填料對(duì)水性阻尼涂料性能的影響
時(shí)間:2014-01-18 09:54來(lái)源:株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司 作者:胡釗,類(lèi)成林,楊濤
為了降低車(chē)輛在行駛過(guò)程中因振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，提高車(chē)輛的乘坐舒適性和保溫性，在噴涂底漆之后，一般在門(mén)板、頂蓋、側(cè)壁板和發(fā)動(dòng)機(jī)罩等內(nèi)表面和地板的上表面涂飾隔聲阻尼涂料。隔聲阻尼涂料具有減弱振動(dòng)、降低噪聲的功能［1］。根據(jù)使用對(duì)象及使用環(huán)境的需要，阻尼涂料往往具有一定的阻尼、隔熱、隔聲等功能。其基本原理是利用高分子材料所具有的粘彈性能，吸收振動(dòng)源的一部分振動(dòng)能，再以“熱”的形式釋放出去，即發(fā)生所謂的力學(xué)損耗，以達(dá)到抑制振動(dòng)、降低噪聲的目的。在阻尼涂料中，填料起著重要作用，不同填料對(duì)涂料的阻尼性能和隔聲性能有不同影響，本研究就云母粉、白炭黑、玻璃微珠等幾種不同填料對(duì)阻尼涂料的阻尼性能和隔聲性能的影響進(jìn)行了研究。
1 實(shí)驗(yàn)
1. 1 試樣制備
選用苯丙乳液和純丙乳液的共混物作為基料，并按一定比例添加填料、去離子水和助劑，攪拌均勻得到水性阻尼涂料，然后按GB/T 1727—1992 制備涂層，待涂層干燥后用裁刀裁成測(cè)試要求尺寸的樣品。
1. 2 性能測(cè)試
采用美國(guó)Rheometric Scientific TM 公司生產(chǎn)的DMTA －Ⅳ型動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)性能( DMTA) 測(cè)試，升溫速率為3 ℃ /min; 頻率為10 Hz，試樣尺寸為( 24 ± 0. 2) mm × ( 6± 0. 2) mm × ( 2 ± 0. 2) mm，測(cè)試溫度范圍為－ 40 ～ 80 ℃。采用丹麥B＆K 公司生產(chǎn)的pulse 系統(tǒng)聲學(xué)材料測(cè)試儀，對(duì)材料進(jìn)行隔聲量測(cè)試，樣品直徑為( 100 ± 0. 2) mm，厚度為( 4 ± 0. 2) mm，在聲頻f = 100 ～ 1 600 Hz范圍內(nèi)測(cè)定隔聲量。
2 結(jié)果與討論
2. 1 材料隔聲機(jī)理
材料對(duì)于聲波的隔聲量包括吸收部分和反射部分，即吸收量或反射量的增加都有助于材料隔聲性能的增加。單層均質(zhì)密實(shí)的隔聲構(gòu)件受聲波作用后，其隔聲性能一般是由構(gòu)件的面密度、隔聲板的勁度、隔聲材料的內(nèi)阻尼、聲波的頻率決定的［2 － 4］。圖1 為單層均質(zhì)構(gòu)件的隔聲頻率曲線，按頻率可分為3個(gè)區(qū)域，即勁度和阻尼控制區(qū)( Ⅰ區(qū)) ，質(zhì)量控制區(qū)( Ⅱ區(qū)) ，吻合效應(yīng)和質(zhì)量控制延續(xù)區(qū)( Ⅲ區(qū)) 。當(dāng)聲波的頻率低于構(gòu)件的共振頻率fn時(shí)，構(gòu)件的振動(dòng)速度反比于比值K/f，其中K 為構(gòu)件的勁度，f 為聲波的頻率，構(gòu)件的隔聲量與勁度成正比，因此，這一頻率范圍稱(chēng)為勁度控制區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，構(gòu)件的隔聲量隨頻率的增加而下降，在共振頻率fn處，隔聲量最小，其主要由阻尼控制。