CN102634187B - 压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料及其制备方法。将质量比为2∶1的接枝型聚氨酯基体中的主链基体与支链基体的混合物、占所述混合物20～70wt％得压电陶瓷粒子、占所述混合物0.5～1.5wt％的导电粒子以及交联剂三羟甲基丙烷混合均匀，且主链基体中的-NCO与交联剂的-OH的摩尔比为1∶1.2，于100℃固化得到压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料。本发明的阻尼材料的损耗因子(tanδ)峰值达1.0左右，且在较宽温度范围内达到0.3以上。制备工艺简单，价格低廉，阻尼性能较好。可作为阻尼降噪材料应用于船舶、海洋、交通运输、大型机械等领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种阻尼材料，本发明也涉及一种阻尼材料的制备方法。具体地说涉及一种压电-导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料及其制备方法。
背景技术
机械振动广泛存在于动力系统。阻尼是减振降噪技术中有效控制振动和噪声的方法之一，它将振动机械能转化为热能耗散掉，从而达到减振降噪的目的。因此阻尼材料是阻尼减振技术的重要组成部分，一直是该领域的研究热点。
近几年来，智能型阻尼材料引起了人们广泛的关注。其阻尼机理主要由三部分组成：第一，聚合物分子链段之间的摩擦消耗能量；第二，固体填料与聚合物分子链之间摩擦消耗能量；第三，压电粒子在基体材料中将振动能转化为电能，再通过导电粒子将电能转化为热能耗散掉，该种方法不仅仅依靠高分子的粘弹阻尼机理，同时引入了压电-导电阻尼机理，可制得宽阻尼温域，高损耗因子的阻尼材料。
目前关于压电-导电型阻尼材料的公开报道较多，例如：中国专利公开号为CN101392090、CN101323697、日本专利公开号为JP2002069424(A)等均公开了环氧树脂基压电导电阻尼材料，环氧树脂虽然高温性能优异，但不适用于低温环境，且韧性也不够理想；而中国专利公开号为CN1376734公开了用聚偏二氟乙烯作基体材料，压电陶瓷作为压电材料、导电炭黑作为导电材料的阻尼减振复合材料，且具有良好的阻尼性能。而聚氨酯弹性体作为阻尼降噪材料近年来广泛应用于船舶、海洋、交通运输、大型机械、建筑等领域，但以聚氨酯为基体制备的压电-导电阻尼材料还没有公开报道过。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有宽温域、高阻尼性能的压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料。本发明的目的还在于提供一种压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料中含有接枝型聚氨酯基体中的主链基体、支链基体，压电陶瓷粒子，导电粒子和交联剂；主链基体与支链基体的质量比为2∶1；压电陶瓷粒子的含量为接枝型聚氨酯基体中的主链基体和支链基体重量的20～70％；导电粒子的含量为接枝型聚氨酯基体中的主链基体和支链基体重量的0.5～1.5％；并且主链基体中的-NCO与交联剂中-OH的摩尔比为1∶1.2。
所述接枝型聚氨酯基体中的主链基体是将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡后与二异氰酸酯以摩尔比为1∶2.7混合均匀，在80℃状态下反应制得的。
所述接枝型聚氨酯基体中的支链基体是先将聚醚二醇真空加热除去水分和气泡后与二异氰酸酯以摩尔比为1∶2.1于80℃下反应，然后再用正丁醇以n(-NCO)∶n(-OH)＝2∶1于70℃下反应制得的。
所述的压电陶瓷粒子为锆钛酸铅(PZT)，导电粒子为经硫酸酸化的多壁碳纳米管(MWCNT-COOH)。
所述的交联剂为三羟甲基丙烷(TMP)。
本发明的压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料的制备方法包括以下步骤：
