃态区。高聚物在玻璃态时模量很高， 分子几乎不能运动， 因此也就 , 不能散发机械能， 而将能量作为位能贮存， 并不耗损转变成热能， 在高弹态时分子运动很容易， 不能吸收足够的机 械能， 而在很窄的玻璃态转变区内， 聚合物的模量大幅度下降， 并伴随着明显的力学阻尼特性， 这时高聚物具有足 够高的损耗因子 （即转动） ， 能够大量的吸收振动能量。在玻璃态转变区分子基因具有一定的自由度， 能运动 （即 转动） 在一定的频率范围内分子基因能耦合， 并在应变响应中伴随缓慢的相转变， 如果施加的应力产生在这个频 率范围内， 振动能量可以得到耗散。在该区域内的损耗因子直接与能够吸收施加应力的分子基因的数量有关， 并 与应力和应变之间发生的相变有关。当材料处于转变区的频率和温度范围之外， 能量的耗散可以解释为分子的 摩擦、 聚合物长链分子的主链是相互缠结在一起的， 当材料发生应变时， 分子弯曲并滑动。因此耗散了能量， 这种 机理相对来说温度和频率都是比较敏感的， 所以在利用粘弹阻尼材料进行结构阻尼减振设计时， 环境温度和最佳 频率一定不能忽视。虽然某些聚合物具有比较理想的损耗因子， 但是它们自己通常还不能充分显示出来， 或者是 其玻璃态温度转变区极窄。因此不能直接用作阻尼材料， 必须采用物理的或化学的方法， 将它们的性能作进一步 的改变。 近年来发展起来的互串网络高分子材料是具有两种以上高分子网络相互贯穿的结构， 因而形成永久性缠结 式链结， 从而限制了微区间的相尺寸和相分离。由于两项的混合较广泛而又不完全， 使材料在横跨两组份的转变 温度之间具有连续平坦、 高的阻尼特性是当前开发高效阻尼材料最有前途的材料。
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收稿日期： 0 1 1 1 2 0 ! 2 # ! ( 王勇： 男， 讲师； 武汉： 武汉理工大学材料学院 （ ） 0 1 3 .年生， " / # # 4 # ( 万方数据
第’ ’卷
第 2期
王
勇等： 新型高分子阻尼材料的研究
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! ! ! " # 值的确定方法 耗散模量有温度呈曲线关系， 若半对数作图 （" ， 曲线关系转化成线形制图， 这有助于计算积有面积。 %!&） $ 有必要做背景校正和相除来自于测耗散模量的动态粘弹谱的仪器误差。当背 但是在定义曲线 & 包围面积之前， 景值被确定之后， 再将实验耗散与温度函数曲线转化为实际耗散与温度函数的曲线。 判别 " 值主要有以下 # ’种方法： （ ）直线法： 将% 以该极大值点作为起点至 % 接近*+ ( ) !& 曲线求二阶导数得极大值， ) , -那一点作一直线， 直线下包围面积即为 " 值。此法优点是不涉及 因子校正基线所涉及的一些问题。 # . ! $ （ ）积分法： 耗散摸量曲线在所定义温度范围积分。在这种情况下， 温度为变量， 因此对不同阻尼材料， 确定 ’ 温度上、 下限对各自阻尼性质可以做出比较。 在确定 " 究竟采用哪一种方法， 应视具体样品而定， 对某特定的材料， 选用不同确定耗散区的方法， 确 # 时， 定的 " 值亦有所差别。 # ! ! " & # 评价方法 材料的阻尼可以用阻尼因子 " 或损耗因子. ! 表征 $ ／ ／ . ! !" ! " ’ # # !% ) % / $ 即材料振动一周所耗损的振动能 0 （正比于损耗摸量 % ） 与所贮存的最大应变能 （正比于储能损耗摸量 % ） 比 ) # / 1 2 1 3 1 3 1 ( 1 ’ 值的有关因子。常用金属的 " 值( 混凝土和砖( 木林类( 而高分子 * * ! ( * ， * ! ( * ， ! ’ * 4 ( * ， ! * * ( ! 。 主要受玻璃化转变温度范围及第二级松弛转变温度范围的影响。温区越宽， 值越大。因为 、 ( * ! *. ! . ! $%松 $ $ 弛分别来自聚合物直链和侧链集团的运动对那些同时呈现$、 例如， $ 过程要受% 过程的影响， % 松弛的聚合物， 侧链长度增加， 由于空间体积效应， 减少于主链运动阻碍， 侧基的旋转运动促使增塑效应。