共振頻率fn與構(gòu)件的幾何尺寸、面密度、彎曲勁度和外界條件有關(guān)。一般建筑構(gòu)件( 磚、鋼筋混凝土等構(gòu)件的墻體) ，其共振頻率fn很低，不會(huì)影響隔聲效果，但對(duì)于共振頻率fn較高的隔聲材料，則會(huì)影響隔聲效果。隨著聲波頻率繼續(xù)增加，便進(jìn)入質(zhì)量控制區(qū)，即構(gòu)件的振動(dòng)速度受慣性質(zhì)量的控制。這一區(qū)域內(nèi)，構(gòu)件的面密度越大，其慣性阻尼也越大，也就不易振動(dòng)，隔聲量也越大; 入射聲波頻率越高，隔聲量也越大。聲波頻率再增高，則進(jìn)入吻合效應(yīng)和質(zhì)量控制延續(xù)區(qū)，在此區(qū)的臨界頻率fc處，隔聲量下降，出現(xiàn)吻合效應(yīng)。高分子聚合物通常具有很長(zhǎng)的分子鏈，當(dāng)它受到聲波作用而發(fā)生周期性形變時(shí)由于分子鏈間的摩擦，從而能有效地?fù)p耗一部分聲能［5 － 6］。在高分子聚合物材料中加入適量的填料，可以提高材料的內(nèi)損耗和面密度，從而改進(jìn)材料的隔聲性能。因此，本研究選用幾種不同填料對(duì)水性阻尼涂料的阻尼性能和隔聲性能的影響進(jìn)行了研究。
2. 2 填料種類(lèi)對(duì)隔音阻尼涂料性能的影響
為研究不同種類(lèi)的填料對(duì)水性阻尼涂料性能的影響，選用了重質(zhì)碳酸鈣、云母粉、玻璃微球、白炭黑、二氧化鈦和鋁粉作為填充料，制得阻尼涂料干膜樣品后，進(jìn)行阻尼性能和隔聲性能的測(cè)試。其中重質(zhì)碳酸鈣、云母粉、鋁粉、二氧化鈦、玻璃微球的填充量為乳液基體質(zhì)量的20%，白炭黑為10% ( 因白炭黑在涂料體系中有觸變?cè)龀淼淖饔茫畲筇畛淞坎荒苓_(dá)到20%) ，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2 和圖3。
從圖2 可見(jiàn)，填料的加入對(duì)水性阻尼涂料阻尼性能的影響很明顯，其中加入云母粉的涂料樣品損耗因子峰值最高，加入玻璃微珠的損耗因子峰值最低，而加入白炭黑涂膜的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度向高溫移動(dòng)。從圖3 可見(jiàn)，加入玻璃微珠的涂膜共振頻率fn最低，并且共振頻率處隔聲量最低，加入云母粉、二氧化鈦、鋁粉和重質(zhì)碳酸鈣的涂膜其共振頻率fn和隔聲量接近，而加入白炭黑的涂膜共振頻率fn和共振頻率處的隔聲量最高。分析這種原因是由于云母粉為片狀填料，在外力作用下有取向作用，從而使高分子
樹(shù)脂基體和片狀云母之間的內(nèi)摩擦力增大，損耗因子tanδ 值增大，對(duì)入射聲波的衰減能力增大; 而玻璃微珠由于粒徑較大并且具有微孔結(jié)構(gòu)，其表面與高分子
樹(shù)脂基體結(jié)合不緊密，因而損耗因子tanδ 和面密度m 值較小，涂膜共振頻率fn和共振頻率處的隔聲量低; 而白炭黑由于比表面積大，表面能高，在涂料成膜時(shí)聚結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可大大提高涂膜的強(qiáng)度和致密性，因此隔聲性能較高，但同時(shí)也導(dǎo)致涂膜的損耗因子tanδ 值較低，因此在對(duì)阻尼性能要求不高的情況下，可考慮在水性阻尼涂料中加入少量的白炭黑以提高隔聲性能。