1)制备接枝型聚氨酯基体中的主链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1∶2.7，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，反应完成后室温放置即得到主链聚氨酯基体；
2)制备接枝型聚氨酯基体中的支链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1∶2.1，冷却至室温后，再用正丁醇以n(-NCO)∶n(-OH)＝2∶1于70℃下反应2 h即得到支链聚氨酯基体；
3)将质量比为2∶1的主链基体与支链基体的混合物、占所述混合物20～70wt％得压电陶瓷粒子、占所述混合物0.5～1.5wt％的导电粒子以及交联剂三羟甲基丙烷混合均匀，且主链基体中的-NCO与交联剂的-OH的摩尔比为1∶1.2，于100℃固化得到压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料。
所述的聚醚二醇是聚氧化丙烯二醇，所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯。
所述的压电陶瓷粒子为锆钛酸铅(PZT)，导电粒子为经硫酸酸化的多壁碳纳米管(MWCNT-COOH)。
所述经硫酸酸化的多壁碳纳米管的酸化处理方法为：将多壁碳纳米管混入体积比为3∶1的硫酸及浓硝酸的混合液中，超声处理0.5小时，在60℃下冷凝回流1小时，水冲洗后与70℃下烘干。
本发明的有益效果在于该阻尼材料的损耗因子(tanδ)峰值达1.0左右，且在较宽温度范围内达到0.3以上。制备工艺简单，价格低廉，阻尼性能较好。本发明的方法所得到的阻尼材料可作为阻尼降噪材料应用于船舶、海洋、交通运输、大型机械等领域。
附图说明
图1为不同导电粒子加入量同储能模量的变化关系图，横轴为温度曲线，纵轴为储能模量。
图2为不同导电粒子加入量同损耗因子的变化关系图，横轴为温度曲线，纵轴为损耗因子。
具体实施方式
本发明的压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料的基本制备方法为：
1)制备接枝型聚氨酯基体中的主链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1∶2.7，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，反应完成后室温放置即得到主链聚氨酯基体；所述的聚醚二醇是聚氧化丙烯二醇，所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯；
2)制备接枝型聚氨酯基体中的支链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1∶2.1，冷却至室温后，再用正丁醇以n(-NCO)∶n(-OH)＝2∶1于70℃下反应2h即得到支链聚氨酯基体；
3)将质量比为2∶1的主链基体与支链基体的混合物、占所述混合物20～70wt％得压电陶瓷粒子、占所述混合物0.5～1.5wt％的导电粒子以及交联剂三羟甲基丙烷混合均匀，且主链基体中的-NCO与交联剂的-OH的摩尔比为1∶1.2，于100℃固化得到压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料；所述的压电陶瓷粒子为锆钛酸铅(PZT)，导电粒子为经硫酸酸化的多壁碳纳米管(MWCNT-COOH)；所述经硫酸酸化的多壁碳纳米管的酸化处理方法为：将多壁碳纳米管混入体积比为3∶1的硫酸及浓硝酸的混合液中，超声处理0.5小时，在60℃下冷凝回流1小时，水冲洗后与70℃下烘干。
本发明的压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料的进一步优化制备方法为：
1)制备接枝型聚氨酯基体中的主链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1∶2.7，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，反应完成后室温放置即得到主链聚氨酯基体；所述的聚醚二醇是聚氧化丙烯二醇，所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯；
2)制备接枝型聚氨酯基体中的支链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1∶2.1，冷却至室温后，再用正丁醇以n(-NCO)∶n(-OH)＝2∶1于70℃下反应2h即得到支链聚氨酯基体；
3)将质量比为2∶1的主链基体与支链基体的混合物、占所述混合物40～50wt％得压电陶瓷粒子、占所述混合物0.8～1.0wt％的导电粒子以及交联剂三羟甲基丙烷混合均匀，且主链基体中的-NCO与交联剂的-OH的摩尔比为1∶1.2，于100℃固化得到压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料；所述的压电陶瓷粒子为锆钛酸铅(PZT)，导电粒子为经硫酸酸化的多壁碳纳米管(MWCNT-COOH)；所述经硫酸酸化的多壁碳纳米管的酸化处理方法为：将多壁碳纳米管混入体积比为3∶1的硫酸及浓硝酸的混合液中，超声处理0.5小时，在60℃下冷凝回流1小时，水冲洗后与70℃下烘干。
下面举例对本发明做更详细地描述：
下面是用于实施例的材料：
甲苯二异制氰酸酯(TDI)：天津市科密欧化学试剂公司
聚氧化丙烯二醇(PPG)：天津市第三石油化工厂
三羟甲基丙烷(TMP)：天津市博迪化工有限公司
压电陶瓷(PZT)：淄博百灵功能陶瓷有限公司：
多壁碳纳米管(MWCNT)：清华大学化工系
实施例1：
1)合成主链聚氨酯基体：在装有真空装置的三口烧瓶中加入聚氧化丙烯二醇PPG634.67g，于110℃保持抽真空1.5～2h以去除聚氧化丙烯二醇中的水分，后停止抽真空并降温至50℃左右，然后在实验装置中加入80.57g甲苯二异氰酸酯TDI，，其与PPG的摩尔比为2.7∶1，缓慢升温至80℃并反应3h，达到淡黄色透明粘稠液体，室温放置12h备用。
2)合成支链聚氨酯基体：在装有真空装置的三口烧瓶中加入聚氧化丙烯二醇PPG 184.76g，于110℃保持抽真空1.5～2h以去除聚氧化丙烯二醇中的水分，后停止抽真空并降温至50℃左右，然后在实验装置中加入34.26g甲苯二异氰酸酯TDI，，其与PPG的摩尔比为2.1∶1，缓慢升温至80℃并反应3h，达到淡黄色透明粘稠液体，室温放置12h备用。然后再用正丁醇以n(-NCO)∶n(-OH)＝2∶1于70℃下反应1.5h制得该支链聚氨酯基体。
3)压电-导电接枝型聚氨酯复合阻尼材料的制备：一次准确称量30g主链聚氨酯基体、15g支链聚氨酯基体、22.5g压电陶瓷充分混合均匀，后在85℃下于真空干燥箱中去除气泡及水分。然后加入2.33g已熔化的三羟甲基丙烷，搅拌均匀，脱出气泡后在100℃下固化得到聚氨酯复合阻尼材料。
图1中的曲线a为所制得的阻尼材料的储能模量对温度的曲线。
图2中的曲线a为所制得的阻尼材料的损耗因子对温度的曲线。
实施例2
1)重复实施例1中的1)步骤。
2)重复实施例2中的2)步骤。
3)压电-导电接枝型聚氨酯复合阻尼材料的制备：一次准确称量30g主链聚氨酯基体、15g支链聚氨酯基体、22.5g压电陶瓷、0.23g多壁碳纳米管，充分混合均匀，后在85℃下于真空干燥箱中去除气泡及水分。然后加入2.33g已熔化的三羟甲基丙烷，搅拌均匀，脱出气泡后在100℃下固化得到聚氨酯复合阻尼材料。
图1中的曲线b为所制得的阻尼材料的储能模量对温度的曲线。
图2中的曲线b为所制得的阻尼材料的损耗因子对温度的曲线。
实施例3
1)重复实施例1中的1)步骤。
2)重复实施例2中的2)步骤。
3)压电-导电接枝型聚氨酯复合阻尼材料的制备：一次准确称量30g主链聚氨酯基体、15g支链聚氨酯基体、22.5g压电陶瓷、0.36g多壁碳纳米管，充分混合均匀，后在85℃下于真空干燥箱中去除气泡及水分。然后加入2.33g已熔化的三羟甲基丙烷，搅拌均匀，脱出气泡后在100℃下固化得到聚氨酯复合阻尼材料。
图1中的曲线c为所制得的阻尼材料的储能模量对温度的曲线。
图2中的曲线c为所制得的阻尼材料的损耗因子对温度的曲线。
实施例4
1)重复实施例1中的1)步骤。
2)重复实施例2中的2)步骤。