2. 3 填料粒徑和用量對(duì)水性阻尼涂料性能的影響
云母粉是水性阻尼涂料中主要的填料，是一類(lèi)含水鋁硅酸鹽的填料，由它特殊的片層結(jié)構(gòu)，能提高涂料阻尼值，加寬阻尼溫域，提高涂料的模量，它對(duì)阻尼涂料的性能影響很大。為研究云母粒徑和用量對(duì)水性阻尼涂料性能的影響，固定云母粉用量為20%( 相對(duì)乳液基體) ，分別選用100 目、400 目和500 目云母粉作為填料; 選用500 目云母粉，分別采用20%、40%和60%的填充量，然后進(jìn)行阻尼性能和隔聲性能的測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖4 和圖5。
圖4 不同粒徑云母粉對(duì)水性阻尼涂料阻尼性能的影響
圖5 不同粒徑云母粉對(duì)水性阻尼涂料隔聲性能的影響
從圖4 和圖5 可見(jiàn)，隨著云母粒徑的減小，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度變化不明顯，但轉(zhuǎn)變溫度的損耗因子tanδ 值不斷提高，玻璃化轉(zhuǎn)變溫域變窄，特別是在玻璃化轉(zhuǎn)變的低溫段，其損耗因子的數(shù)值下降很明顯; 而隨著云母粒徑的減小，共振頻率fn和共振頻率處的隔聲量均有所提高，這種原因可能是由于粒徑粗的云母粉在阻尼涂料中分散較松散，在低溫下較易移動(dòng)，因此小粒徑云母低溫下?lián)p耗因子值比較大粒徑的要高，隨著溫度升高到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域，較小粒徑的云母粉片層滑動(dòng)起來(lái)的作用力比較大粒徑的要大，所以其損耗因子tanδ 峰值、共振頻率fn和共振頻率處的隔聲量較高。
圖6、圖7 為不同用量云母粉對(duì)水性阻尼涂料性能的影響。
從圖6 和圖7 可見(jiàn)，隨著云母粉用量的增加，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，損耗因子tanδ 值降低，但高溫段的損耗因子受云母用量的提高的影響不大，而隨著云母粉用量的增加，共振頻率fn有所提高，低于共振頻率處的隔聲量有所提高，而共振頻率處的隔聲量相差不大。造成上述現(xiàn)象的原因主要是: 在阻尼涂料中，主要的摩擦耗能是通過(guò)高分子聚合物內(nèi)部鏈段摩擦、高分子鏈段和填料之間的摩擦以及填料與填料之間的摩擦來(lái)貢獻(xiàn)的，而這幾種摩擦貢獻(xiàn)的大小是不一樣的。當(dāng)涂料中使用一定量的云母粉，由于它特殊的片層結(jié)構(gòu)，會(huì)增加填料與高分子鏈段之間的摩擦及填料與填料的摩擦，當(dāng)然也會(huì)因?yàn)樵颇傅募尤虢档土烁叻肿泳酆衔镌谧枘嵬苛现械谋壤?，使高分子鏈段的摩擦降低，所以最后阻尼涂料前兩者引起損耗的增加小于后者引起損耗的降低，因此損耗因子降低，同時(shí)由于填充量增加引起的涂膜面密度的提高，共振頻率有所提高。
3 結(jié)語(yǔ)
( 1) 云母粉作為填料，水性阻尼涂料具有最佳的阻尼性能，白炭黑作為填料，水性阻尼涂料具有最佳的隔聲性能;
( 2) 隨著云母粒徑的減小，損耗因子值提高，共振頻率和共振頻率處的隔聲量有所提高;
( 3) 隨著云母粉用量的增加，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高，損耗因子值降低，共振頻率提高。