3)压电-导电接枝型聚氨酯复合阻尼材料的制备：一次准确称量30g主链聚氨酯基体、15g支链聚氨酯基体、22.5g压电陶瓷、0.45g多壁碳纳米管，充分混合均匀，后在85℃下于真空干燥箱中去除气泡及水分。然后加入2.33g已熔化的三羟甲基丙烷，搅拌均匀，脱出气泡后在100℃下固化得到聚氨酯复合阻尼材料。
图1中的曲线d为所制得的阻尼材料的储能模量对温度的曲线。
图2中的曲线d为所制得的阻尼材料的损耗因子对温度的曲线。
实施例5
1)重复实施例1中的1)步骤。
2)重复实施例2中的2)步骤。
3)压电-导电接枝型聚氨酯复合阻尼材料的制备：一次准确称量30g主链聚氨酯基体、15g支链聚氨酯基体、22.5g压电陶瓷、0.675g多壁碳纳米管，充分混合均匀，后在85℃下于真空干燥箱中去除气泡及水分。然后加入2.33g已熔化的三羟甲基丙烷，搅拌均匀，脱出气泡后在100℃下固化得到聚氨酯复合阻尼材料。
图1中的曲线e为所制得的阻尼材料的储能模量对温度的曲线。
图2中的曲线e为所制得的阻尼材料的损耗因子对温度的曲线。
Claims (4)
1.一种压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料，其特征是：含有接枝型聚氨酯基体中的主链基体、支链基体，压电陶瓷粒子，导电粒子和交联剂；主链基体与支链基体的质量比为2:1；压电陶瓷粒子的含量为接枝型聚氨酯基体中的主链基体和支链基体重量的20～70%；导电粒子的含量为接枝型聚氨酯基体中的主链基体和支链基体重量的0.5～1.5%；并且主链基体中的-NCO与交联剂中-OH的摩尔比为1:1.2；
所述接枝型聚氨酯基体中的主链基体是将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡后与二异氰酸酯以摩尔比为1:2.7混合均匀，在80℃状态下反应制得的；
所述接枝型聚氨酯基体中的支链基体是先将聚醚二醇真空加热除去水分和气泡后与二异氰酸酯以摩尔比为1:2.1于80℃下反应，然后再用正丁醇以n(-NCO):n(-OH)=2:1于70℃下反应制得的；
所述的压电陶瓷粒子为锆钛酸铅，导电粒子为经硫酸酸化的多壁碳纳米管；所述的交联剂为三羟甲基丙烷。
2.一种压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1）制备接枝型聚氨酯基体中的主链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1:2.7，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，反应完成后室温放置即得到主链聚氨酯基体；
2）制备接枝型聚氨酯基体中的支链基体：将聚醚二醇真空加热去除水分和气泡，然后加入二异氰酸酯，搅拌均匀，缓慢升温到反应温度75～85℃，反应2.5～3h，且聚醚二醇与二异氰酸酯的摩尔比为1:2.1，冷却至室温后，再用正丁醇以n(-NCO):n(-OH)=2:1于70℃下反应2h即得到支链聚氨酯基体；
3）将质量比为2:1的主链基体与支链基体的混合物、占所述混合物20～70wt%的压电陶瓷粒子、占所述混合物0.5～1.5wt%的导电粒子以及交联剂三羟甲基丙烷混合均匀，且主链基体中的-NCO与交联剂的-OH的摩尔比为1:1.2，于100℃固化得到压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料；所述的压电陶瓷粒子为锆钛酸铅，导电粒子为经硫酸酸化的多壁碳纳米管。
3.根据权利要求2所述的压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料的制备方法，其特征是：所述的聚醚二醇是聚氧化丙烯二醇，所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯。
4.根据权利要求3所述的压电与导电接枝型聚氨酯基复合阻尼材料的制备方法，其特征是：所述经硫酸酸化的多壁碳纳米管的酸化处理方法为：将多壁碳纳米管混入体积比为3:1的硫酸及浓硝酸的混合液中，超声处理0.5小时，在60℃下冷凝回流1小时，水冲洗后于70℃下烘干。
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